實驗名稱：介(jie)電(dian)高(gao)彈(dan)聚合物(wu)疊層彎曲驅動器的(de)建模與控制(zhi)

　　實驗目的(de)：通過Hamilton原理與假(jia)設模(mo)態法建立彎曲驅動器大變形(xing)過程(cheng)(cheng)的(de)動力(li)學(xue)模(mo)型，并基于該動力(li)學(xue)模(mo)型發展(zhan)了相應(ying)的(de)自適應(ying)控制(zhi)方(fang)法，補(bu)償驅動過程(cheng)(cheng)中的(de)不確定性(xing)與非線性(xing)。實驗結果證明了在(zai)動態彎曲過程(cheng)(cheng)中相關控制(zhi)策略的(de)性(xing)能。

　　測試設備：高壓放大器、激光位移傳感器，控(kong)制板卡設備等。

　　實驗過程：

　　圖(tu)1：疊層彎曲驅(qu)動器(qi)實驗設置示意圖(tu)

　　實驗設置(zhi)如圖1所示。一(yi)個完整的控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)流程如下：激光位(wei)移(yi)(yi)傳感器測量(liang)(liang)當前彎曲(qu)驅動(dong)(dong)器的垂(chui)直位(wei)移(yi)(yi)，并將實時(shi)數據(ju)發(fa)送給(gei)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)板(ban)。控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)板(ban)對(dui)(dui)位(wei)移(yi)(yi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)進(jin)(jin)行(xing)采樣，并利用(yong)(yong)插值計(ji)算對(dui)(dui)采樣信(xin)(xin)號(hao)(hao)進(jin)(jin)行(xing)處理(li)，消除(chu)驅動(dong)(dong)器水平(ping)位(wei)移(yi)(yi)的影響。速度信(xin)(xin)號(hao)(hao)則通過對(dui)(dui)相鄰位(wei)移(yi)(yi)測量(liang)(liang)值進(jin)(jin)行(xing)差(cha)分(fen)運(yun)算得到(dao)，加速度信(xin)(xin)號(hao)(hao)同(tong)理(li)。控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)板(ban)根據(ju)反饋(kui)信(xin)(xin)號(hao)(hao)計(ji)算出(chu)(chu)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)量(liang)(liang)后，將模擬控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)發(fa)送至高壓(ya)放(fang)大(da)(da)器。高壓(ya)放(fang)大(da)(da)器將接收到(dao)的控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)信(xin)(xin)號(hao)(hao)放(fang)大(da)(da)，變成輸出(chu)(chu)在驅動(dong)(dong)器上的電壓(ya)。此外，一(yi)臺通用(yong)(yong)計(ji)算機作為(wei)上位(wei)機與控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)板(ban)進(jin)(jin)行(xing)通信(xin)(xin)，用(yong)(yong)于控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)參數調整與數據(ju)記(ji)錄。該系統(tong)的控(kong)(kong)(kong)制(zhi)(zhi)頻(pin)率設置(zhi)為(wei)1kHz。

　　圖2：參數識別實(shi)驗結果，正弦激勵下的位移-時間曲線

　　控制率式中(zhong)有(you)部分動(dong)力學參(can)(can)數(shu)(shu)需要進行參(can)(can)數(shu)(shu)辨(bian)(bian)識。參(can)(can)數(shu)(shu)辨(bian)(bian)識的(de)初始值(zhi)可以通過(guo)公式得到(dao)，然后進一步在(zai)Simulink軟(ruan)件中(zhong)用(yong)仿真結(jie)果(guo)(guo)擬合(he)實驗數(shu)(shu)據以調節參(can)(can)數(shu)(shu)。最終得到(dao)的(de)辨(bian)(bian)識結(jie)果(guo)(guo)。圖2是輸入電壓信(xin)號為(wei)峰(feng)-峰(feng)值(zhi)700v、頻(pin)率1hz的(de)偏置(zhi)正弦(xian)波(bo)的(de)參(can)(can)數(shu)(shu)識別結(jie)果(guo)(guo)，可以看出(chu)模擬結(jie)果(guo)(guo)(黑色曲線)與實驗結(jie)果(guo)(guo)(紅色曲線)吻合(he)較(jiao)好(hao)。最終標(biao)定出(chu)來(lai)的(de)參(can)(can)數(shu)(shu)估計值(zhi)會(hui)在(zai)實際控制過(guo)程中(zhong)通過(guo)自適應律(lv)動(dong)態改變。

