CN109211502A - 一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统及实验方法，系统包括基座、悬臂梁、负载质量块、四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片、多通道压电驱动功率放大器、两台电荷放大器、AD采集卡、DA输出卡、两台计算机。扰动压电纤维片作动模拟悬臂梁受到外界扰动后所引起的振动。传感压电纤维片采集悬臂梁的振动信号，计算机依照相应的控制策略运算产生期望的控制信号，经过压电驱动功率放大器放大，输出到抑振压电纤维片，以达到主动消除或者降低悬臂梁振动响应的目的。该实验系统及方法可以对柔性悬臂梁的振动主动控制方法提供实验验证实现手段，并为探索相关控制理论方法的进一步实际应用提供技术实现支撑。

Description

一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统及实验方法

技术领域

本发明属于振动主动控制和减振领域，具体涉及一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统及实验方法。

背景技术

随着我国综合国力的提升和经济转型发展需求的日益增加，我国空间站建设、登月工程有序开展，航空航天事业和高精密机械工程迅猛发展。当前，轻质材料的大量引入以及对系统稳定性和控制精度要求的不断增加，使得越来越多的由若干柔性组件构成的柔性机械臂开始应用到高精密工业和航空航天领域。

然而，由于柔性机械臂的动力学特性十分复杂，是刚柔耦合、运动特性与控制特性高度耦合的复杂非线性系统。柔性机械臂末端的运动是整个机械臂系统的刚体运动和柔性弹性振动相互耦合、相互作用的结果。当前，考虑柔性机械臂外界干扰和不同负载情况下的模型不确定性，在实现柔性机械臂运动控制的同时，有效地抑制柔性机械臂系统的弹性振动，已经成为机器人技术和控制工程领域的一个重点研究方向和研究热点。

智能材料和智能结构的出现和发展提供了解决柔性机械臂振动控制的关键性技术。其中，压电材料的频响范围宽、响应速度快、动态特性好，加工方便、质量轻、便于分布式布置，可以很方便地嵌入到柔性机械臂的各个位置，能够克服其他作动器没有支撑点，无法施加控制力矩的缺陷，特别适合大范围运动的柔性构件、柔性机械臂系统的振动主动控制问题。将压电制动器粘贴在柔性机械臂上，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。

近二十年以来，国内外学者在基于压电材料的结构振动主动控制这一领域的理论和实践研究方面取得了诸多有益成果。大量的理论和实践研究表明，基于压电材料构建智能结构进行振动主动控制是可行的，有其优越性和先进性。

在工业实际与航天任务中，机械臂负载在许多情况不可能是恒定的，多自由度机械臂出现某些关节失效的情况，也会导致柔性机械臂模型产生突变，由此导致控制失效，产生控制发散的严重后果。当前基于单个精确模型的控制策略，很难直接应用于实际的机械臂控制工程中，考虑模型不确定性的鲁棒控制、滑模控制等也很难覆盖整个工作域。因此，对于适用于变负载智能柔性机械臂振动的主动控制方法的研究具有重要意义。一款针对变负载柔性悬臂梁振动主动控制的实验系统，可以提高对于变负载柔性机械臂振动的主动控制方法的研究速度，提升控制方法的稳定性和可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统。

本发明的另一目的在于提供利用上述实验系统的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，包括基座、悬臂梁、负载质量块、四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片、电荷放大器、AD采集卡、目标机、宿主机、DA输出卡、多通道压电驱动功率放大器；所述基座一端与光学隔振台固定连接，基座另一端固定悬臂梁的一端，负载质量块固定安装在悬臂梁的另一端；所述四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片紧密粘贴在悬臂梁上，其中两片传感压电纤维片分别连接两台电荷放大器，所述电荷放大器依次连接AD采集卡、目标机、DA输出卡、多通道压电驱动功率放大器，所述多通道压电驱动功率放大器分别连接四片作动压电纤维片，所述目标机与宿主机之间通过网线连接。

