鋯鈦酸鉛鑭陶瓷光致微位移的閉環伺服控制

王新杰，陸　飛，劉亞風，黃家瀚

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

?

鋯鈦酸鉛鑭陶瓷光致微位移的閉環伺服控制

王新杰*，陸飛，劉亞風，黃家瀚

(南京理工大學 機械工程學院，南京 210094)

利用鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷的光致形變效應，提出了一種光控微位移伺服系統，并通過實驗對其閉環伺服控制特性進行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服系統的多物理場耦合數學模型，通過靜態實驗對光照與光停階段PLZT陶瓷光致形變表達式進行了參數識別。搭建了PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制實驗平臺，基于ON-OFF控制策略，在不同光照強度下對PLZT陶瓷的光致微位移進行了閉環伺服控制實驗。結果表明，通過對紫外光源施加ON-OFF控制，能夠實現PLZT陶瓷輸出位移的閉環伺服控制。PLZT陶瓷輸出位移曲線在伺服控制階段出現超調量之后，圍繞目標值上下波動。光致微位移伺服系統的響應速度、超調量與波高隨著光照強度的增強而增加；在400 mW/cm2光照強度下，PLZT陶瓷輸出位移到達目標值的時間僅為100 mW/cm2光照強度下的20%。實驗結果為PLZT陶瓷在微驅動方面的工程應用奠定了基礎。

鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷；閉環伺服控制；光致形變; 光驅動；微位移

1　引　言

微光機電伺服系統以其對光束在時間和空間上的精確控制能力以及體積小、功耗低等優點，被廣泛應用于大型光學孔徑的航天器小型化、衛星通信的光束主動對準系統[1]、激光裝置光束自動準直系統[2]以及激光掃描等系統中[3]。而作為光學系統中光束調節裝置的核心部件，微鏡的驅動裝置決定了整個系統的結構、尺寸和重量。傳統的驅動方式中的電磁、壓電、靜電驅動[4]都需要通過導線傳遞能量與信號，容易受到電磁干擾。

PLZT陶瓷可將光能直接轉化為機械能，而基于PLZT陶瓷作動器的光驅動伺服系統能夠實現非接觸式伺服控制，避免電磁噪聲干擾，并具備無線能量傳輸等優點。PLZT陶瓷的時域本構模型是開展PLZT陶瓷微驅動應用研究的理論基礎，受到相關研究者的重視。1983年Brody[5]等人提出利用RC充電電路模型描述光照階段PLZT陶瓷在極化方向上電場的變化規律，但并未分析光停止后電場的變化規律。1993年，Fukuda[6]等人利用實驗方法證實了PLZT陶瓷光致伸縮效應是多物理場耦合作用的結果，但未對此耦合關系進行數學建模。2005年，Shih[7]等人結合Fukuda等人的實驗數據推導了PLZT陶瓷光致伸縮的本構方程，但未考慮熱膨脹效應對光生電場的影響。2014年，黃家瀚和王新杰等人[8-10]考慮到熱膨脹效應對光致電場的影響，基于多場耦合關系提出了一種光生電壓及光致形變預測模型，通過PLZT陶瓷靜態伸縮實驗對模型的合理性進行了驗證，并推導了光停階段PLZT陶瓷形變的光-電-熱-力耦合本構方程。為PLZT陶瓷在微驅動領域的閉環控制提供了理論依據。

目前，PLZT在微驅動領域的工程應用主要體現在兩大方面，一是開展PLZT陶瓷層合柔性結構的主動振動控制研究；二是開展PLZT光控伺服控制系統研究。在主動振動控制方面，學者們進行了大量的研究，相繼開展了光電層合梁[11,12]、板[13,14]、殼[15]的主動控制研究，但大多側重于理論研究，缺少實驗驗證；且所采用的本構方程仍需完善。在光控伺服控制研究方面的相關文獻較少；1995年，Fukuda[16]等人基于PLZT陶瓷雙晶片提出一種光控伺服系統，并對其進行了實驗驗證，但未能從PLZT的本構方程出發給出光控伺服系統的數學模型。1997年，Morikawa[17]等人針對雙晶片式PLZT陶瓷提出一種有效的位置控制策略，然而有關PLZT雙晶片在光停階段位移變化的數學模型未見報導。綜上所述，PLZT在微驅動方面的工程應用的核心問題就是完善PLZT陶瓷本構模型的基礎上，開展PLZT陶瓷的閉環伺服控制研究。

