CN105319971B - 基于光纤光栅的gma自适应控制方法及装置 - Google Patents

基于光纤光栅的gma自适应控制方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光纤光栅的GMA自适应控制方法及装置，采用光纤光栅传感器实时采集GMA致动过程中多物理场的机械耦合状态信息，获取GMA各个组成部分和外加激励的反馈特征信息，以此为依据建立GMA工作过程的在线非线性动态模型；进而通过分析预期和实际反馈特征间的差异，研究激励和反馈间的模型自适应随动控制策略，设计出符合应用要求最优的自适应控制方法。使得对GMA的控制能够根据环境工况的变化而调整，保证GMA控制的精度。

Description

基于光纤光栅的GMA自适应控制方法及装置
技术领域
本发明涉及基于光纤光栅传感技术领域，具体地指一种基于光纤光栅的GMA自适应控制方法及装置。
背景技术
近年来，随着航空航天、微电子、超精密加工、现代生物工程、光学微处理等领域中对制造装备自身的精密定位、精密位移等性能要求的不断提高，传统的材料已无法满足要求。超磁致伸缩致动器GMA具有功率大，能量转换效率高、驱动精度高、响应速度快等优势，日益受到广泛关注。
在欧美发达国家，采用超磁致伸缩材料的高精度微致动已得到了比较广泛的应用，对GMA(超磁致伸缩致动器)的微致动结构的非线性特点、原理和相关理论有比较深入的探索，已提出了整套的控制理论和方法，能够实现对GMA的精密控制。针对多物理场动态耦合方面的建模研究，国内外的学者也做了很多分析与研究。
目前对GMM本构非线性关系以及GMA多物理场耦合的微致动结构非线性特征的定量描述，主要存在以下不足：(1)现有对GMM本构关系的理论建模，要么针对理想状态下的多场耦合行为，要么针对准静态驱动下材料的磁滞行为，能够真实、有效的模拟GMM多场耦合非线性特性的本构模型比较匮乏。(2)对于GMM棒为核心驱动元件的GMA系统，没有真正意义上同时考虑多物理场因素耦合条件下GMM棒复合作用原理和微致动结构非线性时变建模的耦合理论框架。(3)对于磁-弹-热多物理场因素耦合效应的理论研究，已有的研究大多在具有理想假设前提的仿真环境下进行，缺乏对真实工况下GMA多物理场因素的作用特征、耦合机理以及动态非线性特性的研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光纤光栅的自适应控制方法及装置，采用光栅传感器技术作为对GMA实际工况条件下多物理场状态参数的获取手段，并对所采集数据的分析方法进行深入研究，引入了动态建模的思想，提高GMA多物理场耦合非线性模型对实际工况的适应能力，进而提出GMA自适应控制方法，以提高复杂工况条件下的GMA控制精度。
为实现上述目的，本发明所设计的基于光纤光栅的GMA自适应控制方法，其特殊之处在于，包括如下步骤：
1)将光栅位移传感器与GMA紧密连接，通过采集光栅栅距的改变导致反射光波长的位移值，以此反映GMA输出位移值；
2)实时采集GMA致动过程中的环境物理量，获取GMA的外加激励反馈特征信息；
3)根据所述GMA的外加激励反馈特征信息建立多物理量耦合在线动态模型，输入期望位移值计算出应给激励值；
4)建立非线性最优控制模型，根据所述期望位移值、应给激励值和外加激励反馈特征信息计算出实际激励值，并控制所述实际激励值作用于GMA，实时采集所述步骤1)中GMA输出位移值；
5)重复步骤2)～4)直至所述GMA输出位移值与期望位移值相等。
优选地，所述步骤1)中将光栅位移传感器与GMA紧密连接的具体步骤为：将光栅位移传感器与应变体紧密连接，并将所述应变体与GMA的致动杆连接。GMA工作时，致动杆发生位移，与致动杆紧密连接的应变体随之发生形变，连接在应变体上的光栅位移传感器采集该形变值，进而根据应变体的固有参数计算出GMA输出位移值。