所述基座呈“工”字型，包括底座、支架和顶板，所述底座通过螺栓与光学隔振台固定连接，所述顶板上的夹板通过螺栓紧固悬臂梁，底座和顶板之间通过支架固定。

所述负载质量块有多个重量，用于模拟柔性机械臂的负载变换；其质量分别为悬臂梁质量的5%-80%。

所述四片作动压电纤维片每两片为一组，采用正反对贴的方式粘贴在悬臂梁上；其中，一组用于模拟扰动信号，称为扰动压电纤维片，粘贴在靠近悬臂梁固支端的位置；另一组用于施加主动控制信号，称为抑振压电纤维片，粘贴在靠近悬臂梁自由端的位置。

所述两片传感压电纤维片紧密粘贴在悬臂梁上，其粘贴位置位于扰动压电纤维片和抑振压电纤维片之间，并紧靠两组作动压电纤维片，用于实时采集悬臂梁上的振动信号；其中，紧接悬臂梁固支端的传感压电纤维片称为参考压电纤维片，紧接悬臂梁自由端的传感压电纤维片称为误差压电纤维片。

所述多通道压电驱动功率放大器用于DA输出卡信号的功率放大。

所述两台电荷放大器分别用于放大两片传感压电纤维片所采集到的电压信号。

所述目标机与宿主机借助MATLAB软件构建xPC实时控制系统。

所述AD采集卡、DA输出卡分别用于信号的模数、数模转换，通过插槽接口安装在目标机中。

优选的，所述扰动信号可以根据实际实验需要设计，比如冲击扰动、正弦扰动、噪声扰动等模拟实际应用环境中的扰动信号。

优选的，所述AD采集卡、DA输出卡能够满足各种多输入/多输出控制以及在线实时辨识的要求，且支持多种编程语言及Simulink、Labview等图形化编程。

具体实施时，目标机先通过DA输出卡输出预先设定好的扰动信号，经过多通道压电驱动功率放大器放大，输出给扰动压电纤维片。扰动压电纤维片引起悬臂梁的振动，模拟悬臂梁受到外界扰动后所引起的振动。粘贴在悬臂梁上的参考压电纤维片和误差压电纤维片检测到悬臂梁的振动信号，经过电荷放大器的放大，输出给AD采集卡，其后目标机依照相应的控制策略运算产生期望的控制信号，通过DA输出卡输出，并经过多通道压电驱动功率放大器放大，输出到抑振压电纤维片，从而对悬臂梁产生控制作用力，实现对其结构振动响应的实时抵消，以达到主动消除或者降低悬臂梁振动响应的目的。

一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验方法，应用上述的实验系统，操作步骤如下：

1）将基座固定在光学隔振台上，安装悬臂梁到基座上；

2）选择合适重量的负载质量块并固定安装至悬臂梁底部的圆孔中；

3）启动目标机和宿主机，进入xPC实时控制系统，将宿主机中根据实际需求设定好模拟扰动信号及实验用的主动控制方法下载至目标机中；

4）启动电荷放大器；

5）启动多通道压电驱动功率放大器；

6）启动xPC实时控制系统，实时采集悬臂梁振动响应信号并输出抑振作动信号，对悬臂梁的振动进行抑制；

7）在目标机的示波器中观测悬臂梁的振动控制效果；

8）暂停xPC实时控制系统，更换悬臂梁底部的负载质量块，并再次启动xPC实时控制系统；

9）在目标机的示波器中观测悬臂梁的振动控制效果。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

（1）本实验系统配有与悬臂梁自重相匹配的不同重量的负载质量块，通过螺栓固定连接在悬臂梁底端，方便拆卸和安装，可以对柔性机械臂结构的变负载振动控制进行较好的模拟和研究。

（2）本实验系统中的扰动信号可以自主设计，更利于模拟实际应用环境中的扰动情况，实验结果更加可靠。

（3）本发明所提供的实验系统及实验方法，可用于验证和对比各种机器人悬臂结构的振动主动控制算法的有效性及实用性，为基于压电结构的振动主动控制实验研究提供了一个开放的软硬件平台。

