基于磁控形状记忆合金驱动器伺服阀的建模与仿真.pdf

De c ．2 0 1 3 机床与液压 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i ng V0 l _41 No ．2 4 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 - 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 4 ． 0 0 8 M o d e l i ng a n d S i mul a t i o n o f S e r v o Va l v e Ba s e d o n t h e M a g n e t i c S h a r p M e mo r y Al l o y s Ac t u a t o r TU F u q u a n ，MAO Ya n g，Z HAO Zh e n f e i ，L I He K e y L a b o r a t o r y o f Me t a l l u r g i c a l E q u ip m e n t a n d C o n t r o l T e c h n o l o g y ， Mi n i s t r y o f E d u c a t i o n ， W u h a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，Wu h a n 4 3 0 0 8 1 ， C h i n a 1 ． I nt r o d uc t i o n Ab s t r a c t Th e p a p e r d e s i g n s a p il o t s e r v o v a lv e mo d e l b a s e d o n ma g n e t ic s h a r p me mo r y a l l o y s MS MA a n d u s e s A ME s i m t e c h n o l o g y t o s i mu la t e t h e c o n t r o l l e r ．T h e s e r v o v a l v e p e rf o r ma n c e c a n b e o b s e r v e d t h r o u g h t h e AME s i m s i mu la t io n wi n d o w．T h e PI D c on t r o l i s a d d e d t o r e du c e t h e l a r g e o v e r s h o o t o f t h e s e rvo v a lv e u n d er t h e s a me r i s e t ime．F o r t h e s a k e o f f u r t h e r i mp r o v i n g t h e c h a r a c t e r j s t ic s o f s e r v o v a l v e． t h e s y s t e m j n t r o d u c e s t h e e x p e PI D a n d AME s i m／S i mu l i n k s imu l a t i o n t e c h n o l o g y t o r e a li z e t h e e f f e c t iv e o p e r a t i o n i n t h e wh o l e s y s t e m a n d ob t ain e d t h e i d e a l s im- u la t ion r e s u l t s ． K e y w o r d s p i lo t s e r v o v a l v e， MS MA，P I D， j o in t s i mu l a t i o n I n r e c e n t y e a r s ，t h e r e s e a r c h e s o n h i g h fre q u e n c y e l e c t r o h y d r a u l i c s e r v o v a l v e，wh i c h i s d r i v e n b y f u n c t i o na l ma t e r i a l s a c t u a t o r ，h a v e r e c e i v e d i n c r e a s i n g a t t e n t i o n [ 1 ] ．MS M A i s t h e p r o c e s s b y w h i c h a f e r r o ma g n e t i c ma t e ria l t r a ns f o r ms f r o m o n e s ha p e t o a n o t h e r i n t h e p r e s e n c e o f a ma g n e t i c fie l d．T h e MS MA s h a p e c h a ng e c a n b e a x i a l s t r a i n，b e n d i n g，s h e a r o r t h e c o mbi n a t i o n o f t h e m ． S i n c e t h e MS MA f o r c e s a r e mo l e c u l a r i n o rig i n，i t s me c ha n i c a l r e s p o ns e i s v e r y f a s t i n a m a t t e r o f m i c r o s e c o n d s [ 2 ] ．A s a n e w t y p e f u n c t i o n a l ma t e ria l ， MS MA s h o ws r e ma r k a b l e po t e n t i a l s i n o v e r c o mi n g t h e l i mi t a t i o n o f t he p r e d e c e s s o r s s u c h a s t h e i r c o mp a r a t i v e l y l a r g e s t r a i n a n d ma n y a d v a n t a g e s i n g e n e r a t i n g mo t i o n a n d f o r c e [ 3 ] ． S o me i mp o r t a n t s t u d i e s a b o u t t h e wo r k i n g p rin c i p l e s o f s u c h ma t e ri a l s c a n b e f o u n d [ 45 ] ．