超磁致伸缩致动器非线性动力学的分数阶时滞反馈控制

设计了一种分数阶时滞反馈控制器,用于控制单自由度的超磁致伸缩致动器(GMA)的非线性动态响应。考虑到预压碟形弹簧机构引入的几何非线性因素影响,建立了GMA系统的非线性数学模型。利用平均法求解系统在含分数阶时滞反馈控制策略下主共振的幅频响应方程,根据Routh-Hurwitz准则得到系统的稳定性条件。通过数值模拟研究GMA系统中关键结构参数对幅频响应特性的影响,以及主共振峰值和系统稳定性随每个时滞反馈参数变化的特性规律;通过分岔图和Lyapunov指数图得到外激励幅值对系统混沌运动的影响;最后调节时滞反馈增益和分数阶次抑制系统的混沌运动。结果表明,时滞反馈增益和分数阶次能够有效抑制系统的主共振峰值和不稳定区域,可以将系统响应从混沌运动调整为稳定的周期运动,提高系统的稳定性。

超磁致伸缩材料作动器的研制及特性分析

采用自制的TbDyFe超磁致伸缩材料设计并制作了主动振动控制用超磁致伸缩作动器 ,并对其偏置磁场、激励磁场、静态特性、动态特性和主动控制减振效果进行了测试和分析。研究结果表明 ,作动器工作应变在TbDyFe材料的线性区 ,其总伸缩量可达 70 μm。低频动态特性好 ,谐频影响小。在自适应滤波控制方式下使用该作动器对正弦振动进行主动控制减振 ,减振效果达到 30dB。磁场均匀性对作动器输出特性有明显影响 ,采用Ansys有限元软件精确设计作动器激励磁场 。

超磁致伸缩作动器的结构分析

从力学和磁学两方面分析了超磁致伸缩作动器内部结构形式对作动器特性的影响,重点研究了永磁铁式偏置磁场的不同结构形式以及作动器外壳材料对作动器的输出性能及作动器轴向刚度的影响.研究结果表明,环套式永磁铁的结构形式不可避免地在作动器外围产生较大磁场;分段式永磁铁的结构形式,采用钢制外壳时可避免漏磁;但是在芯棒区域的磁场与理想均匀磁场的差异将给作动器的输出位移带来较大损失,对作动器的刚度也会产生不可忽略的影响,二者在设计中必须考虑.在结构分析的同时,基于超磁致伸缩材料的特性提出了磁场与刚度相关联的设计理念,可为超磁致伸缩作动器的结构设计提供参考.

基于模糊树的Hammerstein-like模型对超磁致伸缩作动器的建模与控制

基于模糊树提出一种带有动态非线性环节的Hammerstein-like建模方法以描述超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性特性。所提方法能在一定频率范围内建立一个统一模型,使之不仅能较好地描述单一频率输入信号下的迟滞环,也能较好地描述复合频率输入信号下的迟滞环。同时,基于所提Hammerstein-like模型,设计前馈逆补偿+PID反馈控制策略,实现参考输入信号的跟踪实验,实验结果表明,该控制策略能较好地跟踪频率范围为1～150 Hz的参考输入信号,跟踪精度令人满意,满足工程要求。

超磁致伸缩作动器磁路优化设计

为改善磁路环境,提高超磁致伸缩材料(GMM)的工作性能,在分析超磁致伸缩作动器(GMA)工作原理及GMM特性的基础上提出以减小磁漏、增大磁场强度和提高磁场强度均匀性为设计原则,将GMM棒中轴线上的磁场强度作为评价标准.基于ansoft maxwell对磁路进行电磁学有限元分析,得出磁路中的关键部件导磁端盖和导磁片的结构参数对磁场强度大小和均匀性的影响规律,结合高斯磁通理论分析产生这种现象的原因,在此基础上对结构参数进行设计优化.实验结果显示结构参数优化后GMM棒中轴线上的最大磁场强由55.4 k A/m增大到70.35 k A/m,增幅为26.98%,磁场均匀率由44.22%增大到99.5%.研究表明:导磁端盖主要用来减小磁漏、提高磁场强度且过大或过小的直径和厚度都将会导致漏磁增多,U型导磁片主要用来改善磁路环境、提高磁场强度的均匀性.

