實驗名稱：介(jie)電高彈聚合(he)物疊(die)層彎曲驅動(dong)器的制(zhi)(zhi)備與自適應(ying)控制(zhi)(zhi)實驗

　　研究方向：機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)在(zai)(zai)社會生產中(zhong)有(you)(you)著(zhu)廣泛應(ying)(ying)用(yong)。由硬質(zhi)(zhi)材料(liao)構(gou)造的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)具(ju)(ju)有(you)(you)動(dong)力足、精度(du)高(gao)等(deng)優點(dian)，但在(zai)(zai)復(fu)(fu)雜場(chang)景(jing)作(zuo)業、醫療康(kang)復(fu)(fu)輔助等(deng)應(ying)(ying)用(yong)場(chang)景(jing)中(zhong)其(qi)環境適應(ying)(ying)性與人(ren)(ren)體(ti)親和性方面仍面臨挑戰(zhan)。軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)的(de)(de)出現為(wei)應(ying)(ying)對此類(lei)挑戰(zhan)提供(gong)(gong)了新的(de)(de)思路。軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)系(xi)統主要由可承受較大變(bian)形的(de)(de)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)材料(liao)組(zu)成(cheng)，具(ju)(ju)有(you)(you)柔順度(du)好、抗沖擊能(neng)(neng)力強等(deng)優點(dian)。不同于由電機(ji)(ji)-傳動(dong)系(xi)統等(deng)硬質(zhi)(zhi)結構(gou)驅動(dong)的(de)(de)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)，軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)由類(lei)似“人(ren)(ren)工肌肉”的(de)(de)功能(neng)(neng)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)材料(liao)及(ji)結構(gou)提供(gong)(gong)動(dong)力，可在(zai)(zai)外界激勵(li)下產生變(bian)形并實現系(xi)統功能(neng)(neng)。作(zuo)為(wei)一類(lei)典(dian)型的(de)(de)電響應(ying)(ying)功能(neng)(neng)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)材料(liao)，介電高(gao)彈聚合物(Dielectricelastomer，DE)具(ju)(ju)有(you)(you)驅動(dong)應(ying)(ying)變(bian)大、響應(ying)(ying)快速(su)、能(neng)(neng)量密(mi)度(du)高(gao)等(deng)優點(dian)，有(you)(you)望(wang)為(wei)高(gao)性能(neng)(neng)軟(ruan)(ruan)(ruan)(ruan)體(ti)機(ji)(ji)器(qi)(qi)人(ren)(ren)系(xi)統的(de)(de)研制及(ji)其(qi)在(zai)(zai)航空航天、深海探索、醫療康(kang)復(fu)(fu)等(deng)領域的(de)(de)應(ying)(ying)用(yong)提供(gong)(gong)支撐。

　　實驗目的：從(cong)介電高(gao)彈聚合物(wu)的力電耦合變形機(ji)(ji)理分析出(chu)發，構(gou)造(zao)出(chu)具(ju)備(bei)高(gao)效柔順變形及穩定控制(zhi)能力的軟體驅動(dong)結構(gou)，在(zai)軟體驅動(dong)結構(gou)建模(mo)方面(mian)、軟體驅動(dong)器構(gou)造(zao)與控制(zhi)方面(mian)、復(fu)雜(za)疊層結構(gou)驅動(dong)器的成型與應用方面(mian)；三方面(mian)綜合研究實現(xian)其機(ji)(ji)器人系統在(zai)復(fu)雜(za)任務(wu)環境中的可靠操(cao)縱，并利用工藝設(she)計(ji)制(zhi)造(zao)響應的軟體驅動(dong)器件(jian)進行實驗。

　　測試設備：控制板卡設備、高壓放大器、激光(guang)位(wei)移傳感器等。

　　實驗過程：實驗(yan)設(she)置(zhi)如圖所示。一(yi)個完整(zheng)(zheng)的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)流程(cheng)如下(xia):激光位(wei)移傳感器(qi)測量(liang)當前彎曲驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)的(de)垂直位(wei)移，并將(jiang)(jiang)實時數據(ju)(ju)發送(song)(song)給控(kong)(kong)(kong)制(zhi)板。控(kong)(kong)(kong)制(zhi)板對位(wei)移信(xin)號(hao)(hao)進(jin)行(xing)(xing)采(cai)樣(yang)并利用插值計算(suan)對采(cai)樣(yang)信(xin)號(hao)(hao)進(jin)行(xing)(xing)處理，消除(chu)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)水平位(wei)移的(de)影響(xiang)。速(su)度信(xin)號(hao)(hao)則通(tong)過(guo)對相鄰(lin)位(wei)移測量(liang)值進(jin)行(xing)(xing)差分(fen)運算(suan)得到(dao)，加(jia)速(su)度信(xin)號(hao)(hao)同理。控(kong)(kong)(kong)制(zhi)板根(gen)據(ju)(ju)反饋信(xin)號(hao)(hao)計算(suan)出控(kong)(kong)(kong)制(zhi)量(liang)后，將(jiang)(jiang)模(mo)擬控(kong)(kong)(kong)制(zhi)信(xin)號(hao)(hao)發送(song)(song)至高壓放大(da)(da)器(qi)。高壓放大(da)(da)器(qi)將(jiang)(jiang)接收(shou)到(dao)的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)信(xin)號(hao)(hao)放大(da)(da)，變成輸出在(zai)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)上的(de)電壓。此外，一(yi)臺(tai)通(tong)用計算(suan)機(ji)作為(wei)上位(wei)機(ji)與控(kong)(kong)(kong)制(zhi)板進(jin)行(xing)(xing)通(tong)信(xin)，用于控(kong)(kong)(kong)制(zhi)參數調整(zheng)(zheng)與數據(ju)(ju)記錄。該(gai)系(xi)統的(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)頻(pin)率設(she)置(zhi)為(wei)1kHz。

