實驗名稱：MFC致動的柔性臂構(gòu)件系統(tǒng)搭建

　　測試目的：搭建MFC致動的柔性臂構(gòu)件試驗系統(tǒng)，測試得到了柔性臂構(gòu)件的末端變形位移與MFC致動器驅(qū)動電壓之間的雙極性非對稱遲滯特性。基于經(jīng)典PI模型，通過疊加一系列不同權(quán)重、不同閾值的雙邊死區(qū)算子，建立描述MFC致動器的雙極性非對稱性遲滯特性的改進PI遲滯模型，提高其遲滯模型非對稱的逼近能力。在描述系統(tǒng)動態(tài)特性方面，采用離散傳遞函數(shù)模型描述系統(tǒng)線性動態(tài)特性，并與準靜態(tài)改進PI遲滯模型串聯(lián)組成組合模型，即壓電柔性臂系統(tǒng)。最后，通過最小二乘法辨識得到改進PI遲滯正、逆模型，離散傳遞函數(shù)模型的特征參數(shù)，并對所提出的組合模型進行試驗，結(jié)果表明其有效性。

　　測試設備：高壓放大器、直流電源、傳感器控制器、激光位移傳感器、致動器等。

　　實驗過程：

　　圖1：MFC結(jié)構(gòu)示意圖

　　MFC結(jié)構(gòu)組成示意如圖1所示。MFC結(jié)構(gòu)中環(huán)氧樹脂的加入提升了整個復合結(jié)構(gòu)的柔韌性、可靠性和變形能力，而指交叉電極的排布方式大幅提高了壓電材料的應變致動效率。對比傳統(tǒng)的壓電陶瓷片而言，MFC的變形和驅(qū)動能力顯著增強。因此，MFC致動器是柔性結(jié)構(gòu)主動變形、驅(qū)動控制及振動抑制的理想元件。

　　為了測試MFC致動器的致動性能，搭建MFC壓電柔性臂構(gòu)件試驗系統(tǒng)，采用環(huán)氧樹脂膠水將兩片MFC致動器對稱地粘貼在鋁基柔性臂構(gòu)件根部的左右表面。測試過程中，PC機通過USB總線將MFC致動器的驅(qū)動電壓信號傳輸?shù)蕉嗖矍度險SBCompact-DAQ機箱，然后經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號，該電壓信號經(jīng)高壓放大器放大后施加到MFC壓電柔性臂上，MFC致動器在壓電材料逆壓電效應下實現(xiàn)柔性臂變形位移的精密驅(qū)動。水平安裝在柔性臂構(gòu)件末端的激光位移傳感器實時檢測構(gòu)件的變形位移，傳感器檢測位移經(jīng)控制器調(diào)理為模擬電壓信號，然后傳輸?shù)角度朐跈C箱中的D/A模塊，最后經(jīng)機箱和USB總線傳輸?shù)絇C機中。整個測試系統(tǒng)基于Lab-VIEW平臺完成。

　　實驗結(jié)果：

　　圖3：MFC致動器的遲滯特性曲線

　　MFC致動器的工作電壓范圍為－500～+1500V，故測試過程中選取電壓峰峰值分別為400V、600V及800V，頻率為0．1Hz的正弦波驅(qū)動電壓信號施加到MFC致動器上，得到柔性臂構(gòu)件的末端變形位移與驅(qū)動電壓之間的關(guān)系如圖3(a)所示；不同頻率在相同的輸入電壓下，壓電柔性臂遲滯呈現(xiàn)遲滯的率相關(guān)，如圖3(b)所示。

　　試驗結(jié)果表明：MFC致動器的驅(qū)動電壓和柔性臂構(gòu)件變形位移之間存在著嚴重的遲滯現(xiàn)象，不同激勵電壓下得到遲滯環(huán)的初載曲線基本重合。隨著激勵電壓幅值的增大，遲滯現(xiàn)象愈加明顯。在峰峰值電壓800V的正弦激勵下，柔性構(gòu)件位移的最大遲滯誤差達50.6%。值得注意的是，在MFC致動器的雙極性驅(qū)動電壓作用下，柔性臂構(gòu)件的正、負向變形位移存在著明顯的偏置現(xiàn)象，且偏置隨著驅(qū)動電壓幅值增大而變大。在±400V無偏置電壓驅(qū)動下，柔性梁構(gòu)件正、負向位移之間的偏置誤差達24.4%。

　　高壓放大器推薦：ATA-7015

　　圖：ATA-7015高壓放大器指標參數(shù)

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