用神经网络结构实现超磁致伸缩智能构件滑模控制

提出了一种利用超磁致伸缩材料(GMM)智能构件精密加工活塞异形孔的方法.采用一种神经网络前馈复合离散滑模变结构控制策略,实现GMM智能构件的精密位移控制,消除了GMM智能构件迟滞非线性的影响.将智能构件的输出位移及其变化率作为小脑模型神经网络(CMAC)输入,构件的输入电流作为网络输出,利用CMAC在线自学习能力建立GMM智能构件的迟滞逆模型;通过离散滑模变结构控制器来消除神经网络的建模近似误差以及外界干扰.仿真结果表明,此控制策略能在线建立智能构件的迟滞逆模型,消除迟滞非线性的影响,控制误差降低到1.5%以内,可实现智能构件的精密位移控制.     

基于神经网络的超磁致伸缩智能构件滑模控制

提出了一种利用超磁致伸缩材料（giant magnetostrictive material GMM）智能构件精密加工活塞异形孔方法。 为了消除GMM智能构件迟滞非线性影响,提出一种神经网络前馈复合离散滑模变结构控制策略,实现GMM智能构件的精密位移控制。将智能构件的输出位移及其变化率作为小脑模型神经网络（CMAC）输入,构件的输入电流作为网络输出,利用CMAC在线自学习能力建立GMM智能构件的迟滞逆模型,神经网络的建模近似误差以及外界干扰通过离散滑模变结构控制器来消除。仿真结果表明此控制策略能在线建立智能构件的迟滞逆模型,消除迟滞非线性的影响,可实现智能构件的精密位移控制。     

压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿与最优控制

为提高空间望远镜精密稳像系统中压电驱动快摆镜( FSM)的摆动精度,对压电陶瓷执行器迟滞非线性补偿和控制 技术进行研究。 针对压电迟滞的非对称性以及 Duhem 模型求逆过程复杂的问题,对 Duhem 模型中的微分方程进行变换,直 接建立 Duhem 非对称逆迟滞模型作为迟滞前馈补偿器,并利用免疫差分进化算法辨识模型参数。 在 Duhem 逆模型补偿压 电静态迟滞非线性的基础上,引入基于优化参考跟踪的线性二次型高斯(LQG-ORT)控制方法进一步提高压电执行器的动态 定位精度,采用动态迟滞率相关自回归各态历经模型(ARX)建立状态空间方程,用于卡尔曼滤波器预测状态变量和控制器 计算状态变量的最优控制系数矩阵。 实验结果表明:直接建立的 Duhem 非对称逆迟滞模型能有效描述压电执行器非对称逆 迟滞曲线,拟合均方根误差为 0. 635 9 V(0. 5 Hz) ,相对误差为 0. 79% (0. 5 Hz) ;实时跟踪幅值为 24 μm,频率范围 1 ~ 80 Hz 的目标位移信号,LQG-ORT 算法的跟踪误差为 0. 065 5 μm,相对误差为 0. 27% 。     

压电驱动的快速刀具定位台自抗扰控制研究

针对压电驱动器输入电压与输出位移的动态迟滞特性,采用基于Prandtl-Ishlinskii的压电动态迟滞模型,实现了对刀具定位台的精确控制。实验分别采用逆模型前馈补偿控制和自抗扰控制方法对定位台控制系统进行测试,结果表明在单频输入信号下,采用自抗扰控制算法的系统均方根误差较逆模型前馈控制下降了1.137～1.137 5μm;系统相对误差有明显下降。结论表明自抗扰控制成功减小了定位台的迟滞特性,提高了控制精度,较逆模型前馈补偿控制有更好的优越性。     

压电陶瓷驱动微位移机构迟滞非线性改善方法研究

压电陶瓷驱动器在精密微位移系统中有着广泛的应用,但其固有的迟滞非线性严重影响系统的运动精度,使控制困难.通过数学建模方法建立压电陶瓷的迟滞曲线逆模型,并用此模型对压电陶瓷进行位移补偿,可以有效减小压电陶瓷迟滞非线性对系统精确控制的影响.提出一种用两个压电陶瓷协同驱动微动平台运动的微位移机构,通过基于迟滞逆模型的开环控制方法,对压电陶瓷位移进行误差补偿,可以实现微动平台运动与控制信号较好的线性对应关系.     

