非线性Preisach理论与超磁致伸缩执行器高阶迟滞建模

经典Preisach理论在建模迟滞过程时要求其所描述迟滞过程必须满足擦除特性和滞环全等特性,并把这两个条件作为其建模的充分与必要条件。试验表明超磁致伸缩材料的迟滞过程仅满足擦除特性而不满足滞环全等要求,正是这个原因使经典模型在预测具有多次回转特征的高阶迟滞输出时存在较大误差。在经典模型基础上提出一种改进模型,新模型一方面放松经典模型对次环全等的严格要求,另一方面还在参数辨识过程中同时将一阶和二阶回转曲线数据考虑在内,从而提高其对高阶回转迟滞曲线的预测精度。最后在直动式超磁致伸缩执行器上进行试验。结果表明,在预测具有多次回转特征的高阶迟滞输出时,新模型的预测精度明显高于经典模型,对二阶、三阶滞回曲线的预测精度分别提高了34%和33%。     

带磁致伸缩位移传感器液压缸

本文介绍带磁致伸缩位移传感器液压缸的结构特点。分析说明了磁致伸缩位移传感器的工作原理及性能。     

磁致伸缩位移传感器的研制

磁致伸缩位移传感器是基于磁致伸缩效应原理实现位移测量的器件，由于磁致伸缩材质和扭转渡的传播特性，以及电子测量电路对于精确测时功能的实现，使得该传感器同时具有非接触、绝对式测量、精度高、测量大位移、寿命长、安装简便，适用范围广等优点。且受外界干扰小，能在恶劣的环境下工作，已在国外得到广泛应用，而国内还没有自主研发的产品。文中介绍了自主研发的磁致伸缩位移传感器的工作原理，传感器的电路部分设计，以及该传感器的相关性能测试和测试结果分析，最后给出了一些性能提升的方案。     

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。     

磁致伸缩位移传感器应用研究

主要阐述磁致伸缩位移传感器的测量机理,介绍了磁致伸缩位移传感器工作原理,重点讨论了影响磁致位移传感器测量精度的指标,并提出了应对措施。     

磁致位移传感器及其应用

磁致伸缩位移传感器用非接触技术监控活动磁铁。由于磁铁和传感器并无直接接触,因此传感器即使在恶劣的工业环境下,例如易受油渍、溶液、尘埃或其它的污染,也能正常的工作。此外还能承受高温、高压、高振荡的环境,适用于多种不同的自动化环境,例如机械控制、木材加工和液体容积测量等。     

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.     

磁致伸缩位移传感器检测信号分析

实验研究了磁致伸缩位移传感器的探测电压信号,以便提高磁致伸缩位移传感器的检测精度。分析和验证了波导丝材料、驱动脉冲电流、检测线圈等参数对磁致伸缩位移传感器输出电压的影响规律。对检测线圈进行了优化设计,基于实验数据确定了传感器的各项参数值。实验发现磁致伸缩系数大、魏德曼效应显著的Fe-Ga材料作为波导丝,可明显提高电-磁-机械能的转换效率,获得较大的检测电压信号。研制了新型Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器样机,并与Fe-Ni波导丝传感器进行了性能对比。结果表明,与Fe-Ni波导丝相比,Fe-Ga波导丝磁致伸缩位移传感器的检测信号明显增强,信噪比显著提高,其检测电压信号幅值比Fe-Ni波导丝检测电压信号幅值提高了40mV,相应的传感器精度提高了2倍。     

