1. GIỚI THIỆU

Ionic Polymer Metal Composit (IPMC) là một dạng
electroactive polymers đầy hứa hẹn, được tìm thấy bởi
hai nhóm nghiên cứu ở Hoa Kì và Nhật Bản vào những
năm 1990. So với những vật liệu thông minh khác,
IPMC có thể được chia cắt ra thành nhiều kích thước
khác nhau mà không bị ảnh hưởng đến khả năng hoạt
động. IPMC hoạt động được ở điện áp thấp, dưới 3V
DC và đáp ứng với tần số hơn 1Hz ở 2V AC, có thể
quay được góc hơn 90
0
với điện áp nhỏ. Một mẫu IPMC
đơn giản gồm có một lớp đa điện phân, với các điện cực
là kim loại hiếm (thường là platium hoặc vàng).Đặc
điểm hoạt động của IPMC được mô tả như ở Hình 1[1].
Hình 1. (a) Trước khi áp điện thế.
(b) Sau khi áp điên thế : các ion dương hydrat
di chuyển nhanh về phía cực âm tạo ra áp
lực làm chuyển vị mẫu IPMC.

So với các actuator thông thường khác,IPMC có kích
thước nhỏ,linh hoạt hơn nhiều và đặc biệt không thấm
nước.Vì thế, IPMC được nghiên cứu ứng dụng nhiều
trong các ứng dụng dưới nước,và vi sinh.
Việc nghiên cứu và ứng dụng IPMC đã được tiến hành
ở nhiều phòng nghiên cứu trên thế giới. Điểu hình như:
nghiên cứu đặc điểm và hoạt động của IPMC [1]-[10],
xây dựng các giải thuật điều khiển IPMC [9]-[14], ứng
dụng IPMC vào các mô hình thực tế [14] –[17].


Tóm tắt: Các nguồn dẫn động được sử dụng trong công nghệ chế tạo Robot thường là động cơ điện hoặc các hệ thống
thủy lực.Thực tế đặt ra cần có nhiều nguồn dẫn động mới gọn nhẹ và đa năng hơn. Ionic Polymer Metal Composite
(IPMC) là một loại vật liệu hoạt động bằng điện với chỉ số điện áp điều khiển thấp,biên dạng biến đổi lớn và có thể hoạt
động được dưới nước. IPMC đang được nghiên cứu, ứng dụng nhiều trong y sinh, robot dưới nước,…Bài báo này trình
bày tóm tắt về kết cấu, hoạt động của IPMC và thiết kế bộ điều khiển, so sánh kết quả đạt được với những giải thuật
điều khiển khác nhau.

Từ khoá: Ionic Polymer Metal Composit (IPMC), PID, Fuzzy adaptive,electro-active polymer.

Abstract: Robotic devices are traditionally actuated by hy-draulic systems or electric motors. However, with the desire
to make robotic systems more compact and versatile, new actuator technologies are required. The Ionic Polymer Metal
Copmposite (IPMC) is one type of electro-active material with the characteristics of low electric driving potential, large
deformation, and aquatic manipulation. IPMC is used in a number of applications fields such as underwater robotics,
surveillance, and biomedical applications. This paper introduces structure and motion of IPMC, researches on controller
design for it. And then some simulation results are introduced to check the response of IPMC while using conventional
PID controller and Fuzzy-PID controller.
h
B

h

A(E
A
,I
A
)

B(E
B

A
h
A
E
A
h
B
h
A
h
B
h
B
h
B
E
E


(2)
Đặt
B
h
A
h
k 
:

