基于光纖光柵的gma自適應(yīng)控制方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于光纖光柵傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種基于光纖光柵的GMA自適應(yīng)控制方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著航空航天、微電子、超精密加工、現(xiàn)代生物工程、光學(xué)微處理等領(lǐng)域中對制造裝備自身的精密定位、精密位移等性能要求的不斷提高，傳統(tǒng)的材料已無法滿足要求。超磁致伸縮致動器GMA具有功率大，能量轉(zhuǎn)換效率高、驅(qū)動精度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢，日益受到廣泛關(guān)注。
[0003]在歐美發(fā)達(dá)國家，采用超磁致伸縮材料的高精度微致動已得到了比較廣泛的應(yīng)用，對GMA(超磁致伸縮致動器)的微致動結(jié)構(gòu)的非線性特點、原理和相關(guān)理論有比較深入的探索，已提出了整套的控制理論和方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對GMA的精密控制。針對多物理場動態(tài)耦合方面的建模研究，國內(nèi)外的學(xué)者也做了很多分析與研究。
[0004]目前對GMM本構(gòu)非線性關(guān)系以及GMA多物理場耦合的微致動結(jié)構(gòu)非線性特征的定量描述，主要存在以下不足:(1)現(xiàn)有對GMM本構(gòu)關(guān)系的理論建模，要么針對理想狀態(tài)下的多場耦合行為，要么針對準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動下材料的磁滯行為，能夠真實、有效的模擬GMM多場耦合非線性特性的本構(gòu)模型比較匱乏。(2)對于GMM棒為核心驅(qū)動元件的GMA系統(tǒng)，沒有真正意義上同時考慮多物理場因素耦合條件下GMM棒復(fù)合作用原理和微致動結(jié)構(gòu)非線性時變建模的耦合理論框架。(3)對于磁-彈-熱多物理場因素耦合效應(yīng)的理論研究，已有的研究大多在具有理想假設(shè)前提的仿真環(huán)境下進(jìn)行，缺乏對真實工況下GMA多物理場因素的作用特征、耦合機(jī)理以及動態(tài)非線性特性的研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種基于光纖光柵的自適應(yīng)控制方法及裝置，采用光柵傳感器技術(shù)作為對GMA實際工況條件下多物理場狀態(tài)參數(shù)的獲取手段，并對所采集數(shù)據(jù)的分析方法進(jìn)行深入研究，引入了動態(tài)建模的思想，提高GMA多物理場耦合非線性模型對實際工況的適應(yīng)能力，進(jìn)而提出GMA自適應(yīng)控制方法，以提高復(fù)雜工況條件下的GMA控制精度。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的基于光纖光柵的GMA自適應(yīng)控制方法，其特殊之處在于，包括如下步驟:
[0007]1)將光柵位移傳感器與GMA緊密連接，通過采集光柵柵距的改變導(dǎo)致反射光波長的位移值，以此反映GMA輸出位移值；
[0008]2)實時采集GMA致動過程中的環(huán)境物理量，獲取GMA的外加激勵反饋特征信息；
[0009]3)根據(jù)所述GMA的外加激勵反饋特征信息建立多物理量耦合在線動態(tài)模型，輸入期望位移值計算出應(yīng)給激勵值；
[0010]4)建立非線性最優(yōu)控制模型，根據(jù)所述期望位移值、應(yīng)給激勵值和外加激勵反饋特征信息計算出實際激勵值，并控制所述實際激勵值作用于GMA，實時采集所述步驟1)中GMA輸出位移值；
[0011]5)重復(fù)步驟2)?4)直至所述GMA輸出位移值與期望位移值相等。
[0012]優(yōu)選地，所述步驟1)中將光柵位移傳感器與GMA緊密連接的具體步驟為:將光柵位移傳感器與應(yīng)變體緊密連接，并將所述應(yīng)變體與GMA的致動桿連接。GMA工作時，致動桿發(fā)生位移，與致動桿緊密連接的應(yīng)變體隨之發(fā)生形變，連接在應(yīng)變體上的光柵位移傳感器采集該形變值，進(jìn)而根據(jù)應(yīng)變體的固有參數(shù)計算出GMA輸出位移值。
[0013]優(yōu)選地，所述步驟2)中GMA致動過程中的環(huán)境物理量包括GMA外殼環(huán)境溫度、GMM棒體振動、GMA內(nèi)部磁場分布、GMM棒體溫度、GMA線圈溫度和GMA線圈電流。GMA工作過程中受到相互間存在關(guān)聯(lián)的不同物理場因素的復(fù)合影響，通過采集GMA的多物理場反饋狀態(tài)參數(shù)能夠反映出的復(fù)雜致動效果。
