安泰高壓放大器在介電高彈聚合物驅動器和軟體機器人中的應用

　　實驗名稱：介電高彈聚合物疊層彎曲驅動器的制備與自適應控制實驗

　　研究方向：機器人在社會生產中有著廣泛應用。由硬質材料構造的機器人具有動力足、精度高等優點，但在復雜場景作業、醫療康復輔助等應用場景中其環境適應性與人體親和性方面仍面臨挑戰。軟體機器人的出現為應對此類挑戰提供了新的思路。軟體機器人系統主要由可承受較大變形的軟材料組成，具有柔順度好、抗沖擊能力強等優點。不同于由電機-傳動系統等硬質結構驅動的機器人，軟體機器人由類似“人工肌肉"的功能軟材料及結構提供動力，可在外界激勵下產生變形并實現系統功能。作為一類典型的電響應功能軟材料，介電高彈聚合物(Dielectricelastomer，DE)具有驅動應變大、響應快速、能量密度高等優點，有望為高性能軟體機器人系統的研制及其在航空航天、深海探索、醫療康復等領域的應用提供支撐。

　　實驗目的：從介電高彈聚合物的力電耦合變形機理分析出發，構造出具備高效柔順變形及穩定控制能力的軟體驅動結構，在軟體驅動結構建模方面、軟體驅動器構造與控制方面、復雜疊層結構驅動器的成型與應用方面；三方面綜合研究實現其機器人系統在復雜任務環境中的可靠操縱，并利用工藝設計制造響應的軟體驅動器件進行實驗。

　　測試設備：控制板卡設備、高壓放大器、激光位移傳感器等。

　　實驗過程：實驗設置如圖所示。一個完整的控制流程如下:激光位移傳感器測量當前彎曲驅動器的垂直位移，并將實時數據發送給控制板。控制板對位移信號進行采樣并利用插值計算對采樣信號進行處理，消除驅動器水平位移的影響。速度信號則通過對相鄰位移測量值進行差分運算得到，加速度信號同理。控制板根據反饋信號計算出控制量后，將模擬控制信號發送至高壓放大器。高壓放大器將接收到的控制信號放大，變成輸出在驅動器上的電壓。此外，一臺通用計算機作為上位機與控制板進行通信，用于控制參數調整與數據記錄。該系統的控制頻率設置為1kHz。

　　實驗結果：控制率式中有部分動力學參數需要進行參數辨識。參數辨識的初始值可以得到，然后進一步在Simulink軟件中用仿真結果擬合實驗數據以調節參數。最終得到的辨識結果。圖3.9是輸入電壓信號為峰-峰值700v頻率1Hz的偏置正弦波的參數識別結果，可以看出模擬結果(黑色曲線)與實驗結果(紅色曲線)吻合較好。最終標定出來的參數估計值為:M=0.004，M=0.018,a=[3.571,0.018,17.57,57.46,-1.364]，注意這些數值會在實際控制過程中通過自適應律動態改變

　　在驗證本節所提出控制器的性能之前，不妨先看使用傳統PID控制的效果是怎樣的。圖3.10為PID控制器的位移跟蹤實驗結果。跟蹤參考軌跡是一個振幅為0.04，頻率為1Hz的正弦位移。零時刻時的跟蹤誤差較大，表明需要增加PD控40制器的比例系數。然而，比例系數的增加激發了高頻模態，反而引起了發散。這一結果表明，沒有模型信息的控制器不能處理這種非線性系統。

　　為了證明自適應律的有效性，下面的實驗對比無參數自適應的控制器(C1)和有參數自適應的控制器(C2)的表現。經實驗測試，對于C1控制器，控制參數[入,k]設定為[5,2.2]，對于C2控制器則設為[5,1.7]。為避免自適應發散,設置參數變化的邊界為d∈(0.5xd標定值,2xd標定值]，其中d=M0,M1,à。

　　圖5-7分別為跟蹤正弦參考軌跡的頻率為1Hz、15Hz和2Hz時，兩個控制器的控制實驗結果。可以看到，在1Hz情況下兩個控制器產生的位移可以很好地跟蹤參考軌跡，但C2的跟蹤精度高于C1。而隨著參考軌跡頻率的增加，C2和C之間的性能差距變得更大。即便C1的反饋增益k比C2更大，但在誤差、超調以及相位滯后方面，C2仍優于C1。

　　圖8為跟蹤一個連續階躍軌跡的控制實驗結果。在階躍發生時，C1和C2有著類似的響應速度，因為其控制帶寬入相同。從誤差曲線中看，C2收益于參數自適應，反饋增益k設定得較小，因而振蕩更平緩

　　綜合來看，兩個控制器都表現出了不錯的控制效果，驗證了基于動力學模型的控制的有效性與魯棒性，而參數自適應進一步改善了控制性能。

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