本文基于單片式PLZT陶瓷提出一種光控微位移伺服系統，并利用前期所建立的PLZT陶瓷多場耦合數學模型，推導了光控微位移伺服系統的控制方程；并基于ON-OFF控制策略，對不同光照強度下PLZT陶瓷的輸出位移進行閉環伺服控制實驗研究。從而為PLZT陶瓷在微驅動方面的工程應用奠定基礎。

2　PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制模型

2.1光致微位移閉環伺服控制系統

PLZT陶瓷的光致微位移閉環伺服控制系統由PLZT陶瓷、紫外光源、非接觸式位移傳感器、計算機、光快門控制器以及光快門等組成，如圖1所示。PLZT陶瓷一端固支，一端自由；當紫外光源垂直照射PLZT陶瓷上表面時，PLZT陶瓷的自由端將產生光致形變微位移，由非接觸式位移傳感器測量，并實時反饋到計算機中，經過數據處理與運算，通過光快門控制器控制光快門的開關，實現對光源的導通與斬斷，并最終實現對PLZT陶瓷光致微位移的伺服控制。

圖1　PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制系統框圖Fig.1　Block diagram of closed-loop servo control system for photo-induced micro displacement of PLZT ceramic

2.2光致微位移閉環伺服控制數學模型

PLZT陶瓷的光致形變效應是多物理場耦合作用的結果，耦合關系如圖2所示。當高能紫外光源照射PLZT陶瓷時，由于反常光生伏特效應，在PLZT陶瓷電極兩端會產生高達數kV/cm的光生電場；由于光焦熱效應，光照還會使PLZT陶瓷本體溫度升高；而PLZT陶瓷溫度的急劇變化，會誘發熱釋電效應，在PLZT陶瓷電極兩端產生熱釋電場[18]；在熱膨脹效應和壓電效應的綜合作用下，PLZT陶瓷發生光致形變。基于正壓電效應，一部分熱膨脹形變會在PLZT陶瓷兩端電極間產生電場，其電場方向與光生電場和熱釋電電場方向相反[4]。

圖2　PLZT陶瓷的光-電-熱-力多物理場耦合關系示意圖Fig.2　Coupling relationship of opto-electric-thermo-mechanic multi-physics fields of PLZT ceramic

根據上述對PLZT陶瓷光致形變多場耦合關系分析，在光照階段PLZT陶瓷所產生的光致形變為[8]：

S(t)=ε(t)De=

(1)

關閉高能紫外光源后，PLZT陶瓷驅動器在光照停止階段的光致形變為[9]：

Sd(t)=d3iVd(t)-Se-d(t)=

式中：V(t0)為當紫外光源在t0時刻關閉時，PLZT陶瓷電極兩端的電壓；ΔTs-d是停止光照后，溫度最大變化量，ΔTs-d=T(t0)-T0，其中T(t0)為紫外光源在t0時刻關閉時PLZT陶瓷的溫度，T0是PLZT陶瓷周邊環境溫度；τd是黑暗時間常數；β2為熱變形與電場強度的轉化系數。Se-d為由于溫度所引起的PLZT陶瓷的形變。

由于PLZT陶瓷在停止光照后，最終將恢復到光照前的無形變狀態，即當t趨于無窮大時，Sd(t)趨于0，因此PLZT陶瓷光照停止階段的光致形變可以簡化為：

(3)

為了方便對不同光強下PLZT陶瓷光致形變表達式進行參數識別，分別對式(1)和式(3)進行簡化。根據式(1)，PLZT陶瓷在光照階段輸出的光致微位移可簡化為：

(4)

根據式(3)，PLZT陶瓷在光照停止階段輸出的光致微位移可簡化為：

(5)

綜上合述，PLZT陶瓷光致微位移的伺服控制理論模型為：

2.3光致微位移閉環伺服控制模型的參數識別

在PLZT陶瓷靜態試驗中，對不同光照強度(100 mW/cm2、200 mW/cm2、300 mW/cm2、400 mW/cm2)下PLZT陶瓷輸出位移進行開環測量，測量時間為600 s，其中光照和光停階段各300 s。圖3所示為不同光照強度下PLZT陶瓷輸出位移隨時間變化曲線。

圖3　不同光照強度下PLZT陶瓷位移隨時間變化曲線Fig.3　Time history of photostrictive curves of PLZT ceramic under different intensities

由式(4)～(5)，建立PLZT陶瓷在靜態實驗中輸出位移與光照時間的S-T數學模型表達式：

(7)