T h e p a p e r d e s i g n e d a n e w s e r v o v a l v e mo d e l b a s e d o n MSMA Re c e i v e d2 01 31 005 T U F u q u a n ，A s s o c i a t e P r o f e s s o r ． E ma i l ffa h b 1 6 3． c o m a c t u a t o r u s i n g AMEs i m s o f t wa r e a n d PI D c o n t r o l l e r ． AMEs i m s o ftwa r e s e t s u p ma n y mo d e l i n g c o n t r i b u t i n g t o t h e r e a s o n a b l e d e s i g n o f t h e wh o l e s y s t e m． Th e mo de l s c r e a t e d b v AMEs i m s o f t wa r e c a n be mo d i fi e d d i r e c t l y i n t h e l a t e r w o r k s ．w h i c h e f f e c t i v e l y i rep r o v e s wo r k e f f i c i e n c y． AMEs i m a nd S i mu l i n k s o f t wa r e e mb e d ma n y a l g o rit hms t o e n s u r e t h e s y s ． t e m ’ s s p e e d a n d a c c u r a c y，a s we l l a s o f f e r a v a rie t y o f i n t e r f a e e s i mul a t i o n t o o l s ． 2． S t r u c t ur e o f s e r v o v a l v e a c t u a t o r ba s e d o n M S M A I n t he ma g n e t i c fie l d o f a c t u a t o r ，t h e n u mb e r o f t h e c o i l s N i s us e d t o g e n e r a t e t h e c u r r e n t i n t e n s i t y J r ． F o l l o wi n g r e l a t i o n s hi ps e x i s t b e t we e n t h e ma g n e t i c f i e l d s t r e n g t h 日 ．t h e s i z e o f t he g a p g a nd t h e ma g - n e t i c i n d u c t i o n B． N I 1 B o H 2 Th e r e l a t i o n s h i p s b e t we e n t h e s t r a i n ，t h e ma g n e t i c fie l d AMEs i m B，t h e e x t e r n a l s t r e s s H，t h e p i - e z o ma g n e t i e c o e ffi c i e n t q a n d t h e e l a s t i c mo d ul u s o f MS MA i n t h e ma g n e t i c fie l d a r e TU Fu q u a n，e t a l Mo d e l i ng a n d S i mu l a t i o n o f S e r v o Va l v e Ba s e d o n t h e Ma g n e t i c S ha r p Me mo r y Al l o y s Ac t u a t o r s 十q H 一 3 n d K 6 s t a n d s f 0 r t h e s e Ⅳ。a r n p l i f -i e r B q t r H 4 S i mu l t a ne o u s，f o l l o wi n g e q u a t i o n c a n be g i v e n a c c o r d i n g t o t h e ma t e r i a l l e n g t h a n d s t r a i n s r e l a t i o n - s h i p x ／l ，e l e c t r o ma g ne t i c l a w BA，a nd t h e ma g ne t i c c i r c u i t ’ S l a w NI CR 一 [ ] 5 W h e r e i S t he i n c r e me nt a l di s p l a c e me n t ．A i S t h e t r a ns v e r s e c r o s s s e c t i o n a r e a o f MSMA．a nd R i S t h e t o t a l r e l u c t a n c e ． Ou t pu t f o r c e o f a c t u a t o r c a n b e e x pr e s s e d a s F Ik x x 6 Ac c o r di n g t o t h e r e l a t i o n s hi p b e t we e n d riv e c u r r e nt ，d i s p l a c e me n t a n d o ut pu t f o r c e，t h e MSMA a c t u a t o r mo d e l c a n b e s h o w n i n F i g ．1 a ， a n d i t s e q u i v a l e n t AMEs i m s i mu l a t i o n mo d e l i s s h o wn i n Fi g ． 1 b ．