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文檔簡(jiǎn)介
1、離子交換聚合體金屬合成物(Ion-exchange Polymer-Metal Composites簡(jiǎn)稱IPMC)是一類被稱為人工肌肉的電活性智能材料。由于其性能類似于生物肌肉,因此受到越來(lái)越多的關(guān)注,并在微機(jī)電系統(tǒng)、生物醫(yī)學(xué)、仿生機(jī)構(gòu)等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。然而IPMC響應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、對(duì)環(huán)境條件與材料參數(shù)變化敏感且具有非線性,這些限制了它的開發(fā)與應(yīng)用。
本文首先開發(fā)了一套完整的IPMC實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了IPMC在不同
2、的激勵(lì)信號(hào)類型、頻率大小、幅值以及樣條尺寸、環(huán)境濕度等條件下的響應(yīng)特性,從而掌握了IPMC的響應(yīng)特征,建立了詳細(xì)的特性數(shù)據(jù)庫(kù),加深了對(duì)磁滯、蠕變特性和產(chǎn)生原斟的認(rèn)識(shí),為IPMC的建??刂茊?wèn)題奠定了基礎(chǔ)。
基于掌握的IPMC的先驗(yàn)信息,通過(guò)相關(guān)分析與頻響數(shù)據(jù)擬合確定了適合的模型階次,并采用離線辨識(shí)策略選擇擬合程度最高的三階ARX(AutoRegressive eXogenous)模型作為IPMC的模型結(jié)構(gòu),在此基礎(chǔ)上應(yīng)用最小二乘
3、遞推辨識(shí)算法,開發(fā)了一個(gè)基于LabVIEW平臺(tái)的實(shí)時(shí)、在線遞推辨識(shí)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型參數(shù)的在線辨識(shí),從而避免了環(huán)境條件的變化對(duì)模型結(jié)果有效性的影響。
針對(duì)IPMC存在的磁滯和蠕變非線性特性,建立了IPMC的磁滯、蠕變模型和混合特性模型。對(duì)于磁滯特性,建立了兩種模型,并分析比較了各自的特點(diǎn)。一種是基于經(jīng)典preisach算子模型,通過(guò)離散化、質(zhì)心化處理,應(yīng)用最小二乘遞推算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)preisach密度函數(shù)的在線辨識(shí),并進(jìn)一步分析
4、了模型誤差的原因,對(duì)辨識(shí)算法進(jìn)行了改進(jìn),提高了辨識(shí)精度;另一種是PI(Prandtl-lshlinskii)磁滯模型,建立了LMS(Least Mean Square)在線辨識(shí)算法辨識(shí)PI模型的權(quán)值,并進(jìn)行了利用少量的磁滯算子就可以逼近磁滯環(huán)的仿真驗(yàn)證。對(duì)于蠕變特性,利用加權(quán)最小二乘參數(shù)估計(jì)遞推算法得出了IPMC蠕變的模型,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。最后建立了磁滯PI模型與線性蠕變模型相迭加的IPMC磁滯蠕變特性的混合模型,并驗(yàn)證了混合模型可以
5、更好地逼近IPMC實(shí)際磁滯蠕變特性曲線。
根據(jù)建立的IPMC線性和非線性模型,設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略。針對(duì)IPMC線性模型設(shè)計(jì)了模糊PID自適應(yīng)控制方案,并通過(guò)仿真結(jié)果證明了模糊PID控制器可以有效地控制IPMC的線性驅(qū)動(dòng)特性。針對(duì)IPMC的非線性特性設(shè)計(jì)了IPMC的磁滯、蠕變特性的逆補(bǔ)償控制器,實(shí)現(xiàn)了在線自適應(yīng)逆補(bǔ)償控制,驗(yàn)證了逆補(bǔ)償控制是消除IPMC非線性特性的有效方式。建立了兩種基于IPMC磁滯蠕變混合模型的自適應(yīng)逆控制結(jié)
6、構(gòu),系統(tǒng)的磁滯特性和蠕變特性得以消除,通過(guò)仿真驗(yàn)證比較了兩種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)。最后,建立了PVDF作感知、IPMC為驅(qū)動(dòng)的壓電智能懸臂梁的動(dòng)力學(xué)模型,利用LQR線性二次型最優(yōu)控制實(shí)現(xiàn)壓電智能懸臂梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主動(dòng)控制,仿真結(jié)果表明控制系統(tǒng)具有很好的快速響應(yīng)能力和振動(dòng)控制效果,說(shuō)明了壓電材料作為傳感器和驅(qū)動(dòng)器抑制振動(dòng)的有效性和實(shí)用性。
最后針對(duì)IPMC驅(qū)動(dòng)器具有非整數(shù)階動(dòng)力學(xué)特性,而傳統(tǒng)研究采用整數(shù)階建模,無(wú)法對(duì)其精確描述和解釋的
7、現(xiàn)狀,采用非線性最小二乘估計(jì)的Marquardt算法研究一種新的比常規(guī)的整數(shù)階建模更合理、更能描述IPMC驅(qū)動(dòng)器性能的分?jǐn)?shù)階模型。并將其和常規(guī)方法建立的整數(shù)階模型進(jìn)行對(duì)比,仿真結(jié)果表明IPMC分?jǐn)?shù)階模型可以更精確地描述IPMC非整數(shù)階特性,提高模型精度和實(shí)際應(yīng)用效果。針對(duì)建立的IPMC分?jǐn)?shù)階模型,設(shè)計(jì)了分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器,分析了分?jǐn)?shù)階PIλDμ控制器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響,對(duì)比驗(yàn)證了分?jǐn)?shù)階PIλDμ對(duì)IPMC模型控制的有效性和
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