压电MFC执行器宽频带输入—输出特性的分析及模拟方法

作     者：候松 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王代华

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：压电MFC执行器 宽频带 输入-输出特性 EMD综合模型 线性化 

摘      要：压电宏纤维复合材料(Macro fiber composites,MFC)执行器是一种新型柔性微位移执行器,具有质量轻、柔韧性高、驱动力大的优点,被广泛应用于航空航天、交通运输、智能仿生和工业自动化控制等领域,但其宽频带输入-输出特性呈现较强的非线性特性,这会影响其构成的致动系统的控制精度。研究分析压电MFC执行器宽频带输入-输出特性并建立模拟方法,是实现压电MFC执行器致动系统宽频带高精度非线性控制的基础。然而,目前缺乏对压电MFC执行器宽频带输入-输出特性的模拟研究,制约了压电MFC执行器的进一步发展和应用。针对上述问题,本文建立了压电MFC执行器的机电动力学(Electro-mechanical dynamics,EMD)综合模型,以描述其在包含固有频率的宽频带内的输入-输出特性。主要研究工作和创新点如下:(1)建立了压电MFC执行器的宽频带输入-输出特性测试实验装置并对其进行了特性测试和分析,结果表明压电MFC执行器的输入-输出关系在包含固有频率的宽频带内会受到迟滞特性、蠕变特性和结构动力学特性的影响,呈现具有频率相关性的输入-输出特性。(2)提出并建立了修正的Prandtl-Ishlinskii(Modified Prandtl-Ishlinskii,MPI)模型和动态力学模型串联的EMD综合模型,以表征压电MFC执行器宽频带输入-输出特性。其中,MPI模型由双向延时非平行Play算子加权求和构成,以模拟压电MFC执行器低频迟滞特性;动态力学模型由蠕变模型和Euler-Bernoulli梁理论模型构成,以描述压电MFC执行器宽频带蠕变特性和结构动力学特性。(3)验证了EMD综合模型能够准确模拟压电MFC执行器的宽频带输入-输出特性和MPI模型对压电MFC执行器低频迟滞特性的准确描述。(4)研究了基于EMD综合模型的压电MFC执行器的前馈和复合线性化控制方法。搭建了压电MFC执行器致动的柔性悬臂梁主动控制实验装置并进行了实验研究。实验结果表明,提出的基于EMD综合模型的前馈和复合线性化控制器能够使柔性悬臂梁的宽频带输入-输出关系呈线性化,基于MPI模型的线性化控制器能够降低压电MFC执行器低频迟滞特性对输出位移精度的影响。本文的研究有利于推动压电MFC执行器宽频带输入-输出特性模拟方法的发展,为压电MFC执行器致动系统的宽频带高精度非线性控制奠定了理论基础。