磁控形状记忆合金力-磁-热耦合行为及控制策略的研究

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磁控形状记忆合金(Magnetic Shape Memory Alloy,简称MSMA)是近年来出现的一种新型功能材料,该材料在磁场作用下可获得较大的磁感生应变,具有输出应变大、响应速度快、能量密度高等优良特性,有望作为一种新型驱动材料应用于工业执行器件。本文以单晶Ni2MnGa磁控形状记忆合金为研究对象,对其力磁热多场耦合作用下的驱动力学特性进行实验研究与预测、并基于多场耦合实验数据对MSMA驱动器磁控回路优化设计及磁滞补偿控制策略进行了初步探讨。主要研究内容如下:  (1)对MSMA力磁热多场耦合驱动力学性能进行实验测试,总结预加应力、控制磁场及工作温度与MSM A形变率之间的规律关系,并通过MSM A磁致形变机制对其进行了初步解释。基于MSMA力磁热多场耦合驱动实验数据,利用BP神经网络建立了MSMA驱动行为预测模型,并通过遗传算法对其进行适当优化,实现了MSMA输入变量(预加应力、控制磁场、工作温度)与输出变量(MSMA形变率)之间较好的对应关系。  (2)针对目前 MSMA驱动器大多采用励磁线圈产生控制磁场,驱动工作过程中励磁线圈散发热量容易导致MSMA驱动元件工作温度升高,影响驱动器控制精度的问题。本文提出一种基于永磁体偏置磁场及温度冷却装置的MSMA驱动器磁控回路优化设计方案,并利用有限元分析软件对磁控回路进行了电磁场、温度场的仿真分析,仿真结果验证了磁控回路设计的合理性。  (3)通过对MSMA驱动器进行建模,得出MSMA驱动器输入电压与输出位移之间的关系式;基于MSM A驱动器固有的磁滞非线性,建立MSM A驱动器磁滞模型,采用PID与磁滞正模型的闭环控制以及PID与磁滞正逆模型混合的复合控制两种控制策略对MSMA驱动器进行磁滞补偿,结果表明:两种控制策略均可大大减弱MSMA驱动器固有的磁滞非线性,但PID与磁滞正模型的闭环控制效果最佳。
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