鋯鈦酸鉛鑭陶瓷光致微位移的閉環(huán)伺服控制

王新杰，陸　飛，劉亞風(fēng)，黃家瀚

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

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鋯鈦酸鉛鑭陶瓷光致微位移的閉環(huán)伺服控制

王新杰*，陸飛，劉亞風(fēng)，黃家瀚

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，南京 210094)

利用鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷的光致形變效應(yīng)，提出了一種光控微位移伺服系統(tǒng)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其閉環(huán)伺服控制特性進(jìn)行研究。建立PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服系統(tǒng)的多物理場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，通過(guò)靜態(tài)實(shí)驗(yàn)對(duì)光照與光停階段PLZT陶瓷光致形變表達(dá)式進(jìn)行了參數(shù)識(shí)別。搭建了PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于ON-OFF控制策略，在不同光照強(qiáng)度下對(duì)PLZT陶瓷的光致微位移進(jìn)行了閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)紫外光源施加ON-OFF控制，能夠?qū)崿F(xiàn)PLZT陶瓷輸出位移的閉環(huán)伺服控制。PLZT陶瓷輸出位移曲線在伺服控制階段出現(xiàn)超調(diào)量之后，圍繞目標(biāo)值上下波動(dòng)。光致微位移伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度、超調(diào)量與波高隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而增加；在400 mW/cm2光照強(qiáng)度下，PLZT陶瓷輸出位移到達(dá)目標(biāo)值的時(shí)間僅為100 mW/cm2光照強(qiáng)度下的20%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為PLZT陶瓷在微驅(qū)動(dòng)方面的工程應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷；閉環(huán)伺服控制；光致形變; 光驅(qū)動(dòng)；微位移

1　引　言

微光機(jī)電伺服系統(tǒng)以其對(duì)光束在時(shí)間和空間上的精確控制能力以及體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于大型光學(xué)孔徑的航天器小型化、衛(wèi)星通信的光束主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)[1]、激光裝置光束自動(dòng)準(zhǔn)直系統(tǒng)[2]以及激光掃描等系統(tǒng)中[3]。而作為光學(xué)系統(tǒng)中光束調(diào)節(jié)裝置的核心部件，微鏡的驅(qū)動(dòng)裝置決定了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、尺寸和重量。傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式中的電磁、壓電、靜電驅(qū)動(dòng)[4]都需要通過(guò)導(dǎo)線傳遞能量與信號(hào)，容易受到電磁干擾。

PLZT陶瓷可將光能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，而基于PLZT陶瓷作動(dòng)器的光驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)非接觸式伺服控制，避免電磁噪聲干擾，并具備無(wú)線能量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。PLZT陶瓷的時(shí)域本構(gòu)模型是開(kāi)展PLZT陶瓷微驅(qū)動(dòng)應(yīng)用研究的理論基礎(chǔ)，受到相關(guān)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(chǎng)的變化規(guī)律，但并未分析光停止后電場(chǎng)的變化規(guī)律。1993年，F(xiàn)ukuda[6]等人利用實(shí)驗(yàn)方法證實(shí)了PLZT陶瓷光致伸縮效應(yīng)是多物理場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，但未對(duì)此耦合關(guān)系進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。2005年，Shih[7]等人結(jié)合Fukuda等人的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)了PLZT陶瓷光致伸縮的本構(gòu)方程，但未考慮熱膨脹效應(yīng)對(duì)光生電場(chǎng)的影響。2014年，黃家瀚和王新杰等人[8-10]考慮到熱膨脹效應(yīng)對(duì)光致電場(chǎng)的影響，基于多場(chǎng)耦合關(guān)系提出了一種光生電壓及光致形變預(yù)測(cè)模型，通過(guò)PLZT陶瓷靜態(tài)伸縮實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證，并推導(dǎo)了光停階段PLZT陶瓷形變的光-電-熱-力耦合本構(gòu)方程。為PLZT陶瓷在微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的閉環(huán)控制提供了理論依據(jù)。

