实验名称：静电悬浮装置控制算法与悬浮实验

　　研究方向：为了实现材料样品的悬浮控制和加热测温，静电悬浮实验装置配置了光电传感器、测温仪、激光器、CCD相机、电机等复杂的光机电外围设备。并且在实验过程中还要配置多种工程参数，实时采集分析各种科学数据，所以采用综合监控软件集成对流程控制、参数配置、数据存储和查看等功能，方便用户操作实验装置。

　　测试设备：高压放大器、光电传感器、测温仪、探测器等。

　　图1：静电悬浮位置控制模型

　　实验过程：

　　样品悬浮位置的稳定控制是静电悬浮的关键技术，悬浮控制过程包括样品充电、脱离极板和稳定悬浮。悬浮控制的难点在于直径2mm样品要在间距8mm的极板之间完成悬浮过程，稳定悬浮后样品距离上下极板只有3mm的间距，对位置测量精度要求高。如果不加控制，样品在10ms的时间就从下极板撞到上极板，因此悬浮控制的周期要很短。另外，样品初始悬浮时受下极板镜像引力的作用，当脱离下极板后会急速上升，增加了控制算法的难度。悬浮控制系统的模型如图1所示。

　　悬浮样品的位置是被控对象，通过PSD传感器检测样品的当前位置作为反馈信号输入，高压放大器是控制系统的输出，高压放大器作用于上下电极，改变极板间的电场强度，进而调节样品的悬浮位置。控制器根据反馈的当前时刻的位置信号，通过PID运算，得到下一时刻的输出信号，形成负反馈的位置控制。

　　实验结果：

　　图2：样品稳定悬浮图像

　　样品放置于下极板中心位置，系统开始加电后，随着极板电压的增大，样品开始产生微小的颤动，当极板间的电压继续增大，样品所受库仑力克服镜像力的作用，加速向上运动，随着控制算法调整极板间的电压使样品竖直方向的位置稳定后，开启水平方向的控制，抑制样品在水平方向的振荡，样品最终稳定悬浮在上下极板之间，如图2所示。

　　图3：悬浮过程的位置和电压变化曲线

　　悬浮过程的位置和电压曲线如图3所示。通过积分分离的方法，减少样品悬浮初始过程的超调，并且在样品稳定后，改变控制参数，减弱样品的振荡。

　　高压放大器推荐：ATA-7025

　　图：ATA-7025高压放大器指标参数

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