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【6h】

功率超声波换能器恒电压控制策略研究

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第1章 绪论

1.1 问题提出与研究意义

1.2 功率超声的原理与应用

1.3 功率超声设备的发展和趋势

1.4 论文主要研究方向

第2章 功率超声设备的研究与分析

2.1 超声波振动系统组成

2.2 超声波换能器的研究与分析

2.3 外界因素对换能器特性的影响

2.4 大功率下换能器特性变化

2.5 本章小结

第3章 压电换能器与其换能机制建模

3.1 压电换能器建模

3.2 换能器换能过程的建模

3.3 本章小结

第4章 功率超声振幅控制方案的设计

4.1 基于PID的控制算法设计

4.2 基于DFS-PI的控制算法设计

4.3 基于换能器模型不确定性的鲁棒控制算法设计

4.4 本章小结

第5章 功率超声电源性能试验

5.1 功率恒定控制软件设计

5.2 超声波振动设备参数测量

5.3 恒振幅性能测试

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录

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摘要

功率超声波理论研究的日趋完善,使得以此为基础的多类型超声波设备得到广泛应用。相对于传统的化学粘合剂、热熔等粘合方式,超声波焊接作为一种新型焊接工艺优势明显,而且环保无污染。超声波驱动电源作为超声波焊接机中的重要组成部分,其功率调节能力和输出振幅的稳定性将直接影响焊接的质量。基于控制理论,开展面向热塑性材料点焊机的数控超声波电源恒振幅控制策略及仿真。
  本研究主要内容包括:⑴针对超声波振动设备中的核心部件----换能器的非线性现象和大功率同小信号下特性变化,依据等效电路展开机理分析,并通过实验得到带负载压电换能器的输出振幅与环境温度、输入信号频率、施加电压的关系,为换能器机理建模提供现实依据。⑵针对压电换能器在工作过程中存在的迟滞、蠕变等非线性特性,将换能器中电学参数表现为受到干扰的变值,依据换能器工作中力电转换过程,建立压电换能器与换能器换能机制的等效电路模型并转化为微分方程,然后根据超声波电源中逆变、整流和功率调整模块的输入输出关系,得到整个换能机制的状态空间方程。⑶依据所建立的压电换能器的状态空间模型,提出了基于鲁棒控制理论的前馈控制算法。并结合系统模型的不确定信息,设计出符合要求的控制律,使得参数在有界扰动下能有效保持系统的性能稳定。为了避免由于模型中输入偏差的累加造成计算量过大的问题提出了基于积分分离的PID算法。为了将非线性系统通过模糊辨识后用于自适应控制,结合直接逆模型控制和迭代学习控制的思想对被控对象进行参数辨识思想,建立了基于D FS-PI的控制算法。最后,对数字超声波点焊机在缓变负载和突变负载条件下进行测试,超声波驱动电源振幅稳定性能达到期望,验证了所提出控制策略的有效性。

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