伺服控制系统介绍

1、面向双程形状记忆合金高精度伺服控制系统研究报告1. 项目背景形状记忆合金应用于可变形飞行器，展示出了巨大的潜力和优势，基于形状记忆合金设计的新型可变形致动器部件已经从原先的概念设计发展到了飞行器的局部试验与应用。对比形状记忆合金致动器在致动高效性与高能量优势，形状记忆合金在应用范围上有巨大落差，其中基于形状记忆合金的致动器结构设计与制造技术已经成熟，但基于形状记忆合金的致动器的控制系统设计却存在巨大差距。产生这种差距的主要原因在于，不同规格的形状记忆合金的物理性质差距较大，钛镍不同配比也会对形状记忆合金的物理性质产生较大影响。设计出的控制系统没有通用性，不可移植。其次，形状记忆合金的控制系统一

2、般是基于形状记忆合金在相变过程中形变与电阻之间的变化关系决定的，形状记忆合金体材的形变-电阻变化较小，难以做到高精度的检测与控制。因此基于此次面向可变体飞机的形状记忆致动器的设计中，我们采用了双程形状记忆合金丝作为致动动力源，设计面向该双程形状记忆合金丝的智能伺服控制系统，实现双程形状记忆丝的输出位移线性控制、适应外界流场变化的自反馈控制和预制位移输出。2. 面向形状记忆合金控制系统的研究概况与应用自从二十世纪六十年代被重视以来，迄今为止，SMA材料结构性能的研究已经涉及声音振动控制问题、热弹性稳定性问题、变形调整、机械冲击等方面，特别是将其应用在航空领域，针对飞机机翼的应用研究已经成为了近年

3、的研究热点。然而正如变体机翼所具有的特点，在其功能实现环节面临的挑战是：驱动系统和控制系统。解决好这些关键技术将极大促进变体机翼在航空领域的推广应用。在国外，西班牙国立巴斯克大学Asua E等人利用神经网络的非线性控制法获得对SMA驱动器位移的微小控制。方案中采用动态逆补偿来消除SMA滞后性和非线性的影响，试验表明将神经网络引进PI 控制环，具有良好的控制精度，并且具有一定的可靠性和生命周期。加拿大沃特卢大学的Gorbet RB针对SMA非线性滞后性的困扰，提出了基于Preisach 模型的中间状态法，通过对初始输入扰动筛选，使输出与输入唯一对应，并且在SMA差动驱动器上进行了试验验证。但是由

4、于Preisach 模型的数学复杂性，在滞后环识别过程非常耗时，且要获得大量的试验数据是其不足之处。美国休斯敦大学的Song G与Ma N利用处理非线性动力特性和不确定性的滑移模态设计了鲁棒控制器以期实现对SMA 驱动后缘的实时控制，并对控制器在不同条件下的鲁棒性能作了研究。将该系统用于开敞性好的SMA驱动机构中可以发挥其积极作用。对于反馈方式的研究是SMA 控制系统的另一个重点。巴西利亚大学的Da Silva E P 采用位移反馈方式获得对SMA驱动梁挠度的控制，探讨了不同输入波形和频率对于控制误差的影响。但用位移作为反馈使得整个控制系统的体积庞大，而机翼的翼盒空间非常有限，限制了其在工程中

5、的应用。休斯顿大学的Ma N 等人则基于电阻反馈的方法，并利用PD 控制器实现对SMA驱动器的位置控制。利用电阻反馈可以消除位移反馈带来的成本高和体积大的缺点，且在相变过程中电阻与应变的关系比较稳定。而采用PD控制可以减少系统的稳态误差，提高系统的动态响应速度，但是比例系数过大会使动态质量变化，引起闭环系统不稳定。韩国科学技术院的Yang S M 等人基于一阶模态模拟SMA复合材料板的位移响应，比较了前馈控制和PID反馈控制两种控制方式的效果，结果表明采用PID反馈控制可以明显提高SMA驱动机构的控制特性。美国阿克伦大学的Song G 等人采用PID控制器与电流前馈的方式，对SMA蜂窝层板的位

6、移变化实现实时控制。利用比例积分控制可以消除系统的稳态误差，但是系统的动态过程变慢；而微分控制有助于减少超调，使系统趋于稳定，不足之处在于放大了噪声信号。 在国内，南京航空航天大学的沈星教授基于DSP技术实现了对SMA直线驱动器控制系统。沈星教授设计的是一个偏动式双程SMA驱动器（如图1所示）。机构采用两根相互关联的SMA丝，基于形状记忆合金的单程记忆效应，主要利用了应力诱发马氏体和奥氏体的弹性模量大于马氏体弹性模量的特性 ，即通过施加外力使其发生马氏体转变，代替用冷却的方式使奥氏体向马氏体转变，而该外力则由另外一根丝通过加热发生马氏体向奥氏体转变产生的恢复力提供。图1 双程驱动器结构示意图给