超磁致伸缩作动器有限元建模与磁场分析

超磁致伸缩作动器(GMA)是一种新型的振动控制驱动器件,其内部磁场比较复杂。通过建立GMA的有限元模型,分析GMA内部磁路的开闭路对超磁致伸缩材料(GMM)棒磁场的影响,对GMA的导磁上下盖、导磁内壁和导磁体所用材料进行参数优化设计。根据优化的参数制造GMA,采用高斯计测量GMM棒外径轴向磁场分布。研究表明,GMA磁场分布的有限元分析与实验结果一致,GMM棒轴向磁场强度满足设计要求,磁场均匀性较好。

超磁致伸缩作动器的率相关振动控制实验研究

以Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器（Giant Magnetostrictive Actuators,GMA）的率相关迟滞非线性进行建模,其中改进的PI（Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI）模型和外因输入自回归模型（Autoregressive Model with Exogenous Input,ARX）分别表示模型的静态非线性部分和线性动态部分。在所建模型的基础上,提出了一种H∞鲁棒振动控制方法。GMA单自由度主动隔振平台的减振控制实验结果表明：H∞鲁棒振动控制方法可以在1个振动周期内,将频率范围为1-100 Hz的振动衰减88%-92%;而基于双滤波器的自适应滤波x-LMS算法收敛时间近似于1 s,在40-100 Hz的频率范围内可将振动衰减90%-92%,而在10-30 Hz的频率范围内只能将振动衰减43%-74%。因此所提出的H∞鲁棒振动控制方法收敛速度更快,控制频带更宽,而且不需要对不同频率激励下的控制通道进行重复建模。

基于CMAC小脑神经网络的超磁致伸缩作动器高精度控制的仿真研究

为了补偿超磁致伸缩作动器(GMA)内在的滞回非线性提高其精度,将小脑神经网络(CMAC)前馈和PID反馈控制器相结合,提出了一种实时滞回补偿控制策略,以期实现GMA的高精度跟踪控制。由于CMAC神经网络不能够直接逼近滞回逆这种具有记忆性的多映射现象,通过引入一个滞回逆算子,将多映射的滞回逆转换成一一映射,然后运用CMAC神经网络控制器来逼近这个一一映射,从而建立一个基于CMAC神经网络的滞回逆模型。仿真结果表明该控制策略能适应GMA滞回特性随输入信号的变化,在线建立GMA的滞回逆模型,从而消除滞回非线性的影响,实现GMA的高精度控制。

大功率超磁致伸缩作动器的仿真与试验

分析了结构参数对大功率超磁致伸缩作动器动态性能的影响。为了提高作动器的动态性能,其驱动线圈采用减少匝数、增加线径、大电流驱动的设计方案;选取了超磁致伸缩材料(GMM)棒最佳的预压应力和磁场强度,计算确定了GMM棒的几何参数;建立了以牛顿第二定律为基础的作动器阶跃响应、参数变化的模型,利用MATLAB对其进行了仿真分析。结果表明,GMM棒长度和直径、负载端质量对作动器力和位移输出有重要影响。研究结果可为超磁致伸缩作动器的结构优化与设计提供参考。

超磁致伸缩作动器的率相关Hammerstein模型与H∞鲁棒跟踪控制

利用Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器(Giant magnetostrictive actuators,GMA)的率相关迟滞非线性进行建模,分别以改进的Prandtl-Ishlinskii(Modified Prandtl-Ishlinskii)模型和外因输入自回归模型(Autoregressive model with exogenous input,ARX)代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1～100Hz频率范围内较好地描述GMA的率相关迟滞非线性.提出了带有逆补偿器和H∞鲁棒控制器的二自由度跟踪控制策略,实时跟踪控制实验结果证明了所提策略的有效性.

用于超磁致伸缩作动器的一种改进的控制方法

为提高对超磁致伸缩作动器的控制精度,在基于Preisach模型前馈补偿的PID控制基础上,提出了一种基于Preisach模型前馈补偿的模糊PID控制方法.采用dSpace实时仿真系统搭建超磁致伸缩作动器的实时控制实验平台.利用研制的超磁致伸缩作动器测试了基于Preisach模型前馈补偿的模糊PID控制与PID控制方法下对方波信号和混合信号的轨迹追踪能力.两种控制方法下的实时控制效果对比分析表明,基于Preisach模型前馈补偿的模糊PID控制比常规PID控制具有更好的控制效果,从而验证了该方法的有效性.

基于Hammerstein-like模型的超磁致伸缩作动器建模与控制

超磁致伸缩作动器的率相关迟滞非线性成为其在工程应用中的一大阻碍因素.通过使用特殊建模激励信号,基于最小二乘支持向量机建立了一定频率范围内的统一率相关Hammerstein-like迟滞非线性模型,该模型能够保证其建模频率范围内单频和复合频率的模型泛化性.在此模型基础上,设计了前馈逆补偿与PID(Proportional-Integral-Derivative)反馈控制相结合的复合控制策略,针对一定频率范围内的所有单频和复合频率的输入信号,该控制器都能够保证其跟踪控制效果,最后通过实验实时跟踪控制结果进一步验证了所设计控制器的有效性.

率相关超磁致伸缩作动器的建模与H_∞鲁棒控制

超磁致伸缩作动器(GMA)的率相关迟滞非线性成为其在工程应用中的一大阻碍因素.文中通过使用特殊的建模激励信号,基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)建立了一定频率范围内的一个统一率相关Hammerstein-like迟滞非线性模型,该模型能够保证其建模频率范围内单频和复合频率的模型泛化性.在此模型基础上,设计了针对一定频率范围内输入信号的H∞鲁棒跟踪控制器,针对该频率范围内的所有单频和复合频率的输入信号,该控制器都能够保证其跟踪控制效果,最后通过实验实时跟踪控制结果来进一步验证了所设计控制器的有效性.

