球型钢丝绳隔振器非对称迟滞模型

针对球型钢丝绳隔振器的非线性刚度和阻尼特性导致迟滞模型表征困难的问题,提出了非线性弹性因子和修正因子改进的归一化Bouc-Wen迟滞模型,结合Simulink仿真完善改进的迟滞模型,采用最小二乘法和遗传算法相结合的方法对改进模型进行参数识别。通过数值仿真绘制GGQ25-62L型球型钢丝绳隔振器在不同工况的迟滞环,并和实验数据进行对比。结果表明,参数识别方法准确可靠,实验数据和理论计算曲线具有较强的一致性,该模型能够有效地描述隔振器的动态特性。

基于Prandtl-Ishlinskii模型的气动肌肉迟滞特性动态建模与控制方法

现有迟滞模型由于采用离线参数辨识方法,难以表征气动肌肉迟滞的时变性和负载相关性,极易产生较大的建模误差。为了精确表征气动肌肉的迟滞特性,利用Prandtl-Ishlinskii(PI)模型描述气动肌肉的位移-气压迟滞特性,并采用带遗忘因子的递推最小二乘法在线辨识PI模型参数。在此基础上,结合PI逆模型设计了一种带有前馈在线补偿的复合控制方法用于气动肌肉的运动控制。同时搭建相应的实验装置进行了气动肌肉迟滞建模和运动控制实验。实验结果表明,采用在线参数辨识方法后的PI模型能有效描述气动肌肉迟滞的负载相关性,且极大地降低了负载变化带来的控制误差。

基于改进Stribeck模型的超声波电机力矩-速度迟滞特性研究

为研究超声波电机的力矩-速度迟滞非线性,需要建立适当的数学模型对其进行分析。该文使用基于改进Stribeck模型对超声波电机迟滞特性进行建模,进而对电机输出力矩与转速之间的迟滞关系进行分析,然后通过超声波电机半实物仿真平台,对电机的力矩-速度特性进行实时测量,将改进Stribeck模型得到的迟滞曲线与试验得到的迟滞曲线进行比较,接着对改进Stribeck模型的参数(如黏滞系数和等效转动惯量等)进行整定,达到与实测迟滞曲线的最佳拟合效果,最后分析超声波电机在不同速度范围其力矩-速度的迟滞关系,尤其是低速运行时黏滞效应对迟滞参数的影响,试验结果表明改进Stribeck模型用于分析电机力矩-速度迟滞特性的有效性。

压电陶瓷驱动器迟滞非线性的修正Rayleigh模型建模及实验验证

针对压电陶瓷驱动器建模复杂的技术难点,本文提出了一种基于修正Rayleigh模型的动态迟滞非线性建模方法。首先,针对压电陶瓷材料的机电响应特性,构建了压电驱动器的线性本构方程;然后,基于迟滞效应成因及其微观机理研究,提出了采用Rayleigh模型的非线性建模方法;在此基础上,采用一阶线性方程描述压电驱动器频率相关特性并通过实验验证其有效性;之后,采用双Rayleigh系数,构建了非对称Rayleigh模型;最后,实验验证了Rayleigh模型在压电陶瓷驱动器次环响应中的适用性。

基于Rayleigh-BP模型的压电驱动系统迟滞建模与前馈控制

针对可调谐半导体激光器压电驱动系统的迟滞非线性,提出了一种基于Rayleigh-BP模型的建模及控制方法。利用空间扩展法建立了Rayleigh-BP率相关迟滞模型,该模型实现了对压电驱动系统的率相关迟滞非线性的精准预测;利用逆向算法求解了Rayleigh模型的逆模型,并将该模型与BP神经网络结合,设计了前馈控制器对系统进行补偿;对前馈控制方法进行了仿真与实验验证。结果表明,建立的Rayleigh-BP模型具有较高的精度,在10 Hz时均方根误差仅为0.0469μm。前馈控制方法可以明显提高系统输出的线性度,在40 Hz时仿真结果均方根误差为0.0274μm,线性相关系数R 2为0.99992;在30 Hz时实验结果均方根误差为0.0506μm,线性相关系数R 2达到了0.99955,极大降低了迟滞现象。

