【正文】 放大電路封裝好的芯片在市場上有賣，故選擇封裝好的芯片AD620。在性能上，AD620芯片要比相同原理的三片放大器放大電路要優(yōu)越很多，誤差相對較小。 AD620引腳圖 AD620與同原理的三片放大器組成的放大電路的比較根據(jù)（）式可知，只要調(diào)節(jié)就可以調(diào)節(jié)整個電路的放大倍數(shù)。在AD620的1腳和8腳上接可調(diào)電阻（），這樣就可以根據(jù)需要選擇調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的大小。2 、3腳接輸入放大的電壓，6腳為放大后的輸出電壓，5腳接參考電壓，7 、4接正負(fù)相等的工作電壓（選為10V）。AD620的增益關(guān)系式如下 () ()AD620的基本特點是精確度高、使用簡便、低噪聲，應(yīng)用十分廣泛，下表為AD620的規(guī)格特性。 AD620的規(guī)格特性項目規(guī)格特性備注增益范圍1~1000只需一個電阻即可設(shè)定電源電壓 ~ 18V可用電池驅(qū)動，方便應(yīng)用于便攜式儀器中低耗電量Max supply current = mA精確度高40 ppm maximum nonlinearity。 low offset voltage of 50 max.。 offset drift of 低噪聲Low input voltage noise of 9 at 1 kHz一般情況下噪聲的頻率很高，采用低通濾波器將信號中的高頻噪聲予以衰減濾除。在濾波器的設(shè)計中，濾波器階數(shù)的選擇很重要，階數(shù)越高，幅頻特性越平緩，濾波效果越好，但同時延遲越明顯，降低了信號的實時性。所以選擇有源二階濾波器。由于應(yīng)變信號比較微弱，而應(yīng)變信號頻率相當(dāng)?shù)停?~5Hz）且噪聲主要是高頻，故可通過中高頻濾波。工頻信號為對應(yīng)變信號的干擾相當(dāng)大，所以低通濾波器的截止頻率50Hz，通過實驗比較將截止頻率定為20Hz。電路參數(shù)為：放大倍數(shù) =2 截止頻率 由于壓阻應(yīng)變片本身制作以及安裝上存在各種偏差，導(dǎo)致了在工作力或位移為零時前幾放大電路輸出不為零，這就需要引入零偏校正電路。通過調(diào)節(jié)的阻值來調(diào)節(jié)集成放大器正輸入端的電壓，使其與負(fù)端的偏差信號通過放大器比例相加，從而使輸出為零。對開發(fā)的應(yīng)變檢測電路進(jìn)行實驗測試，通過改變應(yīng)變信號的大小以及整個處理電路的放大倍數(shù)來分析電路的性能。①線性度電路放大倍數(shù)為40和200時。定義應(yīng)變電路的非線性度為 ()式中 為最大非線性誤差；為電路的最大輸出電壓。，電路放大倍數(shù)為40/200時，最大絕對誤差 ，由式()，可得信號放大處理電路的非線性度。取其大者，%。，電路的輸出與放大倍數(shù)之間的關(guān)系。，可得信號放大處理電路的非線性度。取其大者，%。 同輸入時不同放大倍數(shù)與輸出電壓的關(guān)系②紋波為考量電路的穩(wěn)定性，對信號處理電路進(jìn)行了紋波電壓測試。選擇了放大倍數(shù)為40和200進(jìn)行測試。，測得的紋波電壓， mV，放大倍數(shù)為200時紋波電壓小于13 mV。 信號處理電路的紋波電壓 引言控制方法一般可以分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制，開環(huán)控制系統(tǒng)由于不能提供修正誤差的反饋量，控制效果在很大程度上取決于力/位移數(shù)學(xué)模型的精確度，并且要求控制器的性能高度穩(wěn)定，這些在當(dāng)前是較難實現(xiàn)的。因此帶有輸出反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)逐漸為人們所采用，并成為控制方式的主流。微夾鉗閉環(huán)控制是通過力/位移傳感器檢測出壓電陶瓷微位移器的實際位移，并與給定力/位移進(jìn)行比較，得到二者之間的偏差，該偏差經(jīng)控制器運算后得到壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)微夾鉗力/位移控制。但是單純閉環(huán)控制不提供預(yù)測的控制作用，即不能提前補償已知壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，并且由于壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯一般都在14％左右，對閉環(huán)控制系統(tǒng)產(chǎn)生較大的擾動，控制系統(tǒng)很可能長時間處于過渡過程中，不能進(jìn)入期望的穩(wěn)定狀態(tài)。針對上述情況，本章根據(jù)前一章得到的微夾鉗位移模型，提出并研究了基于這一模型的前饋補償和PID反饋控制。這一控制利用微夾鉗位移模型前饋補償控制補償壓電陶瓷執(zhí)行器的遲滯，通過PID反饋控制實現(xiàn)對微夾鉗夾持的閉環(huán)控制，以彌補模型誤差和不可測量的干擾。位移傳感器和力傳感器驅(qū)動電源微夾鉗夾爪PID控制器前饋控制Ux2Uf2XoutFout－＋－＋1/K1/KUxinUfinUx1Uf1圖 帶前饋控制環(huán)節(jié)的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)前饋控制的基本概念是測量重要的干擾變量，然后在它們影響到控制結(jié)果之前采取校正作用。 前饋控制Fig. Feedforward control前饋控制是將擾動信號經(jīng)前饋控制器處理后用以消除擾動對系統(tǒng)被調(diào)量的影響，它是按擾動進(jìn)行的補償控制，所以前饋控制又叫作擾動補償，擾動補償屬于開環(huán)控制，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性無影響。 