目前，PLZT在微驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域的工程應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩大方面，一是開(kāi)展PLZT陶瓷層合柔性結(jié)構(gòu)的主動(dòng)振動(dòng)控制研究；二是開(kāi)展PLZT光控伺服控制系統(tǒng)研究。在主動(dòng)振動(dòng)控制方面，學(xué)者們進(jìn)行了大量的研究，相繼開(kāi)展了光電層合梁[11,12]、板[13,14]、殼[15]的主動(dòng)控制研究，但大多側(cè)重于理論研究，缺少實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；且所采用的本構(gòu)方程仍需完善。在光控伺服控制研究方面的相關(guān)文獻(xiàn)較少；1995年，F(xiàn)ukuda[16]等人基于PLZT陶瓷雙晶片提出一種光控伺服系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，但未能從PLZT的本構(gòu)方程出發(fā)給出光控伺服系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。1997年，Morikawa[17]等人針對(duì)雙晶片式PLZT陶瓷提出一種有效的位置控制策略，然而有關(guān)PLZT雙晶片在光停階段位移變化的數(shù)學(xué)模型未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。綜上所述，PLZT在微驅(qū)動(dòng)方面的工程應(yīng)用的核心問(wèn)題就是完善PLZT陶瓷本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)展PLZT陶瓷的閉環(huán)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(tǒng)，并利用前期所建立的PLZT陶瓷多場(chǎng)耦合數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了光控微位移伺服系統(tǒng)的控制方程；并基于ON-OFF控制策略，對(duì)不同光照強(qiáng)度下PLZT陶瓷的輸出位移進(jìn)行閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)研究。從而為PLZT陶瓷在微驅(qū)動(dòng)方面的工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

2　PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服控制模型

2.1光致微位移閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)

PLZT陶瓷的光致微位移閉環(huán)伺服控制系統(tǒng)由PLZT陶瓷、紫外光源、非接觸式位移傳感器、計(jì)算機(jī)、光快門(mén)控制器以及光快門(mén)等組成，如圖1所示。PLZT陶瓷一端固支，一端自由；當(dāng)紫外光源垂直照射PLZT陶瓷上表面時(shí)，PLZT陶瓷的自由端將產(chǎn)生光致形變微位移，由非接觸式位移傳感器測(cè)量，并實(shí)時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算，通過(guò)光快門(mén)控制器控制光快門(mén)的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的導(dǎo)通與斬?cái)啵⒆罱K實(shí)現(xiàn)對(duì)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(huán)伺服控制系統(tǒng)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(huán)伺服控制數(shù)學(xué)模型

PLZT陶瓷的光致形變效應(yīng)是多物理場(chǎng)耦合作用的結(jié)果，耦合關(guān)系如圖2所示。當(dāng)高能紫外光源照射PLZT陶瓷時(shí)，由于反常光生伏特效應(yīng)，在PLZT陶瓷電極兩端會(huì)產(chǎn)生高達(dá)數(shù)kV/cm的光生電場(chǎng)；由于光焦熱效應(yīng)，光照還會(huì)使PLZT陶瓷本體溫度升高；而PLZT陶瓷溫度的急劇變化，會(huì)誘發(fā)熱釋電效應(yīng)，在PLZT陶瓷電極兩端產(chǎn)生熱釋電場(chǎng)[18]；在熱膨脹效應(yīng)和壓電效應(yīng)的綜合作用下，PLZT陶瓷發(fā)生光致形變。基于正壓電效應(yīng)，一部分熱膨脹形變會(huì)在PLZT陶瓷兩端電極間產(chǎn)生電場(chǎng)，其電場(chǎng)方向與光生電場(chǎng)和熱釋電電場(chǎng)方向相反[4]。

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

根據(jù)上述對(duì)PLZT陶瓷光致形變多場(chǎng)耦合關(guān)系分析，在光照階段PLZT陶瓷所產(chǎn)生的光致形變?yōu)閇8]：

S(t)=ε(t)De=

(1)