基于SF_(6)气体温度迟滞模型的密度监测失效判定策略

气体绝缘开关(gas insulated switchgear,GIS)设备SF_(6)气体密度监测失效可能会导致泄漏状态误判断,威胁电网安全运行。为此,针对数字式SF_(6)气体密度监测装置特点,构建并优化了基于热力学的SF_(6)气体温度迟滞模型。通过温度迟滞实验,获取了模型中未知参数。模拟实验表明,SF_(6)气体温度迟滞模型温度补偿偏差为±0.6℃,基于补偿后温度的计算压力与压力传感器检测压力偏差为±0.002 MPa。设计基于计算压力与检测压力相互验证的密度监测失效判定策略,结合某220 kV变电站中试点设备数据进行验证,经SF_(6)气体温度迟滞模型温度补偿并归算至20℃下的压力与实际值均不超过0.002 MPa,验证了该模型的准确度以及SF_(6)气体密度监测失效判定策略现场应用的可行性。

基于改进Preisach迟滞构架的工业机器人柔性关节深度神经网络迟滞建模研究

针对工业机器人柔性关节所具有非对称、速率相关及强非线性的复杂迟滞特性问题,改进Preisach模型,提出一种描述复杂迟滞特性的深度神经网络迟滞模型。从模型内部迟滞算子和外部网络结构两个角度改进Preisach模型,描述柔性关节的复杂迟滞特性:1)设计一个非对称非线性迟滞函数,替换Preisach模型内部迟滞算子,描述柔性关节的非对称迟滞特性;2)在Preisach模型输出端引入惯性滤波环节,在Preisach模型输入端引入输入输出历史信息,描述柔性关节的速率相关迟滞特性。将改进的Preisach模型与实现非线性映射的全连接神经网络串联构成深度神经网络迟滞模型。通过对比实验验证了所提出的深度神经网络迟滞模型描述工业机器人柔性关节复杂迟滞特性的有效性,其具有良好的预测能力和较高的精度。

三自由度压电偏摆台耦合迟滞模型建模与逆补偿

为了解决三自由度压电驱动纳米偏摆台中的多轴耦合与迟滞问题,设计了一种可以同时表征多个压电驱动器间耦合效应及其自身迟滞效应的耦合迟滞模型,并利用其逆模型进行前馈补偿以提升平台的定位和轨迹跟踪精度。首先,搭建了三自由度压电驱动偏摆台的控制系统并建立其运动学模型,将末端平台三自由度运动转化为三个压电驱动器的输出。然后,建立基于Prandtl-Ishlinskii模型的耦合迟滞模型,并对该模型及其逆模型的参数进行辨识。最后,通过开环逆模型前馈补偿来验证模型的有效性,并利用结合逆模型前馈和反馈的复合控制方法进行轨迹跟踪控制。实验结果表明:逆模型开环前馈补偿使三个压电驱动器间最大耦合位移均降低了70%以上,证明了所建立耦合迟滞模型的有效性,结合闭环反馈的复合控制方法对空间轨迹进行跟踪的最大均方根误差仅为0.06 mrad和0.42μm,相比单纯闭环反馈分别减少了72%和87.5%,最大误差也减少了76%以上,有效消除了平台中耦合迟滞的影响,提高了平台的定位精度。