基于双曲正切函数磁滞算子的超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型

经典Preisach算子存在不能反映单元算子磁滞输出依赖于输入变化率的固有缺陷,为扩大Preisach磁滞模型的应用范围,提出一种基于双曲正切函数的动态Preisach磁滞算子,其形状参数为输入变化率的双曲正切函数,该算子可描述超磁致伸缩驱动器磁滞依赖输入变化率的特性。在此基础上构造出超磁致伸缩驱动器动态Preisach模型,并利用BP神经网络完成动态Preisach模型的参数辨识。进行超磁致伸缩驱驱动器磁滞输出试验研究,将驱动频率分别为40 Hz、70 Hz、100 Hz的正弦电流下超磁致伸驱动器(Giant magnetostrictive actuator,GMA)输出位移试验数据作为训练样本数据,并另取训练样本数据中未包含的100 Hz以下20 Hz、50 Hz、80 Hz与100 Hz以上120 Hz、130 Hz、150 Hz共六种频率信号下GMA输出位移试验数据对其预测能力进行检验,结果表明该动态模型能够较为精确地描述超磁致伸缩驱动器的动态磁滞现象并具有较好的模型泛化能力。在0~150 Hz频率的输入电流下,该动态Preisach模型的最大预测位移均方误差为2.87μm,最大绝对位移误差为4.4μm。研究结果可广泛应用于GMA实时控制系统,提高GMA器件的控制精度。     

基于单片机的磁致伸缩位移传感器数字化处理系统研究

介绍了磁致伸缩位移传感器的结构、工作原理及信号特点，提出了一种小型数字化处理系统，利用单片机对磁致伸缩位移传感器的输出模拟信号进行数字化处理，采用轴取被测信号特征量的滑动滤波算法，得到准确的数字信号，以异步串行通信方式传输，提高了传感器的整体性能，使传感器更具智能化。     

Jiles-Atherton模型的超磁致 伸缩驱动器磁滞补偿控制

研究了磁滞补偿控制的方法,建立了基于Jiles-Atherton模型的磁滞补偿控制系统。介绍了Jiles-Atherton磁滞模型的主要思想及其主要参数,对该模型反向运动时磁化强度变化与磁场强度变化的对应关系进行了分析,并在此基础上,提出了利用磁滞环的宽度,通过重新给定反向起始点的迭代初值,实现磁滞补偿的方法。实验结果表明:对于阶跃响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且达到稳态时间比不进行磁滞补偿时缩短12 ms;对于正弦响应,采用磁滞补偿时没有延迟,且均方误差比不进行磁滞补偿时提高了0.19 μm,能有效消除磁滞的影响,提高定位精度。     

一种新的混合Preisach迟滞模型及其性质研究

压电陶瓷执行器物理结构复杂,应用参数化方法辨识经典Preisach模型描述其迟滞特性时,难以找到合适的Preisach函数,模型预测误差较大。为了提高建模精度,定义了均值迟滞模型作为经典Preisach模型的补充,将均值迟滞模型与经典Preisach 模型加权叠加得到一种新的混合Preisach模型,并将权值定义为迟滞度参数,用以描述模型的迟滞非线性强烈程度。同时证明了混合Preisach模型具有类似于经典Preisach模型的擦除特性和一致特性,给出了混合Preisach模型表示定理。最后结合神经网络完成了混合Preisach模型的辨识过程。实验数据证明,在三角波信号下和衰减正弦信号下,混合Preisach模型的预测误差较经典Preisach模型分别降低了1.77 和1.26 。     

压电陶瓷执行器迟滞特性的广义非线性Preisach模型及其数值实现

压电陶瓷执行器的迟滞非线性不具有经典Preisach模型的次环一致特性,直接利用该模型对压电陶瓷执行器的迟滞特性建模会产生较大误差。为了提高压电陶瓷执行器的迟滞特性建模精度,在非线性Preisach模型的基础上推导得到适用于压电陶瓷迟滞特性的广义非线性Preisach模型,并给出简化分类计算公式。广义非线性Preisach模型将经典Preisach模型表示定理中的次环一致特性修改为次环等弦长特性,放宽了对描述对象的限制要求。实验数据表明,与经典Preisach模型相比,广义非线性Preisach模型预测位移的误差绝对值的最大值降低了0.22 μm,均方根误差降低了0.11 μm,能够更精确地描述压电陶瓷的迟滞特性。     

Preisach迟滞逆模型的神经网络分类排序

为了补偿影响压电陶瓷执行器纳米定位系统精度的迟滞非线性,提高系统的控制精度,开展了基于压电陶瓷执行器的迟滞非线性逆模型的研究。兼顾到迟滞的擦除特性和建模的精确度,提出了一种Preisach逆模型分类排序法的神经网络实现方法,用神经网络取代了传统的反查值方法,以避免插值误差。建立三层BP神经网络,运用实测数据进行训练,确定各层权值;然后,结合排序得到的电压和位移极值信息,通过神经网络方法拟合出较精确的输入电压值。运用若干组实验数据检验了此逆模型的有效性,结果表明,该神经网络的实现方法将逆模型的平均误差降低到了1.5V以下,最大误差绝对值降低到了2.7V以下。与反查值方法相比,神经网络实现方法有效提高了压电陶瓷执行器纳米定位系统的迟滞逆模型的精度。     