T h e mo d e l c o n s i s t s o f f o r c e o u t p u t m o d u l e a n d t h e s pr i n g mo d ul e s t o g e t h e r ． 2 a MS MA a c t u a t o r mo d e l b AMEs i m s i mu l a t i o n mo d e l Fi g ．1 MSMA a c t u a t o r 3． Co nt r o l l e r de s i g n o f t he pi l o t s e r v o v a l v e 3． 1 ． M od e l i ng o f t h e pil o t v a l v e I n o r d e r t o e f f e c t i v e l y i nc r e a s e t he mo v e me n t a e c u r a c y o f t h e v a l v e a n d i mp r o v e t he v a l v e h y s t e r e s i s p h e n o me n o n，t h e p a pe r a d ds a u x i l i a r y f e e d b a c k l o o p t o r e du c e o r e v e n e l i mi n a t e t h e o s c i l l a t i o n p r o b l e m[ 6 7 ] ．I n t h i s s y s t e m，t h e o s c i l l a t i o n i s ma i nl y c a u s e d b y s ma l l d a mp i n g，a n d t h e d e s i g n i n 一 一．一． ．一．一．一．一．一．一．一． F i g ． 2 P i l o t s c r v o v a l v e mo d e l 3． 2． PI D c o nt r o l a l go r i t hm Th e p a p e r i mp r o v e s t h e s y s t e m p e r f o r ma n c e b y a d di n g P I D c o n t r o l a l g o r i t h m． Th e P I D c o n t r o l a l g o r i t h m i s t o us e p r o po r t i o n a l ，i n t e g r a l a n d d i f f e r e n t i a l a l g o r i t h m t o o p t i mi z e t h e s y s t e m． P r o p o r t i o n c o n t r o l a l g o ri t h m c a n a d j u s t t h e s y s t e m d e v i a t i o n a n d r e fl e c t t h i s wa y mo r e q u i c k l y；i nt e g r a l a l g o r i t hm c a n e f f e e t i v e l y r e d u c e t h e s t a t i c e r r o r a n d i mp r o v e t he s t a t i c p e r for ma n c e o f s y s t e m d i f f e r e n t i a l alg o r i t h m c a n r e d u c e t h e s y s t e m ’ S o v e r s h o o t ．Di f f e r e nt a l g o r i t h ms a r e u s e d u n d e r t h e r e a s o n a b l e c o n d i t i o n，wh i c h c a n ma k e t h e s y s t e m mo r e r a p i d．s t a b l e a nd a c c u r a t e ．Th e P I D c o n t r o l l e r o f t h e s e r v o v a l v e i S s ho wn i n Fi g．3． ④ 至卜． c r e 出 y S m’ d 踟 p i n g Ⅱ m k o r e吼 a ． F i g ． 3 P i l o t s e mo d e 1 wi t h P Ib l e An d d i f f e r e n t i a l i n k s a r e a d d e d a s a c c e l e r a t i o n 。 c 0 n ． 1 一 ⋯⋯ ⋯ ⋯⋯⋯ ⋯ ⋯ ⋯一 f e e d b a c k l i n k．As s h o wn i n Fi g． 2，K5 s t a n d s f o r t h e ma i n v a l v e di s p l a c e me n t a mp l i f i c a t i o n c o e ffi c i e n t ， Th e ma i n v a l v e r e s p o n s e c u r v e u n d e r s t e p s i g n a l i s s h o wn i n F i g．4． Cu r v e 1 i s t h e o l d c o n t r o l s y s 42 Hy d r o me c h a t r o n i c s En g i n e e r i n g t e rn ．a n d c u r v e 2 i s t h e r e s p o ns e C U F V e wi t h PI D c o n t r o 1 ． F r o m t he c h a rt i t i s c l e a r t o s e e t h a t t he o v e r s h o o t o f t h e pi l o t v a l v e o b v i o u s l y d e c r e a s e s wi t h P I D c o n t r o l ，t h e r e s p o ns e s p e e d o f t h e s y s t e m a c c e l e r a t e s a n d t h e s y s t e m a d j u s t me n t t i m e s i g n i fi c a n t l y r e d u c e s ． Ad d i n g PI D c o n t r o l c a n e f f e c t i v e l y i mpr o v e t h e p e r f o r ma nc e o f t h e wh o l e s y s t e m． J 4 1 2 1 0 O 8 0 6 O 4 0 2 0 ．