[發明專利]基于IPMC驅動的輕質柔性系統分布控制方法、系統和裝置

有效

• 申請號: 202011478721.5
• 申請日: 2020-12-15
• 公開（公告）號: CN112230553B
• 公開（公告）日: 2021-03-23
• 發明（設計）人: 楊閎竣;劉志杰;程龍;譚民;賀威;何修宇
• 申請（專利權）人: 中國科學院自動化研究所
• 主分類號: G05B13/04
• 分類號: G05B13/04
• 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

1.一種基于IPMC驅動的輕質柔性系統分布控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步驟S100，獲取控制任務和輕質柔性系統自由端的實時位移量；

步驟S200，將實時位移量轉換為電壓信號，基于所述電壓信號和控制任務通過輕質柔性系統分布參數模型獲取驅動電信號；

步驟S200的具體步驟包括：

步驟S210，通過激光位移傳感器測量輕質柔性系統自由端的實時位移量，并將所述實時位移量轉換為電壓信號,并基于所述電壓信號通過數據采集卡進行信號A/D轉換生成數字信號；

步驟S220，基于所述數字信號和控制任務，通過輕質柔性系統分布參數模型獲取激勵電壓，并通過數據采集卡進行信號D/A轉換生成驅動電壓，通過功率放大器將驅動電壓的電流放大生成驅動電信號；

所述輕質柔性系統分布參數模型為：

，，，；

表示柔性系統的懸臂梁上原點處， 時刻的彈性位移； 表示懸臂梁上原點處， 時刻的彈性位移的一階偏導數； 表示懸臂梁上點L處， 時刻的彈性位移的二階偏導數； 表示懸臂梁上點L處， 時刻的彈性位移的三階偏導數； 表示懸臂梁上x點處， 時刻的彈性位移的二階偏導數； 表示懸臂梁上點x處， 時刻彈性位移的一階時間導數； 表示 的彈性位移的一階偏導數； 表示懸臂梁上點x處，t時刻的彈性位移的二階時間導數； 表示粘性阻尼且 ， 表示結構阻尼且 ， 表示的二階位移偏導數；

其中， ， ， ， 表示懸臂梁上的IPMC部分近原點端位置， 表示懸臂梁上的IPMC部分遠原點端位置， 表示單位質量密度， 表示彎曲剛度，L表示懸臂梁的長度，下標b表示懸臂梁部分，下標c表示IPMC部分， 表示輸出彎矩與激勵電壓 之間的關系，通過黑箱模型得到；關系系數； 為IPMC部分的長度， 為常數， 為heaviside函數：

為階躍函數：

；

所述通過輕質柔性系統分布參數模型獲取激勵電壓，其方法為：

步驟A100，基于所述柔性系統分布參數模型，設計李雅普諾夫函數：

其中， 為大于0的常數， 為輔助函數， 為能量函數；

所述能量函數為：

其中， 為系統動能， 為系統彈性勢能；

所述輔助函數為：

步驟A200，基于所述李雅普諾夫函數和輕質柔性系統分布參數模型設計IPMC驅動的分布控制律：

其中， 為常數，K為關系系數， 為激勵電壓；

步驟A300，輸入所述數字信號時懸臂梁x點處時刻的彈性位移為， 為初始時刻，通過所述分布控制律輸出激勵電壓 ，使 時，有， ， 為最終達到穩定的時刻， 為穩定的時刻的彈性位移；

輸入所述數字信號時懸臂梁x點處時刻的彈性位移 ，對能量函數 求時間導數：

沿閉環系統對輔助函數 求時間導數：

計算李雅普諾夫函數沿閉環系統的時間導數：

第一穩定不等式：

和第二穩定不等式：

使所述李雅普諾夫函數沿閉環系統的時間導數收斂，獲得收斂的李雅普諾夫函數：

其中， 、、和 為大于0的待確定常數， ， ， ， ，且所述收斂的李雅普諾夫函數滿足約束不等式：

根據所述約束不等式得到：

其中， 為大于0的待確定常數；

即：

則，令，有：

即收斂能量函數為：

基于所述收斂能量函數和李雅普諾夫函數沿閉環系統的時間導數為：

其中， ；

求解基于所述收斂能量函數和李雅普諾夫函數沿閉環系統的時間導數可得：

其中， 為t時刻的李雅普諾夫函數；

能量函數滿足：

輸出激勵電壓，系統的能量函數以指數級的速度漸進收斂到0，即輕質柔性系統的無窮維狀態 快速收斂，即穩定的時刻的彈性位移 ；

步驟S300，基于所述驅動電信號控制輕質柔性系統的IPMC部分進行相應的動作，完成輕質柔性系統的控制并抑制振動。