本发明专利技术一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法属于悬臂梁控制领域，涉及一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法。控制方法先确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统视为一个两输入单输出系统。分别建立两个子系统的动态模型，根据每个子系统及系统整体的输入输出关系，确定每个子系统占比系数；考虑建模误差及子系统之间的相互耦合，基于H∞鲁棒控制理论分别为每个子系统设计鲁棒控制器。采用分时控制方法，实现对多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统的精确控制。控制方法实现简单，控制精确，能发挥压电纤维复合材料的最大性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于悬臂梁控制领域，涉及一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法。
技术介绍
传统的固定翼飞机飞行模式单一，只能在特定的任务或功能下实现性能的最优，无法满足一机多任务的需求。为达到高性能、安全等目的，需要调整机翼的姿态以适应起降、加速、巡航等不同的飞行状态。改变机翼外形的方法主要有：前缘缝翼、后缘翼襟、变翼型弯度和变展长等，但是这些方法会使结构庞大、增加附加重量、操纵复杂，难以适应广泛的飞行条件。因此，人们从仿生学的角度，设想飞行器在不同的飞行条件和环境下改变机翼的形状，主动利用气动弹性实现自适应变形，达到最佳的飞行性能，并在此基础上提出了“变体飞行器”的概念。新型智能材料集驱动、变形、传感和承载等多种功能于一体，为变体飞行器的设计提供了可能。近年来，国内外的一些研究机构采用压电纤维复合材料驱动机翼产生变形，以达到理想的飞行性能。然而压电纤维复合材料自身存在迟滞非线性和蠕变特性，以及压电纤维复合材料与机翼结构之间的耦合效应，增加了机翼变形控制难度。因此，研究机翼结构的变形控制方法具有重要的现实意义和工程应用价值。在实际工程分析中，通常将机翼结构简化为悬臂梁，将压电纤维复合材料粘贴于悬臂梁表面研究其控制方法。近年来，围绕悬臂梁控制问题，国内外学者展开了一系列研究，并取得了一定的研究成果。MickyRakotondrabe等人在文献“RakotondrabeM,HaddabY,LutzP.Quadrilateralmodellingandrobustcontrolofanonlinearpiezoelectriccantilever[J].IEEETransactionsonControlSystemsTechnology,2009,17(3):528-539.”中提出一种悬臂梁系统模型近似方法，并基于H∞鲁棒控制理论设计悬臂梁系统鲁棒控制器。该方法在单压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统中取得良好的控制效果，但该方法构造的是单输入单输出系统，结构相对简单，并未涉及多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法的研究。因此，在多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制领域仍存在一定不足，亟待进一步解决。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中缺少多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法的问题，专利技术一种具备工程可实现性的多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法。将多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统简化描述为两输入单输出系统，分别建立两个子系统的动态模型，根据每个子系统及系统整体的输入输出关系，确定每个子系统占比系数。考虑建模误差及子系统之间的相互耦合，基于H∞鲁棒控制理论分别为每个子系统设计鲁棒控制器。采用分时控制方法，实现对多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统的精确控制。本专利技术采用的技术方案是一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法，其特征是，控制方法先确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统视为一个两输入单输出系统；分别建立两个子系统的动态模型，根据每个子系统及系统整体的输入输出关系，确定每个子系统占比系数；考虑建模误差及子系统之间的相互耦合，基于H∞鲁棒控制理论分别为每个子系统设计鲁棒控制器；采用分时控制方法，实现对多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统的精确控制；控制方法具体步骤如下：步骤一：确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，将第一对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁自由端的前后面，将第二对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁中部的前后面，对第一对压电纤维复合材料施加控制电压V1，对第二对压电纤维复合材料施加控制电压V2，且V1和V2不同，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统可视为一个两输入单输出系统；步骤二：第一对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统1，第二对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统2，子系统1和子系统2的动态模型分别用公式(1)求出：G(s)=ba1s2+a2s+1---(1)]]>式中：a1和a2为模型系数，b为比例增益。子系统1的动态模型用G1(s)表示，子系统2的动态模型用G2(s)表示；其中，子系统动态模型参数求解步骤为：测试子系统的阶跃响应，然后采用自回归算法进行参数求解；步骤三：测试第一对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d1，第二对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d2，以及两对压电纤维复合材料共同在200V驱动电压作用下悬臂梁自由端总位移D，确定子系统1的占比系数k1＝d1/D、子系统2的占比系数k2＝d2/D，且k1和k2应满足：k1+k2＝1；步骤四：考虑系统建模误差以及子系统1和子系统2之间的相互耦合干扰，基于H∞控制理论为子系统1设计鲁棒控制器1，为子系统2设计鲁棒控制器2，其中鲁棒控制器1表示为K1(s)，鲁棒控制器2表示为K2(s)；鲁棒控制器具体求解步骤为：基于混合灵敏度问题，考虑系统控制性能指标的要求，选取合适的加权函数w1(s)、w2(s)和w3(s)，并利用MATLAB鲁棒控制工具箱求解鲁棒控制器。其中加权函数w1(s)、w2(s)和w3(s)的表达式如下：w1(s)=α·τ1s+1τ2s+1---(2)]]>w2(s)＝β(3)w3(s)＝γ(4)其中，α为权函数w1(s)的系数，τ1和τ2为时间常数，β和γ为常数。采用MATLAB鲁棒控制工具箱求解鲁棒控制器具体程序为：[P]＝augtf(G,w1,w2,w3)(5)[K]＝hinfsyn(P)(6)其中，P为广义系统状态空间表达式，G、w1、w2、w3分别为G(s)、w1(s)、w2(s)和w3(s)的状态空间实现，K为K(s)的状态实现，最终得到鲁棒控制器表达式为：K(s)＝zpk(K)(7)鲁棒控制器具体实现方式为：在PC机中采用LabVIEW软件编程实现；步骤五：采用分时控制方法控制两个子系统，设悬臂梁自由端理想位移为d；分时控制方法具体实施步骤为：先将k1d与悬臂梁自由端输出位移信号y之间的误差e1传送给K1(s)，鲁棒控制器1产生控制信号u1经过电压放大器放大后产生控制电压V1驱动第一对压电纤维复合材料产生张力，从而控制悬臂梁，直至悬臂梁自由端位移达到k1d，然后保持子系统1的控制电压V1不变；然后，将理想位移d与悬臂梁自由端输出位移y之间的误差e传送给K2(s)，鲁棒控制器2产生控制信号u2并经过电压放大器放大后产生控制电压V2驱动第二对压电纤维复合材料产生张力，从而控制悬臂梁，使悬臂梁自由端总位移达到d，且满足控制精度要求。本专利技术的有益效果是采用压电复合纤维材料作为驱动器，具有良好的柔顺性和机械加工性能，灵敏度高，且可应用于曲面结构。对悬臂梁的控制不需要建立在系统精确建模的基础上，采用二阶模型建立子系统动态模型即可，该模型无需考虑压电纤维复合材料自身的迟滞和蠕变非线性，且能较好地描述系统特性。采用H∞鲁棒控制理论为每个子系统单独设计鲁棒控制器，且考虑到建模误差及子系统耦合干扰，本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法，其特征是，控制方法先确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统视为一个两输入单输出系统；分别建立两个子系统的动态模型，根据每个子系统及系统整体的输入输出关系，确定每个子系统占比系数；考虑建模误差及子系统之间的相互耦合，基于H∞鲁棒控制理论分别为每个子系统设计鲁棒控制器；采用分时控制方法，实现对多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统的精确控制；控制方法具体步骤如下：步骤一：确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，将第一对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁自由端的前后面，将第二对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁中部的前后面，对第一对压电纤维复合材料施加控制电压V1，对第二对压电纤维复合材料施加控制电压V2，且V1和V2不同，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统可视为一个两输入单输出系统；步骤二：第一对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