压电复合悬臂梁非线性模型及求解

基于功能材料的复合悬臂梁涉及多物理场耦合,其本构关系的非线性影响悬臂梁的输出及控制精度,采用Helmholtz Gibbs自由能关系建立压电材料的非线性本构模型。基于Boltzmann原理,该模型的内核函数由热能和Gibbs能量平衡决定。将模型与悬臂梁结构进行耦合,利用边界和初始条件导出压电复合悬臂梁的强解形式,并对强解进行弱化,采用Galerkin法对弱解进行离散化,利用三次B样条函数得到悬臂梁的数值解。研究结果表明,与已有文献的实验进行比较,所建立的压电材料非线性本构模型能够较好地预测复合悬臂梁的行为。     

PLZT陶瓷在多能场耦合下的光致伸缩效应

为了消除高能光束照射下镧改性锆钛酸铅(PLZT)陶瓷的光致形变与光生电压之间的迟滞现象,建立了一种多能场耦合下的新型光致伸缩本构方程,实验研究了影响该迟滞现象的各种因素。首先,对光照作用下光-电-热-力多能场耦合作用进行理论分析,建立了光致伸缩效应的本构关系;然后,对反常光生伏特效应、光焦热效应、热释电效应、热膨胀效应以及压电效应进行理论推导,得到了新型的光致伸缩本构方程;最后,通过温度屏蔽实验和光致伸缩静态实验验证了提出的本构方程。实验表明:PLZT陶瓷表面的温升是造成迟滞现象的主要原因;实验曲线变化趋势与理论结果一致,显示理论模型合理;消除温度影响后,实验所用PLZT样品的光致形变达到饱和所用的时间约为10s。结果表明,降低PLZT陶瓷表面的温升能有效消除迟滞现象,提高光致形变响应速度;建立的光致伸缩本构方程为PLZT陶瓷驱动控制研究提供了理论基础。     

WTYD型压电陶瓷微位移器的迟滞特性模拟

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,本文通过采用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的迟滞关系的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,本文提出并研究的WTYD型压电陶瓷微位移器的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。     

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。     

基于迟滞模型压电陶瓷跟踪控制方法

压电陶瓷存在迟滞现象,开环定位精度受到严重影响.本文提出一个能够精确描述迟滞现象的数学模型,通过实验发现压电陶瓷迟滞曲线由转换电压决定.提出基于这个迟滞模型的开环逆控制方法,压电陶瓷迟滞减少至1%以内,控制性能显著提高.     

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。     

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.     

纯电力加载下压电陶瓷内环迟滞特性的实验研究

以典型压电陶瓷堆叠执行器为研究对象,对纯电力加载作用下压电陶瓷的内环迟滞行为进行了实验研究和分析。实验采用Sawyer-Tower方法获得了执行器的极化强度,利用高精度电容式位移传感器测量了执行器的输出位移,结合外围实验设备,通过计算得到了堆叠执行器在输入电压频繁折返过程中的电压-极化和电压-应变曲线。从压电陶瓷内部晶体的电畴转向角度出发,对其行为特性的产生机理进行了分析,给出了压电陶瓷堆叠执行器的建议工作区域。     

用于微隔振平台的压电致动器设计与研究

为实现微隔振平台的自适应控制,选择具有驱动和传感功能的压电陶瓷设计了一种驱动器.从其本构关系出发,对单片压电陶瓷进行了分析,在此基础上建立了压电堆动态模型.设计出的压电致动器,不仅具有驱动与传感功能,而且具有简单、易加工等特点,然后通过试验研究,对压电致动器的预压进行了标定,并选择了合适的预压弹簧,完成了对致动器的成品化.最后对压电致动器的迟滞、线性、重复性进行了初步研究,为微隔振平台的控制打下了基础.     

压电驱动晶体的特性研究

压电陶瓷迟滞特性是影响压电陶瓷驱动器位移输出精度的主要因素。在仔细研究现有的解决方案的基础上，采用Preisach模型对压电的迟滞性进行建模，并进行了相应的实验研究。实验结果证明该方法可以很好地降低压电陶瓷迟滞特性对位移输出性能的影响。而且采用压电陶瓷位移输出不回复到初始0电压状态的处理方法能够更地吻合实际情况。     

非线性超声谐振方法及在结垢检测中的应用研究

针对压力容器和管道安全运行需要,发展了一种非线性超声谐振结垢检测方法。从理论上分析非线性细观弹性材料因迟滞效应引起的非线性弹性本构关系。研究发现,随着超声波激励幅值的增加,迟滞导致的非线性效应主要表现为超声波谐振频率向低频偏移和谐振频谱品质因数的变化。对涂有不同厚度模拟结垢的板试件进行非线性超声谐振检测试验,研究了激励电压水平对基波及二次谐波谐振频谱的影响规律,提出基于二次谐波弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数的结垢层厚度表征方法。在此基础上,将非线性超声谐振检测方法应用于实际工程中炉管结垢层检测,结果表明,利用二次谐波的弹性迟滞非线性系数和耗散迟滞非线性系数能较好反映炉管结垢状况。研究工作为实际工程中炉管结垢层检测提供了新的思路和方法。     

