基于离子聚合物—金属复合材料的阵列式驱动器控制系统研究
发布时间：2021-07-22 17:55
离子聚合物-金属复合材料（Ionic Polymer Metal Composite,IPMC）是一种极具应用潜力的柔性智能材料,这种材料在低于10V的电压驱动下,可以产生较大的末端输出位移,在柔性机器人、航天航空、生物医疗等诸多领域都展现了丰富的应用前景。IPMC材料的主要缺点是有很严重的非线性特性。非线性特性的存在会影响材料在应用过程中的稳定性。因此对IPMC的建模及其控制显得至关重要。本文首先通过手工刻蚀法分别制备了两片和三片电极结构IPMC阵列式驱动器样片,然后分别对其进行了不同直流电压组合下的测试,研究了其变形特征。然后通过实验测量IPMC悬臂梁在直流电压下的响应,提出了针对IPMC松弛效应的控制策略,即模糊PID控制IPMC弯曲变形。以IPMC位移的误差及误差变化率作为模糊PID控制器的输入,PID控制器的参数增量作为模糊PID控制器的输出,实现了对PID控制器的参数自校正。利用Matlab/Simulink分别对模糊PID控制系统和常规PID控制系统进行仿真,仿真结果表明:模糊PID控制系统对比常规PID控制系统,响应时间领先1.3s,最大超调量相降低了74.5%,稳态误...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
IPMC应用实例:（a）柔性机械手、（b）微镜头自动聚焦装置、（c）心脏起苏装置
(a) (b)图 1. 2 （a）IPMC 实物 （b）IPMC 离子运动致动原理Figure 1.2 (a)IPMC object (b)IPMC ion motion principle此外，在压力作用下 IPMC 内部离子分布的改变会使 IPMC 产生电信号，C 具有力学传感功能。由于 IPMC 兼具致动和传感的特点，使得它在柔性、微小型仿生等领域具有无限的应用可能。IPMC 有一个典型的功能现象，当施加直流电压时，材料向阳极迅速变形极方向缓慢恢复，这个现象被称为 IPMC 的松弛效应。然而，在很多应要 IPMC 保持稳定的位移输出，因此需要对材料施加反馈控制以克服松。此外，随着柔性驱动器的应用多样化，现有的简单单片或多片 IPMC 驱动器的变形形式越来越难以满足实际驱动要求，而国内外针对阵列式 I器的控制还鲜有研究，现有的驱动器的反馈控制方法大多依赖外加仪器光位移传感器）和外部控制电路，依赖本身自传感实现控制的较少，因以实现快速和精确控制。
蜂窝结构支撑的结构。具有铁磁不锈钢材料刚性好，温度膨胀系数小，耐腐优点，而且提高了平台的硬重比，增加了刚性，降低了变形量，提高了抗静能力。耐腐蚀，可吸附磁性底座，可方便的搭建各种 IPMC 测试系统。工控载了用于 IPMC 测试的各种软件，例如使用 LabVIEW 软件输出正弦数字信号 NI 采集卡输出到功放模块进行数模转换驱动 IPMC。激光位移传感器采用的eyence 的激光位移传感器 LJ-G080，测量范围：±23mm，具有可以调节的测域移动，可以选择单点测量模式和 8 点测量模式，测量数据会自动记录在自软件程序中，从软件中可以直接读出 IPMC 在该电压下位移的最大值。吉时字源表用来充当 IPMC 测试的电源，可以调节输出的电压和电流大小，能够直流和方波电压信号。NI 数据采集卡同时具有输出和采集功能，输出的是工 LabVIEW 软件产生的不同波形电压信号，能够将工控机产生的数字信号转换拟量驱动 IPMC 变形，它在测试中还能够用来采集 IPMC 的输出电压和电流放大电路用来将 NI 数据采集卡产生的微弱的模拟电压信号进行放大，使得该能够达到驱动 IPMC 变形所需要的功率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离子聚合物-金属复合材料的频域分数阶建模及最优控制[J]. 陈岚峰,李娜. 科学技术与工程. 2014(35)