优选地，所述步骤2)中GMA致动过程中的环境物理量包括GMA外壳环境温度、GMM棒体振动、GMA内部磁场分布、GMM棒体温度、GMA线圈温度和GMA线圈电流。GMA工作过程中受到相互间存在关联的不同物理场因素的复合影响，通过采集GMA的多物理场反馈状态参数能够反映出的复杂致动效果。
优选地，所述步骤3)中多物理量耦合在线动态模型为滞回逆模型，用于根据所述GMA致动过程中的环境物理量的参数，计算实现期望位移值所需要作用于GMA的应给激励值。通过对多物理场耦合的微制动结构在线非线性建模理论的分析，掌握多物理场耦合激励和作用因素对GMA致动效果和反馈状态的实时影响特征，进而建立GMA工作过程中的在线非线性动态模型，以保持多物理场的微制动结构非线性时变模型在GMA工作过程中与现实工况的即时非线性吻合。
一种用于实现上述基于光纤光栅的GMA自适应控制方法的装置，包括PC机、信号发生器、音频功放、与GMA的致动杆紧密连接的应变体、与所述应变体紧密连接的光栅位移传感器、安装于GMA内部的环境物理量光栅传感器和光栅解调仪；
所述PC机：用于接收光栅解调仪发送的GMA输出位移值和GMA致动过程中的环境物理量，并计算出实际激励值，将实际激励值转换为控制信号发送至信号发生器；
所述信号发生器：用于根据PC机发送的控制信号输出正弦激励信号；
所述音频功放：用于根据信号发生器发送的正弦激励信号驱动GMA；
所述应变体：用于体现致动杆受到挤压而产生的形变；
所述光栅位移传感器：用于采集所述应变体的形变值，并根据所述形变值计算出GMA输出位移值发送至光栅解调仪；
所述环境物理量光栅传感器：用于采集GMA致动过程中的环境物理量，并将所述GMA致动过程中的环境物理量发送至光栅解调仪；
所述光栅解调仪用于将所述形变位移值和GMA致动过程中的环境物理量解调后发送至PC机。
进一步地，所述环境物理量光栅传感器包括棒体温度传感器、分布式磁场传感器、GMM棒体振动传感器和线圈温度传感器；所述棒体温度传感器：安装于GMA内的GMM棒表面，用于采集GMM棒体温度并发送至光栅解调仪；所述分布式磁场传感器：安装于GMA的线圈外侧，用于采集GMA内部磁场分布并发送至光栅解调仪；所述GMM棒体振动传感器：安装于GMA的GMM棒表面，用于采集GMM棒体振动并发送至光栅解调仪；所述线圈温度传感器：安装于GMA的线圈表面，用于采集GMA线圈温度并发送至光栅解调仪。
更进一步地，还包括安装于GMA的外壳表面的环境温度传感器，所述环境温度传感器用于采集GMA外壳环境温度并发送至光栅解调仪。
更进一步地，还包括与GMA的线圈连接的电流传感器，所述电流传感器用于采集GMA线圈电流并发送至光栅解调仪。
更进一步地，所述棒体温度传感器、分布式磁场传感器、GMM棒体振动传感器和线圈温度传感器均通过从GMA底部伸出的光纤与光栅解调仪连接。
与现有技术相比，本发明一种基于光纤光栅的自适应控制方法及装置，采用光纤光栅传感器实时采集GMA致动过程中多物理场的机械耦合状态信息，获取GMA各个组成部分和外加激励的反馈特征信息，以此为依据建立GMA工作过程的在线非线性动态模型；进而通过分析预期和实际反馈特征间的差异，研究激励和反馈间的模型自适应随动控制策略，设计出符合应用要求最优的自适应控制方法。使得对GMA的控制能够根据环境工况的变化而调整，保证GMA控制的精度。
本发明旨在提高复杂工况条件下的GMA控制精度，其特点包括：
(1)用光纤光栅传感器实时采集GMA致动过程中多物理场的机械耦合状态信息，获取GMA各个组成部分和外加激励的反馈特征信息；