　　接下來，驗(yan)證提出的控制器的性能。為了(le)證明自(zi)(zi)適(shi)(shi)應律的有(you)效(xiao)性，下面的實驗(yan)對比無參(can)數自(zi)(zi)適(shi)(shi)應的控制器（C1）和有(you)參(can)數自(zi)(zi)適(shi)(shi)應的控制器（C2）的表現。

　　圖3，4，5分別為跟蹤正弦參(can)考(kao)軌(gui)跡(ji)的頻率(lv)為1Hz、1.5Hz和2Hz時，兩(liang)個控(kong)制器的控(kong)制實驗(yan)結果(guo)。可以(yi)看到，在1Hz情況下兩(liang)個控(kong)制器產生的位(wei)移可以(yi)很好地跟蹤參(can)考(kao)軌(gui)跡(ji)，但(dan)(dan)C2的跟蹤精度高于(yu)C1。而隨著參(can)考(kao)軌(gui)跡(ji)頻率(lv)的增加，C2和C1之間的性能(neng)差距(ju)變(bian)得更(geng)大。即便C1的反饋(kui)增益????????比C2更(geng)大，但(dan)(dan)在誤(wu)差、超調以(yi)及相(xiang)位(wei)滯后方面，C2仍優于(yu)C1。

圖3：疊層彎曲驅(qu)動(dong)器跟(gen)蹤1Hz正弦(xian)軌跡的實驗結果

圖4：疊(die)層彎曲驅動器跟蹤1.5Hz正弦軌跡(ji)的實驗結果

圖(tu)5：疊層彎曲驅動器跟蹤2Hz正(zheng)弦軌跡的實驗(yan)結果

　　實驗結果：

　　采用(yong)SBAS三嵌段共聚物(wu)材料(liao)通過拉伸(shen)取向制(zhi)備了各向異性的DE薄(bo)膜，由此進(jin)一(yi)步制(zhi)作(zuo)了介電疊層彎(wan)曲(qu)驅(qu)動(dong)器(qi)。對(dui)該彎(wan)曲(qu)驅(qu)動(dong)器(qi)進(jin)行(xing)了動(dong)力學(xue)建模，實現了對(dui)驅(qu)動(dong)器(qi)基于模型(xing)的自(zi)適應控制(zhi)器(qi)設計。主要(yao)得到以下結(jie)論：

　　（1）各向同性的SBAS薄膜經過單軸拉(la)伸和熱松弛處(chu)理后，產生了(le)材料取向。

　　（2）各(ge)向(xiang)異性(xing)有利于引導SBAS薄膜在電場下(xia)的(de)(de)(de)變形傾向(xiang)，使得在制備驅(qu)動(dong)器(qi)時無需預(yu)拉(la)伸(shen)與取向(xiang)纖(xian)維。傳(chuan)統DE驅(qu)動(dong)器(qi)的(de)(de)(de)驅(qu)動(dong)電壓(ya)往往上千伏，而本章制備的(de)(de)(de)疊層彎曲(qu)驅(qu)動(dong)器(qi)驅(qu)動(dong)電壓(ya)僅為百伏級。

　　（3）通過Hamilton原理與(yu)假(jia)設模態法建立了DE彎(wan)曲(qu)驅動器的動力(li)學(xue)模型，考(kao)慮到(dao)了橫向(xiang)彎(wan)曲(qu)大變形引起(qi)的軸(zhou)向(xiang)非線性耦合位移。

　　（4）基于簡化后的(de)動(dong)力學(xue)模(mo)型設計了(le)DE彎曲驅動(dong)器(qi)的(de)自適(shi)應(ying)控(kong)制(zhi)器(qi)，補償驅動(dong)過程中的(de)不確(que)定(ding)性與(yu)非線性。實驗結(jie)果證明了(le)該控(kong)制(zhi)器(qi)相(xiang)較(jiao)于傳統(tong)的(de)PID控(kong)制(zhi)方法(fa)具(ju)有更好的(de)控(kong)制(zhi)性能。

　　高壓放大器推(tui)薦：ATA-7025

　　圖：ATA-7025高壓放大器指標參數

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