本實用新型屬于梁結(jié)構(gòu)振動主動控制領(lǐng)域，具體涉及一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)的振動主動控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，在通用機械、紡織、食品、印刷等工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用著以連桿機構(gòu)為主體的各種高速機構(gòu)，機構(gòu)的低階諧振現(xiàn)象對系統(tǒng)有較大危害。另外，系統(tǒng)中彈性振動的存在會使運動軌跡失真，使輸入輸出關(guān)系產(chǎn)生偏差，對這類機構(gòu)的有害振動進行有效控制或從振動控制的角度設(shè)計相應(yīng)產(chǎn)品，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低由于振動造成的工業(yè)噪聲具有現(xiàn)實意義。

機器人已應(yīng)用在諸多工業(yè)領(lǐng)域,如柔性制造系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、空間技術(shù)中航天器的回收與釋放等，機器人從一個運動狀態(tài)到另一個運動狀態(tài)的轉(zhuǎn)換過程中，如從運動狀態(tài)到抓取狀態(tài)時，會產(chǎn)生殘余振動，殘余振動的存在會大大降低機器人的定位精度和抓取精度，影響工作效率。

目前，如何迅速地消除柔性機器人殘余振動仍是急待解決的難題之一。除此之外，在空間技術(shù)和軍事工業(yè)中具有巨大應(yīng)用價值的可展系統(tǒng)，如可展天線、太陽帆板、空間站等，實際上也可以看做是一種多自由度開鏈或閉鏈柔性機構(gòu)。近年來，國內(nèi)外的學(xué)者對于柔性結(jié)構(gòu)振動主動控制領(lǐng)域的研究有了很大的提高，從柔性結(jié)構(gòu)的振動特性分析，致動器位置等方面進行了一系列研究和探索，但在控制器的控制能力和設(shè)計還存在一些不足，為了進一步提高柔性機構(gòu)的主動控制性能，將時頻分析技術(shù)與自適應(yīng)前饋控制算法結(jié)合，估計外界干擾頻率，計算出主動控制的電壓，結(jié)合壓電致動器的壓電特性，可以完美地抑制干擾的影響(振動抑制比能達到1％)。

如果能通過合適的控制手段有效抑制展開過程中所誘發(fā)的振動，則可大大提高展開速度，改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。需要對柔性機構(gòu)的振動進行控制的工程背景還有很多，這里不再一一枚舉?？傊?，系統(tǒng)深入地開展有關(guān)柔性機構(gòu)振動控制方面的研究，既有重要的理論意義，又有重大的應(yīng)用價值，是十分必要的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)，為改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動主動控制性能提供硬件條件，依托于本控制系統(tǒng)，設(shè)定相應(yīng)的控制過程即可改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動控制性能。

為解決上述技術(shù)問題，本實用新型采用的技術(shù)方案是：

一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)，激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、控制器、電壓放大器、壓電致動器依次相連，所述壓電致動器連接到柔性懸臂梁，所述激光位移傳感器連接到柔性懸臂梁；

所述激光位移傳感器實時采集柔性懸臂梁的振動位移信號，并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集卡；數(shù)據(jù)采集卡將從激光位移傳感器測得的數(shù)據(jù)送到控制器進行處理；控制器根據(jù)激光位移傳感器所采集到的振動信號利用時頻分析技術(shù)估計出干擾的頻率，并根據(jù)自適應(yīng)前饋控制算法計算出主動控制所需要的控制電壓，發(fā)出控制指令；電壓放大器根據(jù)控制指令，將控制電壓放大一定倍數(shù)使其達到壓電致動器的有效工作電壓。

進一步的，所述壓電致動器黏貼在柔性懸臂梁上，在控制電壓的作用下產(chǎn)生形變。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果是：本裝置為改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動主動控制性能提供硬件條件，依托于本控制系統(tǒng)，設(shè)定相應(yīng)的控制過程即可改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動控制性能，利用壓電材料的壓電特性，利用時頻分析技術(shù)估計干擾頻率，自適應(yīng)前饋控制算法計算控制電壓，能夠完美的抑制外界干擾的影響，對于位于柔性懸臂梁共振頻率點附近的干擾抑制效果更為明顯。

附圖說明

圖1為本實用新型提供的柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為本實用新型提供的柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制方法流程圖。