(2)以反馈特征信息为依据，并依托GMA系统的多物理场耦合，设计在线非线性建模理论和方法，针对GMA的多物理场反馈状态参数所反映出的复杂致动效果，结合分布式光纤光栅传感探索GMA反馈状态参数获取方法，建立合理的分布式光纤光栅传感器数据分析机制；
(3)同时结合机械控制原理，通过分析预期和实际反馈特征间的差异，研究激励和反馈间的模型自适应随动控制策略，设计出符合应用要求最优的自适应控制方法；
(4)通过对多物理场耦合的微制动结构在线非线性建模理论的分析，掌握多物理场耦合激励和作用因素对GMA致动效果和反馈状态的实时影响特征，进而建立GMA工作过程中的在线非线性动态模型，以保持多物理场的微制动结构非线性时变模型在GMA工作过程中与现实工况的即时非线性吻合；
(5)根据反馈状态特征提供的致动操作对GMA系统自身状态的多物理场耦合影响以及由此造成控制期望与实际加工结果间的差异，进而在线调校控制模型和自主修正控制指令，通过不间断的控制、反馈和在线调校，确保达到预期的控制期望。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为本发明基于光纤光栅的GMA自适应控制装置的整体结构示意图。
图2为图1中GMA内部安装环境物理量光栅传感器的结构示意图。
图3为图1中PC机上运行的GMA在线动态建模和自适应控制算法的结构框图。
图4为图3中所述的在线动态建模和自适应控制算法的原理框图。
图5为本发明基于光纤光栅的GMA自适应控制方法的流程图。
其中：PC机1，信号发生器2，音频功放3，应变体4，光栅位移传感器5，环境物理量光栅传感器6(其中：棒体温度传感器61、分布式磁场传感器62、GMM棒体振动传感器63，线圈温度传感器64)，光栅解调仪7，GMA8(其中：致动杆81，GMM棒82，线圈83，外壳84)，环境温度传感器9、电流传感器10，光纤11，实验支架12。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。
如图1和图2所示，本发明一种基于光纤光栅的GMA自适应控制方法装置，包括PC机1、信号发生器2、音频功放3、与GMA8的致动杆81紧密连接的应变体4、与应变体4紧密连接的光栅位移传感器5、安装于GMA8内部的环境物理量光栅传感器6、光栅解调仪7、环境温度传感器9、电流传感器10和实验支架12。GMA8系统的各个部件固定在实验支架12上。
GMA8系统既可以通过直流程控电源进行静态驱动，也可以通过信号发生器2、音频功放3进行动态驱动。光栅位移传感器5及应变体4和增敏封装的环境物理量光栅传感器6，能够测量GMA8的振动、位移、磁场、温度等物理量，并通过光栅解调仪7将测量结果从光信号装换为电信号；环境温度传感器9和电流传感器10，能够测量装置周围环境温度和装置工作电流。
静态驱动部分包括PC机1、程控直流电源，PC机1通过模拟信号控制程控直流电源输出-10A～10A的直流驱动信号；交流驱动部分包括PC机1、信号发生器2、音频功放3，PC机1通过专用软件控制信号发生器2输出不同频率和幅值的正弦信号，通过音频功放3后被放大为具有驱动能力的驱动波形。
PC机1用于接收光栅解调仪发送的GMA输出位移值和GMA致动过程中的环境物理量，并计算出实际激励值，将实际激励值转换为控制信号发送至信号发生器2。信号发生器2用于根据PC机1发送的控制信号输出正弦激励信号。音频功放3用于根据信号发生器2发送的正弦激励信号驱动GMA8。PC机1控制信号发生器2发出需要的正弦激励信号，通过音频功放3后驱动GMA8。PC机1作为闭环系统中的核心部分，负责采集GMA8工作过程中的各种物理量，作为PC机1上运行的GMM棒在线动态模型和GMA自适应控制算法的输入量，计算得到输出激励信号的类型、幅值和频率，以达到对GMA8的精确控制。
