[发明专利]一种用于悬臂梁变形控制的MFC自感知位移检测方法

说明书

本发明属于悬臂梁变形控制技术领域，提供了一种用于悬臂梁变形控制的MFC自感知位移检测方法，以悬臂梁系统作为机翼缩比模型来研究机翼的变形控制，通过MFC压电材料的双向可逆特性，用同一种压电元件实现传感和驱动功能，达到同步控制和系统优化的目的。通过搭建实验硬件平台、用LabVIEW软件对系统迟滞现象进行前馈补偿并采集实验数据、MATLAB软件分析处理数据，得出输出电压与实际位移之间的关系，用电压监控的方法实现自感知位移检测过程。本发明在固有MFC执行功能的基础上利用其正压电效应实现传感功能，将MFC的正逆压电效应结合使用。

技术领域

本发明属于悬臂梁变形控制技术领域，涉及一种用于悬臂梁变形控制的位移检测方法。

背景技术

随着科学水平的提高，变形控制技术在航空、航天等行业中使用越来越广泛。目前国内外对形变控制的研究较为成熟，主要集中于形变主动控制、振动抑制等方法上。由于航天构件日趋大型化、低刚度和柔性化，许多轻质、大挠度的材料结构尤其是压电复合纤维材料MFC具有质量轻、韧性大、厚度薄、易弯曲的特点，在变形控制领域中得到了广泛的应用。

国内学者对不同的变形控制算法研究甚多，但是对于使用MFC压电片作为自感知结构的变形控制研究还不是很成熟。一般测试系统中，传感器和执行器是不可缺少的元件，并且传感器和执行器以相互独立的形式，行使各自的功能。鉴于机翼变形监测和控制的工程应用背景，飞机机翼存在传感器安装困难的问题，即使解决安装问题也会由于飞行的颤振等环境因素造成传感测量不精确、反馈信号存在误差等现象，难以达到传感与执行的精度要求。

发明内容

目前国内在主动变形控制领域，特别是在传感监测的实际应用上与国外存在较大的差距，同时对于具有轻质、柔韧性强的压电复合纤维材料MFC的应用也只局限于执行控制器上。针对这一研究现状，本发明提出了一种用于悬臂梁系统变形控制的MFC自感知位移检测方法，以悬臂梁系统作为机翼缩比模型，研究机翼的变形控制，利用MFC压电材料的双向可逆特性，用同一种压电元件实现传感和驱动功能，达到系统优化的目的。

本发明的技术方案：

一种用于悬臂梁变形控制的MFC自感知位移检测方法，步骤如下：

采用两片MFC压电复合纤维结构，将其中一片压电片作为传感元件，另一片作为执行元件。首先搭建悬臂梁实验硬件平台，实现MFC优化布置并确定位移标定点；其次由于压电材料具有压电效应、铁电效应和电致伸缩效应，三种效应共同导致压电系统存在迟滞特性，采用改进PI(MPI)模型对系统迟滞特性进行前馈补偿。最后，获取MFC传感元件的输出电压与位移之间的关系：驱动执行元件使悬臂梁产生形变并采集标定用的激光位移传感器输出信号，同时采集MFC传感电路中的输出电压，分析处理数据，得出输出电压与位移之间的关系——MFC作为位移传感元件应用时，即可根据上述关系由输出电压量间接测量出位移量。具体步骤如下：

步骤一：构建硬件平台

以悬臂梁作为机翼缩比模型，用台钳作为悬臂梁支撑侧，悬臂梁的另一端为自由端；考虑悬臂梁的力学特性和材料特性，避免由于悬臂梁扭转或一些非线性因素使信号传递不准确，将两片MFC传感元件对位贴于悬臂梁两侧，分别作为MFC传感元件和MFC执行元件；将激光位移传感器对准MFC传感元件的末端，实现对MFC传感元件位移量的标定；PC机作为整个系统信号指令的输出以及数据处理的终端，通过数据采集卡实现信号的数据采集和数模转换；此外系统中采用电荷放大器对MFC传感元件输出的信号进行放大处理，采用电压放大器对PC机输出的控制信号进行放大以驱动MFC执行元件；

步骤二：采集实验数据

向系统中输入正弦信号来驱动MFC传感元件，以相同的采样间隔、采样时刻，同步采集激光位移传感器的输出位移信号和MFC传感元件输出的电信号；