【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及自动控制，特别是涉及一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法。
技术介绍
1、形状记忆合金材料凭借其卓越的变形能力、较高的输出力与质量比、小巧的尺寸、轻量化的特性以及低噪音的变形过程，在航空工程、精密制造及生物医疗等领域显示出广阔的应用潜力，该材料因具备在特定温度或压力下展现出的形状记忆效应，吸引了众多研究者的深入探索。近年来，形状记忆合金材料在驱动装置中的应用逐渐成为研究热点，该材料具备高机械性能、紧凑轻便的特点使其能够轻松地集成到小尺寸机械装置中，作为驱动元件发挥关键作用，进一步拓展了其在实际应用中的价值。当使用sma导线作为驱动元件时，相比较电机驱动器，其优点是通过材料收缩行为产生直线运动，可以对驱动机构进行轻量化和小型化设计。
2、通过深入研究形状记忆合金驱动器的控制技术和应用领域，可以有效改善驱动过程中的应力非线性变化行为，实现精确控制，提高系统的响应精度和稳定性。此外，形状记忆合金驱动器在医疗、工程、航空航天、电子和能源等领域具有广泛的应用前景，能够为人类社会的科技进步和产业发展提供有力的支持。因此，对形状记忆合金驱动器的研究不仅具有理论价值，还具有广阔的应用前景和巨大的经济价值。
3、目前对于形状记忆合金驱动器的研究包含材料学和控制器两个方面：
4、尽管通过焦耳加热等方式能够较为容易地实现形状记忆合金材料的加热与驱动，但sma驱动器中的材料应变对输入电流的非线性响应是其主要的问题。sma表现出的迟滞特性最终导致控制的精度问题，因此精准控制其行为仍面临挑战。为
5、为了提高形状记忆合金驱动器的控制精度，大多数研究者会从控制器方面着手研究，例如工业控制与经典的pid控制策略，但常规的pid控制策略并不适应在形状记忆合金材料中，因为其具有非线性迟滞的特征。因此大多数研究均采用改进型的pid控制策略，如双线性补偿器、滑模变结构、卡尔曼滤波器、模糊控制器以及神经网络控制方法等。上述方法虽然可以实现较好的系统控制效果，但在控制器设计的过程中，并未充分考虑到系统的瞬态性能，而预设性能控制方法则通过将误差转换为无约束误差，并严格将其限制在预设的性能包络之内，从而在确保系统稳态性能的同时，能够显著地提升系统的瞬态性能，进而优化系统整体的控制效果。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，本专利技术为一种基于预设性能控制的预设性能控制的形状记忆合金驱动器输出角度的积分反步滑模控制方法，解决了形状记忆合金材料在驱动过程中由于非线性、动作迟滞、参数时变等因素导致的控制精度不佳的问题。
2、本专利技术采用如下技术方案：
3、一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，所述方法包括以下步骤：
4、s1，搭建的实验平台，并建立其机理模型，得到其控制系统状态空间方程；
5、s2，设计扩张状态观测器，观测并补偿形状记忆合金材料在温度变化引起的
6、参数摄动问题，还用以观测系统未建模的扰动量；
7、s3，基于材料学和机理模型，设计预设性能控制方法；通过人为设定预设的性能包络ρ，将系统的跟踪误差e1严格限制在预设性能范围内，从而确保系统具有较高的响应速度和稳态特性；
8、s4，为确保预设性能控制中转换误差μ的有界性，设计积分滑模反步控制方法，同时实现了三阶系统的控制器设计；
9、s5，对上述控制器进行稳定性分析，并对转换误差进行有界性分析；
10、s6，使用matlab/simulink对形状记忆合金驱动器、控制器和观测器进行仿真测试，观察驱动器输出角度的稳定性。
11、所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，所述搭建形状记忆合金材料学模型和驱动器的模型，材料学模型由三个部分组成，即本构模型、相变模型和热力学模型；
12、s11，本构模型
13、本构模型反应温度t、应力σ、应变ε与马氏体体积分数ξ之间的关系；
14、
15、其中，为应力速率；为应变速率；为马氏体体积分数变化速率；为温度变化速率；e为材料的弹性模量；ω为相变系数；θ为热传递系数；
