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结构振动控制中超磁致伸缩执行器的系统建模与控制

作　者: 叶芳
导　师: 刘红军
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 超磁致伸缩执行器 Preisach模型 PID控制 模糊PID控制 实时控制
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


超磁致伸缩执行器是利用超磁致伸缩材料作为致动元件的新型器件,它具有输出位移大、输出功率高、响应速度快、温度范围宽、低压可操作等突出优点,在超精密加工、机器人、减震控制等领域呈现出良好的应用前景。然而由于超磁致伸缩材料本身以及执行器的机械组成结构存在有较强的迟滞特性,导致执行器输出位移存在着滞回性强、重复性差、非线性严重等缺点,大大限制了执行器的定位精度,影响了该材料及其执行器更广泛的应用。本文以直动型GMA为对象,对GMA的设计、位移输出特性进行了研究,比较研究了PID控制器和模糊PID控制器对GMA系统的控制效果,建立了基于Perisach模型前馈补偿的模糊PID控制方法,最后设计了实时控制实验系统,进行了实验分析研究。全文的主要研究工作如下:1)介绍了超磁致伸缩执行器的结构设计及其工作原理,基于电流模型建立了超磁致伸缩致动系统线性化动态模型,并通过仿真方法比较研究了PID控制器以及模糊PID控制器对GMA系统的控制效果;2)对经典Preisach模型进行修正,建立了超磁致伸缩执行器迟滞非线性模型。引入模糊PID控制器,提出一种新的控制方案,并以此为核心进行了超磁致伸缩执行器的非线性补偿控制;3)研究了基于Preisach逆模型前馈补偿控制方案,并搭建了执行器的实时控制系统,分别进行了基于Preisach模型前馈补偿的PID控制实验和模糊PID控制实验,采用方波响应和正弦激励信号作为期望轨迹对基于Preisach模型前馈补偿的PID控制器和模糊PID控制器作用下的轨迹追踪进行实验研究,对比两个系统。最后给出了本文的主要结论和本课题研究工作的进一步展望。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章 绪论  8-16
  1.1 课题研究背景及意义  8-9
    1.1.1 课题研究背景  8-9
    1.1.2 课题研究意义  9
  1.2 国内外的研究现状及分析  9-14
    1.2.1 迟滞非线性建模的研究现状  9-10
    1.2.2 控制方法的研究现状  10-14
  1.3 本文研究思路及主要内容  14-16
    1.3.1 研究思路和内容  14-15
    1.3.2 论文工作安排  15-16
第2章 GMA 线性化动态建模与控制仿真  16-35
  2.1 引言  16
  2.2 GMA 结构设计及输出特性的实验研究  16-21
    2.2.1 GMA 结构设计  16-17
    2.2.2 静态输出特性测试  17-19
    2.2.3 动态输出特性测试  19-21
  2.3 GMA 线性化建模  21-23
    2.3.1 执行器模型  21-23
    2.3.2 数控恒流源模型  23
  2.4 PID 控制器设计与控制仿真  23-29
    2.4.1 GMA 参数设计仿真  23-24
    2.4.2 PID 控制参数对系统性能的影响  24-25
    2.4.3 PID 控制参数整定  25-29
  2.5 模糊PID 控制器设计与控制仿真  29-34
    2.5.1 模糊控制器设计  29-33
    2.5.2 仿真算法及结果分析  33-34
  2.6 本章小结  34-35
第3章 GMA 迟滞非线性建模与补偿研究  35-53
  3.1 引言  35
  3.2 迟滞模型讨论  35-40
    3.2.1 基于数学方法的迟滞模型  35-37
    3.2.2 基于物理方法的迟滞模型  37-40
  3.3 GMA 迟滞建模  40-45
    3.3.1 经典Preisach 模型  40-42
    3.3.2 Preisach 修正模型  42
    3.3.3 模型的离散化  42-45
  3.4 迟滞非线性补偿算法  45-47
  3.5 实验研究  47-52
    3.5.1 主迟滞回线和一阶折返曲线的测量  47-51
    3.5.2 定位实验  51-52
  3.6 本章小结  52-53
第4章 GMA 实时控制实验研究  53-65
  4.1 引言  53
  4.2 控制系统的组成  53-56
  4.3 基于 preisach 模型前馈补偿的 PID 实时控制实验  56-60
    4.3.1 PID 参数调节  57-59
    4.3.2 方波轨迹追踪  59
    4.3.3 混合信号轨迹追踪  59-60
  4.4 基于 preisach 模型前馈补偿的模糊 PID 实时控制实验  60-63
    4.4.1 模糊PID 参数调节  61-62
    4.4.2 方波轨迹追踪  62
    4.4.3 混合信号轨迹追踪  62-63
  4.5 两种控制系统对比  63-64
  4.6 本章小结  64-65
结论  65-67
参考文献  67-70
攻读学位期间发表的学术论文  70-72
致谢  72

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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