基于迟滞排泄水箱模型模拟岩溶断流泉水文过程

传统的连续排泄水箱难以模拟岩溶泉断流现象,通过将表层岩溶带调蓄水箱对管道水箱的补给设置为迟滞排泄模式,模拟岩溶断流泉水文过程,并应用于丽江市黑龙潭岩溶泉域。研究结果表明,该模型较好地模拟了泉群流量动态及断流现象;当降雨量明显增大时,通过表层岩溶带调蓄水箱进入裂隙水箱的水量变幅不明显,而管道水箱的分配水量迅速增加,反映了集中补给的大气降水在岩溶系统中形成快速流的过程;黑龙潭泉群水量的绝大部分(82%~95%)来自于管道水箱,岩溶水流在时间和空间上分配的不均匀性易导致泉群断流。该研究提供了将水箱模型应用于岩溶断流泉模拟的参考,有助于理解该类型岩溶水系统的水文过程。

考虑阈值迟滞的碳化硅MOSFET开关暂态解析模型

由于SiC/SiO_(2)界面固有的高界面态密度,阈值迟滞现象一直影响碳化硅MOSFET的可靠性。为量化评估阈值迟滞对碳化硅MOSFET开关特性的影响,首先考虑了驱动电压的上升与下降时间,建立了驱动电压非理想突变的开关暂态模型;其次,按照IEC标准得到开关延时与开关损耗的解析表达式;然后,进行了不同驱动负压下的动态特性实验并提取了开关延时与开关损耗;最后,通过实验结果与解析模型的结合,解耦并量化了驱动负压与阈值迟滞对开关特性的影响,得到了阈值迟滞影响下驱动负压与阈值电压的关系。结果表明,驱动负压与阈值迟滞均会引起开通延时降低,但阈值迟滞对其影响远大于驱动负压。驱动负压对开通损耗无影响,但阈值迟滞会导致开通损耗的降低。

压电变形镜驱动器迟滞快速辨识与补偿研究

采用压电陶瓷作为促动机构的主动光学系统。为了对压电陶瓷驱动器固有的迟滞非线性进行有效抑制校正,以提高系统性能,该文对带变形镜镜面负载结构的压电陶瓷驱动器非线性迟滞动态进行了高效辨识建模,实现了带镜面负载的压电陶瓷驱动器相对误差1.8867%的迟滞参数辨识与建模,降低了辨识算法所需时间90%以上,同时克服了负载结构导致辨识信号信噪比低的问题。实验证明,所用方法得到的压电陶瓷迟滞模型能够有效地用于补偿校正压电陶瓷驱动器迟滞非线性动态带来的误差,通过前馈控制器可将压电陶瓷驱动器迟滞引起的镜面面形定位误差降低56.21%,有效地提升了系统性能。

压电陶瓷作动器的MPI动态迟滞建模与控制

压电陶瓷是一种具有迟滞非线性的智能材料。为了实现系统的精密跟踪控制,提出一种基于MPI(modified Prandtl-Ishlinskii)的Hammerstein动态迟滞模型,并基于该模型设计了滑模跟踪控制方案。在play算子的上升边沿和下降边沿阈值处引入了延时系数,并串联死区算子构成改进的非对称PI(Prandtl-Ishlinskii)模型,基于MPI的Hammerstein动态迟滞非线性模型可以描述压电陶瓷作动器的率相关迟滞特性。通过采集在单频率10 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz正弦输入电压信号下的压电陶瓷作动器的位移数据,并采用粒子群算法和最小二乘递推方法辨识MPI模型参数和ARX(auto regressive model with exogenous input)模型参数,验证了模型的可行性,相较于基于经典PI的Hammerstein动态迟滞模型,模型误差分别降低了37%,42%,35%和24%。最后,构建迟滞补偿器,利用Hammerstein模型的模块化特点,提出一种可以实现对系统动态跟踪控制的滑模控制方案,并搭建了滑模控制压电系统试验平台,对单频率1 Hz,40 Hz,80 Hz和复合频率10~90 Hz的正弦输入电压信号进行了微位移实时跟踪控制试验,试验中的相对误差在7.62%以内,均方根最大误差为1.8573μm,表明所提出的滑模控制器有较强的跟踪性能。