时栅位移传感器误差动态采样与补偿模型研究

针对现有时栅位移传感器误差补偿模型补偿效果受标定实验台速度影响的问题,提出了一种基于三次样条插值-傅里 叶谐波合成的误差补偿模型。 首先,根据时栅位移传感器多测头信号感应原理与整周误差曲线等间距周期性分布特性,分析短 周期误差受标定实验台速度影响,引入传感器等间距采样的“错位”误差,该误差将直接影响构建的短周期误差补偿模型的补 偿效果;其次,利用三次样条插值法准确定位误差采样位置,精确重构短周期误差曲线;最后,通过重构的短周期误差曲线与傅 里叶谐波补偿法建立了短周期误差补偿模型,提高了时栅位移传感器误差补偿效果。 实验结果表明,采用本补偿模型后传感器 短周期误差峰峰值降至 1. 7″;本补偿模型短周期误差补偿效果优于传统基于傅里叶谐波补偿法构建的补偿模型,标定实验台速 度为 3 r/ min 时补偿效果可提高 56. 0% ,既能满足传感器动态标定的工作效率,也能满足传感器的高精度误差标定需求。     

A novel magnetostrictive static force sensor based on the giant magnetostrictive material

In order to realize static force measuring and improve the sensitivity of magnetostrictive force sensor, a novel magnetostrictive static force sensor with giant magnetostrictive material rod is presented. A Hall sensor integrated in the sensor is used to measure magnetic flux density variation under force. A special structure surrounding Hall sensor is proposed to improve the sensitivity. The design method of the giant magnetostrictive force sensor is expounded firstly. The magnetic characteristics are analyzed by FEM. A model is developed based on the coupled linear magnetomechanical constitutive equations and the experimental result shows that the model is good at reflecting the force. The optimal bias magnetic field and sensitivity are studied through experiments. The sensor sensitivity is 6.14 times higher than that of the sensor which dose not have a stainless steel ring. The paper lays a foundation for the development of magnetostrictive force sensor with giant magnetostrictive material.     

用于异形孔精密加工的超磁致伸缩构件的线性化迟滞建模

根据超磁致伸缩构件精密加工异形孔刀具轨迹的特点,采用纯延时环节串联线性化模型,建立其在高频驱动下驱动电流与输出微位移的迟滞非线性动态模型.通过一定频率下驱动电流与输出位移的相关辨识,获得系统纯延时环节的补偿参数,并建立了驱动电流与无相位差输出位移的线性化模型.当实时控制时,通过迟滞非线性模型的直接逆模型补偿,使位移输出与异形孔的理想刀具轨迹一致.实验验证表明,直接逆模型的最大开环控制误差为2.7 μm,最大相对误差为10％.进一步对构件进行微位移反馈闭环控制,实验误差最大值为1.2 μm,最大相对误差为7％,提高了系统的控制精度.     

快速伺服刀架迟滞特性的Preisach建模

使用压电陶瓷作驱动元部件的快速伺服刀架是一种新的加工手段。本文介绍了基于Preisach模型的快速伺服刀架迟滞特性建模方法。作为快速伺服刀架的驱动元部件,压电陶瓷微位移器自身的迟滞、蠕变等非线性特性严重影响了快速伺服刀架的动态性能。为了精确建立快速伺服刀架的迟滞模型,给出了Preisach模型的数字表达方式,通过一系列实验测得的数据证明快速伺服刀架系统具有一致特性与擦除特性,满足Preisach模型的两个必要条件,最后在实验数据的基础上建立了基于Preisach模型的迟滞特性模型。实验表明,该迟滞模型可以很好地预测快速伺服刀架的迟滞位移曲线,其预测误差不超过0.65 μm。