一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法，系统包括激光位移传感器、数据采集卡、电压放大器、控制器、压电致动器；激光位移传感器实时采集柔性悬臂梁的振动位移信号；数据采集卡将从传感器测得的数据送到控制器进行处理；控制器根据传感器所采集到的振动信号利用时频分析技术估计出干扰的频率，并根据自适应前馈控制算法计算出主动控制所需要的控制电压；电压放大器将控制电压放大使其达到压电致动器的有效工作电压；片状压电陶瓷致动器黏贴在柔性悬臂梁上。采用本发明专利技术后，在控制电压的作用下，由于自身压电特性产生形变从而来抑制甚至消除干扰的振动影响，使柔性悬臂梁能够在工作时有效抑制外界干扰的影响，始终工作在最佳状态。

Flexible cantilever beam structure vibration active control system and method

The invention discloses a flexible cantilever beam structure vibration control system and method, the system includes a laser displacement sensor, data acquisition card, amplifier, voltage controller, piezoelectric actuator; vibration displacement signal laser displacement sensor to collect the flexible cantilever beam; data acquisition card will be measured data from the sensor to the controller for processing; the controller based on the vibration signal collected by the sensor by using time-frequency analysis to estimate the disturbance frequency, and according to the adaptive feedforward control algorithm to calculate the active control voltage required control; voltage amplifier will control the voltage amplification to achieve the effective working voltage of piezoelectric actuator; piezoelectric ceramic actuator sheet pasted on the flexible cantilever beam on. By adopting the invention, the control voltage of the function, because of its piezoelectric properties of deformation to suppress or eliminate the influence of vibration interference, the flexible cantilever beam can effectively suppress the effects of interference in work, always work in the best condition.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法
本专利技术属于梁结构振动主动控制领域，具体涉及一种柔性悬臂梁结构的振动主动控制系统及方法。
技术介绍
目前，在通用机械、纺织、食品、印刷等工业领域广泛使用着以连杆机构为主体的各种高速机构，机构的低阶谐振现象对系统有较大危害。另外，系统中弹性振动的存在会使运动轨迹失真，使输入输出关系产生偏差，对这类机构的有害振动进行有效控制或从振动控制的角度设计相应产品，对提高产品质量，降低由于振动造成的工业噪声具有现实意义。机器人已应用在诸多工业领域,如柔性制造系统、装配系统、空间技术中航天器的回收与释放等，机器人从一个运动状态到另一个运动状态的转换过程中，如从运动状态到抓取状态时，会产生残余振动，残余振动的存在会大大降低机器人的定位精度和抓取精度，影响工作效率。目前，如何迅速地消除柔性机器人残余振动仍是急待解决的难题之一。除此之外，在空间技术和军事工业中具有巨大应用价值的可展系统，如可展天线、太阳帆板、空间站等，实际上也可以看做是一种多自由度开链或闭链柔性机构。近年来，国内外的学者对于柔性结构振动主动控制领域的研究有了很大的提高，从柔性结构的振动特性分析，致动器位置等方面进行了一系列研究和探索，但在控制器的控制能力和设计还存在一些不足，为了进一步提高柔性机构的主动控制性能，将时频分析技术与自适应前馈控制算法结合，估计外界干扰频率，计算出主动控制的电压，结合压电致动器的压电特性，可以完美地抑制干扰的影响(振动抑制比能达到1％)。如果能通过合适的控制手段有效抑制展开过程中所诱发的振动，则可大大提高展开速度，改善系统的稳定性和可靠性。需要对柔性机构的振动进行控制的工程背景还有很多，这里不再一一枚举。总之，系统深入地开展有关柔性机构振动控制方面的研究，既有重要的理论意义，又有重大的应用价值，是十分必要的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法，改善柔性悬臂梁机构的振动主动控制性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统，激光位移传感器、数据采集卡、控制器、电压放大器、压电致动器依次相连，所述压电致动器连接到柔性悬臂梁，所述激光位移传感器连接到柔性悬臂梁；所述激光位移传感器实时采集柔性悬臂梁的振动位移信号，并将数据传送到数据采集卡；数据采集卡将从激光位移传感器测得的数据送到控制器进行处理；控制器根据激光位移传感器所采集到的振动信号利用时频分析技术估计出干扰的频率，并根据自适应前馈控制算法计算出主动控制所需要的控制电压，发出控制指令；电压放大器根据控制指令，将控制电压放大一定倍数使其达到压电致动器的有效工作电压。进一步的，所述压电致动器黏贴在柔性悬臂梁上，在控制电压的作用下产生形变。一种柔性悬臂梁结构振动主动控制方法，包括以下步骤：步骤1：获取系统计算参数；步骤2：获取系统振动信号，即步骤3：计算柔性悬臂梁结构系统模型；步骤4：估计干扰频率，计算主动控制的电压；步骤5：电压放大器放大控制电压，即电压放大器根据控制指令，将控制电压放大使其达到压电致动器的有效工作电压；步骤6：压电致动器在控制电压作用下产生形变。