磁控形状记忆合金执行器建模及控制方法的研究

【摘要】20世纪末，一个名为Vasilevf的研究学者发现了磁控形状记忆合金这种很有趣的新型材料。该材料会在磁场作用下发生形变并且在去除磁场后能够恢复本来的形状。后来经过学者的深入研究，发现该种材料是一种集输出位移大、变形频率快两者于一身的功能材料，有望成为微纳驱动领域不可替代的关键材料。但是由于该种材料发现较晚，国内外对其控制方法的研究还远远不足。因此，本文对该材料制成的执行器输入输出之间呈现的迟滞非线性做了深入的分析，继而提出了针对这种迟滞非线性的建模和控制方法，为日后磁控形状记忆合金执行器的进一步控制研究奠定了一定的基础。本文首先对磁控形状记忆合金材料的优点做了简单的描述，并介绍了迟滞非线性产生的原因与特点。迟滞非线性最大的特点是具有记忆性和多值对应性，因此，仅能对一一对应或者多一对应关系建模的人工神经网络必须加以改进才能对迟滞非线性建模。为了同时描述这种非线性的两个主要特点，本文采取的方法为：将所运用的两种神经网络的输入层均设为2个神经元，所对应的输入分别为执行器包含当前状态信息的当前时刻的输入和包含所有历史信息的前一时刻的输出。这样不但把这种非线性的多值对应性成功转化为单值对应，而且还使所运用的神经网络具有记忆功能。在此基础上，分别采用了PID神经网络、BP神经网络和PI模型对迟滞非线性建立高精度的正模型，为之后的控制策略的实现奠定了基础。其中3种建模方法的权值辨识算法分别采用动量BP算法、量化共轭梯度法和交叉遗传粒子群算法，仿真结果表明该3种算法和它们对应的经典算法相比，辨识结果更为优秀。PI逆模型具有和正模型相同的结构，而逆模型的基本迟滞算子－stop算子直接可以由PI正模型的基本迟滞算子－play算子解析得到。在此知识的基础上，本文建立了PI逆模型，其中权值的辨识算法采用速度较快的递推最小二乘算法。然后基于逆控制理论的思想设计了一个基于此逆模型的前馈控制器，并将之运用到对执行器的迟滞逆补偿当中。仿真结果表明，基于PI逆模型的前馈控制的最大误差率仅为0.67%。这说明逆模型输出的控制信号能有效的使执行器的实际输出逼近期望输出值。但是考虑到随机干扰对系统的影响，前馈控制的最大误差率为3.29%，不符合高精度控制要求。最后，针对前馈控制抗干扰能力较差的问题，在前馈控制的基础上，进一步采用PID复合控制方法来提高控制精度。粒子群算法搜索的参数越多，需要搜索的时间越长，由于PID控制只有3个可调的参数，因此本文采用交叉遗传粒子群算法来搜索PID参数的最优值。该算法中的粒子以人工设置的PID参数作为位置初始值，来搜索更优的比例、积分和微分参数。仿真结果表明，人工调节参数的PID复合控制的控制精度从前馈控制精度的3.29%提高到了2.38%，基于交叉遗传粒子群算法整定的PID复合控制的控制精度在人工调节参数的PID复合控制的基础上又提高了0.73%。采用所提出的复合控制策略，系统的精度与抗干扰能力在前馈控制的基础上有了进一步提升，实现了磁控形状记忆合金执行器输出位移的高精度控制。
【作者】王自英；
【导师】周淼磊；
【作者基本信息】吉林大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】磁控形状记忆合金执行器；迟滞非线性；人工神经网络；PI模型；复合控制；

【参考文献】
[1]张琼.无意识思维结果浮现的可计划性研究[D].宁波大学,应用心理学,2014,硕士.
[2]贾晓鹰.内源性神经激肽和降钙素基因相关肽对缺血后适应的保护作用[D].山西医科大学,麻醉学,2013,硕士.
[3]杨乐.G汽车企业A产品市场定位研究[D].南京理工大学,工商管理,2012,硕士.
[4]张腾飞.基于粗糙集和RBF网络的动态建模方法研究[D].上海海事大学,2004.
[5]田齐东.氯丹/灭蚁灵污染场地土壤增效洗脱修复技术研究[D].南京农业大学,环境工程,2011,硕士.
[6]仇迎.SiO_2微球的制备及其在相变微胶囊中的应用研究[D].西南交通大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[7]郝建英.高中生数学抽象概括能力的调查与研究[D].河北师范大学,学科教学,2014,硕士.
[8]蔡雪梅.夫妻家庭暴力的民事法律规制[D].大连海事大学,法律,2013,硕士.
[9]刘芳.BaTiO_3系热敏电阻器配方与工艺优化[D].西安电子科技大学,材料物理与化学,2012,硕士.
[10]高振宇.磁性纳米粒子/磁性聚合物微球的制备及初步应用[D].吉林大学,物理化学,2013,硕士.
[11]孙鹭.关于高职高专音乐院校视唱练耳课分类、分级教学的探索与思考[D].河北师范大学,音乐学,2012,硕士.
[12]马士华,龚凤美,刘风华.基于集配中心的生产和配送协同决策研究[J].计算机集成制造系统,2008,12:2421-2430.
