[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

摘要

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。

主权项

1.一种用于悬臂梁变形控制的MFC自感知位移检测方法，其特征在于，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；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；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；PC机输出的控制驱动信号经过数据采集卡、电压放大器后输入到MFC执行元件上，使悬臂梁产生形变；激光位移传感器接收位移信号，同时MFC传感元件感知到悬臂梁的形变产生电荷，并通过电荷放大器转化为电压信号；激光位移传感器的位移信号和电荷放大器的电压信号经过数据采集卡上传到PC机，再进行数据拟合、分析与处理；步骤三：数据处理和分析由于在步骤二中所采集的电压信号与位移信号具有噪声及杂波干扰，首先利用巴特沃兹滤波器对信号进行滤波处理；其次采用MPI迟滞模型对悬臂梁系统中存在的迟滞特性进行建模，并解析其逆模型来补偿迟滞非线性；MPI迟滞模型使用“有限个具有不同阈值的play算子的加权叠加”和“有限个具有不同阈值的单边死区算子的加权叠加”来表征迟滞特性，时域表达式定义如下：其中，MPI迟滞模型的play算子与单边死区算子的表达式为和其中，r_h∈R⁺是play算子的阈值，r_h＝[r_h0…r_hn]^T为阈值向量；r_s∈R是单边死区算子的阈值，r_s＝[r_s‑l…r_s0…r_sl]^T为阈值向量；y₀＝[y₀₁…y_0n]^T为play算子初始向量；x(t)为单调分段输入信号，y(t)为x(t)经过play算子之后加权得到的输出，s[y](t)为MPI迟滞模型的输出，w_h＝[w_h0…w_hn]^T为play算子的权值向量，w_s＝[w_s‑l…w_s0…w_sl]^T为单边死区算子的权值向量；MPI迟滞模型表达式为MPI迟滞逆模型表达式为实现迟滞模型辨识以及逆模型对迟滞效应补偿，其中，系统模型的具体参数分别如下：最后，通过MPI迟滞模型辨识方法求出系统的模型参数后，进而实现人机交互的迟滞模型的前馈补偿；步骤四：对迟滞补偿后的系统重新采集信号，拟合激光位移传感器输出位移s与电荷放大器输出电压u的关系曲线s＝f(u)；通过分析补偿后的拟合曲线，位移与电压之间的关系等效为线性关系，即拟合曲线定义为s＝a(1)*u+a(2)，其中s为位移量，u为电压信号，a(1)、a(2)为待辨识的参数；拟合主要涉及的函数为：U_S＝inline('a(1)*u+a(2)','a','v')a＝nlinfit(u,up,U_S,[0 0])通过求解包络线并进行拟合分析，得出实验中输出电压与实际位移之间的关系式后，即通过采集到的电压得到其对应的位移量。