關(guān)閉高能紫外光源后，PLZT陶瓷驅(qū)動(dòng)器在光照停止階段的光致形變?yōu)閇9]：

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

式中：V(t0)為當(dāng)紫外光源在t0時(shí)刻關(guān)閉時(shí)，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(shí)刻關(guān)閉時(shí)PLZT陶瓷的溫度，T0是PLZT陶瓷周邊環(huán)境溫度；τd是黑暗時(shí)間常數(shù)；β2為熱變形與電場(chǎng)強(qiáng)度的轉(zhuǎn)化系數(shù)。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(fù)到光照前的無(wú)形變狀態(tài)，即當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，Sd(t)趨于0，因此PLZT陶瓷光照停止階段的光致形變可以簡(jiǎn)化為：

(3)

為了方便對(duì)不同光強(qiáng)下PLZT陶瓷光致形變表達(dá)式進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，分別對(duì)式(1)和式(3)進(jìn)行簡(jiǎn)化。根據(jù)式(1)，PLZT陶瓷在光照階段輸出的光致微位移可簡(jiǎn)化為：

(4)

根據(jù)式(3)，PLZT陶瓷在光照停止階段輸出的光致微位移可簡(jiǎn)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(huán)伺服控制模型的參數(shù)識(shí)別

在PLZT陶瓷靜態(tài)試驗(yàn)中，對(duì)不同光照強(qiáng)度(100 mW/cm2、200 mW/cm2、300 mW/cm2、400 mW/cm2)下PLZT陶瓷輸出位移進(jìn)行開(kāi)環(huán)測(cè)量，測(cè)量時(shí)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(qiáng)度下PLZT陶瓷輸出位移隨時(shí)間變化曲線。

圖3　不同光照強(qiáng)度下PLZT陶瓷位移隨時(shí)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(tài)實(shí)驗(yàn)中輸出位移與光照時(shí)間的S-T數(shù)學(xué)模型表達(dá)式：

(7)

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

(1)將實(shí)測(cè)的PLZT陶瓷輸出位移隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Origin軟件的worksheet工作表格中，可繪制S-T實(shí)驗(yàn)曲線。

(2)在實(shí)驗(yàn)曲線圖中，采用Analysis命令中的Nonliner Curve Fit，依據(jù)S-T模型的表達(dá)形式，分別創(chuàng)建PLZT陶瓷光照和光停階段位移輸出函數(shù)。

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

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

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

(d) 光照強(qiáng)度為400 mW/cm2(d) Light intensity is 400 mW/cm2圖4　不同光照強(qiáng)度下PLZT輸出位移的實(shí)驗(yàn)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(shù)的初始值和取值范圍。點(diǎn)擊Fit命令進(jìn)行擬合，即可得各參數(shù)值及其擬合誤差等信息。

圖4所示為PLZT陶瓷在不同光照強(qiáng)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(shù)值擬合值。

表1　光照階段PLZT陶瓷輸出位移表達(dá)式中各參數(shù)的識(shí)別值

表2　光停階段PLZT陶瓷輸出位移表達(dá)式各參數(shù)的識(shí)別值

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

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

(b)光照強(qiáng)度為400 mW/cm2(b) Light intensity is 400 mW/cm2圖5　PLZT光致微位移閉環(huán)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(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)

3.1光致微位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖6所示。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)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(jìn)行測(cè)量。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中所采用的光快門(mén)為美國(guó)Thorlabs公司的SHB1光快門(mén)，其最小開(kāi)關(guān)響應(yīng)時(shí)間均在10 ms以內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)閉環(huán)伺服控制，需要重新設(shè)計(jì)光快門(mén)的驅(qū)動(dòng)與控制電路。圖7是根據(jù)伺服系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)制作的光快門(mén)驅(qū)動(dòng)與控制電路。

圖6　PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.6　Experiment setupfor closed-loop servo control of photo-induced micro displacement of PLZT ceramic