精密磁致伸缩致动器的动态非线性多场耦合建模

为提高超磁致伸缩致动器(GMA)的精度,描述其在动态和准静态环境下的复杂磁滞行为,设计了具有精密位移输出的GMA,建立了包含磁滞及涡流损失的动态非线性多场耦合模型。首先,采用模块化方法设计了GMA;然后,利用热力学理论和能量守恒定律,建立了超磁致伸缩材料非线性多场耦合本构模型;最后,通过分析材料非线性本构行为与系统结构动态行为间的耦合过程,提出了GMA的动态非线性多场耦合模型。实验分析了能量损失及预紧力对系统特性的影响规律。结果表明:预紧力可改善系统输出特性且存在最佳预紧状态;建立的模型能够较准确预测位移,平均相对误差约为4.5%。另外,随着频率增加,异常和涡流能量损失以及磁滞量会增大,磁滞行为源于磁畴不可逆运动过程中的能量损失。实验还显示:对于精密GMA系统,不能忽略高频涡流效应。建立的模型较准确地描述了动态及准静态环境下GMA的复杂磁滞行为,由于考虑了材料本构行为耦合和系统动态行为耦合,进一步提高了GMA系统的精度。     

迟滞非线性系统辨识与补偿控制研究

针对智能材料中存在的迟滞问题,对其开展了迟滞非线性特性分析,建立了迟滞系统。该迟滞系统由两个部分串联构成:一部分是滤去传递函数影响的Preisach模型;另一部分是不考虑迟滞影响的系统传递函数。将离线和在线辨识方法应用到辨识迟滞系统中,应用最小二乘法离线辨识得到了辨识传递函数参数,再用此辨识传递函数参数作为神经网络辨识的初始权值,得到了神经网络在线辨识的辨识模型;建立了辨识传递函数的逆模型控制系统和前馈逆模型PID控制系统,并对辨识系统进行了迟滞非线性补偿。研究结果表明,模型辨识方法的可行性和补偿控制的有效性在仿真中得到了验证。     

基于Prandtl–Ishlinskii模型的超磁致伸缩驱动器实时磁滞补偿控制研究

针对超磁致伸缩驱动器(GMA)存在复杂的磁滞非线性易降低系统性能,导致系统不稳定的问题,建立了可以精确描述磁滞现象的模型并提出了合适的驱动控制方法。首先,基于Prandtl-Ishlinskii(PI)模型对GMA磁滞建模,并采用最小均方法(LMS)进行模型参数辨识,模型预测误差为0.037 9 μm。接着,通过对PI模型解析求逆进行实时补偿控制,从而有效减小磁滞误差,补偿控制误差为0.309 μm。实验结果证明,PI模型可以精确描述GMA磁滞现象,且具有计算简单,磁滞跟踪能力强的优点。基于该模型的实时磁滞补偿控制方法可以有效减小磁滞误差,提高GMA实时驱动定位控制精度,是实现GMA精密驱动控制的一种有效方法。     

O型钢丝绳隔振器的三向动态特性

采用周期动态加载试验方法,分别获得了O型钢丝绳隔振器在剪切、横滚和拉压方向上随激励振幅和频率变化的动态迟滞特性。在剪切和横滚方向,试验迟滞环呈现对称特性;在拉压方向上,试验迟滞环呈现非对称迟滞特性,并随着激励幅值的增加,迟滞环面积增大而且非对称迟滞特性表现的更加明显;在拉伸方向上拥有硬化刚度;压缩方向上刚度明显软化。在测试频率段,隔振器3个承载方向的滞回性能与频率无关。针对隔振器的三向动态特性,提出一种改进的归一化Bouc-Wen模型和一种简单有效的参数识别方法,并基于试验数据验证该模型和参数识别方法的有效性。结果表明,试验曲线和理论模型预测曲线吻合较好,该模型和方法能够分别有效描述隔振器的三向动态特性。     

非线性迟滞系统建模方法

针对一类迟滞非线性系统的动力学建模,提出了一种新的建模方法。该模型用高次非对称弹性力、粘性阻尼力及双折线记忆恢复力的机理构造,识别时应先采用分离算法识别各刚度和阻尼系数,再建立其与振幅和频率的函数关系。用所建模型重构的恢复力－位移迟滞回线表明：该模型能很好地描述这类非线性振动系统的特性,提出的建模及参数识别方法实用且有效。     

Modeling of hysteresis in piezoelectric actuators using neural networks

For the application of neural networks to the approximation of hysteresis which is characterized of multi-valued mapping and non-smooth nonlinearities, a novel modeling technique based on a transformation of one-to-one mapping is proposed in this paper. In this method, a special hysteretic operator is introduced to describe the change tendency of the hysteresis with regard to its input. Then an expanded input space is constructed for hysteresis with the introduction of such hysteretic operator, on which the multi-valued hysteresis is decomposed into a one-to-one mapping. Thus, neural networks model for hysteresis is derived, avoiding the calculation of the gradient of hysteresis. Subsequently, for approximation of rate-dependent hysteresis in piezoelectric actuators which is caused by the dynamic voltage excitations, a hybrid model, i.e. the dynamic extension of the proposed neural hysteresis submodel is developed. In the model, a linear dynamic block is introduced in series with the proposed neural model to allow for rate-dependent dynamics of the piezoelectric actuator simultaneously. Also the corresponding optimization algorithm by use of the modified Levenberg–Marquarqt (MLM) method is given. Finally, the experimental validation results of applying both the proposed neural hysteresis model and hybrid model to a piezoelectric actuator are presented.     

Nano-scale roughness effects on hysteresis in micro-scale adhesive contact

A multi-scale model enables investigation of the effect of surface roughness on energy loss in adhesive contact. Fully atomistic simulation of nano-scale indentation predicts size-dependent force–distance trends that are introduced as roughness into a micro-scale finite element model through randomly distributed non-linear hysteretic springs. The multi-scale model predicts that the energy loss, quantified by the hysteresis loop formed by loading and unloading data, increases with increasing indentation depth and surface roughness. This behavior is discussed in terms of an analytical model of a simply connected system.