高壓放大器：介電高彈聚合物疊層彎曲驅動器的核心驅動力

　　實驗名稱：介電高彈聚合物疊層彎曲驅動器的建模與控制

　　實驗目的：通過Hamilton原理與假設模態法建立彎曲驅動器大變形過程的動力學模型，并基于該動力學模型發展了相應的自適應控制方法，補償驅動過程中的不確定性與非線性。實驗結果證明了在動態彎曲過程中相關控制策略的性能。

　　測試設備：高壓放大器、激光位移傳感器，控制板卡設備等。

　　實驗過程：

圖1：疊層彎曲驅動器實驗設置示意圖

　　實驗設置如圖1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。

圖2：參數識別實驗結果，正弦激勵下的位移-時間曲線

　　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通過公式得到，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會在實際控制過程中通過自適應律動態改變。

　　接下來，驗證提出的控制器的性能。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。

　　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，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、超調以及相位滯后方面，C2仍優于C1。

圖3：疊層彎曲驅動器跟蹤1Hz正弦軌跡的實驗結果

圖4：疊層彎曲驅動器跟蹤1.5Hz正弦軌跡的實驗結果

圖5：疊層彎曲驅動器跟蹤2Hz正弦軌跡的實驗結果

　　實驗結果：

　　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，由此進一步制作了介電疊層彎曲驅動器。對該彎曲驅動器進行了動力學建模，實現了對驅動器基于模型的自適應控制器設計。主要得到以下結論：

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

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

　　（3）通過Hamilton原理與假設模態法建立了DE彎曲驅動器的動力學模型，考慮到了橫向彎曲大變形引起的軸向非線性耦合位移。

　　（4）基于簡化后的動力學模型設計了DE彎曲驅動器的自適應控制器，補償驅動過程中的不確定性與非線性。實驗結果證明了該控制器相較于傳統的PID控制方法具有更好的控制性能。

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