介电弹性体机电性能测试系统的研制

为了能更安全高效地测试介电弹性体的变形和应变,建立了一种介电弹性体机电性能测试系统。首先设计双向材料预拉伸机构,实现对介电弹性体薄膜进行精确的双向预拉伸,接着使用AVR单片机编写的PWM程序给介电弹性体中心的圆形电极区域逐步施加高电压,再使用高性能工业数字摄像机对介电弹性体薄膜的变化进行实时采集。最后用MATLAB编写的程序分别打开各次采集的图像,对所采集图像进行诸如灰度图、二值化、边缘提取、形态学处理等加工,获得介电弹性体中心的圆形电极区域图像面积的变化量,从而得到介电弹性体的机电特性曲线。     

介电弹性体材料研究现状综述

针对目前介电弹性体材料的相关研究进展及存在的问题,在分析介电弹性体特性的基础上,根据其不同种类,研究了硅橡胶、聚氨酯、丙烯酸等材料及复合材料的性质及制备方法;根据介电弹性体的不同用途,分析了近些年其在发电、仿生学、生物医学、光学器件、微系统、航天航空方面的具体应用及其未来发展趋势,并总结了介电弹性体在未来应用中存在薄膜制备、柔性电极材料覆盖绝缘、偏置高压电源限制、降低能量损耗和提高机电转换效率等相关问题,针对这些问题提出了相应的建议及未来发展思路。研究结果表明,介电弹性体具有很广阔的应用前景,但是目前还存在很多技术难点,在弹性体基体材料构成、柔性电极材料优化、自偏置发电、效率优化等方面还要进行更为深入的研究。     

介电弹性体无阀微泵设计

无阀微泵原理新颖,但压电式无阀微泵工艺复杂。介电弹性体是具有大变形的智能材料,采用图像处理的方法对其变形特性做了测试,并利用其特殊性能研制了介电弹性体无阀微泵。从流道设计、尺寸、流量和效率3个方面研究了介电弹性体无阀微泵,得到流量为142.12 m L/min,效率为0.738的介电弹性体无阀微泵。其特点是原理新颖、结构简单、流量和效率理想。     

介电弹性体线性驱动器研究

为满足未来机电系统对新型驱动器的需求,研究菱形介电弹性体线性驱动器。在分析驱动器工作原理的基础上,通过驱动器力—位移曲线和预载荷关系的分析,确定弹性预载荷元件。驱动器通电后能迅速响应,线性位移达到21 mm,弹性体面积变化率达到98%;驱动器失电后能迅速退回,最终退回到初始位置。通过试验分析电压和负载对驱动器的影响,试验表明：驱动器输出位移取决于电压;负载在驱动器输出力范围内对输出位移影响不大,但会影响其运动速度。并根据驱动器的特点,指出驱动器的应用范围。     

锥型介电弹性体驱动器的性能研究

介电弹性体驱动器在机器人系统、医疗机械系统以及智能驱动系统方面已经显示出广泛的应用潜能,具有结构简单、质量轻、能量密度大、效率高、变形大的优点.采用3M VHB4910介电弹性体设计并制作了锥型介电弹性体驱动器,并进行了锥型驱动器的驱动实验.测得锥型驱动器在一个通断电过程中的力一位移曲线,并计算得到驱动器的差力为1.65 N.实验结果表明锥型驱动器在通电后可以较大的线性位移,面积变化率为15.49%,断电后又能较快地恢复初始位置.同时对驱动器在一个工作周期中的做功进行分析,指出锥型驱动器可以通过多层薄膜的叠加来提高输出功.     

介电弹性体发电的基本原理及在分布式发电中的应用

论述介电弹性体发电的基本原理、目前的研究情况及应用前景.作为发电材料,介电弹性体与其他发电材料比较,其具有材料价格便宜、容易制造且质地柔顺,特别适合于诸如利用风及海浪等大动作进行发电的场合.     

新型电致活化材料—介电弹性体的驱动特性研究

为解决微型致动器、人造肌肉、仿生机器人等新型科技研究领域短缺问题,将电活性聚合物材料—介电弹性体应用于新型驱动器研究中,开展了对弹性体材料驱动特性的相关分析.通过实验研究了影响E-ACE材料激活区(电极涂层区域)面积应变的主要因素,以寻找激活区面积应变和这些影响因素之间的关系,进而根据它们之间的关系确定能获得所需激活区...     

基于介电弹性体的旋转步进柔性驱动器

为了适应未来小型自动化机器的驱动需求,设计并实现了一种基于单层介电弹性体薄膜的旋转步进柔性驱动器。相对于传统双轴拉伸装置,自制的八爪拉伸装置使介电弹性体薄膜的预拉伸更均匀。测试了不同预拉伸量下介电弹性体驱动器的最大形变量,确定了制作驱动单元所需的介电弹性体薄膜最佳的预拉伸量。最终通过合理的设计将棘轮机构和驱动单元相结合实现了旋转步进柔性驱动。由于介电弹性体驱动器存在迟滞现象,导致驱动器的步进频率会随着负载质量的增大而减小。通过调节驱动信号的频率,可以改变驱动器的负载能力及步进频率。试验结果表明,当驱动电压为4.53 kV,空载时驱动器步进频率最高可达2.3 Hz;负载时,最大负载为263 g,即峰值扭矩为13.15 mN·m,此时步进频率降至0.22 Hz。     

介电弹性体摆动驱动器的分析与实现

根据介电弹性体摆动驱动器的工作原理,设计了摆动驱动器.通过对比试验得到性能较佳的摆动驱动器,该摆动驱动器的研究可为仿生机器人的驱动实现提供一种可能的解决方案.     