7、SMA丝加热的控制系统是由F2812DSP、加热控制电路、反馈信号采集电路以及上位机组成，系统的整体框架如图2所示：图2 控制系统示意图加热控制电路原理如图3所示，该部分主要功能是：为SMA丝提供足够大的加热电流，使SMA丝达到能够相变的温度；当停止给SMA丝加热时，将SMA丝与加热电源和地面能完全隔离开来。加热电路主要由四个模块组成：隔离电路、基准稳压电路、比较驱动电路和加热保护电路。 图3 加热控制电路由于沈星教授设计的是一个偏动式双程SMA驱动器，基于的是形状记忆合金的单程记忆效应，在机械结构之中不可避免的涉及了滑轮、导轨、底座等机械构件，而在可变机翼的研究领域中，对于机构的体积与重量要

8、求比较苛刻，这是由于机翼的翼盒空间非常有限。基于此原因，我们设计了基于双程记忆合金的高精度伺服控制系统，用一根双程记忆合金丝代替两根单程记忆合金丝，而取得同样的效果，摒弃了复杂、庞大而又笨重的机械结构构件，使设计方案更加满足航空航天的需要。3. 控制系统原理双程形状记忆合金的伺服控制系统主要是为了实现对双程形状记忆合金（SMA）的高精度反馈控制。该系统能够使SMA能够快速的达到预期的形变，并且具备自动抗扰动的功能。本伺服控制系统的控制对象为双程形状记忆合金丝（SMA），该合金丝是一种纤维状金属制动器，可以像肌肉一样作动。在普通状态下，该合金丝是柔软的；当有电流通过是，合金丝会变硬并且拉紧；停止

9、供电后，其又会变软、伸长。通过空气传导加热时也能得到同样的效果。相对与普通材料，SMA拥有一个独有的特点，那便是其形变量与电阻具有一定的数学关系。基于SMA材料的这一特点，在不增加器件的情况下，就可通过其电阻大小实现对其形变量的反馈控制。具体地，该控制系统可分为以下四个部分：单片机控制系统、信号放大系统、比较反馈系统、信息采集系统。结构图如图4所示。形状记忆合金控制系统单片机控制系统信号放大系统比较反馈系统信息采集系统图4 形状记忆合金控制系统组成框图4. 控制系统设计与制作经过反复的调试与不断的优化，最终确定出控制系统的电路如图5所示。该电路系统具有节能、高效、快速反应等特点。图5 控制系统

10、电路图原理分析：单片机控制晶闸管Q1开关，产生一路脉冲宽度很窄的波形（不会加热SMA合金丝），用于测量R3与SMA合金丝的电阻。同时，单片机的另一路根据电位器的位置控制Q2的开关，当BMF受到扰动时，通过SMA合金丝的V1与R3的电压V2反馈给单片机，对Q2进行反馈控制。由于Q1路的脉冲宽度很小，所以用于测量电阻的能量消耗很小，而经过Q2供给SMA合金丝的加热电能几乎全部消耗在合金丝上，故该电路节能效果非常好。优点：控制精度高，响应速度快，节能。单片机控制系统是整个控制系统的核心，该部分按一定的逻辑顺序来执行其他三个系统。而单片机控制系统的关键是控制程序的设计。控制程序的流程图如图6所示。图6

11、 控制程序流程图形状记忆合金的控制信号如图7所示。其中T为控制信号周期，M为测量电阻用信号，H为形状记忆合金加热信号。通过控制H段的电平高低可实现对形状记忆合金的动态控制。图7 形状记忆合金控制信号控制系统反馈输出时的波形图如图8所示图8 基于双程形状记忆合金控制系统反馈输出时的波形图对系统进行仿真，阶跃响应如图9所示。图9 仿真分析结果5.控制系统演示实物制作好的形状记忆合金演示控制系统电路板如图10所示。控制系统预置了DEMO与MANUAL两个模式。DEMO为系统程序控制的记忆合计丝拉动弹簧在位移输出的行程内几个预置位移的固定位移输出。MANUAL模式是可以通过拨动阻尼轮，实现记忆合金丝的位移在行程范围内的受控输出。在MANUAL模式下，控制方案分为SMART与PWM控制两个档位。其中，PWM档位可以通过PWM脉宽调制输出直接控制记忆合金丝的致动输出，实现双程记忆合金丝位移输出。SMART控制方案为整个控制系统的核心控制技术，在该控制模式下，双程形状记忆合金可以根据外围流场与传热情况的变化，通过测量双程记忆合金丝的电阻变化来动态反馈控制记忆合金丝的输出位移。图10 形状记忆合金演示控制系统6