电压放大器在压电MFC执行器致动的柔性悬臂梁研究中的应用

实验名称：基于EMD综合模型的压电MFC执行器致动的柔性悬臂梁宽频带线性化控制

实验目的：验证基于MPI模型的前馈和复合线性化控制方法能否有效降低压电MFC执行器低频迟滞特性对柔性悬臂梁输出位移精度的影响，同时验证基于EMD综合模型的前馈和复合线性化控制方法能否补偿宽频带内迟滞、蠕变及结构动力学特性的综合影响，通过对比两种控制方法中前馈与复合控制的效果，实现柔性悬臂梁宽频带输入-输出关系的线性化，提升其输出位移精度，为压电MFC执行器致动系统的宽频带高精度非线性控制提供实验支撑。

测试设备：ATA-2041高压放大器、压电MFC执行器致动的柔性悬臂梁、计算机、测振仪控制器、实时仿真系统、测振仪光学头。

实验过程：搭建了压电MFC执行器致动的柔性悬臂梁主动控制实验装置，先通过MPSO算法确定基于MPI模型的前馈和复合线性化控制器，在低频驱动信号下测试并验证其对迟滞特性的补偿效果；再建立基于EMD综合模型的控制方法，将动态力学模型简化为四阶模型并构建伪逆模型，整定PI反馈参数，在5-30Hz宽频带谐波信号下测试，对比未控制、前馈及复合控制的滞回曲线与线性化误差，验证两种控制方法在低频和宽频带场景下的有效性。

图1：系统控制框图

图2：实验平台

实验结果：

1、基于MPI模型的前馈和复合线性化控制均能有效降低压电MFC执行器低频迟滞特性对柔性悬臂梁输出位移精度的影响，且复合控制的非线性度降低效果更优。

2、基于EMD综合模型的前馈和复合线性化控制可有效补偿宽频带内迟滞、蠕变及结构动力学特性的综合影响，实现柔性悬臂梁宽频带输入-输出关系的线性化。

3、基于EMD综合模型的复合控制相较于前馈控制，在不同驱动电压频率下非线性度最大降低50.69%、最小降低22.19%，宽频带线性化控制精度更优。

4、柔性悬臂梁动态力学模型由七阶简化为四阶后，与实验数据在幅频和相频响应上仍保持较高吻合度，可稳定用于宽频带线性化控制。

5、反馈回路的引入能有效消除前馈控制中因模型误差和外界干扰产生的偏置误差，但在驱动电压频率较高时，反馈控制的实时性会对控制精度产生一定影响

图3：七阶系统、四阶系统和实验数据的频率响应对比曲线

图：ATA-2041高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