16、e＝ea+ξ(em-ea)
17、其中，ea和em分别为奥氏体和马氏体的弹性模量；
18、ω＝-εre
19、εr为最大可恢复应变；
20、s12，相变模型
21、相变模型是描述sma在加热和冷却过程中马氏体体积分数的变化；
22、加热过程：从低温马氏体相变化为高温奥氏体相；
23、
24、冷却过程：从高温奥氏体相变化为低温马氏体相。
25、
26、其相变过程最终推导出马氏体体积分数的变化。式中ξ0为初始状态的马氏体体积分数，aa、am、ba、bm分别为sma材料的相关常数，其计算如下：
27、
28、
29、其中，ms、mf、as、af分别代表sma马氏体起始、终止温度和奥氏体起始、终止温度。cm和ca分别表示在温度为af和mf时的sma材料应力和温度之间的一阶导数。
30、s13，热力学模型
31、热力学模型主要描述sma在加热过程中，由电压升高而引起的温度变化；根据热力学第一定律[32]，sma的温度变化关系式为：
32、
33、其中，m、cp、v、r、h、aw、t0分别为sma材料的质量、比热系数、输入电压、电阻、传热系数、横截面积和环境温度。
34、由于sma加热或冷却过程中材料电阻r不是固定值，而随着相变规律变化，其关系式为：
35、r＝ra+(rm-ra)ξ
36、传热系数h与材料温度t相关，其关系式如下：
37、h＝h0+h2t2
38、其中，rm、ra分别为sma在马氏体和奥氏体状态的内阻；h0、h2分别为零阶和二阶传热系数。
39、s14，驱动器机理模型
40、如图2所示为sma驱动器机理模型简图，sma驱动器模型主要由固定端、偏置驱动器和输出端组成，其中偏置驱动器由弹簧和sma丝构成，偏置驱动器连接固定端和输出装置。当sma丝通电加热时，其材料因形状记忆效应而产生拉力。当拉力超过弹簧的弹力，输出装置的角度便会发生相应的变化。然而，当sma丝冷却时，它会逐渐恢复到初始长度，从而带动输出角度回归至原始状态。根据扭本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述搭建形状记忆合金材料学模型和驱动器的模型，材料学模型由三个部分组成，即本构模型、相变模型和热力学模型；
3.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器来实现对形状记忆合金材料由于温度变化引起的参数摄动的观测，同时还可以观测系统中未建模的扰动量d，其构建扩张状态观测器步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述预设性能控制，其设计过程是将系统误差收敛至一个预设的性能包络内，保证其最小收敛速度在预设性能中，且最大超调也不能超过预设性能，即可保证系统的瞬态性能；其具体设计步骤如下：
5.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述积分滑模反步控制，其积分滑模反步控制器的设计，其保证上述的预设性能控制过程中的
6.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述材料学和机理模型，其整个驱动器材料学模型、机理模型、控制器和观测器进行仿真搭建，并且对输出角度进行跟踪测试，仿真工具采用Matlab/Simulink软件来验证该方法的可行性和有效性包括如下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述搭建形状记忆合金材料学模型和驱动器的模型，材料学模型由三个部分组成，即本构模型、相变模型和热力学模型；
3.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器来实现对形状记忆合金材料由于温度变化引起的参数摄动的观测，同时还可以观测系统中未建模的扰动量d，其构建扩张状态观测器步骤如下：
4.根据权利要求1所述的一种基于预设的形状记忆合金驱动器反步滑模控制方法，其特征在于，所述预设性能控制，其设计过程是将系统误差收敛至...
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