O 2 0 0 0 1 0 0 0 2 0 0 0 3 0 0 0 4 0 0 0 5 0 f ／ s F i g ． 4 C u r v e s o f t h e ma i n v a l v e u n d e r d i f f e r e n t c o n t r o l s c h e me s Th e s i mu l a t i o n r e s u l t i s s h o wn i n Fi g．7． Cu r v e 1 i s t he s t e p s i g n a l r e s p o n s e c u r v e wi t h e x p e PI D c o n t r o l o f ma i n v a l v e c o r e．c u rve 2 i s t h e c o n v e n t i o n a 1 PI D c o n t r o 1 ． I t i s o b v i o us t o s e e i n t h e c h a r t t h a t c u rve 1 h a d s ma l l o v e r s h o o t a n d t h e r i s e t i me i s f a s t e r t h a n t h a t o f c u rve 2． I n c o n c l us i o n，t h e e x p e P I D c o n t r o l a l g o r i t h m o f c u rve 1 i s g r e a t l y i mp r o v e d t h e s e rvo v a l v e p e rfo r ma n c e． 1 2 l O O 8 0 6 0 4 0 2 O ．0 2 O 0 0 0 5 0 0 l 0 0 0l 5 0 0 2 0 ， ／ s Fi g ． 7 S i mu l a t i o n r e s u l t 3 ． 3 ． E x p e r t P I D c o n t r o l a n d A ME s i m／ S i mu l i n k 4 ． Co n c l u s i o n s j o i n e d s i mu l a t i o n T h e j o i n t s i mu l a t i o n mo d e l i s s h o w n i n F i g ．5 a n d t h e s i mul i n k s t r u c t u r e o f t h e mo d e l i s s h o wn i n Fi g ． 6， t h e s t r u c t u r e g e t s e x p e PI D c o n t r o l l e r t h r o u g h wr i t e M fi l e i n t o S- f u n c t i o n，t h e S - f un c t i o n a n d AMEs i m mo d u l e ha v e d a t a c o mmu n i c a t i o n． 一一-一一-一-一-一-一-一 { 一 一 一 一 一 一- 一 ● ⋯●⋯● ⋯● ⋯ ⋯‘⋯‘⋯ F i g ． 5 J o i n t s i mu l a t i o n mo d e l Fi g． 6 Ex pe PI D c o n t r o l s i mu l a t i o n mo d u l e F r e q u e n c y o f t he s e rvo v a l v e b a s e d o n ma g n e t i c s h a p e me mo r y a l l o y s c a n be u p t o 1 2 5 Hz i n t h i s p a pe r t h r o u g h s i mu l a t i o n，whi c h s h o ws r e ma r k a b l e p o - t e n t i a l s i n o v e r c o mi n g t h e l i mi t a t i o n o f t h e t r a d i t i o n a l p i l o t t y p e a c t u a t o r s e r v o v a l v e ．Ai me d a t t he l a r g e a - mo u n t o f o v e r s h o o t ， t h e pa p e r i n t r o d u c e s t h e P I D c o n t r o l t o a d j u s t t h e o v e r s h o o t a mo u n t t o a r e a s o n a b l e r a n g e ． Ac c o r d i n g t o t he c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e p i l o t v a l v e c o n t r o l mo d e l ， t h e d e s i g n o f t h e p i l o t v a l v e da mp i n g i s t o o s ma l 1 ． I n v i e w o f t h i s s i t u a t i o n， t h e p a p e r a d d s a c c e l e r a t i o n f e e d b a c k t o ma k e t h e s y s t e m mo r e s t a b l e ． I n o r d e r t o f u r t h e r i mp r o v e t he c h a r a c ． t e r i s t i c s o f s e rvo v a l v e，t he s y s t e m i nt r o d uc e s e x p e r t PI D a nd AMEs i m／S i mu l i n k s i mul a t i o n t e c h n o l o g y a nd fin a l l y r e a l i z e s t he i d e a l r e s u l t s ． Re f e r e nc e s [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Ri c c a r d i L，Na s o D，J a n o c h a H．