统1，第二对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统2，子系统1和子系统2的动态模型分别用公式(1)求出：G(s)=ba1s2+a2s+1---(1)]]>式中：a1和a2为模型系数，b为比例增益；子系统1的动态模型用G1(s)表示，子系统2的动态模型用G2(s)表示；子系统动态模型参数求解步骤为：测试子系统的阶跃响应，然后采用自回归算法进行参数求解；步骤三：测试第一对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d1，第二对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d2，以及两对压电纤维复合材料共同在200V驱动电压作用下悬臂梁自由端总位移D，确定子系统1的占比系数k1＝d1/D、子系统2的占比系数k2＝d2/D，且k1和k2应满足：k1+k2＝1；步骤四：考虑系统建模误差以及子系统1和子系统2之间的相互耦合干扰，基于H∞控制理论为子系统1设计鲁棒控制器1，为子系统2设计鲁棒控制器2，其中鲁棒控制器1表示为K1(s)，鲁棒控制器2表示为K2(s)；鲁棒控制器具体求解步骤为：基于混合灵敏度问题，考虑系统控制性能指标的要求，选取合适的加权函数w1(s)、w2(s)和w3(s)，并利用MATLAB鲁棒控制工具箱求解鲁棒控制器；其中加权函数w1(s)、w2(s)和w3(s)的表达式如下：w1(s)=α·τ1s+1τ2s+1---(2)]]>w2(s)＝β (3)w3(s)＝γ (4)其中，α为权函数w1(s)的系数，τ1和τ2为时间常数，β和γ为常数；采用MATLAB鲁棒控制工具箱求解鲁棒控制器具体程序为：[P]＝augtf(G,w1,w2,w3) (5)[K]＝hinfsyn(P) (6)其中，P为广义系统状态空间表达式，G、w1、w2、w3分别为G(s)、w1(s)、w2(s)和w3(s)的状态空间实现，K为K(s)的状态实现，最终得到鲁棒控制器表达式为：K(s)＝zpk(K) (7)鲁棒控制器具体实现方式在PC机中采用LabVIEW软件编程实现；步骤五：采用分时控制方法控制两个子系统，设悬臂梁自由端理想位移为d；分时控制方法具体实施步骤为：先将k1d与悬臂梁自由端输出位移信号y之间的误差e1传送给K1(s)，鲁棒控制器1产生控制信号u1经过电压放大器放大后产生控制电压V1驱动第一对压电纤维复合材料产生张力，从而控制悬臂梁，直至悬臂梁自由端位移达到k1d，然后保持子系统1的控制电压V1不变；将理想位移d与悬臂梁自由端输出位移y之间的误差e传送给K2(s)，鲁棒控制器2产生控制信号u2并经过电压放大器放大后产生控制电压V2驱动第二对压电纤维复合材料产生张力，从而控制悬臂梁，使悬臂梁自由端总位移达到d，且满足控制精度要求。...
【技术特征摘要】
1.一种多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁控制方法，其特征是，控制方法先确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统视为一个两输入单输出系统；分别建立两个子系统的动态模型，根据每个子系统及系统整体的输入输出关系，确定每个子系统占比系数；考虑建模误差及子系统之间的相互耦合，基于H∞鲁棒控制理论分别为每个子系统设计鲁棒控制器；采用分时控制方法，实现对多压电纤维复合材料驱动的悬臂梁系统的精确控制；控制方法具体步骤如下：步骤一：确定两对压电纤维复合材料在悬臂梁表面上的粘贴位置，将第一对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁自由端的前后面，将第二对压电纤维复合材料通过双液型环氧树脂胶粘剂对称粘贴于悬臂梁中部的前后面，对第一对压电纤维复合材料施加控制电压V1，对第二对压电纤维复合材料施加控制电压V2，且V1和V2不同，采用一个非接触式的高分辨率激光位移传感器测量悬臂梁自由端位移信号，则整个系统可视为一个两输入单输出系统；步骤二：第一对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统1，第二对压电纤维复合材料与悬臂梁自由端位移之间构成子系统2，子系统1和子系统2的动态模型分别用公式(1)求出：G(s)=ba1s2+a2s+1---(1)]]>式中：a1和a2为模型系数，b为比例增益；子系统1的动态模型用G1(s)表示，子系统2的动态模型用G2(s)表示；子系统动态模型参数求解步骤为：测试子系统的阶跃响应，然后采用自回归算法进行参数求解；步骤三：测试第一对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d1，第二对压电纤维复合材料在200V驱动电压单独作用下悬臂梁自由端位移d2，以及两对压电纤维复合材料共同在200V驱动电压作用下悬臂梁自由端总位移D，确定子系统1的占比系数k1＝d1/D、子系统2的占比系数k2＝d2/D，且k1和k2...
【专利技术属性】
技术研发人员：盛贤君，孔袁莉，张凤云，杨睿，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21
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