超磁致伸缩致动器的驱动及精密控制技术研究

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超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrictive Material,GMM)作为一种新型精密致动材料,具有高能量密度、大伸缩量和快响应速度的特点,基于GMM构造的超磁致伸缩致动器(Giant Magnetostrictive Actuator,GMA)在微/纳米加工制造、精密定位控制、机器人以及微型机电系统等领域应用广泛。然而GMM表现出易受温度影响、输出滞回等复杂的动力学特点,使得GMA响应存在强烈的非线性特性,致使其模型建构困难,驱动控制复杂,GMA的驱动及其精密控制的应用面临巨大挑战。因此,探究其温度影响、滞回行为特性,解决GMA系统的非线性难题,进一步提高致动器的控制精度已成为当下研究的一大热点。本文详细分析了GMA的模型以及驱动控制技术研究现状,对比各类驱动控制技术的优缺点设计一套驱动控制系统,实现对GMA输出预期的控制精度和稳定性。针对滞回特性,本文先应用Jile-Atheton理论建立GMA的传统磁滞模型,后采用基于神经网络的时间序列预测方法建立GMA新型磁滞模型,对比了模型准确性;针对温度变化影响,提出GMM温度-伸缩能力特性模型,并实现了温度补偿,减小了输出误差。最后,结合GMA滞回、温度模型,利用前馈补偿的控制策略解决了致动器滞回非线性的问题,在前馈补偿的基础上设计PID控制器,动态调整控制器参数,实现对GMA的高精度控制。最后,在对论文内容进行总结的基础上,对该领域研究方向以及进一步的工作目标提出了展望和建议。
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