高压放大器在介电高弹聚合物叠层弯曲驱动器中的应用

　　实验名称：介电高弹聚合物叠层弯曲驱动器的建模与控制

　　实验目的：通过Hamilton原理与假设模态法建立弯曲驱动器大变形过程的动力学模型，并基于该动力学模型发展了相应的自适应控制方法，补偿驱动过程中的不确定性与非线性。实验结果证明了在动态弯曲过程中相关控制策略的性能。

　　测试设备：高压放大器、激光位移传感器，控制板卡设备等。

　　实验过程：

图1：叠层弯曲驱动器实验设置示意图

　　实验设置如图1所示。一个完整的控制流程如下：激光位移传感器测量当前弯曲驱动器的垂直位移，并将实时数据发送给控制板。控制板对位移信号进行采样，并利用插值计算对采样信号进行处理，消除驱动器水平位移的影响。速度信号则通过对相邻位移测量值进行差分运算得到，加速度信号同理。控制板根据反馈信号计算出控制量后，将模拟控制信号发送至高压放大器。高压放大器将接收到的控制信号放大，变成输出在驱动器上的电压。此外，一台通用计算机作为上位机与控制板进行通信，用于控制参数调整与数据记录。该系统的控制频率设置为1kHz。

图2：参数识别实验结果，正弦激励下的位移-时间曲线

　　控制率式中有部分动力学参数需要进行参数辨识。参数辨识的初始值可以通过公式得到，然后进一步在Simulink软件中用仿真结果拟合实验数据以调节参数。最终得到的辨识结果。图2是输入电压信号为峰-峰值700v、频率1hz的偏置正弦波的参数识别结果，可以看出模拟结果(黑色曲线)与实验结果(红色曲线)吻合较好。最终标定出来的参数估计值会在实际控制过程中通过自适应律动态改变。

　　接下来，验证提出的控制器的性能。为了证明自适应律的有效性，下面的实验对比无参数自适应的控制器（C1）和有参数自适应的控制器（C2）的表现。

　　图3，4，5分别为跟踪正弦参考轨迹的频率为1Hz、1.5Hz和2Hz时，两个控制器的控制实验结果。可以看到，在1Hz情况下两个控制器产生的位移可以很好地跟踪参考轨迹，但C2的跟踪精度高于C1。而随着参考轨迹频率的增加，C2和C1之间的性能差距变得更大。即便C1的反馈增益比C2更大，但在误差、超调以及相位滞后方面，C2仍优于C1。

图3：叠层弯曲驱动器跟踪1Hz正弦轨迹的实验结果

图4：叠层弯曲驱动器跟踪1.5Hz正弦轨迹的实验结果

图5：叠层弯曲驱动器跟踪2Hz正弦轨迹的实验结果

　　实验结果：

　　采用SBAS三嵌段共聚物材料通过拉伸取向制备了各向异性的DE薄膜，由此进一步制作了介电叠层弯曲驱动器。对该弯曲驱动器进行了动力学建模，实现了对驱动器基于模型的自适应控制器设计。主要得到以下结论：

　　（1）各向同性的SBAS薄膜经过单轴拉伸和热松弛处理后，产生了材料取向。

　　（2）各向异性有利于引导SBAS薄膜在电场下的变形倾向，使得在制备驱动器时无需预拉伸与取向纤维。传统DE驱动器的驱动电压往往上千伏，而本章制备的叠层弯曲驱动器驱动电压仅为百伏级。

　　（3）通过Hamilton原理与假设模态法建立了DE弯曲驱动器的动力学模型，考虑到了横向弯曲大变形引起的轴向非线性耦合位移。

　　（4）基于简化后的动力学模型设计了DE弯曲驱动器的自适应控制器，补偿驱动过程中的不确定性与非线性。实验结果证明了该控制器相较于传统的PID控制方法具有更好的控制性能。

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