PID控制(1) PID控制簡介PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一，由于其算法簡單，魯棒性好和可靠性高被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制過程，至今仍有90％左右的控制回路具有PID結(jié)構(gòu)。，系統(tǒng)主要PID控制器和受控對象組成，作為一種線性控制器，它根據(jù)給定值與實際輸出值構(gòu)成的偏差并對偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。其控制規(guī)律為 ()式中 ；為比例系數(shù)；為積分時間常數(shù)；為微分時間常數(shù)。其傳遞函數(shù)為 () PID控制系統(tǒng)原理圖Fig. Schematic diagram of the PID control systemPID控制器的比例、積分、微分三種校正環(huán)節(jié)的主要作用：① 比例(P)控制，比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號成比例關(guān)系。當(dāng)僅有比例控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差。② 積分(I)控制在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分成正比關(guān)系。對一個控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱這個控制系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入積分項。積分項對誤差取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會增大。這樣，即便誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。因此，比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤差。③ 微分(D)控制在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系?？刂葡到y(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后組件，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化超前，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。這就是說，在控制器中僅引入比例項是不夠的，比例項的作用僅是放大誤差的幅值，而目前需要增加的是微分項，它能預(yù)測誤差變化的趨勢，這樣，具有比例+微分的控制器，就能夠提前使抑制誤差的控制作用等于零，甚至為負(fù)值，從而避免了被控量的嚴(yán)重超調(diào)。所以對有較大慣性或滯后的被控對象，比例+微分(PD)控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程中的動態(tài)特性。由于在對壓電陶瓷執(zhí)行器的控制中，主要關(guān)注的是執(zhí)行器的穩(wěn)態(tài)輸出位移，所以選定比例+積分(PI)控制器來對壓電陶瓷執(zhí)行器閉環(huán)控制。(2) PID控制器的參數(shù)整定PID控制器的參數(shù)整定是PID控制系統(tǒng)設(shè)計的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控對象的特性確定PID控制器的比例系數(shù) 、積分時間和微分時間。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計算整定法，它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計算確定控制器參數(shù)。但是得到的控制器的參數(shù)并不能直接應(yīng)用，還必須通過工程實際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，例如參數(shù)歸一法和試湊法，它主要依賴工程經(jīng)驗，直接在控制系統(tǒng)的試驗中進(jìn)行，方法簡單、易于掌握，但是這種方法需要做大量的實驗，耗時過長。因此，本文利用MATLAB強大的計算仿真能力，快速地仿真得到使PID控制系統(tǒng)達(dá)到滿意性能指標(biāo)的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程，縮短利用工程整定方法來整定參數(shù)的時間。利用MATLAB進(jìn)行仿真，必須先得到微夾鉗的傳遞函數(shù)，在本文第三章中已經(jīng)詳細(xì)的計算得出， 選用最小二乘法得出的傳遞函數(shù)： 。下面介紹幾種PID參數(shù)整定方法：①Ziegler Nichols整定方法，輸入為階躍信號,令積分時間常數(shù)Ti 趨于+ ∞，微分時間常數(shù)Td 趨于0，即Ki =0, Kd = 0，并斷開反饋連接線。 進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，其中比例度， 。所以可以得出整定后的參數(shù)為： ， Ziegler Nichols整定方法系統(tǒng)框圖 Ziegler Nichols整定方法原理圖 Ziegler Nichols法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID②臨界振蕩法同樣是階躍信號輸入,令積分時間常數(shù) 趨于+ ∞，微分時間常數(shù)趨于0，即Ki = 0， Kd = 0，調(diào)節(jié)Kp使輸出出現(xiàn)等幅振蕩,記下系統(tǒng)的臨界比例度 和振蕩周期 。 臨界振蕩法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID③1 /4衰減振蕩法同臨界振蕩法一樣, 所不同的是調(diào)節(jié)Kp 使系統(tǒng)出現(xiàn)1 /4振蕩，此時的控制器的臨界比例度δ，振蕩周期為T。 /4衰減振蕩法參數(shù)設(shè)置表調(diào)節(jié)方式PPIPID要使該微夾鉗系統(tǒng)要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，我們通過應(yīng)變檢測夾持臂受到的力以及夾持臂的位移并通過控制壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓來調(diào)節(jié)力與位移，本章針對這一問題提出了微夾鉗控制系統(tǒng)設(shè)計?？刂葡到y(tǒng)包括惠斯通電橋、信號處理電路、dSPACE和主機幾部分。設(shè)計的信號處理電路包括放大、濾波、零偏校正電路組成，并對其的性能進(jìn)行分析。構(gòu)建了基于前一章建立的位移模型的前饋補償和PID反饋的控制，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用Ziegler Nichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)的方法，簡化了參數(shù)整定過程。重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 全文總結(jié)與展望5 全文總結(jié)與展望 本文的主要研究工作已設(shè)計的一種基于雙邊且看和單邊切口直圓柔性鉸鏈的微夾鉗的單片柔順結(jié)構(gòu)，并采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)，在實現(xiàn)位移放大的同時保證微夾鉗鉗口平行移動。為實現(xiàn)微夾鉗的加持功能，本文主要研究工作是設(shè)計微夾鉗的控制系統(tǒng)。該微夾鉗要能產(chǎn)生理想的位移和適中的夾持力，控制合適的驅(qū)動電壓是關(guān)鍵。而判斷是否接觸到微小物體并且產(chǎn)生了多大的力，我們是通過檢測應(yīng)變得出的。該壓電微夾鉗的控制量是電壓V，反饋信號是夾持臂的應(yīng)變信號ε。通過返回的應(yīng)變信號來決定電壓大小。本文的主要研究工作和成果包括：①針對理論上難以建立微夾鉗位移模型，通過實驗的測試，得出壓電陶瓷執(zhí)行器的驅(qū)動電壓與微夾鉗夾持臂的輸出位移間的關(guān)系，再通過最小二乘辨識和MATLAB的系統(tǒng)辨識功能來完成位移模型的建立。最后對微夾鉗的位移進(jìn)行標(biāo)定。②為實現(xiàn)微夾鉗夾持臂位移的控制，基于利用應(yīng)變片檢測微夾鉗夾持臂位移技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了包括惠斯通電橋、應(yīng)變信號處理電路、dSPACE和主機四大部分的微夾鉗控制系統(tǒng)，完成了包括放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號處理電路的設(shè)計。通過實驗評估，結(jié)果表明應(yīng)變信號處理電路具有較好的性能。③針對壓電執(zhí)行器的遲滯現(xiàn)象，本文提出并研究了帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，利用已得到的傳遞函數(shù)在MATLAB中采用ZieglerNichols法仿真得到PID控制器的參數(shù)，簡化了參數(shù)整定過程。本文針對微夾鉗的夾持臂位移模型以及控制方法進(jìn)行了研究，但是無論是夾持臂位移模型以及控制方法都還有很多的問題沒有圓滿的解決?；谝延械姆治雠c研究，對于后續(xù)研究工作有以下方面可以作進(jìn)一步努力加以改進(jìn)和完善：①對建立的夾持臂位移模型，由于它是基于實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上計算得出的，由于實驗儀器、條件、環(huán)境等影響實驗存在一定得誤差，因此如果能在理論上行建立夾持臂位移模型，將會更加準(zhǔn)確。②應(yīng)變信號處理電路的改進(jìn)，設(shè)計放大、濾波、零偏校正電路組成應(yīng)變信號處理電路，其性能并不是最佳，設(shè)計出更好的信號處理電路將會提高整個系統(tǒng)的精度。③控制方法的改進(jìn)，本文研究的帶前饋控制環(huán)節(jié)和PID反饋的控制，控制中的PID控制器參數(shù)是固定不變的，使得PID控制適應(yīng)性較差，如何準(zhǔn)確而又實時的在線調(diào)整PID控制器的參數(shù)是進(jìn)一步提高控制效果的關(guān)鍵。④本文只討論了微夾鉗的位移模型，只在這一基礎(chǔ)上實現(xiàn)了微夾鉗夾持臂的位移控制。微夾鉗夾爪力模型相對要更復(fù)雜，構(gòu)建夾爪的力模型實現(xiàn)夾爪的力與位置雙控制，將會達(dá)到更好的控制效果。 致謝致 謝本文的研究工作是在我的導(dǎo)師XXX教授的精心指導(dǎo)和悉心關(guān)懷下完成的，無論是學(xué)業(yè)的進(jìn)步、課題的完成、還是論文的撰寫，無不傾注著王老師辛勤的汗水和心血。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實創(chuàng)新的科研精神、廣博的專業(yè)知識、深刻獨到的學(xué)術(shù)見解、忘我投入的工作熱情使我深受感動和啟迪。王老師主張標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和與國際接軌，鼓勵我們多寫多用英文，目的是著眼于世界范圍內(nèi)的學(xué)術(shù)交流與競爭，這一點讓我尤為敬佩和受益。在此我要向王老師致以最衷心的感謝和深深的敬意。感謝XX師兄的細(xì)心地指導(dǎo)與無私的幫助，正是在他耐心的指點和引導(dǎo)下，我才能順利圓滿地完成我的畢業(yè)設(shè)計，我從他那里學(xué)到了很多東西，讓我受益匪淺。感謝實驗室的師兄師姐們在學(xué)習(xí)中給予了不可或缺的幫助。感謝父母、家人和朋友在生活和學(xué)習(xí)上給予的關(guān)心和教