離子聚合物-金屬復(fù)合材料（Ionic Polymer Metal Composite,IPMC）是一種極具應(yīng)用潛力的柔性智能材料,這種材料在低于10V的電壓驅(qū)動下,可以產(chǎn)生較大的末端輸出位移,在柔性機(jī)器人、航天航空、生物醫(yī)療等諸多領(lǐng)域都展現(xiàn)了豐富的應(yīng)用前景。IPMC材料的主要缺點是有很嚴(yán)重的非線性特性。非線性特性的存在會影響材料在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性。因此對IPMC的建模及其控制顯得至關(guān)重要。本文首先通過手工刻蝕法分別制備了兩片和三片電極結(jié)構(gòu)IPMC陣列式驅(qū)動器樣片,然后分別對其進(jìn)行了不同直流電壓組合下的測試,研究了其變形特征。然后通過實驗測量IPMC懸臂梁在直流電壓下的響應(yīng),提出了針對IPMC松弛效應(yīng)的控制策略,即模糊PID控制IPMC彎曲變形。以IPMC位移的誤差及誤差變化率作為模糊PID控制器的輸入,PID控制器的參數(shù)增量作為模糊PID控制器的輸出,實現(xiàn)了對PID控制器的參數(shù)自校正。利用Matlab/Simulink分別對模糊PID控制系統(tǒng)和常規(guī)PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,仿真結(jié)果表明:模糊PID控制系統(tǒng)對比常規(guī)PID控制系統(tǒng),響應(yīng)時間領(lǐng)先1.3s,最大超調(diào)量相降低了74.5%,穩(wěn)態(tài)誤... 

【文章來源】：合肥工業(yè)大學(xué)安徽省 211工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：80 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【圖文】：

IPMC應(yīng)用實例:（a）柔性機(jī)械手、（b）微鏡頭自動聚焦裝置、（c）心臟起蘇裝置

(a) (b)圖 1. 2 （a）IPMC 實物 （b）IPMC 離子運動致動原理Figure 1.2 (a)IPMC object (b)IPMC ion motion principle此外，在壓力作用下 IPMC 內(nèi)部離子分布的改變會使 IPMC 產(chǎn)生電信號，C 具有力學(xué)傳感功能。由于 IPMC 兼具致動和傳感的特點，使得它在柔性、微小型仿生等領(lǐng)域具有無限的應(yīng)用可能。IPMC 有一個典型的功能現(xiàn)象，當(dāng)施加直流電壓時，材料向陽極迅速變形極方向緩慢恢復(fù)，這個現(xiàn)象被稱為 IPMC 的松弛效應(yīng)。然而，在很多應(yīng)要 IPMC 保持穩(wěn)定的位移輸出，因此需要對材料施加反饋控制以克服松。此外，隨著柔性驅(qū)動器的應(yīng)用多樣化，現(xiàn)有的簡單單片或多片 IPMC 驅(qū)動器的變形形式越來越難以滿足實際驅(qū)動要求，而國內(nèi)外針對陣列式 I器的控制還鮮有研究，現(xiàn)有的驅(qū)動器的反饋控制方法大多依賴外加儀器光位移傳感器）和外部控制電路，依賴本身自傳感實現(xiàn)控制的較少，因以實現(xiàn)快速和精確控制。

蜂窩結(jié)構(gòu)支撐的結(jié)構(gòu)。具有鐵磁不銹鋼材料剛性好，溫度膨脹系數(shù)小，耐腐優(yōu)點，而且提高了平臺的硬重比，增加了剛性，降低了變形量，提高了抗靜能力。耐腐蝕，可吸附磁性底座，可方便的搭建各種 IPMC 測試系統(tǒng)。工控載了用于 IPMC 測試的各種軟件，例如使用 LabVIEW 軟件輸出正弦數(shù)字信號 NI 采集卡輸出到功放模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換驅(qū)動 IPMC。激光位移傳感器采用的eyence 的激光位移傳感器 LJ-G080，測量范圍：±23mm，具有可以調(diào)節(jié)的測域移動，可以選擇單點測量模式和 8 點測量模式，測量數(shù)據(jù)會自動記錄在自軟件程序中，從軟件中可以直接讀出 IPMC 在該電壓下位移的最大值。吉時字源表用來充當(dāng) IPMC 測試的電源，可以調(diào)節(jié)輸出的電壓和電流大小，能夠直流和方波電壓信號。NI 數(shù)據(jù)采集卡同時具有輸出和采集功能，輸出的是工 LabVIEW 軟件產(chǎn)生的不同波形電壓信號，能夠?qū)⒐た貦C(jī)產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換擬量驅(qū)動 IPMC 變形，它在測試中還能夠用來采集 IPMC 的輸出電壓和電流放大電路用來將 NI 數(shù)據(jù)采集卡產(chǎn)生的微弱的模擬電壓信號進(jìn)行放大，使得該能夠達(dá)到驅(qū)動 IPMC 變形所需要的功率。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于離子聚合物-金屬復(fù)合材料的頻域分?jǐn)?shù)階建模及最優(yōu)控制[J]. 陳嵐峰,李娜.  科學(xué)技術(shù)與工程. 2014(35)
[2]電活性聚合物材料及其在驅(qū)動器中的應(yīng)用研究[J]. 陳花玲,王永泉,盛俊杰,常龍飛,王延杰.  機(jī)械工程學(xué)報. 2013(06)
[3]IPMC驅(qū)動材料控制系統(tǒng)的研制[J]. 李玉秀,于敏,何青松,宋林林,戴振東.  現(xiàn)代電子技術(shù). 2011(11)
[4]基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 王述彥,師宇,馮忠緒.  機(jī)械科學(xué)與技術(shù). 2011(01)
[5]基于IPMC驅(qū)動的自主微型機(jī)器魚[J]. 蘇玉東,葉秀芬,郭書祥.  機(jī)器人. 2010(02)



本文編號：3297619