式中:d3iVs、B1、τ1、τθ、B2和τd均為模型待求參數。利用Origin軟件的非線性曲線擬合功能，基于S-T模型的表達形式，對不同光照強度下PLZT陶瓷輸出位移曲線進行擬合，得到S-T模型各待定參數。其求解步驟如下。

(1)將實測的PLZT陶瓷輸出位移隨時間變化數據導入到Origin軟件的worksheet工作表格中，可繪制S-T實驗曲線。

(2)在實驗曲線圖中，采用Analysis命令中的Nonliner Curve Fit，依據S-T模型的表達形式，分別創建PLZT陶瓷光照和光停階段位移輸出函數。

(a) 光照強度為100 mW/cm2(a) Light intensity is 100 mW/cm2

(b) 光照強度為200 mW/cm2(b) Light intensity is 200 mW/cm2

(c) 光照強度為300 mW/cm2(c) Light intensity is 300 mW/cm2

(d) 光照強度為400 mW/cm2(d) Light intensity is 400 mW/cm2圖4　不同光照強度下PLZT輸出位移的實驗曲線與擬合曲線 Fig.4　Experimental curves and fitting curves of deformation of PLZT ceramic irradiated by the ultraviolet light with different intensities

(3)在Function Selection中，輸入各參數的初始值和取值范圍。點擊Fit命令進行擬合，即可得各參數值及其擬合誤差等信息。

圖4所示為PLZT陶瓷在不同光照強度下的光致輸出位移的擬合曲線；表1、2為S-T模型中的各參數值擬合值。

表1　光照階段PLZT陶瓷輸出位移表達式中各參數的識別值

表2　光停階段PLZT陶瓷輸出位移表達式各參數的識別值

根據式(6)及表1、表2所識別的S-T模型參數，在Matlab中分別對200 mW/cm2和400 mW/cm2光照強度下PLZT陶瓷的輸出位移進行伺服控制仿真。采樣周期Δt設置為200 ms，目標位移設置為12 μm，仿真時間設置為200 s，如圖5所示。從圖中可以看出，隨著光照強度的增加，PLZT陶瓷的響應速度增加，到達目標位移的時間逐步減小，但在到達目標位移后，圍繞目標位移的波動幅度也逐步增加。

(a) 光照強度為200 mW/cm2(a) Light intensity is 200 mW/cm2

(b)光照強度為400 mW/cm2(b) Light intensity is 400 mW/cm2圖5　PLZT光致微位移閉環伺服控制仿真曲線Fig.5　Simulationcurves ofclosed-loop servo controlof photo-induced micro displacements of PLZT ceramic

3　PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制實驗

3.1光致微位移閉環伺服控制實驗平臺

PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制實驗平臺如圖6所示。實驗所用PLZT陶瓷樣品由中科院上海硅酸鹽研究所提供，陶瓷片尺寸為13 mm×5 mm×0.8 mm，組分為3/52/48。高能紫外光源為波長365nm附近的LED-UV面光源；PLZT陶瓷輸出的微位移由非接觸式色散共焦位移傳感器進行測量。

實驗平臺中所采用的光快門為美國Thorlabs公司的SHB1光快門，其最小開關響應時間均在10 ms以內。為了實現閉環伺服控制，需要重新設計光快門的驅動與控制電路。圖7是根據伺服系統需要設計制作的光快門驅動與控制電路。

圖6　PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制實驗平臺Fig.6　Experiment setupfor closed-loop servo control of photo-induced micro displacement of PLZT ceramic

圖7　光快門驅動與控制電路Fig.7　Drive and control circuit of optical shutter

微控制器C8051F410通過接收上位機發送的命令改變光快門的狀態，同時通過串口返回當前光快門的狀態。由于單片機C8051F410的每個I/O引腳最大輸出電流為100 mA，而光快門的驅動電流需要0.6 A以上，所以單片機的I/O口不能夠直接驅動光快門。驅動電路采用L9110H芯片作為光快門的驅動芯片，其每個通道能夠通過750～800 mA的持續電流，并具有較低的輸出飽和壓降，內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流。光快門執行機構通過Mini din4接口與控制器連接。