A p r e c i s e p o s i t i o n i n g a c t u a t o r b a s e d o n f e e d b a c k c o n t r o l l e d ma g n e t i c s h a p e me mo r y a l l o y s 1 J 1 ． Me c h a t r o n i c s ．2 0 1 1 ． 1 2 ． 0 O 4． T e l l i n e n J ，S u o r s a I ，J ／ i s k e l a i n e n A，e t a 1 ．B a s i c P r o p e r t i e s o f M a g n e t i c S h a p e Me m o ry A c t u a t o r s 1 M 1 ． A c t u a t o r 2 0 0 2．B r e me n Ge r ma n y． J u n e 2 0 0 2 ． Mu rra y S．Ma r i o ni M ．Al l e n S．6 ％Ma g n e t i c fie l d i n du c e d s t r a i n b y t wi n b o u n da r y mo t i o n i n f e r r o ma g ne t i c Ni Mn G a [ J ] ．A p p l P h y L e t t ， 2 0 0 0 ， 7 7 8 8 6 ． C o u c h R N，S i r o h i J ，C h o p r a I ．De v e l o p me n t o f a q u a s i 一 ④ 一 TU Fu q u a n，e t a l Mo de l i n g a n d S i mu l a t i o n o f S e r v o Va l v e Ba s e d o n t h e Ma g n e t i c S h a r p Me mo r y Al l o y s Ac t ua t o r 43 s t a t i c mo d e l o f Ni Mn Ga ma g n e t i c s h a p e me mo r y a l l o y I J 1 ． I n t ． M a t e r ． S y s t S t r u c t 2 0 0 7 ， 1 8 6 1 1 ． [ 5 ] G a u t h i e r J ，L e x c e l l e n t C ，H u b e A，A b a d i e J ．M o d e l i n g r e a r r a n g e me n t p r o c e s s o f ma r t e n s i t e p l a t e l e t s i n a ma g n e t i c s ha p e me mo r y a l l o y Ni 2Mn Ga s i n g l e c rys t a l u n d e r m agn e t i c f i e l d a n d o r s t r e s s a c t i o n ． [ J ] ． I n t ． Ma t e r ． S y s t S t r u c t ． 2 0 07， 1 8 2 8 99 9． [ 6 ] [ 7 ] Y o s h i d a H ， Na g a i M．S k y h o o k mo d e l f o l l o wi n g c o n t r o l o f v e h i c l e s u s p e n s i o n u s i n g a n E R d a mp e r [ J ] ． J o f J S ME， 1 9 9 8， 6 4 6 2 5 1 7 21 7 8 ． C Ho i S B，S o n g H J ，V i b r a t i o n c o n t r o l o f a p a s s e n g e r v e h i c l e u t i l i z i n g a s e m i a c t i v e E R e n n e m o u n t l J 1 ． V e h i c l e S y s t e m D y n ami c s ， 2 0 0 2 ， 3 7 3 1 9 3 2 1 6 ． 基于磁控形状记忆合金驱动器伺服阀的建模与仿真 涂福泉 ， 毛 阳， 赵振飞， 李 贺 武汉科技大学 冶金装备与控制教育部重点实验室， 武汉4 3 0 0 8 1 摘 要 利 用 A ME s i m软件 对基 于磁控 形状记忆合金 的伺服 阀建模 ， 设 计 了新 型伺服 阀 的控 制器。伺 服阀的性能可以通过 A ME s i m仿真窗口清楚地观察到。引入了 P I D控制来减小在同等上升时间内 伺服 阀的超 调量。为 了进一步提 高新型伺服 阀的性能 ， 系统后 续加入 了专 家 P I D和 A ME s i m ／S i m u l i n k联合仿真技术来有效地仿真整个系统， 并取得了理想的仿真结果。 关键词 先导式伺服 阀； M S MA； P I D；联合仿真 中图分类号 T H一 3 9 C o n t i n u e d o n 3 4 p a g e 基于超磁致伸缩材料和压电材料的机械放大机构 蒋鑫 ， 朱玉川1 ,2 1 ． 南京航空航天大学 机电学院， 南京2 1 0 0 1 6 ； 2 ． 浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室 ， 杭州3 1 0 0 2 7 摘要 超磁致伸缩材料和压电材料在商业产品和军事领域 中被广泛应用。尽管这些材料具有输出 力大、 频响高等优点， 其应用依然受制于其输 出位移小的问题。使用机械放大机构是解决这一问题 的有效途径。研究主要的3种基于超磁致伸缩材料及压电材料的机械放大机构， 得出铰链式位移放 大机构较适 用于压 电材料 ， 液压位 移放 大机构 适用 于微 机 电系统 而压 曲放 大机构 适用 于超 磁致 伸 缩材料的 结论 。 关键词 机械放 大机构 ； 超磁 致伸缩材料 ； 压 电材 料 中图分类号 T H 1 4