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超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模及控制
摘要：
超磁致伸缩驱动技术是一种新兴的精密定位技术，具有高精度、高刚度和无摩擦等优点。本文旨在研究超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模和控制方法。首先，对超磁致伸缩驱动器的工作原理进行了分析，并建立了其数学模型。然后，设计了一种基于PID控制器的闭环控制算法，并进行了仿真实验。最后，通过实验验证了所提方法的有效性和优越性。
关键词：超磁致伸缩驱动；微定位工作台；建模；控制
1. 引言
超磁致伸缩驱动技术是一种基于磁致伸缩效应的精密定位技术，其工作原理是通过在磁场作用下，产生磁致伸缩效应，从而实现微小位移。与传统的电机驱动技术相比，超磁致伸缩驱动技术具有高精度、高刚度和无摩擦等优点，因此在微定位领域具有广泛的应用前景。
2. 超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模
超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模是研究其动力学性能和控制方法的基础。该建模任务可以分为两个部分：超磁致伸缩驱动器的建模和工作台的建模。
超磁致伸缩驱动器的建模
超磁致伸缩驱动器是实现微定位工作台定位的核心部件，因此对超磁致伸缩驱动器进行准确的建模是非常重要的。其基本结构由磁致伸缩材料、驱动线圈和传感器组成。可以通过实验测量获得驱动线圈的特性曲线，并根据磁致伸缩材料的物理特性建立动力学模型。具体建模方法可参考已有文献的研究成果。
微定位工作台的建模
微定位工作台是超磁致伸缩驱动的载体，其建模与传统的机械系统建模方法类似。可以将其视为一个多自由度系统，并根据杆件的杰克逊原理建立其运动学和动力学模型。通过对装配误差、摩擦力等因素的考虑，可以进一步改善模型的精度。
3. 控制方法设计
超磁致伸缩驱动微定位工作台的控制旨在实现精准的位置控制。常用的控制方法包括开环控制和闭环控制。开环控制简单，但对外部扰动和参数变化敏感；闭环控制能够实时校正误差，具有良好的稳定性和鲁棒性。本文采用闭环控制算法进行位置控制。
PID控制器设计
PID控制器是一种经典的控制器，具有简单、易实现和良好的控制性能等特点。根据系统的数学模型，可以设计出合适的PID参数，并进行控制器的参数调优。调优方法可以采用试-误法、Ziegler-Nichols法等。
控制器的实施
设计好的PID控制器可通过编程实现，并与超磁致伸缩驱动器接口进行连接。在控制器的帮助下，可以实时获取超磁致伸缩驱动器的位置反馈信号，并根据设定的目标位置进行控制计算，以实现微定位工作台的精确控制。
4. 仿真实验及结果分析
为了验证所提出的超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模和控制方法的有效性和优越性，在MATLAB/Simulink环境下进行了仿真实验。通过比较不同控制器参数的组合，可以找到最优的控制器参数，并测试系统在不同工况下的控制性能。
5. 结论
本文对超磁致伸缩驱动微定位工作台的建模和控制进行了研究，通过建立了驱动器和工作台的数学模型，并设计了一种基于PID控制器的闭环控制算法。仿真实验结果表明，所提方法能够实现微定位工作台的精确控制，具有良好的控制性能。研究结果对于超磁致伸缩驱动技术的应用和发展具有参考价值。
参考文献：
[1] Jiao Y, Zhu X, He P, et al. Modeling and position control of linear ultrasonic-scaling motor actuator [J]. Chinese Physics Letters,2020,37(6): 060501.
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[3] 刘凯. 基于LabVIEW的超磁致伸缩驱动器的位置控制研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2018.