3
33

II ,
là mômen quán tính của A và B,
BA
hh ,
là bề dày của của 2 loại vật liệu.
Trong giới hạn của đề tài, chúng tôi sử dụng kết quả đã
được tìm ra bởi [2] để nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển.
Theo đó, hàm truyền toán học của một mẫu IPMC được
nghiên cứu là:
)2232.313232.0
2
(
125.3
)(
)(


ss
sV
s

(4)
3. BỘ ĐIỀU KHIỂN PID

Bộ điều khiển PID được sử dụng khá rộng rãi để điều
khiển đối tượng SISO theo nguyên lý hồi tiếp. Lý do bộ
điều khiển PID được sử dụng rộng rãi vì tính đơn giản
của nó cả về cấu trúc lẫn nguyên lý làm việc. Bộ điều
khiển PID có nhiệm vụ đưa sai lệch e(t) của hệ thống về
0 sao cho quá trình quá độ thỏa mãn các yêu cầu cơ bản

u t K e t e d T
T dt


  




(5) Hình 4. Bộ điều khiển PID trong hệ thống
Việc thiết kế bộ điều khiển PID chính là đi tìm các hệ số
Kp, Ti, Td phù hợp với hệ thống. Để tìm Kp, Ki, Kd ta
sử dụng phương pháp Zeigler- Nichols thứ 2. Đầu tiên
chỉ sử dụng khâu khếch đại Kp, tăng dần giá trị Kp đến
khi hệ trở thành khâu giao động điều hòa. Lúc đó ta có
Kp= Kgh và chu kỳ của giao động là Tgh. Tham số bộ
điều khiển PID chọn theo bảng 1.

Bảng 1.
Kp Ti Td
PID 0.6 Kgh 0.5 Tgh 0.125 Tgh
Sau khi sử dụng phương pháp trên, chúng tôi có dược
các giá trị của bộ điều khiển PID như sau:
Kp= 1, Ki=20 và Kp=3.

4. BỘ ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH
FUZZY-PID

là góc quay mong muốn,

)(Ty
là góc quay hiện tại ở thời diểm T.
Số lượng biến ngôn ngữ đầu vào là 7 biến với kí
hiệu tương ứng: NB: âm nhiều, NM: âm vừa,NS: âm ít,
Z: không âm, Ps: dương ít, PM: dương vừa, PM: dương
trung bình, PB: dương nhiều. Tương tự với đầu vào là
dộ thay đổi sai số: NB: âm nhiều, NM: âm vừa,NS: âm
ít, ZE: bằng, Ps: dương ít, PM: dương vừa, PM: dương
trung bình, PB: dương nhiều. Giá trị các biến ngôn ngữ
như hình 6 và 7.

Hình 6. Biến ngôn ngữ đầu vào e

Hình 6. Biến ngôn ngữ đầu vào ce
Tương tự, với 3 đầu ra là Kp, Ki, Kd, số lượng biến
ngôn ngữ đầu vào là 7 biến với kí hiệu tương ứng: NB:
âm nhiều, NM: âm vừa,NS: âm ít, ZE: bằng không, PS:
dương ít, PM: dương vừa, PM: dương trung bình, PB:
dương nhiều. Giá trị các biến như hình 7,8,9. Hình 7. Biến ngôn ngữ đầu ra Kp Hình 8. Biến ngôn ngữ đầu ra Ki Hình 9. Biến ngôn ngữ đầu ra Kp

PM
PM
NM
NM
PM
NB
PB
PM
NB
NB
PB
NB
NM PM
PM
NB
PM
PM
NM
PS
PS
NS
PS
PS
NS
NS
NS
NS
NM
NM
NM

ZE
PS
PB
ZE
PS
PB
ZE
PS
PB
ZE
PS
PB
ZE
PB
PB
PS NM
PM
PM
NM
PM
PM
NM
PB
PS
PB
NB
PS
PS
NB
PS

NB
NB
PB
NB
NB
PM
PB
PB
PS
PB
PB
PS
PB
PB
PS
PB
PB
PS

Phương pháp giải mờ được sử dụng là phương pháp
trọng tâm với luật hợp thành là Max - Min.