应变体4用于体现致动杆81受到挤压而产生的形变。应变体4的作用是测量GMA的输出位移值，由于GMA8的致动精度达到um级，且可以高频动态连续工作，普通测微仪在测量精度和速度上无法满足。应变体4位于GMA8的致动杆81和实验支架12之间，紧密接触。GMA8工作时，致动杆81挤压应变体4，使之产生形变，再由光栅位移传感器5测量出其形变量，进而反推GMA的输出位移值。
光栅位移传感器5用于采集应变体4的形变值，并根据形变值计算出GMA输出位移值发送至光栅解调仪7。光栅解调仪7用于将形变位移值和GMA致动过程中的环境物理量解调后发送至PC机1。
环境物理量光栅传感器6用于采集GMA致动过程中的环境物理量，并将GMA致动过程中的环境物理量发送至光栅解调仪7。环境物理量光栅传感器6包括棒体温度传感器61、分布式磁场传感器62、GMM棒体振动传感器63和线圈温度传感器64。
棒体温度传感器61：安装于GMA8内的GMM棒82表面，用于采集GMM棒体温度并发送至光栅解调仪7。分布式磁场传感器62：安装于GMA8的线圈83外侧，用于采集GMA内部磁场分布并发送至光栅解调仪7。GMM棒体振动传感器63：安装于GMA8的GMM棒82表面，用于采集GMM棒体振动并发送至光栅解调仪7。线圈温度传感器64：安装于GMA8的线圈83表面，用于采集GMA线圈温度并发送至光栅解调仪7。
环境温度传感器9安装于GMA8的外壳84表面，用于采集GMA外壳环境温度并发送至光栅解调仪7。
电流传感器10与GMA8的线圈83连接，用于采集GMA线圈电流并发送至光栅解调仪7。
GMA8内部安装有各种环境物理量光栅传感器6，用于测量GMA工作过程中的各种物理量的实时变化，环境物理量光栅传感器6通过从GMA8底部伸出的光纤11连接到光栅解调仪7，线圈电流通过电流传感器10采集，同时GMA输出位移值由应变体4和光栅位移传感器5测量，测量信号送光栅解调仪7，解调的结果发送至PC机1。GMA8所处的环境温度由环境温度传感器9测量。形成一个闭环系统。
如图5所示，应用上述装置实施本发明基于光纤光栅的GMA自适应控制方法的步骤包括：
1)将光栅位移传感器5与应变体4紧密连接，并将应变体4与GMA8的致动杆81连接，通过采集光栅栅距的改变导致反射光波长的位移值，以此反映GMA输出位移值。
2)实时采集GMA8致动过程中的环境物理量，获取GMA8的外加激励反馈特征信息。GMA8致动过程中的环境物理量包括GMA外壳环境温度、GMM棒体振动、GMA内部磁场分布、GMM棒体温度、GMA线圈温度和GMA线圈电流。具体步骤包括：
21)将环境物理量光栅传感器6分别用AB胶紧密粘贴在GMM棒82表面、GMA外壳84表面。
22)使各环境物理量光栅传感器6悬空不受外力作用。环境温度传感器9测量环境温度。
23)给各环境物理量光栅传感器6增加特殊的增敏封装，使其能够测量GMA内部磁场及分布、GMA振动、线圈电流。分布式磁场传感器62采集GMA内部磁场分布；GMM棒体振动传感器63测量GMM棒82的振动、形变；棒体温度传感器61测量GMM棒82的棒体温度；线圈温度传感器64采集GMA8线圈84的温度。电流传感器10采集GMA线圈电流。
3)根据GMA8的外加激励反馈特征信息建立多物理量耦合在线动态模型，输入期望位移值计算出应给激励值。多物理量耦合在线动态模型为滞回逆模型，用于根据GMA致动过程中的环境物理量的参数，计算实现期望位移值所需要作用于GMA的应给激励值。
具体步骤如图3所示，包括：
31)通过布置在GMA8各个部件上的光栅位移传感器5和环境物理量光栅传感器6，连续、实时采集各种物理量，并采用多种数字信号处理算法对原始数据进行处理，去除噪声。
32)针对GMA的多物理场反馈状态参数所反映出的复杂致动效果，结合分布式光纤光栅传感探索GMA反馈状态参数获取方法，建立合理的分布式光纤光栅传感器数据分析机制。
