三层结构导电聚合物驱动器动态特性及其建模研究

由导电聚合物聚吡咯(PPy)制备而成的驱动器是一种离子型电活性聚合物驱动器(EAPs)。针对三层结构导电聚合物驱动器的动态特性问题,通过建立动态特性测量系统对其进行研究分析,对驱动器PPy层发生氧化还原反应过程引起膨胀收缩的机理建立了等效电路模型,并进行了验证分析。采用系统辨识频率特性方法获得了驱动器系统的高阶传递函数模型,以提高该类驱动器控制模型精度。实验结果表明,等效电路模型分析能有效描述三层结构导电聚合物驱动器的动态输入/输出特性,传递函数模型能精确有效地预测驱动器动态位移响应。     

基于KP模型的GMA迟滞系统辨识与补偿

采用改进的Krasnosel’skii—Pokrovkii（KP）模型对所设计的超磁致微位移驱动器建立了与频率无关的迟滞模型，并提出了对实际系统的KP迟滞模型密度函数进行离散辨识的方法。为了降低迟滞特性对驱动器工作的影响，对KP迟滞模型构造了补偿算子。在此基础上提出了滑模变结构控制方案，由Lyapunov稳定性理论推导出此滑模变结构控制方案的自适应控制方法。通过仿真与实验验证了所提出的机电系统模型的准确性和控制规律的有效性。     

导电聚合物驱动器力学模型建立的研究

针对自制的三层弯曲型聚吡咯导电聚合物驱动器搭建的实验系统,依据等效悬臂梁理论建立驱动器的力学模型。测量驱动器施加低电压(0~1 V)时的基体弯曲变形量,通过研究驱动器的弯曲位移与电压、力与电压的关系,建立了电压与均布载荷的函数关系式。实验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,当电压为0.7 V时位移可达到17 mm,并且得到电压与应变的比例因子近似为α=0.013。最后计算驱动器各等分点的理论偏转位移与测量值的偏差,得出最大偏差很小,验证了模型的有效性。     

导电聚合物驱动器弯曲特性的研究及有限元分析

针对自制的弯曲型导电聚合物驱动器搭建试验系统,研究其弯曲运动特性。对驱动器施加(0~1 V)低电压,测量其顶端弯曲变形量;分析驱动器弯曲位移与电压的关系,建立了电压与应变的函数关系式。试验结果表明,电压与垂直方向位移成线性关系,电压为1 V时偏转位移可达到驱动器长度的一半,并且得到电压与应变的比例因子。参照驱动器的工作原理,对比驱动器的真实应变与热应变,建立热-结构耦合模型,并通过有限元法(FEM)求解该模型。通过对比仿真与试验结果,得出该耦合模型可以有效的模拟驱动器弯曲运动。     

基于普艾模型的迟滞系统自适应滑模控制

通过对所设计的超磁致微位移驱动器的分析与试验研究,建立起超磁致伸缩执行器的机电系统模型.此系统由两个子系统串联构成:滤去传递函数影响的纯迟滞模型;不考虑迟滞影响系统传递函数.为了降低迟滞特性对驱动器工作的影响,在Prandtl-Ishlinskii(PI)迟滞模型的基础上提出滑模变结构控制方案,由Lyapunov稳定性理论推导出此滑模变结构控制方案的自适应控制规律.仿真与试验验证了所提出的机电系统模型的准确性和控制规律的有效性.     

导电聚合物驱动器电化学机械特性的研究

采用自行搭建的导电聚合物驱动器弯曲特性测试实验系统,研究其电化学机械特性。对不同长度的驱动器施加0~1V低电压,测量其顶端弯曲变形量;通过分析驱动器弯曲位移与电压的关系及位移与频率的关系,建立电机械转换模型。实验测试结果表明,电压与驱动器顶端力成线性关系;当电压为0.8V、采样周期为0.02s时,随着频率的增大,驱动器的弯曲位移逐渐减小。最后通过不同尺寸驱动器举起重物,验证了驱动器宽度越大,顶端弯曲力越大;驱动器长度越长,顶端弯曲力越小。     

四辊卷板机侧辊位移跟踪控制

针对四辊卷板机侧辊位移跟踪控制存在负载变化、参数摄动和未建模动态等不确定性问题,提出一种基于非线性扰动观测器的自适应滑模控制策略。采用非线性扰动观测器在线获取并补偿等效扰动;针对引入非线性扰动观测器后的系统,采用反步法设计自适应滑模控制器,利用自适应律动态补偿扰动观测误差,以降低滑模控制器的切换增益。该设计方法放宽了滑模切换增益对系统不确定性上界的先验性要求,降低了外界干扰和系统不确定性对侧辊位移跟踪性能的影响。同时,采用李雅普洛夫方法证明了侧辊位移跟踪闭环控制系统的稳定性。根据工程实际参数进行仿真,结果表明,该控制策略对系统的不确定性,特别是负载变化具有较强的鲁棒性,可以满足侧辊位移快速、精确跟踪的要求。     

用于柔性机械手的形状记忆合金驱动器滑模控制研究

提出了一种新型结构形式的形状记忆合金驱动器——内嵌式形状记忆合金驱动器。该驱动器将U形回复形状记忆合金丝嵌入弹性硅胶棒内，通过温控方式实现驱动器的往复可逆弯曲运动，对外稳定输出力和位移。研究了驱动器运行机理，探讨了基于形状记忆合金电阻反馈的变结构滑模控制策略，进行了仿真和实验研究。     

高速开关阀驱动的气动肌肉关节的滑模变结构跟踪控制

建立了PWM高速开关阀控制的气动人工肌肉单关节的4阶SISO动态数学模型，针对实现轨迹跟踪目标，采用输入输出线性化方法得到相对阶数为3的等价系统，该等价系统零动态渐近稳定。由于系统具有参数不确定性和未建模动态特性，采用了带积分的滑模变结构控制。实验结果表明，采用基于等效降阶模型的鲁棒控制，当模型存在误差时，能在关节的整个运动范围内实现较高精度的轨迹跟踪，且对气源压力和负载变化等外加干扰具有良好的鲁棒性。     

高精度天线伺服系统的滑模变结构控制

在高精度天线伺服系统中,为克服常规的积分分离PID控制方法的稳态精度和动态性能的不足,引入滑模变结构控制。仿真结果表明自适应滑模变结构控制不仅对模型不确定性和外部干扰具有较强的鲁棒性,而且改善了系统的动态性能,同时自适应控制能有效地抑制变结构控制易出现的高频抖振;将其实际应用到系统中,结果也验证了该控制方法的有效性和正确性。