圖7　光快門(mén)驅(qū)動(dòng)與控制電路Fig.7　Drive and control circuit of optical shutter

微控制器C8051F410通過(guò)接收上位機(jī)發(fā)送的命令改變光快門(mén)的狀態(tài)，同時(shí)通過(guò)串口返回當(dāng)前光快門(mén)的狀態(tài)。由于單片機(jī)C8051F410的每個(gè)I/O引腳最大輸出電流為100 mA，而光快門(mén)的驅(qū)動(dòng)電流需要0.6 A以上，所以單片機(jī)的I/O口不能夠直接驅(qū)動(dòng)光快門(mén)。驅(qū)動(dòng)電路采用L9110H芯片作為光快門(mén)的驅(qū)動(dòng)芯片，其每個(gè)通道能夠通過(guò)750～800 mA的持續(xù)電流，并具有較低的輸出飽和壓降，內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流。光快門(mén)執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)Mini din4接口與控制器連接。

3.2光致微位移閉環(huán)伺服控制策略

利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于ON-OFF控制策略，對(duì)紫外光源照射下的PLZT陶瓷進(jìn)行微位移伺服控制實(shí)驗(yàn)研究，其控制策略如圖8所示。

PLZT陶瓷形變量在未達(dá)到目標(biāo)值之前，紫外光源對(duì)其進(jìn)行持續(xù)照射，同時(shí)非接觸式位移傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量形變數(shù)據(jù)。當(dāng)PLZT陶瓷的形變量大于目標(biāo)值時(shí)，上位機(jī)向光快門(mén)控制器發(fā)送“OFF”命令，光快門(mén)關(guān)閉，同時(shí)PLZT陶瓷開(kāi)始收縮。當(dāng)PLZT陶瓷形變量小于目標(biāo)值時(shí)，上位機(jī)向光快門(mén)控制器發(fā)送“ON”命令，光快門(mén)打開(kāi)，PLZT陶瓷在光照下繼續(xù)伸長(zhǎng)。從而利用紫外光源“開(kāi)關(guān)”動(dòng)作實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度下PLZT陶瓷光致微位移的伺服控制實(shí)驗(yàn)曲線。實(shí)驗(yàn)前設(shè)置采樣周期為200 ms，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為200 s，目標(biāo)位移為12 μm。PLZT陶瓷的輸出位移達(dá)到目標(biāo)位移后，開(kāi)始圍繞目標(biāo)位移值上下波動(dòng)。輸出位移從零時(shí)刻至首次達(dá)到目標(biāo)位移所需時(shí)間是衡量該伺服系統(tǒng)響應(yīng)速度的重要指標(biāo)。由于PLZT陶瓷在光照與光停下的形變速率不一致，所以波動(dòng)曲線的波峰和波谷與目標(biāo)位移之間的距離不相等。平均波高f是衡量該伺服系統(tǒng)控制效果的重要指標(biāo)。

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

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

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

(d) 光照強(qiáng)度為400 mW/cm2(d) Light intensity is 400 mW/cm2圖9　不同光強(qiáng)下PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)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(qiáng)度下所對(duì)應(yīng)的參數(shù)tr分別為95.8 s、44.2 s、29.4 s和19.2 s；所對(duì)應(yīng)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(qiáng)度為200 mW/cm2、300 mW/cm2和400 mW/cm2時(shí)，PLZT陶瓷的輸出位移曲線在達(dá)到目標(biāo)值后都出現(xiàn)了不同程度的超調(diào)，其超調(diào)量分別為0.4 μm、0.65 μm和2 μm。

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，通過(guò)對(duì)紫外光源施加ON-OFF控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)PLZT陶瓷微位移的伺服控制。通過(guò)對(duì)比圖9(a)～(d)中PLZT陶瓷輸出位移曲線，可得到以下結(jié)論：

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

(2) PLZT陶瓷的輸出位移在達(dá)到目標(biāo)值后，圍繞目標(biāo)值上下波動(dòng)的平均波高隨著光照強(qiáng)度的增加而增加，與仿真結(jié)果一致。這主要是因?yàn)樵谙嗟鹊臅r(shí)間間隔內(nèi)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，PLZT陶瓷的光致形變速率越大，從而導(dǎo)致波高越大。同時(shí)，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線分析得知，波高的增加主要是由于在光照下，隨著光強(qiáng)增大而引起的波峰距離目標(biāo)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(biāo)位移的下偏差幾乎沒(méi)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(dá)到目標(biāo)值后所出現(xiàn)的超調(diào)量隨著光照強(qiáng)度增強(qiáng)而增加。