三轴电磁-压电混合驱动快速刀具伺服的轨迹跟踪控制

三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo, FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10～100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%～50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。     

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性建模与实验验证

为了模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间的迟滞曲线,通过采用Bouc-Wen模型模拟迟滞分量,提出了一种表征WTYD型压电陶瓷微位移器的输出位移与驱动电压之间迟滞关系的Bouc-Wen模型并建立了相应的参数辨识方法。为了验证Bouc-Wen模型及其相应的参数辨识方法的有效性,建立了相应的实验装置并对模型进行了实验验证。研究结果表明,Bouc-Wen模型的最大绝对误差为3.78μm,最大相对误差为5.79%,表明Bouc-Wen模型及相应的参数辨识方法能较好地模拟WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性。     

超磁致伸缩微位移驱动器的非线性迟滞建模及控制方法

对超磁致伸缩微位移驱动器(GMA)的非线性迟滞特性,通过密度函数法和F函数法建立GMA的两种Preisach数值模型,仿真和试验表明F函数法对滞回曲线的预测效果优于密度函数法.为将Preisach数值模型应用于GMA的实际控制系统,提出一种Preisach实时数字补偿算法,建立基于Preisach前馈补偿的PID控制模型,分别采用开环、普通PID和带Preisach前馈补偿的PID三种控制器对GMA的位置跟踪和轨迹跟踪两种控制问题进行试验研究,结果表明带Preisach前馈补偿的PID控制器可显著提高GMA的响应速度和跟踪精度,使GMA在100 μm量程内的位置跟踪和轨迹跟踪误差分别达到3 μm、2 μm.     

Preisach逆补偿的GMA精密轨迹跟踪与实验优化

针对超磁致伸缩执行器(GMA)的非线性迟滞,研究了开环条件下采用Preisach逆模型对参考轨迹实现精密跟踪的补偿方法。简要介绍了经典Preisach迟滞数值模型,详细推导了Preisach逆模型及其数值实现方法。采用FFT数字滤波方法对一阶回转下降曲线 (FOD)实验数据进行优化处理,同时结合拉各朗日双线性插值方法,提高了在同等离散水平下Preisach模型对GMA非线性迟滞的预测精度。在精密预测的基础上,通过Preisach逆模型实现了GMA对参考轨迹的精密跟踪。实验结果表明:在0~34 μm,跟踪误差由补偿前的-14.7%~+11.2%减小到-2.9%~+2.7%。此外,FFT滤波和双线性插值算法可以明显提高Preisach模型对GMA非线性迟滞的预测精度,基于Preisach数值逆模型的补偿算法可以有效消除由于GMA非线性迟滞造成的跟踪误差。实验同时指出,如果要进一步提高跟踪精度,还须结合反馈实现闭环控制。     

压电微位移台的动态迟滞建模及实验验证

为了提高压电微位移平台快速定位的精确度,建立了一种表征压电微位移平台驱动电压与输出位移关系的定位模型。考虑压电工作台在快速、大行程精确定位过程中会受压电陶瓷迟滞特性及本身动态特性的影响,本文采用BoucWen模型描述压电陶瓷迟滞特性,并结合压电工作台的动态特性进行共同建模,使模型同时体现压电工作台的动态特性与迟滞特性。为了验证模型的正确性,搭建了基于压电微位移平台和相关驱动器的实验设备对模型进行了实验验证,并进行了测控程序的二次开发。研究结果表明,与单纯的Bouc-Wen模型相比,提出模型在最大位移输出为40μm,输入电压频率为40Hz时的最大误差由3.04μm下降到了0.67μm,此时最大相对误差为1.68%。得到的结果验证了提出的模型可较好地模拟压电工作台的迟滞特性与动态特性,大大提高压电微位移平台在快速、大行程定位中的精确度。     

Measurement and compensation of pitch error based on GMA with elimination of its hysteresis

This paper proposes a pitch error compensation technique with decomposition of mechanical signals based on giant magnetostrictive actuator (GMA) to eliminate tool tracking errors and to reach a high machining precision. In ultra-precision cutting, grinding and nontraditional machining, there is a difficult problem for achieving long travel and high precision. Considering the characteristics of giant magnetostrictive materials (GMM), a micro-displacement GMA with a flexure hinge micro-motion table is designed, and used for error compensation. The inherent hysteresis nonlinearity of the GMA is controlled effectively by a sliding mode robust adaptive controller (SMC). Aiming at reducing the positioning error of a precision working table driven by an AC servo motor, the measurement of the dynamical characteristics of the system is carried out by a laser interferometer. The leadscrew pitch error, which accounts for most of the error detected, is separated out by an improved signal filter algorithm. Experimental results show that the positioning error is reduced to an extent within ±8 μm from ±20 μm after compensation, which demonstrates the feasibility of the control and compensation method.     

超磁致伸缩驱动器建模及其迟滞补偿

本文提出了用超磁致伸缩材料与压曲放大机构相结合构成微位移驱动器的方法,建立了超磁致伸缩执行器的控制系统传递函数模型。文中对所建立的系统进行了相频和幅频特性的理论分析和实验,合理地解释了此系统的迟滞曲线随输入信号频率变化的原因。为了进行迟滞非线性补偿,提出了相位补偿与迟滞逆模型相结合来补偿迟滞特性的控制方法。实验结果证明了系统理论模型的准确性和补偿控制方法的有效性。     

超磁致伸缩驱动器及有限元分析方法的研究

新型超磁致伸缩材料TbDyFe具有输出力大、位移分辨力高及位移范围大等特点,将其应用于微位移驱动器中,将极大的提高驱动器的性能指标,从而推动超精加工技术的发展.文中介绍了应用超磁致伸缩材料研制的驱动器的结构及性能,并利用有限元方法对建立磁-机械耦合模型进行分析,以利于计算机的模拟仿真,对驱动器进行分析及设计.     