3.2光致微位移閉環伺服控制策略

利用實驗平臺，基于ON-OFF控制策略，對紫外光源照射下的PLZT陶瓷進行微位移伺服控制實驗研究，其控制策略如圖8所示。

PLZT陶瓷形變量在未達到目標值之前，紫外光源對其進行持續照射，同時非接觸式位移傳感器實時測量形變數據。當PLZT陶瓷的形變量大于目標值時，上位機向光快門控制器發送“OFF”命令，光快門關閉，同時PLZT陶瓷開始收縮。當PLZT陶瓷形變量小于目標值時，上位機向光快門控制器發送“ON”命令，光快門打開，PLZT陶瓷在光照下繼續伸長。從而利用紫外光源“開關”動作實現對PLZT陶瓷微位移的非接觸伺服控制。

圖8　ON-OFF控制策略Fig.8　ON-OFF control strategy

3.3實驗結果及分析

如圖9所示為在100 mW/cm2、200 mW/cm2、300 mW/cm2和400 mW/cm2光照強度下PLZT陶瓷光致微位移的伺服控制實驗曲線。實驗前設置采樣周期為200 ms，實驗時間為200 s，目標位移為12 μm。PLZT陶瓷的輸出位移達到目標位移后，開始圍繞目標位移值上下波動。輸出位移從零時刻至首次達到目標位移所需時間是衡量該伺服系統響應速度的重要指標。由于PLZT陶瓷在光照與光停下的形變速率不一致，所以波動曲線的波峰和波谷與目標位移之間的距離不相等。平均波高f是衡量該伺服系統控制效果的重要指標。

(a) 光照強度為100 mW/cm2(a) Light intensity is 100 mW/cm2

(b) 光照強度為200 mW/cm2(b) Light intensity is 200 mW/cm2

(c) 光照強度為300 mW/cm2(c) Light intensity is 300 mW/cm2

(d) 光照強度為400 mW/cm2(d) Light intensity is 400 mW/cm2圖9　不同光強下PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制曲線Fig.9　Experimental curves of closed-loop servo controlof photo-induced micro displacements of PLZT ceramic with different light intensities

從圖9(a)～(d)可以得到在100 mW/cm2、200 mW/cm2、300 mW/cm2和400 mW/cm2光照強度下所對應的參數tr分別為95.8 s、44.2 s、29.4 s和19.2 s；所對應的平均波高f分別為0.5 μm、0.65 μm、0.75 μm和0.9 μm。另外，光照強度為200 mW/cm2、300 mW/cm2和400 mW/cm2時，PLZT陶瓷的輸出位移曲線在達到目標值后都出現了不同程度的超調，其超調量分別為0.4 μm、0.65 μm和2 μm。

從上述實驗結果分析可知，通過對紫外光源施加ON-OFF控制，能夠實現對PLZT陶瓷微位移的伺服控制。通過對比圖9(a)～(d)中PLZT陶瓷輸出位移曲線，可得到以下結論：

(1) PLZT陶瓷的響應速度隨著光照強度的增加而增大，與仿真結果吻合；在400 mW/cm2光照強度下，PLZT陶瓷輸出位移到達目標值的時間僅為100 mW/cm2光照強度下的20%；

(2) PLZT陶瓷的輸出位移在達到目標值后，圍繞目標值上下波動的平均波高隨著光照強度的增加而增加，與仿真結果一致。這主要是因為在相等的時間間隔內，光照強度越強，PLZT陶瓷的光致形變速率越大，從而導致波高越大。同時，通過對實驗曲線分析得知，波高的增加主要是由于在光照下，隨著光強增大而引起的波峰距離目標位移的上偏差的增大，從100 mW/cm2的0.25 μm 增加到400 mW/cm2的0.6 μm。而在停止光照后，PLZT陶瓷收縮所引起的波谷距離目標位移的下偏差幾乎沒有變化，僅僅從100 mW/cm2的0.25 μm增加到400 mW/cm2的0.35 μm；

(3) PLZT陶瓷輸出位移在達到目標值后所出現的超調量隨著光照強度增強而增加。

為了進一步研究閉環控制下PLZT陶瓷光致微位移的伺服特性，進行了400 mW/cm2光照強度下多目標位移伺服控制實驗，如圖10所示。

圖10　400 mW/cm2光照強度下多目標位移光驅動PLZT陶瓷伺服控制實驗曲線Fig.10　Experimental curve of closed-loop servo control for photo-induced micro displacements of PLZT ceramic with multi-targets

