實驗名稱：MFC致動的柔性臂構件系統搭建

測試目的：搭建MFC致動的柔性臂構件試驗系統，測試得到了柔性臂構件的末端變形位移與MFC致動器驅動電壓之間的雙極性非對稱遲滯特性。基于經典PI模型，通過疊加一系列不同權重、不同閾值的雙邊死區算子，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。在描述系統動態特性方面，采用離散傳遞函數模型描述系統線性動態特性，并與準靜態改進PI遲滯模型串聯組成組合模型，即壓電柔性臂系統。最后，通過最小二乘法辨識得到改進PI遲滯正、逆模型，離散傳遞函數模型的特征參數，并對所提出的組合模型進行試驗，結果表明其有效性。

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結構示意圖

MFC結構組成示意如圖1所示。MFC結構中環氧樹脂的加入提升了整個復合結構的柔韌性、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。對比傳統的壓電陶瓷片而言，MFC的變形和驅動能力顯著增強。因此，MFC致動器是柔性結構主動變形、驅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壓電柔性臂構件試驗系統，采用環氧樹脂膠水將兩片MFC致動器對稱地粘貼在鋁基柔性臂構件根部的左右表面。測試過程中，PC機通過USB總線將MFC致動器的驅動電壓信號傳輸到多槽嵌入USBCompact-DAQ機箱，然后經D/A模塊轉換為模擬電壓信號，該電壓信號經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柔性臂變形位移的精密驅動。水平安裝在柔性臂構件末端的激光位移傳感器實時檢測構件的變形位移，傳感器檢測位移經控制器調理為模擬電壓信號，然后傳輸到嵌入在機箱中的D/A模塊，最后經機箱和USB總線傳輸到PC機中。整個測試系統基于Lab-VIEW平臺完成。

實驗結果：

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的正弦波驅動電壓信號施加到MFC致動器上，得到柔性臂構件的末端變形位移與驅動電壓之間的關系如圖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遲滯的率相關，如圖3(b)所示。

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

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