4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả mô phỏng khi áp dụng hai bộ điều khiển,
bộ điều khiển PID với các hệ số Kp= 1, Ki=20 và Kp=3,
với bộ điều khiển thông minh Fuzzy-PID cho hai trường
hợp: trường hợp không có nhiễu môi trường ngoài và
trường hợp có nhiễu.


max
là góc quay cực đại trong quá trình quá độ,
y
xl
là góc quay lúc xác lập của đáp ứng.

Bảng 3.
PID Fuzzy-PID
Độ vọt lố 3.5% 0.25%
Thời gian quá độ 3.5s 3s

Tổng bình phương sai số của ứng với hai bộ điều khiển
cho bởi bảng 4.

n
tytr
n
t
SSE
2
1
)]()([




(9)
Với: r(t) là góc quay mong muốn ở thời điểm t,
y(t) là góc quay hiện tại ở thời đểm t.


[3] M. Shahinpoor, Y. Bar-Cohen, T. Xue, J.O.
Simpson and J. Smith, Ionic Polymer-Metal
Composites (IPMC) As Biomimetic Sensors and
Actuators, Proceedings of SPIE's 5thAnnual
International Symposium on Smart Structures and
Materials, 1-5 March, 1998, San Diego, CA. Paper
No. 3324-27 .
[4] Paola Brunetto, Luigi Fortuna, Salvatore Graziani
and Salvatore Strazzeri, A model of ionic
polymer–metal composite actuators in underwater
operations, Smart materials and structures, IOP
PUBLISHING, 17 (2008) 025029
[5] Robert C. Richardson, Martin C. Levesley,
Michael D. Brown, Jamie A. Hawkes, Kevin
Watterson, and Peter G. Walker, Control of Ionic
Polymer Metal Composites, IEEE/ASME
transactions on mechatronics, Vol. 8, No. 2, june
2003
[6] Hemantkumar Sahoo, Tej Pavoor and Sreekanth
Vancheeswaran, Actuators based on electroactive
polymers, Current Science, Vol. 81, No. 7, 10
October 2001.
[7] Byungkyu Kim, Byung Mok Kim, Jaewook Ryu,
In-Hwan Oh, Seung-Ki, LeeSeung-Eun, Cha
Jungho Pak, Analysis of mechanical
characteristics of the ionic polymer metal
composite (IPMC) actuator using cast
ion-exchange film, Intelligent Microsystem Center,
Seoul, Korea.
[8] Zeng Chen, Xiaobo Tan, Monolithic fabrication of

Actuator, 2010 IEEE/ASME International
Conference on Advanced Intelligent Mechatronics
Montréal, Canada, July 6-9, 2010.
[15] Su Xu, Bin Liu L, Lina and Hao, A Small Remote
Operated Robotic Fish Actuated by IPMC,
International Conference on Robotics and
Biomimetics Bangkok, February 21 - 26, 2009.
[16] Mart Anton, Andres Punning, Alvo Aabloo, Madis
Listak, Maarja Kruusmaa, Towards a biomimetic
EAP robot, The report of Institute of Technology,
Tartu University.
[17] www.mechanicaltech.com
[18] Benjamin C. Kuo, and Farid Golnaraghi,
Automatic Control Systems, John Wiley and
Sons, Inc., 2003.
[19] Nguyễn Thị Phương Hà, Huỳnh Thái Hoàng, Lí
thuyết điều khiển tự động, Nhà xuất bản Đại Học
Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh,2010.
[20] Nguyễn Gia Minh Thảo, Điền khiển mờ và giao
thức CAN trong đồng bộ tốc độ hệ động cơ DC,
Luận văn tốt nghiệp Khoa Điện- Điện Tử, Trường
Đai Học Bách Khoa TPHCM, năm 2009.
[21] Đỗ Kiến Quốc, Nguyễn Thị Hiền Lương, Bùi
Công Thành, Lê Hoàng Tuấn, Trần Tấn Quốc,
Giáo Trình Sức Bền Vật Liệu, Nhà xuất bản Đại
Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh,2010.