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基于IPMC蠕变模型的四指手爪控制系统的设计和研究
作 者: 张婷
导 师: 郝丽娜
学 校: 东北大学
专 业: 机械电子工程
关键词: IPMC 蠕变模型 周期性输出反馈控制 DSP控制器 四指手爪
分类号: TP273
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
随着精密加工技术、微驱动器机械系统、医疗技术和航天航空技术的飞速发展,微操作机械手应用越来越越广泛,世界各国均开展了相关研究。一种基于IPMC (Ion-Exchange Polymer Metal Composite,离子交换膜金属复合材料)新型致动器材的人工智能材料输入电压小,而输出位移大,驱动简便,获得了广泛的关注。.然而,IPMC有一种致命的非线性特性,当输入恒定值电压,IPMC的输出位移并不会一直保持在固定值,而会往回偏置,甚至偏置到初始位置。这种非线性特性大大限制IPMC在各领域的应用。本文以研究及分析IPMC的蠕变特性,并建立IPMC蠕变模型为出发点,通过设计四种控制算法(自适应逆控制、经典PID控制、LQR及周期性输出反馈控制),并对此四种算法进行MATLAB/SIMULINK仿真,比较和总结四种控制算法,得出一种最适合补偿IPMC蠕变特性的控制算法,使IPMC的蠕变特性能有效地得到补偿。控制器的算法是采用DSP (TMS320F2812)得以实现,设计DSP控制器主要利用要DSP的A/D模块与D/A模块,在设计DSP控制器的硬件设计后,再进行软件设计及软件调试,并分析软件调试结果。从调试结果得知,可以证明IPMC的蠕变特性能得到较好的补偿。最后,在设计控制系统后,利用UG设计基于IPMC四指手爪的结构,IPMC四指手爪的结构设计从功能,力学等出发,设计出IPMC四指手爪的二维及三维结构和实物,进而利用IPMC四指手爪完成抓取细胞实验。
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全文目录
摘要 5-6 Abstract 6-11 第1章 绪论 11-19 1.1 研究背景 11-12 1.2 IPMC国内外研究现状 12-18 1.2.1 IPMC的应用研究 12-15 1.2.2 IPMC的控制研究 15-17 1.2.3 基于IPMC蠕变特性的控制 17-18 1.3 本文研究内容 18-19 第2章 基于IPMC蠕变特性数学模型的建立 19-27 2.1 IPMC蠕变特性及其产生的原因 19-20 2.2 基于IPMC蠕变特性的数学建模 20-21 2.3 蠕变模型的离线辨识 21-24 2.3.1 加权最小二乘参数估计递推算法 21-22 2.3.2 基于MATLAB的IPMC蠕变特性离线辨识仿真 22-24 2.4 IPMC蠕变模型的MATLAB/SIMULINK仿真 24-26 2.5 本章小节 26-27 第3章 基于IPMC蠕变模型的控制算法设计 27-43 3.1 自适应逆控制算法 28-31 3.1.1 自适应逆控制算法的阐述 28-29 3.1.2 自适应逆控制器的设计及其仿真 29-31 3.2 经典PID控制算法 31-34 3.2.1 经典PID控制算法的阐述 31-32 3.2.2 经典PID控制器的设计及其仿真 32-34 3.3 LQR控制算法 34-36 3.3.1 LQR控制算法的阐述 34-35 3.3.2 LQR控制器的设计及其仿真 35-36 3.4 周期性输出反馈控制算法 36-41 3.4.1 周期性输出反馈控制算法的阐述 36-37 3.4.2 周期输出反馈控制器设计及其仿真 37-41 3.5 四种控制器的比较和总结 41-42 3.6 本章小节 42-43 第4章 基于DSP的IPMC的蠕变补偿控制器的实现 43-59 4.1 DSP(TMS320F2812)概述 43-44 4.2 系统硬件设计 44-51 4.2.1 系统硬件结构概述 44-45 4.2.2 复位与晶振电路设计 45-46 4.2.3 A/D转换和D/A转换电路设计 46-48 4.2.4 电源模块电路设计 48-50 4.2.5 比例运算电路设计 50 4.2.6 激光位移传感器 50-51 4.3 系统软件设计 51-54 4.3.1 系统软件设计概述 51 4.3.2 系统软件设计 51-54 4.4 软件的调试 54-58 4.4.1 仿真器和集成开发调试环境IDE 54-56 4.4.2 软件的调试步骤与结果 56-58 4.5 本章小结 58-59 第5章 基于IPMC四指手爪的结构设计 59-65 5.1 四指手爪的基本技术参数确定 59-60 5.2 材料选择 60-61 5.3 四指手爪结构的三维设计 61-63 5.4 基于IPMC四指手爪的操作控制系统设计 63-64 5.4.1 控制系统的阐述 63 5.4.2 四指手爪的显微操作 63-64 5.5 本章小结 64-65 第6章 总结与展望 65-67 6.1 总结 65 6.2 展望 65-67 参考文献 67-71 致谢 71-73 攻读硕士学位期间发表的论文 73-75 个人简介 75-77 附录1: DSP控制器的原理图 77-79 附录2: DSP控制器PCB布线图 79-81 附录3: DSP控制器目标板仿真图 81-83 附录4: DSP控制器目标板实物图 83
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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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