33)进行基于分布式光纤光栅传感器数据融合的反馈状态特征挖掘，快速准确地提取GMA的多物理场反馈状态特征。
34)通过对多物理场耦合的微制动结构在线非线性建模理论的分析，掌握多物理场耦合激励和作用因素对GMA致动效果和反馈状态的实时影响特征，进而建立GMA工作过程中的在线非线性动态模型，以保持多物理场的微制动结构非线性时变模型在GMA工作过程中与现实工况的即时非线性吻合。
4)建立非线性最优控制模型，根据期望位移值、应给激励值和外加激励反馈特征信息计算出实际激励值，并控制实际激励值作用于GMA8，实时采集步骤1)中GMA输出位移值。具体步骤如图4所示，包括：
41)反馈状态特征将提供致动操作对GMA系统自身状态的多物理场耦合影响以及由此造成控制期望与实际加工结果间的差异，进而在线调校控制模型和自主修正控制指令，通过不间断的控制、反馈和在线调校，确保达到预期的控制期望。
42)设计控制期望与反馈特征差异的微制动结构自适应控制算法，其中包含差异特征萃取和识别、多场耦合控制参数与综合反馈状态的自适应随动以及与之对应的新控制环路的在线建立方法。
5)重复步骤2)～4)直至GMA输出位移值与期望位移值相等。
如图3和图4所示，本发明在线动态模型和自适应控制算法，通过实时采集GMA的工作状态物理参数并提取反馈特征，为滞回逆模型的在线建立和修正提供依据，滞回逆模型输入GMA期望位移和反馈特征，输出GMA应给激励信号；GMA实际输出位移与期望位移之间的误差作为非线性最优控制器的输入之一，其它两个输入为GMA应给激励信号和反馈特征，输出为GMA实际激励信号；通过GMA实际输出位移与期望位移之间的误差、GMA应给激励信号、反馈特征和非线性最优控制器，构成自适应控制反馈回路。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种基于光纤光栅的GMA自适应控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)将光栅位移传感器(5)与GMA(8)紧密连接，通过采集光栅栅距的改变导致反射光波长的位移值，以此反映GMA输出位移值；
2)实时采集GMA(8)致动过程中的环境物理量，获取GMA(8)的外加激励反馈特征信息；GMA(8)致动过程中的环境物理量包括GMA外壳环境温度、GMM棒体振动、GMA内部磁场分布、GMM棒体温度、GMA线圈温度和GMA线圈电流；
3)根据所述GMA(8)的外加激励反馈特征信息建立多物理量耦合在线动态模型，输入期望位移值计算出应给激励值；具体步骤包括：
31)通过布置在GMA(8)上的光栅位移传感器(5)和环境物理量光栅传感器(6)，连续、实时采集物理量，并采用多种数字信号处理算法对原始数据进行处理，去除噪声；
32)针对GMA的多物理场反馈状态参数所反映出的复杂致动效果，结合分布式光纤光栅传感探索GMA反馈状态参数获取方法，建立合理的分布式光纤光栅传感器数据分析机制；
33)进行基于分布式光纤光栅传感器数据融合的反馈状态特征挖掘，快速准确地提取GMA的多物理场反馈状态特征；
34)通过对多物理场耦合的微制动结构在线非线性建模理论的分析，掌握多物理场耦合激励和作用因素对GMA致动效果和反馈状态的实时影响特征，进而建立GMA工作过程中的在线非线性动态模型，以保持多物理场的微制动结构非线性时变模型在GMA工作过程中与现实工况的即时非线性吻合；
4)建立非线性最优控制模型，根据所述期望位移值、应给激励值和外加激励反馈特征信息计算出实际激励值，并控制所述实际激励值作用于GMA(8)，实时采集所述步骤1)中GMA输出位移值；具体步骤包括：