[2]电活性聚合物材料及其在驱动器中的应用研究[J]. 陈花玲,王永泉,盛俊杰,常龙飞,王延杰. 机械工程学报. 2013(06)
[3]IPMC驱动材料控制系统的研制[J]. 李玉秀,于敏,何青松,宋林林,戴振东. 现代电子技术. 2011(11)
[4]基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 王述彦,师宇,冯忠绪. 机械科学与技术. 2011(01)
[5]基于IPMC驱动的自主微型机器鱼[J]. 苏玉东,叶秀芬,郭书祥. 机器人. 2010(02)
本文编号：3297619
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【图文】：
IPMC应用实例:（a）柔性机械手、（b）微镜头自动聚焦装置、（c）心脏起苏装置
(a) (b)图 1. 2 （a）IPMC 实物 （b）IPMC 离子运动致动原理Figure 1.2 (a)IPMC object (b)IPMC ion motion principle此外，在压力作用下 IPMC 内部离子分布的改变会使 IPMC 产生电信号，C 具有力学传感功能。由于 IPMC 兼具致动和传感的特点，使得它在柔性、微小型仿生等领域具有无限的应用可能。IPMC 有一个典型的功能现象，当施加直流电压时，材料向阳极迅速变形极方向缓慢恢复，这个现象被称为 IPMC 的松弛效应。然而，在很多应要 IPMC 保持稳定的位移输出，因此需要对材料施加反馈控制以克服松。此外，随着柔性驱动器的应用多样化，现有的简单单片或多片 IPMC 驱动器的变形形式越来越难以满足实际驱动要求，而国内外针对阵列式 I器的控制还鲜有研究，现有的驱动器的反馈控制方法大多依赖外加仪器光位移传感器）和外部控制电路，依赖本身自传感实现控制的较少，因以实现快速和精确控制。
蜂窝结构支撑的结构。具有铁磁不锈钢材料刚性好，温度膨胀系数小，耐腐优点，而且提高了平台的硬重比，增加了刚性，降低了变形量，提高了抗静能力。耐腐蚀，可吸附磁性底座，可方便的搭建各种 IPMC 测试系统。工控载了用于 IPMC 测试的各种软件，例如使用 LabVIEW 软件输出正弦数字信号 NI 采集卡输出到功放模块进行数模转换驱动 IPMC。激光位移传感器采用的eyence 的激光位移传感器 LJ-G080，测量范围：±23mm，具有可以调节的测域移动，可以选择单点测量模式和 8 点测量模式，测量数据会自动记录在自软件程序中，从软件中可以直接读出 IPMC 在该电压下位移的最大值。吉时字源表用来充当 IPMC 测试的电源，可以调节输出的电压和电流大小，能够直流和方波电压信号。NI 数据采集卡同时具有输出和采集功能，输出的是工 LabVIEW 软件产生的不同波形电压信号，能够将工控机产生的数字信号转换拟量驱动 IPMC 变形，它在测试中还能够用来采集 IPMC 的输出电压和电流放大电路用来将 NI 数据采集卡产生的微弱的模拟电压信号进行放大，使得该能够达到驱动 IPMC 变形所需要的功率。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于离子聚合物-金属复合材料的频域分数阶建模及最优控制[J]. 陈岚峰,李娜. 科学技术与工程. 2014(35)
[2]电活性聚合物材料及其在驱动器中的应用研究[J]. 陈花玲,王永泉,盛俊杰,常龙飞,王延杰. 机械工程学报. 2013(06)
[3]IPMC驱动材料控制系统的研制[J]. 李玉秀,于敏,何青松,宋林林,戴振东. 现代电子技术. 2011(11)
[4]基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 王述彦,师宇,冯忠绪. 机械科学与技术. 2011(01)
[5]基于IPMC驱动的自主微型机器鱼[J]. 苏玉东,叶秀芬,郭书祥. 机器人. 2010(02)
本文编号：3297619
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