IPMC人工肌肉的建模與控制研究.pdf

1、離子交換聚合體金屬合成物（Ion-exchange Polymer-Metal Composites,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

2、同的激勵(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)，并進(jìn)行了機(jī)理分析。
　　 基于掌握的IPMC的先驗(yàn)信息，設(shè)計(jì)了頻率可控的chirp持續(xù)激勵(lì)信號(hào)作為辨識(shí)輸入信號(hào)；然后通過(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模型作為IPMC的模型結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用多新息最小二乘遞推辨識(shí)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型參數(shù)的在線辨

3、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存在的磁滯非線性，建立了兩種preisach磁滯模型。第一種基于經(jīng)典preisach算子，通過(guò)離散化、質(zhì)心化處理，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)preisach密度函數(shù)的在線辨識(shí)，并進(jìn)一步分析了模型誤差的原因，對(duì)辨識(shí)算法進(jìn)行了改進(jìn)。另一種采用了非線性preisach算子，通過(guò)將preisach平面進(jìn)行回滯分割，從而可以直接利用一階、二階回滯輸出數(shù)據(jù)構(gòu)造出一個(gè)數(shù)值模型。