基于Maxwell模型的压电驱动系统前馈控制方法

为了提高外腔可调谐半导体激光器的测量精度,基于Maxwell模型提出了用于消除其压电驱动系统迟滞非线性的前馈控制方法.基于经典Maxwell力学模型,建立了描述非凸、非对称迟滞环的静态迟滞模型;根据频率与位移幅值的关系建立了率相关系数矩阵,与静态迟滞模型耦合得到率相关迟滞模型,实现了不同频率下压电驱动系统迟滞非线性的精准预测;构建了迟滞逆模型,对压电驱动系统进行前馈补偿控制.实验结果表明,率相关迟滞模型具有较高的精度,1 Hz下模型均方根误差为0.049μm, 50 Hz下模型均方根误差为0.252μm.基于迟滞逆模型的前馈控制方法能够明显提高系统输出位移的线性度,增大线性度范围,线性相关系数R2由0.971 58提高到了0.999 77.

基于自适应PI模型的压电陶瓷驱动器精密定位方法

由于具备较高的定位精确度,压电陶瓷驱动器在超精密加工、微纳米测试等领域应用广泛,然而压电陶瓷固有的迟滞性严重影响其定位精确度。研究了驱动范围对压电陶瓷驱动器迟滞性的影响,实验得出迟滞性随驱动范围增大而显著。而在压电陶瓷驱动器的实际应用中,驱动范围是其主要的设置参数之一。为此,提出基于自适应Prandtle-Ishlinskii(PI)模型的拟合方法,根据不同驱动范围下获得的迟滞曲线的斜率变化趋势设置分段区间,采用二次规划算法辨识PI模型的权重参数,基于分段区间对迟滞曲线进行拟合,大大提高了拟合精确度。设计基于自适应PI模型的逆模型作为前馈控制器对压电陶瓷驱动器进行迟滞补偿,并搭建基于Labview的实验平台验证了该算法的可行性。实验结果表明,基于自适应PI逆模型的前馈控制器将压电陶瓷驱动器的定位精确度提高至1.8 nm。

超磁致伸缩材料迟滞特性的新Hammerstein建模

超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)作为一种新型功能材料,因其具有磁-机耦合系数大、响应速度快、频响特性好等优点而被广泛应用于能量采集、微位移驱动、精密定位控制等领域,但材料复杂的迟滞非线性影响了其致动器的定位精度,为了辨识超磁致伸缩材料中存在的迟滞非线性,本文提出一种新Hammerstein模型建模方法。此方法的优点在于模型可以更好地逼近迟滞非线性,提供更高的精度,减少了串联环节的参数辨识工作量。首先,构建一个基于双曲函数的迟滞算子扩展空间的极限学习机模型,用其表示新Hammerstein模型中的静态非线性部分。其次,提取极限学习机模型的全连接层的权重和偏置参数用于构建新模型中的动态线性部分的状态空间方程,减少了传统模型中串联环节的模型参数辨识的工作。最后,建立了可以描述超磁致伸缩材料迟滞特性的新Hammerstein模型。新Hammerstein模型的建模相对误差为0.86%~3.69%,平均绝对误差为2.63%,比传统Hammerstein模型均方根误差低0.8μm左右,平均绝对误差提高将近4%。仿真结果证明了新Hammerstein模型对超磁致伸缩材料复杂迟滞特性建模的有效性。

改进Duhem模型的压电迟滞建模及参数辨识方法

针对压电执行器的迟滞非线性问题,提出一种压电执行器迟滞非线性建模方法,通过引入迟滞非线性项和反余切函数对经典Duhem模型进行改进,再根据实验测量的压电执行器位移数据,使用引入正弦余弦学习因子的改进粒子群算法对迟滞模型进行参数辨识。结果表明,改进粒子群算法参数拟合的适应度均优于传统粒子群算法。此外,相比经典Duhem模型,改进Duhem模型能够更加精确地描述压电执行器在高振幅高激励下的迟滞现象,具有较好的激励泛化性。通过对10组实验结果进行误差分析,改进Duhem模型的均方根误差平均下降了89.47%,验证了所提方法的有效性。