A時刻為紫外光源開始對PLZT陶瓷進行照射，PLZT陶瓷的輸出位移迅速增加，在B時刻首次達到目標位移值20 μm，然后在伺服系統的控制下圍繞目標位移值上下波動。在C時刻，輸入新的目標位移值26 μm，PLZT陶瓷的輸出位移繼續增加，在D時刻到達新的目標位移值，然后在伺服系統的作用下，圍繞新的目標位移上下波動直到E時刻結束。同樣需要指出的是，PLZT陶瓷的輸出位移在達到目標位移值后，同樣出現了不同程度的超調量。

4　結　論

本文利用PLZT陶瓷所具有的光致形變效應，提出一種光控微位移伺服系統，與傳統電磁驅動的位移伺服系統相比，其具有無電磁干擾、非接觸控制、無線能量傳輸等優點。基于PLZT陶瓷多場耦合本構方程，構建了PLZT陶瓷光致微位移的閉環伺服控制模型，并對數學模型中的相關參數進行了識別。搭建PLZT陶瓷光致微位移閉環伺服控制實驗平臺，并基于ON-OFF控制策略，對不同光照強度下PLZT陶瓷的輸出位移進行伺服控制的實驗研究。

實驗結果表明，隨著光照強度的增加，PLZT陶瓷輸出位移到達目標位移的時間逐漸減小，即該伺服系統的響應速度逐漸增大，在400 mW/cm2光照強度下，PLZT陶瓷輸出位移到達目標值的時間僅為100 mW/cm2光照強度下的20%；另外，當光照強度增大時，輸出位移的波動幅度逐漸增大，達到目標值后所出現的超調也越大，在400 mW/cm2的光照強度下其輸出位移的超調量達到2 μm，這將對控制精度造成不利影響，在今后的工作中將通過預測控制和變光強控制等手段來消除波動幅度與超調量，進一步提高PLZT陶瓷光致微位移伺服系統的控制精度。

[1]徐科華,馬晶,譚立英.深空光通信中光束瞄準技術研究[J].光學 精密工程2006，14(1)：16-21.

XU K H, MA J, TAN L Y. Research on beam pointing in deep space optical communication [J].Opt.PrecisionEng., 2006, 14(1): 16-21. (in Chinese)

[2]李紅,王東方,鄒偉，等.高功率激光裝置光束自動準直系統設計[J].中國激光,2013，40(10)：1002003.

LI H, WANG D F, ZOU W,etal.. Design of high power laser beam automatic alignment system [J].ChineseJ.Lasers, 2013, 40(10): 1002003. (in Chinese)

[3]鄭猛,馮其波,邵雙運，等.CR掃描儀激光掃描光學系統的設計[J].光學 精密工程,2010，18(1)：21-28.

ZHENG M, FENG Q B, SHAO SH Y,etal.. Design and analysis of laser scanning optical system for computed radiography [J].Opt.PrecisionEng., 2010, 18(1):21-28. (in Chinese)

[4]CHEN CH A, CHIU Y. Flip-up micro scanning mirror with vertical comb drive assembled by simple push operations [C].Proceedingsofthe16thInternationalConferenceonOpticalMEMSandNanophotonics,Istanbul,Turkey:OMN, 2011:189-190.

[5]BRODY P S. Optomechanical bimorph actuator [J].Ferroelectrics, 1983, 50(1): 27-32.

[6]FUKUDA T, HATTORI S, ARAI F,etal.. Characteristics of optical actuator-servomechanisms using bimorph optical piezoelectric actuator [J].ProceedingofIEEERoboticsandAutomationConference, 1993:618-23.

[7]SHIH H R, TZOU H S, SAYPURI M. Structural vibration control using spatially configured opto-electromechanical actuators [J].JournalofSoundandVibration, 2005, 284(1): 361-378.

[8]HUANG J H, WANG X J, WANG J. A mathematical model for predicting photo-induced voltage and photostriction of PLZT with coupled multi-physics fields and its application[J].SmartMaterialsandStructures, 2015, 25(2): 025002.

[9]HUANG J H, WANG X J, WANG J. A study on residual photovoltage and photo-induced strain in PLZT ceramic with coupled multi-physics fields [C].ProceedingsoftheASME2015InternationalMechanicalEngineeringCongress&Exposition,Houston.

[10]黃家瀚,王新杰,王炅. PLZT陶瓷在多能場耦合下的光致伸縮效應 [J]. 光學 精密工程，2015, 23(3):760-768.

