高壓放大器：介電高彈聚合物疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器的核心驅(qū)動(dòng)力

　　實(shí)驗(yàn)名稱：介電高彈聚合物疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器的建模與控制

　　實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^Hamilton原理與假設(shè)模態(tài)法建立彎曲驅(qū)動(dòng)器大變形過程的動(dòng)力學(xué)模型，并基于該動(dòng)力學(xué)模型發(fā)展了相應(yīng)的自適應(yīng)控制方法，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)過程中的不確定性與非線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了在動(dòng)態(tài)彎曲過程中相關(guān)控制策略的性能。

　　測試設(shè)備：高壓放大器、激光位移傳感器，控制板卡設(shè)備等。

　　實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

　　實(shí)驗(yàn)設(shè)置如圖1所示。一個(gè)完整的控制流程如下：激光位移傳感器測量當(dāng)前彎曲驅(qū)動(dòng)器的垂直位移，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送給控制板。控制板對位移信號進(jìn)行采樣，并利用插值計(jì)算對采樣信號進(jìn)行處理，消除驅(qū)動(dòng)器水平位移的影響。速度信號則通過對相鄰位移測量值進(jìn)行差分運(yùn)算得到，加速度信號同理。控制板根據(jù)反饋信號計(jì)算出控制量后，將模擬控制信號發(fā)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(qū)動(dòng)器上的電壓。此外，一臺通用計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)與控制板進(jìn)行通信，用于控制參數(shù)調(diào)整與數(shù)據(jù)記錄。該系統(tǒng)的控制頻率設(shè)置為1kHz。

圖2：參數(shù)識別實(shí)驗(yàn)結(jié)果，正弦激勵(lì)下的位移-時(shí)間曲線

　　控制率式中有部分動(dòng)力學(xué)參數(shù)需要進(jìn)行參數(shù)辨識。參數(shù)辨識的初始值可以通過公式得到，然后進(jìn)一步在Simulink軟件中用仿真結(jié)果擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以調(diào)節(jié)參數(shù)。最終得到的辨識結(jié)果。圖2是輸入電壓信號為峰-峰值700v、頻率1hz的偏置正弦波的參數(shù)識別結(jié)果，可以看出模擬結(jié)果(黑色曲線)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果(紅色曲線)吻合較好。最終標(biāo)定出來的參數(shù)估計(jì)值會在實(shí)際控制過程中通過自適應(yīng)律動(dòng)態(tài)改變。

　　接下來，驗(yàn)證提出的控制器的性能。為了證明自適應(yīng)律的有效性，下面的實(shí)驗(yàn)對比無參數(shù)自適應(yīng)的控制器（C1）和有參數(shù)自適應(yīng)的控制器（C2）的表現(xiàn)。

　　圖3，4，5分別為跟蹤正弦參考軌跡的頻率為1Hz、1.5Hz和2Hz時(shí)，兩個(gè)控制器的控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果。可以看到，在1Hz情況下兩個(gè)控制器產(chǎn)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C1之間的性能差距變得更大。即便C1的反饋增益????????比C2更大，但在誤差、超調(diào)以及相位滯后方面，C2仍優(yōu)于C1。

圖3：疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器跟蹤1Hz正弦軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4：疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器跟蹤1.5Hz正弦軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖5：疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器跟蹤2Hz正弦軌跡的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

　　采用SBAS三嵌段共聚物材料通過拉伸取向制備了各向異性的DE薄膜，由此進(jìn)一步制作了介電疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器。對該彎曲驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動(dòng)器基于模型的自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)。主要得到以下結(jié)論：

　　（1）各向同性的SBAS薄膜經(jīng)過單軸拉伸和熱松弛處理后，產(chǎn)生了材料取向。

　　（2）各向異性有利于引導(dǎo)SBAS薄膜在電場下的變形傾向，使得在制備驅(qū)動(dòng)器時(shí)無需預(yù)拉伸與取向纖維。傳統(tǒng)DE驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)電壓往往上千伏，而本章制備的疊層彎曲驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電壓僅為百伏級。

　　（3）通過Hamilton原理與假設(shè)模態(tài)法建立了DE彎曲驅(qū)動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)模型，考慮到了橫向彎曲大變形引起的軸向非線性耦合位移。

　　（4）基于簡化后的動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了DE彎曲驅(qū)動(dòng)器的自適應(yīng)控制器，補(bǔ)償驅(qū)動(dòng)過程中的不確定性與非線性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該控制器相較于傳統(tǒng)的PID控制方法具有更好的控制性能。

　　高壓放大器推薦：ATA-7025

圖：ATA-7025高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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