圖3是消失干擾時的系統(tǒng)方框圖。

圖4為本實用新型提供的柔性懸臂梁模型結(jié)構(gòu)簡圖之一。

圖5為本實用新型提供的柔性懸臂梁模型結(jié)構(gòu)簡圖之二。

圖6為本實用新型提供的柔性懸臂梁模型結(jié)構(gòu)簡圖之三。

圖7為本實用新型提供的柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制方法中步驟4的具體流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本實用新型作進一步詳細(xì)的說明。

本實用新型柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)，包括激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電壓放大器、控制器、壓電致動器；所述激光位移傳感器與柔性懸臂梁固連，激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、控制器、電壓放大器、壓電致動器順次連接；所述壓電致動器與柔性懸臂梁固連。

其中，激光位移傳感器實時采集柔性懸臂梁的振動位移信號，并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集卡。數(shù)據(jù)采集卡將從激光位移傳感器測得的數(shù)據(jù)送到PC機也就是控制器進行處理?？刂破鞲鶕?jù)激光位移傳感器所采集到的振動信號利用時頻分析技術(shù)估計出干擾的頻率，并根據(jù)自適應(yīng)前饋控制算法計算出主動控制所需要的控制電壓，并發(fā)出控制指令。電壓放大器根據(jù)控制指令，將控制電壓放大使其達到壓電致動器的有效工作電壓。

壓電致動器黏貼在柔性懸臂梁上，在控制電壓的作用下由于自身特性產(chǎn)生形變從而來抑制甚至消除干擾的振動影響，使柔性懸臂梁能夠在工作時有效抑制外界干擾的影響，始終工作在最佳狀態(tài)。

本實用新型為改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動主動控制性能提供硬件條件，依托于本控制系統(tǒng)，設(shè)定相應(yīng)的控制過程即可改善柔性懸臂梁機構(gòu)的振動控制性能。例如，在本實用新型控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提供一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制方法，如圖2所示，具體有以下步驟：

S1、獲取系統(tǒng)計算參數(shù)

本實用新型提供的一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)的被控對象等效模型簡圖如圖4至圖6所示，這里的計算參數(shù)包括梁的長度L，壓電致動器電壓常數(shù)C_a，梁的楊氏模量E_b，慣性矩I，梁的密度ρ_b，梁的橫截面積A_b，壓電致動器左右端位置傳感器測量點位置r_b，電荷常數(shù)d₃₁，壓電致動器的楊氏模量E_a，寬度w_a，壓電致動器以及梁的厚度t_a,t_b。其中，系統(tǒng)指本實用新型提供的一種柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)。

S2、獲取系統(tǒng)振動信號

與柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)固連的激光位移傳感器實時采集系統(tǒng)的振動位移信號y，并將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)采集卡。由于任何振動信號都可以分解為有限個正弦信號分量的和，所以設(shè)干擾包含多個正弦信號，即

S3、計算柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模型

令y(r,t)表示梁測量點處相對于靜止位置的彈性位移，該位移可由經(jīng)典的歐拉伯努利方程表示：

其中，E_b,I,A_b,y(r,t),C_a,V_a,ρ_b和β分別表示梁的楊氏模量，慣性矩，截面積，位移，壓電常數(shù)，壓電致動器的控制電壓和密度，電壓放大倍數(shù)。懸臂梁的邊界條件為：

將位移以下列形式表示：

其中φ_i(r)表示梁的振型，常常表示為如下：

φ_i(r)＝A_isinλ_ir+B_icosλ_ir+C_i sinhλ_ir+D_icoshλ_ir (5)

振型滿足如下的正交性：

其中δ_ij是克羅內(nèi)克函數(shù)，即利用振型的正交性特點和邊界條件，可得：

其中λ_i是如下方程的解：

1+cosλ_iL coshλ_iL＝0 (9)

將歐拉伯努利方程(2)兩邊同時乘以φ_j(r)然后再從[0,L]積分可得：

電壓V_a(r,t)在區(qū)間是常數(shù)，式(10)的左邊可以寫為：

注意φ_i″″(r)＝λ⁴φ_i，第i階模態(tài)方程為：

由上述模態(tài)方程(12)得到關(guān)于壓電致動器控制電壓與位移的傳遞函數(shù)模型：

其中，r_b位傳感器測量點位置，β是電壓放大倍數(shù)，d₃₁是電荷常數(shù)，E_a、t_a、w_a是壓電致動器的楊氏模量、厚度和寬度。頻率ω_i利用求得，其中E_b,I,A_b,V_a(r,t),ρ_b分別表示梁的楊氏模量，慣性矩，截面面積，控制電壓，密度。