[13]李科.公共危机管理中政府与媒体的互动关系研究[D].山东师范大学,行政管理,2013,硕士.
[14]施莉.中小学校校本教师培训研究[D].浙江师范大学,2003.
[15]向蕾.多重实时荧光RT-PCR快速检测四种呼吸道病毒的研究[D].中山大学,流行病与卫生统计学,2014,硕士.
[16]白艳芳.春秋晋国郤氏研究[D].山西师范大学,专门史,2013,硕士.
[17]王业震.牡荆油乳治疗慢性支气管炎的疗效观察[D].湖北中医药大学,中西医结合临床（专业学位）,2013,硕士.
[18]陈卓珂.宁养社会工作实践中的伦理问题研究[D].西北大学,社会工作（专业学位）,2014,硕士.
[19]潘瑾.张朝钢琴作品《皮黄》中京剧元素的运用[D].华中师范大学,音乐学,2012,硕士.
[20]王天蕾.ABC公司ERP系统财务模块设计及实施研究[D].吉林大学,会计,2012,硕士.
[21]孙洪娜.基于双重情境学习模式的概念转变教学研究[D].山东师范大学,课程与教学论,2013,硕士.
[22]黄明圈.青钱柳复配茶的研制及降血脂作用研究[D].江西农业大学,农产品加工及贮藏工程,2012,硕士.
[23]冯豫华,彭明.基于数据仓库的社保DSS研究[J].江西广播电视大学学报,2004,03:44-46.
[24]赵欣,王仕成,廖守亿,马龙,刘志国.基于抗差自适应容积卡尔曼滤波的超紧耦合跟踪方法[J].自动化学报,2014,11:2530-2540.
[25]张雪.Annexin A7过表达与小鼠肝癌细胞增殖、迁移和侵袭能力的相关性[D].大连医科大学,病理学与病理生理学,2012,硕士.
[26]张小勇.电厂热工过程自适应前馈控制系统设计[D].华北电力大学（河北）,热能工程,2004,硕士.
[27]向瑶.马尔库塞异化理论与网络暴力分析[D].华中科技大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[28]邱闽文.高层建筑地下室结构施工的逆作法研究与应用[D].重庆大学,2003.
[29]黄忠.物联网资源寻址和访问方法研究[D].山东大学,电路与系统,2013,硕士.
[30]刘白瑞.论保民官制度的演变及其启示[J].河南工业大学学报(社会科学版),2015,01:42-46.
[31]王晶.标记性语言解释器设计与实现[D].西北工业大学,计算机软件与理论,2004,硕士.
[32]万月.内需结构对出口商品结构的影响分析[D].首都经济贸易大学,国际贸易学,2014,硕士.
[33]贾殿鑫.夏热冬冷地区自保温体系典型热桥传热模拟分析及优化[D].浙江大学,2013.
[34]王淑明.吉林省服务业国际化梯次发展模式研究[D].长春工业大学,管理科学与工程,2013,硕士.
[35]赵海峰.大豆异黄酮配伍叶酸对大鼠神经管畸形的保护性作用的研究[D].山西医科大学,营养与食品卫生学,2002,硕士.
[36]张航.Q235钢在两相区的热轧模拟研究[D].重庆大学,材料工程（专业学位）,2014,硕士.
[37]于萍.质子交换膜燃料电池膜的改性及热化学研究[D].辽宁师范大学,有机化学,2003,硕士.
[38]朱云生.基于元数据关联特征的分布式查询方法研究[D].华中科技大学,计算机系统结构,2013,硕士.
[39]吴宝春.MPEG-4 ASP视频解码器系统设计[D].浙江大学,通信与信息系统,2004,硕士.
[40]谢毓广,江晓东.储能系统对含风电的机组组合问题影响分析[J].电力系统自动化,2011,05:19-24.
[41]孙正磊.高帧频自动调光自动白平衡彩色CCD相机设计[D].中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）,机械工程,2012,硕士.
[42]李雪.新时期中国共产党和平发展思想及意义研究[D].东北农业大学,马克思主义基本原理,2013,硕士.
[43]孙亮权.UHF RFID牛耳标的设计与工艺研究[D].华中科技大学,材料加工工程,2013,硕士.
[44]罗五四.应用三元线性回归法处理车削力数据软件的设计[J].工具技术.2003(11)
[45]宋妍.社区精神分裂症康复期患者健康教育材料的编制与应用[D].中南大学,护理学,2014,博士.
[46]王志勤.日益崛起的无线业务增值平台——基于Client/Server的业务实现方式[J].电信网技术.2000(02)
[47]张艳.一种数控稳频高Q值耿氏振荡器的研究[D].国防科学技术大学,航天工程,2012,硕士.
[48]张颖慧.教学课件在大学英语读写课中使用情况的调查与研究[D].山西财经大学,外国语言学与应用语言学,2014,硕士.
[49]王琳.“规定性”与“灵活性”的较量[D].东北师范大学,比较教育学,2012,硕士.
[50]陈欢.自然循环太阳能蒸汽发生系统传热特性实验研究[D].浙江大学,工程热物理,2013,硕士.