锥形介电弹性体驱动器动力学建模与基于整形技术的振动控制研究

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介电弹性体驱动器作为一种具有高变形能力,快速响应能力和自传感性能的电活性智能材料驱动器,在软体机器人、精密光学器件、换能器、减振器等领域都展示出了巨大的研究及应用潜力。但介电弹性体驱动器的固有振动特性和非线性导致其输出包含多谐波成分,影响系统的定位精度和运行质量,同时易激发机械谐振,限制系统减振性能的发挥。本学位论文以锥形介电弹性体驱动器为研究对象,研究基于整形技术的振动控制策略与方法,旨在消除固有振动特性和外界干扰的不利影响,拓展锥形介电弹性体驱动器在运动控制和主动隔振控制领域的应用。主要研究内容如下:综合锥形介电弹性体驱动器的机械结构、电驱动原理以及材料的粘弹性效应等特性,建立了表征其动力学特性的物理模型。为实现模型的参数辨识与系统控制,通过近似线性化处理将物理模型表征为由二次非线性项和三阶线性系统组成的动力学模型。在模型辨识过程中,通过建立最大误差和拟合优度的指标,分两个步骤实现对驱动器静态性能和瞬态性能参数的辨识,其中静态辨识的最大误差与最大输出位移的比值为2.24%,瞬态辨识的拟合优度为86.05%,验证了动力学模型表征系统耦合特性的有效性。同时通过时频分析验证了系统和模型的非线性特性,并讨论了输入电压,负载质量和预拉伸率等参数对系统稳态特性和固有频率的影响,为后续基于整形技术的控制器的设计和系统隔振特性的分析奠定了模型基础。提出了一种极不灵敏分布式延迟整形控制器和基于此整形原理的闭环逆整形控制器,针对传统输入整形器的振动衰减能力局限于线性系统且受制于模型精度的不足,通过改变分布式延迟整形器的零点配置方式,提高了整形器对于系统未建模模态和建模误差的鲁棒性,给出了整形器的传递函数表达式和参数估计方法,并验证了该整形器对锥形介电弹性体驱动器的振动衰减近95.6%,平均为其他整形器的近1.5倍,同时调节时间较未控制时缩短了52.5%。在此基础上,为提高整形控制器的抗干扰能力设计了极不灵敏分布式延迟逆整形器,其局部反馈控制可衰减80.7%的固有振动和66%的干扰振动,平均为其他整形器的近2倍,其主反馈控制可衰减近50%的振动和干扰,同时使系统很快达到稳定。设计制造了锥形介电弹性体主动隔振样机,并建立了主动隔振系统动力学模型。通过求解基础干扰作用下的振动传递率,讨论了输入电压,负载质量和预拉伸率等参数对系统被动隔振特性和半主动隔振特性的影响。同时研究了极不灵敏分布式延迟逆整形器的主动隔振效果,系统共振峰在被动隔振的基础上得到有效削弱,在此基础上提出了平方根非线性补偿器、PID反馈控制器和极不灵敏分布式延迟逆整形器联合控制的控制策略,对锥形介电弹性体主动隔振样机进行了单频谐波振动和扫频振动的隔振性能验证。结果表明该主动隔振系统在被动隔振的基础上抑制了90%以上的单频谐波振动(5Hz、15Hz、20Hz),同时能有效隔离5-30Hz内的窄带扫频振动。
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