超磁致伸缩体内涡流效应有限元分析

为补偿涡流效应产生的温度与反相磁场对超磁致伸缩微位移驱动体位移输出造成的非线性,从电磁场基本原理出发,推导了超磁致伸缩驱动器内的涡流分布和大小的数学模型。利用伽辽金加权余量法和牛顿-拉夫逊迭代法得到涡流效应数学模型的解析公式。通过解析公式分析超磁致伸缩驱动器内驱动体横截面上的电磁场分布,进而得到驱动体上各部分涡流大小及分布与输入电流频率增加的对应关系。当输入频率大于1 kHz时,涡流有限元模型计算得到的涡流导致磁场损耗量与实测磁场强度相差约4.6 mT,表明此模型可以对超磁致伸缩驱动体内的涡流损耗进行有效的补偿。     

基于超磁致伸缩材料的折弯型压曲放大机构设计、分析与控制

为满足微位移定位系统的应用要求,设计由超磁致伸缩材料驱动的新型折弯型柔性压曲放大机构。在其他微位移放大机构的基础上,设计便于制作和使用的二维平面型折弯型机构,该机构在实现微位移放大的同时也使位移的方向产生90°转变。通过有限元计算分析,优化折弯屈曲板的结构参数。针对超磁致伸缩材料输出位移与输入电流间磁滞非线性与其负载和频率的关系,采用BP神经网络分别构造磁滞上升半环和下降半环的逆模型,并通过输入信号对其进行选择从而进行磁滞补偿。仿真试验结果验证了该方法的有效性。构建基于超磁致伸缩材料驱动的压曲放大机构试验装置,采用该装置,分别对单环磁滞和多环磁滞进行补偿控制试验,获得了满意的位移控制效果。     

微位移驱动器在止推油膜轴承中的应用

针对止推油膜轴承的偏载问题,研究了微位移驱动器在止推油膜轴承中的应用。通过理论计算得到油膜厚度、压力和温度分布,分析了止推轴承油膜厚度的变化对载荷与温度的影响。设计了一种超磁致伸缩微位移驱动器微位移驱动器,并建立了杠杆试验机测试其静态位移输出特性,证实超磁致伸缩微位移驱动器具有与润滑膜厚同一数量级的位移输出,可应用于止推轴承油膜间隙的主动调节,均衡瓦块间载荷并降低温升。利用超磁致伸缩微位移驱动器微位移驱动器设计了一种新型结构的可自动调节间隙的止推油膜轴承,并建立了用于测试该新型轴承的止推轴承实验台。     

DEVELOPMENT OF THE CONTROL METHODOLOGY OF THE GIANT MAGNETOSTRICTIVE ACTUATOR BASED ON MAGNETIC FLUX DENSITY

According to the principle of the magnetostriction generating mechanism, the control modelof giant magnetostriction material based on magnetic field and the control method with magnetic fluxdensity are developed. Furthermore, this control method is used to develop a giant magnetostrictivemicro-displacement actuator (GMA) and its driving system. Two control methods whose control vari-ables are current intensity and magnetic flux density are compared with each other by experimentalstudies. Finally, effective methods on improving the linearity and control precision of mi-cro-displacement actuator and reducing the hysteresis based on the controlling magnetic flux densityare obtained.     

超磁致伸缩驱动器热输出的抑制与补偿方法

超磁致伸缩驱动器具有输出应变大、响应速度快、低频特性好等特点。已经应用于机床的整体和部件的振动控制实验研究。超磁致伸缩材料的热变形严重影响驱动器的输出精度。文章提出了四种抑制或补偿超磁致伸缩驱动器热位移的方法。     

Non-linear compensation and displacement control of the bias-rate-dependent hysteresis of a magnetostrictive actuator

Magnetostrictive actuators invariably exhibit bias-rate-dependent hysteresis, which could cause vibration and error in the micro-positioning control. We present a methodology for linearization control for the hysteresis of a magnetostrictive actuator with a wide range of input rates and biases. The hysteresis compensation is attained through application of a dynamic Bouc-Wen model and experimental measured hysteresis properties of the magnetostrictive actuator under inputs with different frequencies and biases. The effectiveness of the compensator for hysteresis is demonstrated through experimental results of the magnetostrictive actuator under inputs at different frequencies and bias levels. Based on the proposed compensator, a displacement PID controller is applied to force the output displacement of the magnetostrictive actuator to track the desired displacement accurately thereafter. The maximum absolute tracking errors is 0.052 μm. Compared to the control results without the compensator, the compensator can reduce the control error by about 85%. The results indicate that this study provides an effective method which can compensate the hysteresis of the magnetostrictive actuator under different frequencies and biases of inputs.