IPMC致动器磁滞特性的建模与控制研究

摘要

离子型金属聚合物复合材料IPMC(Ionic Polymer Metal Composite)是一种电驱动智能复合材料，能够在外加电场的驱动下实现弯曲形变，撤去电场后又能恢复至初始状态。由于作为致动器具有驱动电压低(1V~5V)、响应速度快、致动形变大、质量轻、柔韧性好、可根据需要剪裁形状、且在水环境中性能更优等特点，IPMC在仿生学、生物医学和微机电等领域应用前景十分广阔。但是，IPMC致动器有强非线性，尤其是磁滞特性，严重影响了控制精度。　　本文首先制备出带有铂金属电极的IPMC致动器，并对铂电极IPMC致动器进行电驱动性能测试，观察其在不同电压驱动下的尖端位移响应，以分析总结IPMC致动器的磁滞特性。其次，针对IPMC致动器的磁滞特性，提出一种LSSVM-NARX(最小二乘支持向量机-非线性自回归)模型对IPMC致动器的电驱动尖端位移响应进行建模，并使用MATLAB仿真与目前常用的Prandtl-Ishlinskii模型进行对比，证实了LSSVM-NARX模型具有较好的建模效果，之后用人工蜂群算法对模型进行优化。然后，设计LSSVM-NARX逆控制器，对IPMC致动器的磁滞特性进行补偿。在根据仿真结果分析逆控制器性能后，加入PID反馈控制，结合成混合PID反馈控制器。MATLAB仿真结果表明提出的控制方案性能优良。　　最后，本文搭建了基于DSP的IPMC致动器控制实验平台，实验结果表明，设计的混合PID反馈控制器能较好补偿IPMC致动器的磁滞特性，实现精确控制。

目录

声明

变量注释表

1 绪论

1.1研究背景及意义

1.2.1 IPMC致动器结构

1.2.2 IPMC致动机理

1.3.1 IPMC致动器磁滞特性研究

1.3.2 IPMC致动器应用研究

1.4本文的创新点与主要研究内容

1.4.1 本文创新点

1.4.2 本文主要研究内容

2 IPMC致动器的性能测试

2.1 引言

2.2铂电极IPMC致动器性能测试

2.2.1 直流驱动电压下的IPMC致动器性能

2.2.2 交流驱动电压下的IPMC致动器性能

2.3 性能测试结果

2.4本章小结

3 基于磁滞特性的IPMC致动器建模

3.1 引言

3.2基于Prandtl-Ishlinskii方法的IPMC致动器建模

3.2.1 Prandtl-Ishlinskii模型简介

3.2.2 建立Prandtl-Ishlinskii模型

3.3 Prandtl-Ishlinskii模型结果

3.4基于LSSVM-NARX方法的IPMC致动器建模

3.4.1最小二乘支持向量机

3.4.2非线性自回归模型

3.4.3 建立LSSVM-NARX模型

3.5 LSSVM-NARX 模型结果

3.6 基于蜂群算法的LSSVM-NARX模型优化

3.6.1 蜂群算法寻优

3.6.2 优化后的LSSVM-NARX模型验证

3.7本章小结

4 基于逆控制器的IPMC致动器控制方法设计

4.1 引言

4.2基于LSSVM-NARX模型的逆控制器

4.3逆控制器仿真结果

4.4 混合PID反馈控制器

4.5控制系统仿真验证

4.6本章小结

5基于DSP的IPMC致动器控制实验平台搭建及结果分析

5.1 引言

5.2硬件设计

5.2.1 DSP控制器芯片

5.2.2 电源模块

5.2.3 可调电压输出模块

5.2.4 激光位移传感器

5.2.5 数据转换传输模块

5.3.1 性能测试模式

5.3.2 控制模式

5.4上位机设计

5.5 实验结果

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

附录1

致谢

作者简历

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