HUANG J H, WANG X J, WANG J. Photostrictive effect of PLZT ceramic at coupling of multiple energy fields [J].Opt.PressionEng., 2015,23(3): 760-768.(in Chinese)

[11]SUN T, TONG L Y. Modeling of wireless remote shape control for beams using nonlinear photostrictive actuators [J].InternationalJournalofSolidsandStructures, 2007, 44(2): 672-684.

[12]JIANG J, DENG Z Q, YUE H H,etal.. Research on constitutive model of hybrid photovoltaic/piezoelectric actuation mechanism [C].InternationalMechanicalEngineeringCongressandExposition.AmericanSocietyofMechanicalEngineers,2014,Montreal.

[13]SHIH H R, TZOU H S, SAYPURI M. Structure vibration control using spatially configured opto-electromechanical actuators optomechanical bimorph actuator [J].JournalofSoundandVibration,2005, 284:361-378.

[14]ZHENG S J. Finite element simulation of wireless structural vibration control with photostrictive actuators [J].ScienceChinaTechnologicalSciences, 2012, 55(3): 709-716.

[15]鄧宗全，王新杰，岳洪浩.光電層合拋物薄殼的主動控制[J].吉林大學學報(工學版)，2011,41(5):1433-1438.

DENG Z Q,WANG X J,YUE H H. Active control of photostrictive laminated thin paraboloidal shell [J].JournalofJilinUniversity(EngineeringandTechnologyEdition), 2011,41(5):1433-1438.(in Chinese)

[16]FUKUDA T, HATTORI S, ARAI F,etal.. Performance improvement of optical actuator by double side irradiation [J].IEEET.Ind.Electron，1995,42: 455-461.

[17]MORIKAWA, YASUSHI, TAKESHI N. Position control of PLZT bimorph-type optical actuator by on-off control. Industrial Electronics, Control and Instrumentation[C].IECON97，23rdInternationalConferenceon，1997:1403-1408.

[18]邵式平.熱釋電效應極其應用[M].北京：兵器工業出版社，1994:109-110.

SHAO SH P.PyroelectricEffectandItsApplication[M].Beijing: Ordance Ind. Press, 1994:109-110.(in Chinese)

王新杰(1982-)，男，河南平頂山人，博士，副教授，2004年于哈爾濱工程大學獲得學士學位，2006年、2011年于哈爾濱工業大學分別獲得碩士、博士學位，主要從事智能材料、結構及其控制以及基于光致形變材料的微驅動與控制等方面的研究。E-mail: xjwang@njust.edu.cn

陸飛(1991-)，男，江蘇鹽城人，碩士研究生，2014年于浙江理工大學獲得學士學位，主要從事光致形變材料特性及其驅動控制系統等方面的研究。E-mail:yanghuaishu1991@126.com

(版權所有未經許可不得轉載)

Closed-loop servo control of photo-induced micro displacement of PLZT ceramic

WANG Xin-jie, LU Fei,LIU Ya-feng, HUANG Jia-han

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University ofScienceandTechnology,Nanjing210094,China)*Correspondingauthor,E-mail:xjwang@njust.edu.cn

An optical control servo system for micro displacement was proposed based on the photodeformation effect of PLZT(Lead Lanthanum Zirconate Titanate) ceramic and its closed-loop servo control characteristic was researched via an experiment method. The control equations of servo system were derived based on the mathematical model of PLZT with coupled multi-physics fields. Then, parameters in photodeformation expression of PLZT ceramic during light on/off phases were identified through the static experiment. An experimental platform for closed-loop servo control of photo-induced micro displacement of PLZT ceramic was set up and corresponding control experiments were carried out based on on-off control strategy under different light intensities. The experimental results show that the output displacement of PLZT ceramic is controlled with simple on-off method by applying ultraviolet light. After the output displacement curve of PLZT ceramic actuator reaches the target value, some different degrees of overshoot are presented, and the output displacement of PLZT ceramic actuator fluctuates around the target value. The response speed, overshoot and fluctuation height increase with the increasing light intensity. The time of the output displacement of PLZT ceramic reaching the target value under the illumination of 400 mW/cm2is only about 20 percent of that under the illuminated of 100 mW/cm2by the UV light. The results lay foundation for application of the PLZT ceramic in micro actuator engineering.

PLZT ceramic; closed-loop servo control; photodeformation; optical driving; micro displacement

2016-05-01；

2016-06-10.

國家自然科學基金資助項目(No.51205205)，中國博士后基金資助項目(No.2012M521083)，中央高校基本科研業務費專項資金資助(No.30915118823)

1004-924X(2016)10-2505-10

TP273

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2505