[發明專利]一種用于懸臂梁變形控制的MFC自感知位移檢測方法

在審

• 申請號: 201811028429.6
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109115096A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 盛賢君;李家彤;張鳳云;孔袁莉;周少征
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01B7/02
• 分類號: G01B7/02;G01B11/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

1.一種用于懸臂梁變形控制的MFC自感知位移檢測方法，其特征在于，步驟如下：

步驟一：構建硬件平臺

以懸臂梁作為機翼縮比模型，用臺鉗作為懸臂梁支撐側，懸臂梁的另一端為自由端；將兩片MFC傳感元件對位貼于懸臂梁兩側，分別作為MFC傳感元件和MFC執行元件；將激光位移傳感器對準MFC傳感元件的末端，實現對MFC傳感元件位移量的標定；PC機作為整個系統信號指令的輸出以及數據處理的終端，通過數據采集卡實現信號的數據采集和數模轉換；采用電荷放大器對MFC傳感元件輸出的信號進行放大處理，采用電壓放大器對PC機輸出的控制信號進行放大以驅動MFC執行元件；

步驟二：采集實驗數據

向系統中輸入正弦信號來驅動MFC傳感元件，以相同的采樣間隔、采樣時刻，同步采集激光位移傳感器的輸出位移信號和MFC傳感元件輸出的電信號；

PC機輸出的控制驅動信號經過數據采集卡、電壓放大器后輸入到MFC執行元件上，使懸臂梁產生形變；激光位移傳感器接收位移信號，同時MFC傳感元件感知到懸臂梁的形變產生電荷，并通過電荷放大器轉化為電壓信號；激光位移傳感器的位移信號和電荷放大器的電壓信號經過數據采集卡上傳到PC機，再進行數據擬合、分析與處理；

步驟三：數據處理和分析

由于在步驟二中所采集的電壓信號與位移信號具有噪聲及雜波干擾，首先利用巴特沃茲濾波器對信號進行濾波處理；

其次采用MPI遲滯模型對懸臂梁系統中存在的遲滯特性進行建模，并解析其逆模型來補償遲滯非線性；MPI遲滯模型使用“有限個具有不同閾值的play算子的加權疊加”和“有限個具有不同閾值的單邊死區算子的加權疊加”來表征遲滯特性，時域表達式定義如下：

其中，MPI遲滯模型的play算子與單邊死區算子的表達式為和其中，r_h∈R⁺是play算子的閾值，r_h＝[r_h0…r_hn]^T為閾值向量；r_s∈R是單邊死區算子的閾值，r_s＝[r_s-l…r_s0…r_sl]^T為閾值向量；y₀＝[y₀₁…y_0n]^T為play算子初始向量；x(t)為單調分段輸入信號，y(t)為x(t)經過play算子之后加權得到的輸出，s[y](t)為MPI遲滯模型的輸出，w_h＝[w_h0…w_hn]^T為play算子的權值向量，w_s＝[w_s-l…w_s0…w_sl]^T為單邊死區算子的權值向量；

MPI遲滯模型表達式為

MPI遲滯逆模型表達式為

實現遲滯模型辨識以及逆模型對遲滯效應補償，其中，系統模型的具體參數分別如下：

最后，通過MPI遲滯模型辨識方法求出系統的模型參數后，進而實現人機交互的遲滯模型的前饋補償；

步驟四：對遲滯補償后的系統重新采集信號，擬合激光位移傳感器輸出位移s與電荷放大器輸出電壓u的關系曲線s＝f(u)；通過分析補償后的擬合曲線，位移與電壓之間的關系等效為線性關系，即擬合曲線定義為s＝a(1)*u+a(2)，其中s為位移量，u為電壓信號，a(1)、a(2)為待辨識的參數；擬合主要涉及的函數為：

U_S＝inline('a(1)*u+a(2)','a','v')

a＝nlinfit(u,up,U_S,[0 0])

通過求解包絡線并進行擬合分析，得出實驗中輸出電壓與實際位移之間的關系式后，即通過采集到的電壓得到其對應的位移量。