為了進(jìn)一步研究閉環(huán)控制下PLZT陶瓷光致微位移的伺服特性，進(jìn)行了400 mW/cm2光照強(qiáng)度下多目標(biāo)位移伺服控制實(shí)驗(yàn)，如圖10所示。

圖10　400 mW/cm2光照強(qiáng)度下多目標(biāo)位移光驅(qū)動(dòng)PLZT陶瓷伺服控制實(shí)驗(yàn)曲線Fig.10　Experimental curve of closed-loop servo control for photo-induced micro displacements of PLZT ceramic with multi-targets

A時(shí)刻為紫外光源開(kāi)始對(duì)PLZT陶瓷進(jìn)行照射，PLZT陶瓷的輸出位移迅速增加，在B時(shí)刻首次達(dá)到目標(biāo)位移值20 μm，然后在伺服系統(tǒng)的控制下圍繞目標(biāo)位移值上下波動(dòng)。在C時(shí)刻，輸入新的目標(biāo)位移值26 μm，PLZT陶瓷的輸出位移繼續(xù)增加，在D時(shí)刻到達(dá)新的目標(biāo)位移值，然后在伺服系統(tǒng)的作用下，圍繞新的目標(biāo)位移上下波動(dòng)直到E時(shí)刻結(jié)束。同樣需要指出的是，PLZT陶瓷的輸出位移在達(dá)到目標(biāo)位移值后，同樣出現(xiàn)了不同程度的超調(diào)量。

4　結(jié)　論

本文利用PLZT陶瓷所具有的光致形變效應(yīng)，提出一種光控微位移伺服系統(tǒng)，與傳統(tǒng)電磁驅(qū)動(dòng)的位移伺服系統(tǒng)相比，其具有無(wú)電磁干擾、非接觸控制、無(wú)線能量傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)。基于PLZT陶瓷多場(chǎng)耦合本構(gòu)方程，構(gòu)建了PLZT陶瓷光致微位移的閉環(huán)伺服控制模型，并對(duì)數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了識(shí)別。搭建PLZT陶瓷光致微位移閉環(huán)伺服控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并基于ON-OFF控制策略，對(duì)不同光照強(qiáng)度下PLZT陶瓷的輸出位移進(jìn)行伺服控制的實(shí)驗(yàn)研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著光照強(qiáng)度的增加，PLZT陶瓷輸出位移到達(dá)目標(biāo)位移的時(shí)間逐漸減小，即該伺服系統(tǒng)的響應(yīng)速度逐漸增大，在400 mW/cm2光照強(qiáng)度下，PLZT陶瓷輸出位移到達(dá)目標(biāo)值的時(shí)間僅為100 mW/cm2光照強(qiáng)度下的20%；另外，當(dāng)光照強(qiáng)度增大時(shí)，輸出位移的波動(dòng)幅度逐漸增大，達(dá)到目標(biāo)值后所出現(xiàn)的超調(diào)也越大，在400 mW/cm2的光照強(qiáng)度下其輸出位移的超調(diào)量達(dá)到2 μm，這將對(duì)控制精度造成不利影響，在今后的工作中將通過(guò)預(yù)測(cè)控制和變光強(qiáng)控制等手段來(lái)消除波動(dòng)幅度與超調(diào)量，進(jìn)一步提高PLZT陶瓷光致微位移伺服系統(tǒng)的控制精度。

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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(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年、2011年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)分別獲得碩士、博士學(xué)位，主要從事智能材料、結(jié)構(gòu)及其控制以及基于光致形變材料的微驅(qū)動(dòng)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(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事光致形變材料特性及其驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)等方面的研究。E-mail:yanghuaishu1991@126.com

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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(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.51205205)，中國(guó)博士后基金資助項(xiàng)目(No.2012M521083)，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(No.30915118823)

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

TP273

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2505