[發明專利]基于智能材料驅動的柔性碳素懸臂梁的控制方法

有效

• 申請號: 202011473843.5
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112230604B
• 公開（公告）日: 2021-02-26
• 發明（設計）人: 楊閎竣;程龍;譚民;賀威;劉志杰;穆新星
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05B19/408
• 分類號: G05B19/408
• 代理公司: 北京市恒有知識產權代理事務所(普通合伙) 11576
• 代理人: 郭文浩;尹文會

本發明屬于分布參數系統控制技術領域，具體涉及一種基于智能材料驅動的柔性碳素懸臂梁的控制方法、系統、裝置，旨在解決現有構建的分布參數系統容易出現控制溢出、失穩的問題。本系統方法包括實時獲取柔性碳素懸臂梁的彈性位移，作為輸入數據；基于輸入數據，通過預構建的分布參數模型得到控制力矩，對柔性碳素懸臂梁進行振動控制。本發明提高了分布參數系統控制的精度、穩定性。

技術領域

本發明屬于分布參數系統控制技術領域，具體涉及一種基于智能材料驅動的柔性碳素懸臂梁的控制方法、系統、裝置。

背景技術

近年來，分布參數系統的動力學建模問題得到了眾多研究者的關注。精確的描述系統的動力學模型，從而設計出合理的系統控制方法，是十分關鍵的。現有的分布參數系統建模大多采用的是集中參數方法，例如：假設模態法、有限元法等等，這類方法均忽略了系統中的高階模態，得到的是簡化后的集中參數系統的模型，目的是使控制器的設計變得容易。但是這類模型很容易引發后續的觀測器和控制器溢出等問題，使控制失穩，造成極大的安全隱患。

柔性碳素懸臂梁是一種典型的分布參數系統，具有高度的非線性和耦合特性，其運動過程中既有大范圍整體運動，又有局部的彈性變形。柔性碳素懸梁在實際應用中往往通過表面貼合片狀智能驅動器來抑制該柔性懸梁的彈性變形，因此本發明采用表面粘貼智能材料IPMC的柔性碳素懸梁作為應用背景，創新地提出了這一類智能驅動器和柔性機構耦合的分布參數系統的精確建模和控制方法。

發明內容

為了解決現有技術中的上述問題，即為了解決現有構建的集中參數系統容易出現控制溢出、失穩的問題，本發明第一方面，提出了一種基于智能材料驅動的柔性碳素懸臂梁的控制方法，該方法包括：

步驟S10，實時獲取柔性碳素懸臂梁的彈性位移，作為輸入數據；

步驟S20，基于所述輸入數據，通過預構建的分布參數模型得到控制力矩，對所述柔性碳素懸臂梁進行振動控制；

其中，所述分布參數模型，其構建方法為：

步驟A10，基于粘貼在柔性碳素懸臂梁表面上的智能材料條的一端在加載激勵電壓后產生彎曲的尖端位移以及智能材料條的長度，計算尖端轉角；并通過黑箱模型構建激勵電壓和尖端轉角的線性關系模型；

步驟A20，根據柔性碳素懸臂梁彎曲時中性層曲率半徑和彎矩的關系，結合所述線性關系模型，得到基于激勵電壓與智能材料條彎矩之間的映射關系，并構建智能材料條的動力學模型；

步驟A30，基于所述智能材料條的動力學模型，計算柔性碳素懸臂梁的動能、彈性勢能、以及不包含阻尼的非保守力所做的虛功，并結合Hamilton原理，構建無阻尼下的柔性碳素懸臂梁的分布參數模型，作為第一模型；

步驟A40，計算非保守力加入粘性阻尼、結構阻尼對柔性碳素懸臂梁所做的虛功，并結合所述第一模型，構建有阻尼的分布參數模型，作為最終的分布參數模型。

在一些優選的實施方式中，所述尖端轉角，其計算方法為：

其中，表示尖端轉角，表示尖端位移，表示智能材料條的長度。

在一些優選的實施方式中，所述智能材料條的動力學模型為：

其中，表示智能材料條的動力學模型輸出的力矩，表示激勵電壓，表示智能材料條的抗彎剛度，為設定常數。

在一些優選的實施方式中，所述無阻尼下的柔性碳素懸臂梁的分布參數模型為：