41)反馈状态特征将提供致动操作对GMA系统自身状态的多物理场耦合影响以及由此造成控制期望与实际加工结果间的差异，进而在线调校控制模型和自主修正控制指令，通过不间断的控制、反馈和在线调校，确保达到预期的控制期望；
42)设计控制期望与反馈特征差异的微制动结构自适应控制算法，其中包含差异特征萃取和识别、多场耦合控制参数与综合反馈状态的自适应随动以及与之对应的新控制环路的在线建立方法；
5)重复步骤2)～4)直至所述GMA输出位移值与期望位移值相等。
2.根据权利要求1所述的基于光纤光栅的GMA自适应控制方法，其特征在于：所述步骤1)中将光栅位移传感器(5)与GMA(8)紧密连接的具体步骤为：将光栅位移传感器(5)与应变体(4)紧密连接，并将所述应变体(4)与GMA(8)的致动杆(81)连接。
3.一种根据权利要求1或2所述的基于光纤光栅的GMA自适应控制方法的装置，其特征在于：包括PC机(1)、信号发生器(2)、音频功放(3)、与GMA(8)的致动杆(81)紧密连接的应变体(4)、与所述应变体(4)紧密连接的光栅位移传感器(5)、安装于GMA(8)内部的环境物理量光栅传感器(6)和光栅解调仪(7)；
所述PC机(1)：用于接收光栅解调仪发送的GMA输出位移值和GMA致动过程中的环境物理量，并计算出实际激励值，将实际激励值转换为控制信号发送至信号发生器(2)；
所述信号发生器(2)：用于根据PC机(1)发送的控制信号输出正弦激励信号；
所述音频功放(3)：用于根据信号发生器(2)发送的正弦激励信号驱动GMA(8)；
所述应变体(4)：用于体现致动杆(81)受到挤压而产生的形变；
所述光栅位移传感器(5)：用于采集所述应变体(4)的形变值，并根据所述形变值计算出GMA输出位移值发送至光栅解调仪(7)；
所述环境物理量光栅传感器(6)：用于采集GMA致动过程中的环境物理量，并将所述GMA致动过程中的环境物理量发送至光栅解调仪；
所述光栅解调仪(7)用于将所述形变位移值和GMA致动过程中的环境物理量解调后发送至PC机(1)；
所述环境物理量光栅传感器(6)包括棒体温度传感器(61)、分布式磁场传感器(62)、GMM棒体振动传感器(63)和线圈温度传感器(64)；
所述棒体温度传感器(61)：安装于GMA(8)内的GMM棒(82)表面，用于采集GMM棒体温度并发送至光栅解调仪(7)；
所述分布式磁场传感器(62)：安装于GMA(8)的线圈(83)外侧，用于采集GMA内部磁场分布并发送至光栅解调仪(7)；
所述GMM棒体振动传感器(63)：安装于GMA(8)的GMM棒(82)表面，用于采集GMM棒体振动并发送至光栅解调仪(7)；
所述线圈温度传感器(64)：安装于GMA(8)的线圈(83)表面，用于采集GMA线圈温度并发送至光栅解调仪(7)。
4.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的GMA自适应控制装置，其特征在于：还包括安装于GMA(8)的外壳(84)表面的环境温度传感器(9)，所述环境温度传感器(9)用于采集GMA外壳环境温度并发送至光栅解调仪(7)。
5.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的GMA自适应控制装置，其特征在于：还包括与GMA(8)的线圈(83)连接的电流传感器(10)，所述电流传感器(10)用于采集GMA线圈电流并发送至光栅解调仪(7)。
6.根据权利要求3所述的基于光纤光栅的GMA自适应控制装置，其特征在于：所述棒体温度传感器(61)、分布式磁场传感器(62)、GMM棒体振动传感器(63)和线圈温度传感器(64)均通过从GMA(8)底部伸出的光纤(11)与光栅解调仪(7)连接。
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