S4、實時估計出外界干擾的頻率

S41、設(shè)置初始控制輸入u^*和子輸入u_i的數(shù)量N^*和頻率為ω_i的正弦干擾；令u^*＝0和N^*＝0。

S42、提取振動信號的主要頻率。對于柔性機構(gòu)一個很重要的特點是如果系統(tǒng)輸入為正弦那么系統(tǒng)也會輸出相同頻率的正弦。因此可以利用短時傅里葉變換(STFT)根據(jù)系統(tǒng)振動信號去提取該未知頻率。令f_t¹,f_t²,…,f_t^vt為在時間t時提取出的振動信號的頻率，但是值得注意的是這其中可能包含了隨機干擾的干擾頻率。

S43、判斷已提取頻率的穩(wěn)定性。由于隨機干擾產(chǎn)生的頻率是隨著時間快速無規(guī)律改變的，短時間內(nèi)不變的頻率一定是由S41設(shè)置的正弦干擾產(chǎn)生的。接下來提取這些不變的頻率。如果給定一個正整數(shù)κ和一個足夠小的正數(shù)ε，存在一個正整數(shù)v使不等式

||Ψ_v,κ(t)||＜ε (14)

成立，其中v_m是使式(1)成立的v的最大值，

那么頻率f_t¹,f_t²,…,可以被看做是穩(wěn)定的，通常κ為3～5。

S44、設(shè)計和執(zhí)行新的基于AFC的控制輸入分量u_i。AFC算法可以被歸納為如下公式：

其中u_i(t)是控制子輸入，是頻率為ω_i的正弦分量，g＞0是自適應(yīng)增益，G_R(ω_i),G_I(ω_i)分別是式(13)中傳遞函數(shù)的實部與虛部，分別是θ_c,i,θ_s,i的估計值。在這步驟中，外部干擾會增加一些新的正弦分量，并且不能被當(dāng)前的控制輸入u^*所消除。接下來，需要去設(shè)計新的基于自適應(yīng)前饋控制算法的控制輸入去抑制被S43辨識出頻率的干擾。也就是說如果式(1)不成立，那么返回到S42繼續(xù)執(zhí)行，否則，令控制輸入u^*為

其中u_i是由式(16)計算出來的頻率為的控制輸入。此外，控制子輸入的數(shù)量為N^*+v_m。

S45、根據(jù)消失的干擾的調(diào)整數(shù)量N^*。根據(jù)圖3可知，基于AFC的控制輸入u₁趨近于零如果其對應(yīng)的正弦分量干擾d_e,1消失了。此外，還保留不變的干擾分量其控制輸入和整個控制對象擴展為一個新的系統(tǒng)。由穩(wěn)定性條件可知u₁→d_e,1，如果d_e,1→0，那么u₁→0。因此，對于控制子輸入u_i和足夠小的正整數(shù)ε₁，可以得到如果|u_i|＜ε₁，那么u_i＝u_i+1,N^*＝N^*-1。

S46、確定是否需要更新控制輸入分量u_i。對于一個足夠小的正整數(shù)ε₂，如果系統(tǒng)輸出|y(t)|＜ε₂，那么執(zhí)行之前的控制輸入u^*。否則，返回到S42。

S5、電壓放大器放大控制電壓

電壓放大器根據(jù)控制指令，將控制電壓放大使其達到壓電致動器的有效工作電壓。

S6、壓電致動器在控制電壓作用下產(chǎn)生形變

壓電致動器黏貼在懸臂梁上，在控制電壓的作用下由于自身特性產(chǎn)生形變從而來抑制甚至消除干擾的振動影響，使柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)能夠在工作時有效抑制外界干擾的影響，始終工作在最佳狀態(tài)。該柔性懸臂梁結(jié)構(gòu)振動主動控制系統(tǒng)利用壓電材料的壓電特性，控制器利用時頻分析技術(shù)估計出干擾的頻率，并根據(jù)自適應(yīng)前饋控制算法計算出主動控制所需要的控制電壓，能夠完美的抑制外界干擾的影響，對于位于柔性懸臂梁共振頻率點附近的干擾抑制效果更為明顯。