[发明专利]基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法

说明书

本发明属于分布参数系统控制技术领域，具体涉及一种基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法、系统、装置，旨在解决现有构建的分布参数系统容易出现控制溢出、失稳的问题。本系统方法包括实时获取柔性碳素悬臂梁的弹性位移，作为输入数据；基于输入数据，通过预构建的分布参数模型得到控制力矩，对柔性碳素悬臂梁进行振动控制。本发明提高了分布参数系统控制的精度、稳定性。

技术领域

本发明属于分布参数系统控制技术领域，具体涉及一种基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法、系统、装置。

背景技术

近年来，分布参数系统的动力学建模问题得到了众多研究者的关注。精确的描述系统的动力学模型，从而设计出合理的系统控制方法，是十分关键的。现有的分布参数系统建模大多采用的是集中参数方法，例如：假设模态法、有限元法等等，这类方法均忽略了系统中的高阶模态，得到的是简化后的集中参数系统的模型，目的是使控制器的设计变得容易。但是这类模型很容易引发后续的观测器和控制器溢出等问题，使控制失稳，造成极大的安全隐患。

柔性碳素悬臂梁是一种典型的分布参数系统，具有高度的非线性和耦合特性，其运动过程中既有大范围整体运动，又有局部的弹性变形。柔性碳素悬梁在实际应用中往往通过表面贴合片状智能驱动器来抑制该柔性悬梁的弹性变形，因此本发明采用表面粘贴智能材料IPMC的柔性碳素悬梁作为应用背景，创新地提出了这一类智能驱动器和柔性机构耦合的分布参数系统的精确建模和控制方法。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有构建的集中参数系统容易出现控制溢出、失稳的问题，本发明第一方面，提出了一种基于智能材料驱动的柔性碳素悬臂梁的控制方法，该方法包括：

步骤S10，实时获取柔性碳素悬臂梁的弹性位移，作为输入数据；

步骤S20，基于所述输入数据，通过预构建的分布参数模型得到控制力矩，对所述柔性碳素悬臂梁进行振动控制；

其中，所述分布参数模型，其构建方法为：

步骤A10，基于粘贴在柔性碳素悬臂梁表面上的智能材料条的一端在加载激励电压后产生弯曲的尖端位移以及智能材料条的长度，计算尖端转角；并通过黑箱模型构建激励电压和尖端转角的线性关系模型；

步骤A20，根据柔性碳素悬臂梁弯曲时中性层曲率半径和弯矩的关系，结合所述线性关系模型，得到基于激励电压与智能材料条弯矩之间的映射关系，并构建智能材料条的动力学模型；

步骤A30，基于所述智能材料条的动力学模型，计算柔性碳素悬臂梁的动能、弹性势能、以及不包含阻尼的非保守力所做的虚功，并结合Hamilton原理，构建无阻尼下的柔性碳素悬臂梁的分布参数模型，作为第一模型；

步骤A40，计算非保守力加入粘性阻尼、结构阻尼对柔性碳素悬臂梁所做的虚功，并结合所述第一模型，构建有阻尼的分布参数模型，作为最终的分布参数模型。

在一些优选的实施方式中，所述尖端转角，其计算方法为：

其中，表示尖端转角，表示尖端位移，表示智能材料条的长度。

在一些优选的实施方式中，所述智能材料条的动力学模型为：

其中，表示智能材料条的动力学模型输出的力矩，表示激励电压，表示智能材料条的抗弯刚度，为设定常数。

在一些优选的实施方式中，所述无阻尼下的柔性碳素悬臂梁的分布参数模型为：