超磁致伸缩作动器小回线动态J-A模型

超磁致伸缩作动器(GMA)输入输出之间存在着磁滞非线性关系,当研究其中高频输出特性时,为了降低材料自身迟滞非线性特性的影响,往往选用零点与饱和状态之间线性度较好的不饱和小回线,因此很有必要开展动态不饱和小回线数学模型的研究。首先在综合研究磁致伸缩材料(GMM)和GMA结构动力学特性的基础上结合安培环路定理提出以励磁电流为输入、应变为输出的动态Jiles-Atherton(J-A)模型,然后在引入磁滞回线特性变量的基础上得出J-A模型关键模型参数对其特性的影响规律,根据不饱和小回线仿真与实验波形的偏离特性提出模型参数的修正方法得到不饱和小回线动态J-A模型。最后,在不同频率和不同饱和幅值下通过实验验证该数学模型的正确性。

微振动控制中超磁致伸缩作动器的设计与分析

针对微振动控制中对作动器的要求,基于超磁致伸缩材料的特性对作动器进行了优化设计,通过对其进行磁路分析、热效应分析,验证了设计的合理性;针对超磁致伸缩材料的非线性性能,利用实验测量的主迟滞回线和一阶折返曲线数据点建立Preisach模型,采用输入校正迭代算法对非线性进行补偿,然后对作动器进行精密定位控制实验。实验结果表明,其位移控制误差小于0.3μm,且不超过总行程的1%,证明了该作动器的有效性、可行性,为其在微振动控制中的应用提供了可靠的保障。

超精密机床磁致伸缩作动器隔振系统

针对超精密机床系统振动的非定值性 ,提出了磁致伸缩作动器隔振方案 ,并运用人工神经网络生成查询表 ,对隔振系统进行控制 .

超磁致伸缩作动器结构设计与分析

以设计一款能长期工作且最大工作位移为50μm、最大输出力为2 kN的新型超磁致伸缩作动器为目的。在分析超磁致伸缩作动器结构及工作原理的基础上,对关键参数进行设计。选取超磁致伸缩材料的最佳预压应力,通过计算确定超磁致伸缩棒的几何参数;同时,为提高作动器的工作效率,对电磁线圈进行优化设计以及关键参数进行分析。利用MATLAB、ANSYS对其进行仿真分析。实验表明,所设计的作动器满足设计要求。其研究结果对超磁致伸缩作动器的结构设计及相关理论计算具有参考价值。

超磁致伸缩作动器的分岔和混沌行为

混沌和拟周期运动是两种不稳定的响应,为研究超磁致伸缩作动器的这些不稳定行为,建立了其非线性动态力学模型,用数值方法得到了反映系统非线性响应特性的分岔图、相图、Poincaré截面图、幅值谱等。分析结果表明:阻尼系数的增加,有助于系统输出的稳定;系统刚度过低,会导致混沌现象的出现;激励电流的角频率对系统的响应特性有很大的影响。

一种新颖超磁致伸缩作动器的隔振模型

根据超磁致伸缩材料的本构方程分析了超磁致伸缩作动器输出位移的组成,以此为根据建立了基于超磁致伸缩作动器的单层单自由度隔振平台数学模型.该模型以平台在激振力作用下产生的振动位移为系统干扰输入;根据此模型分析了基于超磁致伸缩作动器的隔振原理;在频域内推导出了系统隔振能力与激振力频率及作动器最大输出位移之间的数学关系,然后在时域内采用自适应LMS(Least Mean Square)算法在Matalb环境下进行仿真.仿真结果与理论分析均表明,隔振平台的隔振能力与激振力频率的平方以及作动器最大输出位移成正比,从而为合理设计隔振平台用超磁致伸缩作动器提供了理论依据.该模型不仅可用于分析基于磁致伸缩作动器的隔振原理,对其它作动器的隔振原理也适用.

超磁致伸缩作动器的率相关建模与跟踪控制

利用Hammerstein模型对超磁致伸缩作动器（GMA,Giant Magnetostrictive Actuators）进行建模,分别以改进的Prandtl-Ishlinskii（MPI,Modified Prandtl-Ishlinskii）模型和外因输入自回归模型（ARX,Autoregressive model with exogenous input）代表Hammerstein模型中的静态非线性部分和线性动态部分,并给出了模型的辨识方法.此模型能在1~100 Hz频率范围内较好地描述GMA的率相关迟滞非线性特性.提出了前馈逆补偿和比例-微分-积分（PID,Proportional-Integral-Derivative）反馈相结合的复合控制策略.实时跟踪幅值为16μm的单一频率和复合频率正弦参考输入信号,均方根误差小于1μm,相对误差小于10%,证明了控制策略的有效性.