进一步的，所述步骤1计算的参数包括梁的长度L、压电致动器电压常数Ca、梁的杨氏模量Eb、惯性矩I、梁的密度ρb、梁的横截面积Ab、压电致动器左右端位置激光位移传感器测量点位置rb、电荷常数d31、压电致动器的杨氏模量Ea、宽度wa、压电致动器以及梁的厚度ta,tb。进一步的，所述步骤3的模型为其中，rb为激光位移传感器测量点位置，β是电压放大倍数，d31是电荷常数，Ea、ta、wa是压电致动器的杨氏模量、厚度和宽度；频率ωi用求得，其中Eb,I,Ab,Va(r,t),ρb分别表示梁的杨氏模量、惯性矩、截面面积、控制电压、密度。进一步的，所述步骤4具体包括：设置初始控制输入；提取振动信号的主要频率；判断已提取频率的稳定性；设计和执行新的控制输入；根据消失的干扰调整控制输入分量的数量；确定是否需要更新控制输入分量。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术的柔性悬臂梁结构的振动主动控制系统及方法，利用压电材料的压电特性，利用时频分析技术估计干扰频率，自适应前馈控制算法计算控制电压，能够完美的抑制外界干扰的影响，对于位于柔性悬臂梁共振频率点附近的干扰抑制效果更为明显。附图说明图1为本专利技术提供的柔性悬臂梁结构振动主动控制系统框图。图2为本专利技术提供的柔性悬臂梁结构振动主动控制方法流程图。图3是消失干扰时的系统方框图。图4为本专利技术提供的柔性悬臂梁模型结构简图之一。图5为本专利技术提供的柔性悬臂梁模型结构简图之二。图6为本专利技术提供的柔性悬臂梁模型结构简图之三。图7为本专利技术提供的柔性悬臂梁结构振动主动控制方法中步骤4的具体流程图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。本专利技术柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法，包括激光位移传感器、数据采集卡、电压放大器、控制器、压电致动器；所述激光位移传感器与柔性悬臂梁固连，激光位移传感器、数据采集卡、控制器、电压放大器、压电致动器顺次连接；所述压电致动器与柔性悬臂梁固连。其中，激光位移传感器实时采集柔性悬臂梁的振动位移信号，并将数据传送到数据采集卡。数据采集卡将从激光位移传感器测得的数据送到PC机也就是控制器进行处理。控制器根据激光位移传感器所采集到的振动信号利用时频分析技术估计出干扰的频率，并根据自适应前馈控制算法计算出主动控制所需要的控制电压，并发出控制指令。电压放大器根据控制指令，将控制电压放大使其达到压电致动器的有效工作电压。压电致动器黏贴在柔性悬臂梁上，在控制电压的作用下由于自身特性产生形变从而来抑制甚至消除干扰的振动影响，使柔性悬臂梁能够在工作时有效抑制外界干扰的影响，始终工作在最佳状态。本专利技术提供的一种柔性悬臂梁结构振动主动控制方法，如图2所示，具体有以下步骤：S1、获取系统计算参数本专利技术提供的一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统的被控对象等效模型简图如图4至图6所示，这里的计算参数包括梁的长度L，压电致动器电压常数Ca，梁的杨氏模量Eb，惯性矩I，梁的密度ρb，梁的横截面积Ab，压电致动器左右端位置传感器测量点位置rb，电荷常数d31，压电致动器的杨氏模量Ea，宽度wa，压电致动器以及梁的厚度ta,tb。其中，系统指本专利技术提供的一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统。S2、获取系统振动信号与柔性悬臂梁结构固连的激光位移传感器实时采集系统的振动位移信号y，并将数据传送到数据采集卡。由于任何振动信号都可以分解为有限个正弦信号分量的和，所以设干扰包含多个正弦信号，即S3、计算柔性悬臂梁结构系统模型令y(r,t)表示梁测量点处相对于静止位置的弹性位移，该位移可由经典的欧拉伯努利方程表示：其中，Eb,I,Ab,y(r,t),Ca,Va,ρb和β分别表示梁的杨氏模量，惯性矩，截面积，位移，压电常数，压电致动器的控制电压和密度，电压放大倍数。悬臂梁的边界条件为：将位移以下列形式表示：其中φi(r)表示梁的振型，常常表示为如下：φi(r)＝Aisinλir+Bicosλir+Cisinhλir+Dicoshλir(5)振型满足如下的正交性：其中δij是本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统，其特征在于，激光位移传感器、数据采集卡、控制器、电压放大器、压电致动器依次相连，所述压电致动器连接到柔性悬臂梁，所述激光位移传感器连接到柔性悬臂梁；所述激光位移传感器实时采集柔性悬臂梁的振动位移信号，并将数据传送到数据采集卡；数据采集卡将从激光位移传感器测得的数据送到控制器进行处理；控制器根据激光位移传感器所采集到的振动信号利用时频分析技术估计出干扰的频率，并根据自适应前馈控制算法计算出主动控制所需要的控制电压，发出控制指令；电压放大器根据控制指令，将控制电压放大一定倍数使其达到压电致动器的有效工作电压。

【技术特征摘要】
1.一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统，其特征在于，激光位移传感器、数据采集卡、控制器、电压放大器、压电致动器依次相连，所述压电致动器连接到柔性悬臂梁，所述激光位移传感器连接到柔性悬臂梁；所述激光位移传感器实时采集柔性悬臂梁的振动位移信号，并将数据传送到数据采集卡；数据采集卡将从激光位移传感器测得的数据送到控制器进行处理；控制器根据激光位移传感器所采集到的振动信号利用时频分析技术估计出干扰的频率，并根据自适应前馈控制算法计算出主动控制所需要的控制电压，发出控制指令；电压放大器根据控制指令，将控制电压放大一定倍数使其达到压电致动器的有效工作电压。2.如权利要求1所述的一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统，其特征在于，所述压电致动器黏贴在柔性悬臂梁上，在控制电压的作用下产生形变。3.一种柔性悬臂梁结构振动主动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取系统计算参数；步骤2：获取系统振动信号，即步骤3：计算柔性悬臂梁结构系统模型；步骤4：估计干扰频率，计算主动控制的电压；步骤5：电压放大器放大控制电压，即电压放大器根据控制指令，将控制电压放大使其达到压电...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝乔，岳俊洲，熊能，胡广地，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51