电场活化聚合物驱动器动态机电耦合特性研究

通过分析电场活化聚合物材料的力学行为理论,建立了基于常见应变能函数（Mooney-Rivlin模型、Ogden模型和Yeoh模型）的电场活化聚合物驱动器的机电耦合本构模型。通过驱动实验,将3种机电耦合模型结果与实验数据进行了对比分析,得出影响电场活化聚合物机电稳定性的重要因素,确定了最适用于电场活化聚合物的机电耦合性能行为的模型。     

分布式机电系统边缘节点信号预处理方法及应用设计

为提高分布式机电系统边缘节点对本地数据过滤和分析的效率及准确性,提出了一种基于最优变分模式分解(Optimal variational mode decomposition,OVMD)的信号预处理方法.首先,利用一阶差分方法有效消除了原始信号中的奇异点,随之利用最优变分模态分解方法对信号进行模态分解,然后进行相关分析,确定各模式与原始信号的相关程度,从而从噪声信号中准确分离出真实的工作信号.在理论与仿真分析基础上,设计开发了分布式机电系统边缘节点预处理系统,并采用信噪比及均方根误差指标评价信号预处理效果.实验结果表明,该机电信号预处理方法及设计的边缘节点预处理系统能够提取不同特征的信号,提高重构信号信噪比,具有较高的保真性和可靠性,为后续系统健康监测、故障诊断等工作提供了数据保障.     

非线性控制系统的支持向量机辨识建模研究

针对非线性控制系统辨识建模难的问题,系统研究了基于支持向量机的非线性控制系统的辨识建模理论和方法,然后利用回归支持向量机(Support Vector Regression,SVR)设计了一个非线性控制系统的辨识建模系统.仿真试验结果表明,SVR具有很高的建模精度和较强的泛化能力,从而验证了该辨识方法的有效性和先进性.     

基于能量法的双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数分析

针对双晶压电悬臂梁发电装置机电两类能量通过压电效应耦合强弱的问题,将能量法应用到双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的分析中。开展了双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数的理论分析,并建立了其与双晶压电悬臂梁发电装置尺寸参数和材料特性之间的关系,对双晶压电悬臂梁发电装置机电耦合系数与其尺寸参数和材料特性的关系模型进行了实验验证和数值模拟。研究结果表明,实验值与理论解有较好的一致性,且都在压电片厚度为0.25 mm时开路电压最大,验证了该理论模型的可靠性。此外,随着压电梁厚度比的不断增大,其机电耦合系数单调递增;同时,较大的弹性模量比有利于压电梁机电耦合系数的提高,且相对于钢弹性基片,铍青铜弹性基片更有利于压电梁机电耦合系数的提高。     

Real time simulation of nonlinear generalized predictive control for wind energy conversion system with nonlinear observer

In order to make a wind power generation truly cost-effective and reliable, an advanced control techniques must be used. In this paper, we develop a new control strategy, using nonlinear generalized predictive control (NGPC) approach, for DFIG-based wind turbine. The proposed control law is based on two points: NGPC-based torque-current control loop generating the rotor reference voltage and NGPC-based speed control loop that provides the torque reference. In order to enhance the robustness of the controller, a disturbance observer is designed to estimate the aerodynamic torque which is considered as an unknown perturbation. Finally, a real-time simulation is carried out to illustrate the performance of the proposed controller.     

线性二次调节器在机械臂非线性控制中的应用研究

针对应用计算力矩法对机械臂进行非线性控制时动力学模型参数误差会引起伺服误差增大以及系统稳定性下降等问题,将线性二次型调节技术应用到机械臂非线性控制中,开展对机械臂线性化解耦控制律中闭环误差特性微分方程的分析,建立了伺服误差与动力学模型参数误差之间的关系,提出了在控制系统中加入误差补偿项的方法,误差补偿过程考虑为有限阶段马尔可夫决策的过程,利用线性二次调节器(LQR),通过收集先前动作中的伺服误差信息计算得出了补偿项,该方法适用于做重复工作的机械臂。在ADAMS动力学分析软件中的二连杆机械臂模型,以及单关节实验平台上对该方法抑制伺服误差的能力进行了评价,并进行了轨迹跟随试验。研究结果表明,该方法能够有效地补偿动力学模型的误差,减小机械臂伺服误差,提高轨迹精度。     

基于KCCA虚假邻点判别的非线性变量选择

特征变量选择技术是非线性系统建模过程中降低信息冗余和提高精度的有效方法。提出一种结合核典型相关法(kernel canonical correlation analysis,KCCA)与虚假最近邻法的变量选择法。首先引入核方法,将非线性原始数据映射到线性空间,再采用典型相关法有效合理地消除因子之间的多重共线性,受混沌相空间虚假最近邻点法的启示,通过计算原始数据在KCCA子空间中投影的距离,判断其对主导变量的解释能力,由此进行变量的选择。该方法用氢氰酸生产工艺工程中的非线性模型验证,并与全参数模型进行比较,结果显示该方法有良好的变量选择能力。因此,该研究为非线性系统建模的变量选择方法提供了一种新方法。     

Sliding mode control for a two-joint coupling nonlinear system based on extended state observer

A two-joint coupling nonlinear system driven by pneumatic artificial muscles is introduced in this paper. A sliding mode controller with extended state observer is proposed to cope with nonlinearities and disturbances for the two-joint coupling nonlinear system. In addition, convergence of the extended state observer is presented and stability analysis of the closed-loop system is also demonstrated with the sliding mode controller. Lastly, some experiments are carried out to show the reality effectiveness of the proposed method.