[0014]優(yōu)選地，所述步驟3)中多物理量耦合在線動態(tài)模型為滯回逆模型，用于根據(jù)所述GMA致動過程中的環(huán)境物理量的參數(shù)，計算實現(xiàn)期望位移值所需要作用于GMA的應(yīng)給激勵值。通過對多物理場耦合的微制動結(jié)構(gòu)在線非線性建模理論的分析，掌握多物理場耦合激勵和作用因素對GMA致動效果和反饋狀態(tài)的實時影響特征，進(jìn)而建立GMA工作過程中的在線非線性動態(tài)模型，以保持多物理場的微制動結(jié)構(gòu)非線性時變模型在GMA工作過程中與現(xiàn)實工況的即時非線性吻合。
[0015]一種用于實現(xiàn)上述基于光纖光柵的GMA自適應(yīng)控制方法的裝置，包括PC機(jī)、信號發(fā)生器、音頻功放、與GMA的致動桿緊密連接的應(yīng)變體、與所述應(yīng)變體緊密連接的光柵位移傳感器、安裝于GMA內(nèi)部的環(huán)境物理量光柵傳感器和光柵解調(diào)儀；
[0016]所述PC機(jī):用于接收光柵解調(diào)儀發(fā)送的GMA輸出位移值和GMA致動過程中的環(huán)境物理量，并計算出實際激勵值，將實際激勵值轉(zhuǎn)換為控制信號發(fā)送至信號發(fā)生器；
[0017]所述信號發(fā)生器:用于根據(jù)PC機(jī)發(fā)送的控制信號輸出正弦激勵信號；
[0018]所述音頻功放:用于根據(jù)信號發(fā)生器發(fā)送的正弦激勵信號驅(qū)動GMA ;
[0019]所述應(yīng)變體:用于體現(xiàn)致動桿受到擠壓而產(chǎn)生的形變；
[0020]所述光柵位移傳感器:用于采集所述應(yīng)變體的形變值，并根據(jù)所述形變值計算出GMA輸出位移值發(fā)送至光柵解調(diào)儀；
[0021]所述環(huán)境物理量光柵傳感器:用于采集GMA致動過程中的環(huán)境物理量，并將所述GMA致動過程中的環(huán)境物理量發(fā)送至光柵解調(diào)儀；
[0022]所述光柵解調(diào)儀用于將所述形變位移值和GMA致動過程中的環(huán)境物理量解調(diào)后發(fā)送至PC機(jī)。
[0023]進(jìn)一步地，所述環(huán)境物理量光柵傳感器包括棒體溫度傳感器、分布式磁場傳感器、GMM棒體振動傳感器和線圈溫度傳感器；所述棒體溫度傳感器:安裝于GMA內(nèi)的GMM棒表面，用于采集GMM棒體溫度并發(fā)送至光柵解調(diào)儀；所述分布式磁場傳感器:安裝于GMA的線圈外側(cè)，用于采集GMA內(nèi)部磁場分布并發(fā)送至光柵解調(diào)儀；所述GMM棒體振動傳感器:安裝于GMA的GMM棒表面，用于采集GMM棒體振動并發(fā)送至光柵解調(diào)儀；所述線圈溫度傳感器:安裝于GMA的線圈表面，用于采集GMA線圈溫度并發(fā)送至光柵解調(diào)儀。
[0024]更進(jìn)一步地，還包括安裝于GMA的外殼表面的環(huán)境溫度傳感器，所述環(huán)境溫度傳感器用于采集GMA外殼環(huán)境溫度并發(fā)送至光柵解調(diào)儀。
[0025]更進(jìn)一步地，還包括與GMA的線圈連接的電流傳感器，所述電流傳感器用于采集GMA線圈電流并發(fā)送至光柵解調(diào)儀。
[0026]更進(jìn)一步地，所述棒體溫度傳感器、分布式磁場傳感器、GMM棒體振動傳感器和線圈溫度傳感器均通過從GMA底部伸出的光纖與光柵解調(diào)儀連接。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明一種基于光纖光柵的自適應(yīng)控制方法及裝置，采用光纖光柵傳感器實時采集GMA致動過程中多物理場的機(jī)械耦合狀態(tài)信息，獲取GMA各個組成部分和外加激勵的反饋特征信息，以此為依據(jù)建立GMA工作過程的在線非線性動態(tài)模型；進(jìn)而通過分析預(yù)期和實際反饋特征間的差異，研究激勵和反饋間的模型自適應(yīng)隨動控制策略，設(shè)計出符合應(yīng)用要求最優(yōu)的自適應(yīng)控制方法。使得對GMA的控制能夠根據(jù)環(huán)境工況的變化而調(diào)整，保證GMA控制的精度。
[0028]本發(fā)明旨在提高復(fù)雜工況條件下的GMA控制精度，其特點包括:
[0029](1)用光纖光柵傳感器實時采集GMA致動過程中多物理場的機(jī)械耦合狀態(tài)信息，獲取GMA各個組成部分和外加激勵的反饋特征信息；
[0030](2)以反饋特征信息為依據(jù)，并依托GMA系統(tǒng)的多物理場耦合，設(shè)計在線非線性建模理論和方法，針對GMA的多物理場反饋狀態(tài)參數(shù)所反映出的復(fù)雜致動效果，結(jié)合分布式光纖光柵傳感探索GMA反饋狀態(tài)參數(shù)獲取方法，建立合理的分布式光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)分析機(jī)制；
[0031](3)同時結(jié)合機(jī)械控制原理，通過分析預(yù)期和實際反饋特征間的差異，研究激勵和反饋間的模