弯曲型导电聚合物驱动器机电系统建模与逆模控制

摘要

导电聚合物是一类极具潜力的新型材料，基于导电聚合物材料制备而成的驱动器具有低电压驱动、体积变形大、生物适应性、重量轻、结构简单、能在液体或空气介质中工作等特性，成为了仿生微操作系统、智能机械系统、仿生机器人等领域研究重点。但由于导电聚物驱动器驱动过程中电-化学-机械耦合机理复杂，驱动器材料存在迟滞、位置漂移等非线性特征影响了驱动器系统精确模型及有效控制方法的建立。
　　本文以三层弯曲型导电聚合物驱动器为研究对象，对其制备、机电建模与控制方法进行研究与实验验证，为该类型驱动器的实际应用提供理论基础，其主要研究内容如下：
　　(1)基于导电聚合物驱动响应过程中内部结构发生的逆氧化还原反应，从分子层面阐述驱动器电能-机械能的转变，并对驱动器的驱动机理进行分析研究。
　　(2)通过驱动器材料制备实验分析PVDF膜离子注入与PPy电化学沉积参数对驱动器性能的影响，初步探讨驱动器材料制备工艺及优化方法。
　　(3)基于电解质溶液中导电聚合物薄膜弹性扩散模型理论，对三层结构导电聚合物驱动器进行扩展建模，获得其等效电路（PPy/PVDF/PPy）图。通过其电学与机电耦合模型，分析驱动器发生弯曲时曲率与输入电压之间关系，并在其基础上线性简化得到线性高阶传递函数表达式。
　　(4)通过对尺寸为10mm×2mm驱动器材料进行频率特性测试，利用频率响应辨识法对线性高阶传递函数进行参数辨识，分别获得驱动器系统2、4、6阶传递函数，比较辨识模型与驱动器系统的实际位移输出,分析各阶次传递函数零极点分布情况。
　　(5)采用N=4阶传递函数G(s)的辨识所结果，计算G-1(s)，分析驱动器系统的非线性特征，建立具有位置漂移补偿的驱动器直接逆模型控制方法，用 Matlab/Simulink工具模块搭建逆模型控制模型进行仿真，并在驱动器位移测控实验平台上对所提出的逆模型控制方法进行实验验证与分析。

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第1章 绪 论

1.1 研究背景、目的与意义

1.2 导电聚合物驱动器国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第2章 驱动器结构与位移测控系统

2.1 驱动器结构及其驱动机理

2.2 驱动器的制备

2.3 驱动器位移测控系统

2.4 本章小节

第3章 驱动器机电系统建模

3.1 扩散弹性模型

3.2 三层结构导电聚合物弹性扩散模型扩展

3.3 导电聚合物驱动器机电耦合

3.4 本章小结

第4章 驱动器传递函数辨识

4.1 系统频率特性与辨识

4.2 Levy辨识法

4.3 频率特性测试与参数辨识

4.4 辨识结果验证与分析

4.5 本章小结

第5章 驱动器逆模型控制

5.1 逆模型控制原理

5.2 驱动器逆模型的建立

5.3 驱动器逆模型控制实验验证

5.4 本章小节

第6章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 展望

参考文献

作者攻读学位期间的科研成果

致谢