　　實驗結果：控(kong)(kong)制率(lv)式中(zhong)(zhong)有部分(fen)動力學參(can)數(shu)需要進(jin)行參(can)數(shu)辨識。參(can)數(shu)辨識的(de)初始值(zhi)(zhi)可(ke)(ke)以得(de)到，然(ran)后進(jin)一步在Simulink軟(ruan)件中(zhong)(zhong)用仿真結(jie)果擬(ni)合實(shi)(shi)驗數(shu)據以調節參(can)數(shu)。最終(zhong)得(de)到的(de)辨識結(jie)果。圖3.9是輸(shu)入電壓信號為(wei)峰-峰值(zhi)(zhi)700v頻率(lv)1Hz的(de)偏置正弦波的(de)參(can)數(shu)識別結(jie)果，可(ke)(ke)以看(kan)出(chu)模擬(ni)結(jie)果(黑色曲(qu)線(xian))與實(shi)(shi)驗結(jie)果(紅色曲(qu)線(xian))吻合較好。最終(zhong)標定出(chu)來的(de)參(can)數(shu)估計值(zhi)(zhi)為(wei):M=0.004，M=0.018,a=[3.571,0.018,17.57,57.46,-1.364]，注意(yi)這些數(shu)值(zhi)(zhi)會在實(shi)(shi)際控(kong)(kong)制過(guo)程中(zhong)(zhong)通過(guo)自適應律動態(tai)改變

　　在驗證(zheng)本節所提出控制(zhi)器的(de)(de)(de)性能之(zhi)前，不妨先看使用(yong)傳統PID控制(zhi)的(de)(de)(de)效果(guo)是怎樣的(de)(de)(de)。圖3.10為PID控制(zhi)器的(de)(de)(de)位移跟(gen)蹤實驗結果(guo)。跟(gen)蹤參考(kao)軌跡是一個(ge)振幅為0.04，頻率為1Hz的(de)(de)(de)正弦(xian)位移。零時(shi)刻時(shi)的(de)(de)(de)跟(gen)蹤誤(wu)差較大，表明(ming)需要增(zeng)加PD控40制(zhi)器的(de)(de)(de)比(bi)例(li)系(xi)數。然而(er)，比(bi)例(li)系(xi)數的(de)(de)(de)增(zeng)加激發(fa)了(le)高頻模(mo)態，反而(er)引起了(le)發(fa)散。這一結果(guo)表明(ming)，沒有(you)模(mo)型信息的(de)(de)(de)控制(zhi)器不能處理(li)這種非(fei)線性系(xi)統。

　　為了證明(ming)自適(shi)(shi)(shi)應(ying)律的(de)(de)有效性，下面(mian)的(de)(de)實(shi)驗(yan)(yan)對(dui)(dui)比無參(can)數(shu)自適(shi)(shi)(shi)應(ying)的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(C1)和有參(can)數(shu)自適(shi)(shi)(shi)應(ying)的(de)(de)控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)(C2)的(de)(de)表現。經實(shi)驗(yan)(yan)測試，對(dui)(dui)于(yu)C1控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)，控(kong)制(zhi)(zhi)參(can)數(shu)[入,k]設定為[5,2.2]，對(dui)(dui)于(yu)C2控(kong)制(zhi)(zhi)器(qi)則設為[5,1.7]。為避免自適(shi)(shi)(shi)應(ying)發散,設置參(can)數(shu)變(bian)化(hua)的(de)(de)邊界為d∈(0.5xd標定值(zhi),2xd標定值(zhi)]，其(qi)中d=M0,M1,à。

　　圖5-7分別(bie)為(wei)跟(gen)蹤正(zheng)弦(xian)參(can)考(kao)軌跡(ji)的(de)(de)頻率(lv)為(wei)1Hz、15Hz和2Hz時，兩(liang)個(ge)(ge)控制(zhi)器的(de)(de)控制(zhi)實驗(yan)結果。可以(yi)看到(dao)，在(zai)1Hz情況下兩(liang)個(ge)(ge)控制(zhi)器產生的(de)(de)位移可以(yi)很好地跟(gen)蹤參(can)考(kao)軌跡(ji)，但C2的(de)(de)跟(gen)蹤精度高于C1。而(er)隨著參(can)考(kao)軌跡(ji)頻率(lv)的(de)(de)增加，C2和C之間的(de)(de)性能差距(ju)變得更大。即便C1的(de)(de)反饋增益(yi)k比C2更大，但在(zai)誤差、超調(diao)以(yi)及相位滯(zhi)后方面，C2仍優(you)于C1。

　　圖8為跟蹤一個連續階(jie)躍(yue)軌跡的控制(zhi)實(shi)驗結果(guo)。在(zai)階(jie)躍(yue)發生時，C1和C2有著類似的響(xiang)應速度，因為其控制(zhi)帶寬入(ru)相(xiang)同。從誤差(cha)曲線中(zhong)看，C2收益(yi)于(yu)參(can)數自適應，反饋增(zeng)益(yi)k設(she)定(ding)得(de)較(jiao)小，因而(er)振蕩(dang)更(geng)平緩

　　綜合來看，兩個(ge)控制(zhi)器都表現出了(le)不錯的控制(zhi)效果，驗證(zheng)了(le)基于動力(li)學模型的控制(zhi)的有效性與魯棒性，而參數自適應進一步(bu)改善了(le)控制(zhi)性能。

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　　圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

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