气动蜂巢软体腿的设计与迟滞特性分析

目前的仿生机器人多以刚性材料为主,灵活度不高且与人交互不安全。针对这一问题,设计了一款气动软体机器人,采用蜂巢六边形腔室制作了软体机器人的腿部结构和相应气动网格驱动器,通过对其充气能够实现软体腿的伸长、弯曲等运动。对气动蜂巢软体腿的迟滞特性进行分析,首先建立了Prandtl-Ishlinskii(PI)模型,但由于其对称性造成了建模的不准确性;通过改进PI模型的包络函数,得到了可用于描述非对称性迟滞现象的MPI模型,并采用MPI模型对气动蜂巢软体腿的迟滞现象进行前馈补偿,经过补偿后,跟踪误差减小,有效的消除了大部分迟滞效应。

舱外航天服下肢关节阻力矩迟滞特性研究与建模分析

舱外航天服关节阻力矩是评价航天服工效性能以及规划航天员出舱作业任务的重要指标。为研究航天服关节阻力矩的迟滞特性,首先总结了关节阻力矩的产生原因,得到了下肢关节阻力矩与运动角度之间的迟滞关系。其次,采用了Jiles-Atherton模型去描述关节阻力矩的迟滞特性,同时在实际关节阻力矩数据的基础上,提出了一种模拟退火-粒子群优化算法去辨识Jiles-Atherton模型参数。最后,与改进型粒子群算法相比,所设计的模拟退火-粒子群优化算法收敛速度分别提高了15.58%和10.91%,计算精度提高了29.31%和11.77%,且对未知关节阻力矩预测误差分别减小了10.89%/25.73%和0.96%/22.2%,验证了设计算法的有效性。另外,根据建模误差特点设计了误差补偿函数,所辨识的Jiles-Atherton模型在误差补偿后对未知关节阻力矩预测误差进一步减小了46.49%/10.95%。计算所得模型可为后续舱外航天服关节助力技术研究提供理论依据。

压电微动工作台的动态迟滞模型

为实现压电微动工作台的快速准确运动定位,研究了其运动定位模型。压电工作台的运动定位精度主要受工作台动态特性和迟滞特性的影响,在介绍这两类典型特性模型及其适用范围的基础上,提出了能够同时体现压电工作台动态特性和迟滞特性的动态迟滞模型,并给出了采用Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞算子的动态迟滞模型参数辨识途径。以TRITOR100型压电工作台为例进行实验研究,结果表明:当压电工作台在30μm的定位范围内以±900V/s的输入电压速率进行快速运动定位时,动态迟滞模型的模型精度比以往常用的线性动态模型和迟滞模型有较大提高,其平均误差为0.16μm,最大误差为0.38μm,为高性能运动定位工作台控制系统的设计提供了模型基础。

基于弹性迟滞理论的轮胎滚动阻力解析模型构建

为了降低轮胎滚动能量损失,该文提出一种新型轮胎滚动阻力解析模型。分析轮胎滚动阻力产生的机理,考虑材料的弹性迟滞特点,定义非线性弹性力和非线性阻尼力构建轮胎垂向复合回复力公式,搭建特定试验进行模型参数辨识。根据刷子模型将轮胎接地部分化简为两部分：一部分为接地中心到刷毛单元开始接触地面的加载区域;另一部分为接地中心到刷毛单元离开地面的卸载区域。然后分别对参数辨识得到的加载和卸载曲线在相应区域内积分并求和,获得轮胎滚动阻力矩解析模型。根据ISO 28580标准对轮胎滚动阻力进行测试,结果表明：轮胎滚动阻力随速度（10~120 km/h）和垂向负载（6~25 kN）的增大而增大;试验结果与解析值在相同的工况条件下变化趋势基本一致,从而验证了模型的有效性。新型滚动阻力模型的提出有助于轮胎的结构优化。