超磁致伸缩致动器建模与控制仿真

第４３卷第８期机械工程学报ｖ０１．４３Ｎｏ．８２００７年８月ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥｌＵＮＧＡｕｇ．２００７

超磁致伸缩致动器建模与控制仿真?

陈定方１，３舒亮１卢全国１＇２陈敏１钟毓宁３

（１．武汉理工大学智能制造与控制研究所武汉４３００６３；

２．南昌工程学院机械与动力工程系南昌３３０００６；

３．湖北工业大学现代制造质量工程湖北省重点实验室武汉４３００６８）

摘要：设计一种超磁致精密伸缩致动器，对其构造和工作原理进行说明，并完成静态特性试验。通过对静态特性试验结果的分析，寻找到线性度比较理想的工作区间。在此基础上分析并建立所研制致动器的数学模型。为了提高致动器的响应速度和稳态输出，设计ＰＩＤ控制器进行校正，并对连续型和离散型的系统模型分别进行了仿真，得出控制器的控制效果，最后给出试验结果。对仿真结果和试验结果的对比分析，表明了所建立的超磁致伸缩致动器控制模型的有效性。

关键词：超磁致伸缩致动器静态特性ＰＩＤ响应速度仿真

中图分类号：ＴＰ２７３．５

Ｏ前言

稀土超磁致伸缩材料（Ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｃｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅｍａｔｅｒｉａｌ，‘ＧＭＭ）具有磁致伸缩效应，即当材料的磁化状态改变时，其尺寸会产生显著的变化。这类材料输出力大、应变显著、响应速度快，是改变现有自动控制技术现状，提高产品精确度，提高系统响应速度的新型材料【ｌ弓Ｊ。

将ＧＭＭ应用于电子机械工业，可以研制成超磁致伸缩致动器（ＧｉａｎｔｍａｇＩｌｅｔｏｓｔｒｉｃｔｉｖｃａｃｔｕａｔｏｒ，ＧＭＡ）。这一类致动器定位精度高，响应速度快，输出力大，设计相对简单，应用前景广泛。但材料本身固有的非线性磁滞、蠕变和漂移等缺点，使ＧＭＡ在相应输入下的变形量是不可确定的；并且，ＧＭＡ具有的本地记忆特性使输出还取决于信号输入的过程，这样对于致动器的建模与控制较为困难。

针对所设计的超磁致伸缩致动器，进行了静态特性测试。通过对静态特性试验结果的分析，寻找到线性度比较理想的工作区间，在此基础上分析建立了所研制致动器的数学模型。并且分别对连续型和离散型的系统模型进行ＰＩＤ控制仿真，给出了参数的整定方案和仿真结果，最后给出了试验的结果。通过对仿真结果和试验结果的对比分析，表明本文所建立的ＧＭＡ控制模型的有效性。

１ＧＭＡ结构与静态特性试验

１．１ＧＭ．Ａ结构设计

所设计的致动器结构与实物如图ｌ所示，其最

‘国家高技术研究发展计划（８６３计划，２００３ＡＡ４ｌ加１１）和现代制造质量工程湖北省重点实验室开放基金（ＬＭＱ２００６Ａ０１）资助项目。第一届全国智能制造学术会议推荐论文．２００７０２０５收到初稿，２００７０３２２收到修改稿大特点在于其顶部的活动端盖１０【４】。

图１ＧＭＡ结构模型与实物

１．入水管２．左密封圈３．底座４．下密封圈５．驱动线圈６．上密封圈７．预紧螺栓８．预紧弹簧９．输出轴１０．活动盖１１．线圈骨架１２．磁致棒１３．内套简１４．偏置线圈１５．出水管

预紧弹簧套于有工型结构的输出轴上，输出轴上端穿过端盖，下端与磁致棒紧密接触，这样横杆直接作用于弹簧。螺栓穿过端盖两端的圆孔，与壳体直接连接。向下调节预紧螺栓时，端盖会被带动一起向下运动，从而挤压弹簧产生预紧力，可以很方便地进行预紧力调整。同时，活动端盖对螺栓的调节起到定位的作用，保证装置输出轴的中心对称。

１．２静态特性试验

静态特性试验在Ｌａｂｖｉｅｗ环境下进行，得到输入电流与输出位移之间的关系如图２。

从图２可以看出，电流与位移之间存在着一定的滞回，并且线性度比较差。为了简化系统的数学模型，可以选取线性度比较好的工作区间来进行建模。通过反复的试验及分析，本文选取的线性区间

为１．Ｏ～１．５Ａ。

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