附图说明

图1为本发明实验系统的示意图。

图2为本发明实验系统中悬臂梁装置的结构主视图。

图3为本发明实验系统中悬臂梁装置的结构左视图。

图4为本发明实施例中控制运算流程图。

图5位本发明实施例中所运用的FxLMS控制算法的结构图。

图6为本发明实施例中基于FxLMS控制算法的振动控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图1、图2和图3所示，一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，包括基座1、悬臂梁2、负载质量块3、四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片、电荷放大器6、AD采集卡7、目标机8、宿主机9、DA输出卡10、多通道压电驱动功率放大器11；所述基座1一端与光学隔振台固定连接，基座1另一端固定悬臂梁2的一端，负载质量块3固定安装在悬臂梁2的另一端；所述四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片紧密粘贴在悬臂梁2上，其中两片传感压电纤维片分别连接两台电荷放大器6，所述电荷放大器6依次连接AD采集卡7、目标机8、DA输出卡10、多通道压电驱动功率放大器11，所述多通道压电驱动功率放大器11分别连接四片作动压电纤维片，所述目标机8与宿主机9之间通过网线连接。

所述基座1呈“工”字型，包括底座1-1、支架1-2和顶板1-3，所述底座1-1通过螺栓与光学隔振台固定连接，所述顶板1-3上的夹板通过螺栓紧固悬臂梁2，底座1-1和顶板1-3之间通过支架1-2固定。所述悬臂梁2为尺状，长度为50cm，密度为8g/cm³，泊松比为0.29，弹性模量为190GPa，屈服强度为206MPa，质量约为140g。

所述负载质量块3有多个重量，用于模拟柔性机械臂的负载变换；本实施例中其质量分别为悬臂梁质量的5%，10%，15%，20%，25%，30%，35%，40%，45%，50%，55%，60%，65%，70%，75%，80%。

所述AD采集卡7和DA输出卡10选用NI公司的PCI-6289型号的数据采集卡。PCI-6289型号的数据采集卡通过PCI插槽接口与目标机8相连接。

所述扰动压电纤维片4-1、抑振压电纤维片4-2的长度为6.6cm，所述参考压电纤维片5-1和误差压电纤维片5-2的长度为1.6cm。所述扰动压电纤维片4-1的粘贴位置紧贴悬臂梁的固支端，所述抑振压电纤维片4-2粘贴的中心位置距离悬臂梁的固支端长度为24.2cm。

所述目标机8与宿主机9选用研华公司的ACP-4020型号工控机。

所述电荷放大器6选用江苏联能电子有限公司的YE5852A型号电荷放大器。

所述多通道压电驱动功率放大器11选用哈尔滨芯明天公司的E00.A4型号功率放大器。

具体实施时，目标机8先通过DA输出卡10输出预先设定好的扰动信号，经过多通道压电驱动功率放大器11放大，输出给扰动压电纤维片4-1。扰动压电纤维片4-1引起悬臂梁2的振动，模拟悬臂梁2受到外界扰动后所引起的振动。粘贴在悬臂梁2上的参考压电纤维片5-1和误差压电纤维片5-2检测到悬臂梁2的振动信号，信号经过电荷放大器6的放大，输出给AD采集卡7，其后目标机8依照相应的控制策略运算产生期望的控制信号，通过DA输出卡10输出，并经过多通道压电驱动功率放大器11放大，输出到抑振压电纤维片4-2，从而对悬臂梁2产生控制作用力，实现对其结构振动响应的实时抵消，以达到主动消除或者降低悬臂梁2振动响应的目的。

如图4所示，一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验方法，应用上述的实验系统，操作步骤如下：

1）将基座1固定在光学隔振台上，安装悬臂梁2到基座1的顶板1-3上；

2）选择合适重量的负载质量块3并固定安装至悬臂梁2底部的圆孔中；

3）启动目标机8和宿主机9，进入xPC实时控制系统，将宿主机9中根据实际需求设定好模拟扰动信号及实验用的主动控制方法下载至目标机8中；

4）启动电荷放大器6；

5）启动多通道压电驱动功率放大器11；

6）启动xPC实时控制系统，实时采集悬臂梁2振动响应信号并输出抑振作动信号，对悬臂梁2的振动进行抑制；

7）在目标机8的示波器中观测悬臂梁2的振动控制效果；

8）暂停xPC实时控制系统，更换悬臂梁2底部的负载质量块3，并再次启动xPC实时控制系统；

9）在目标机8的示波器中观测悬臂梁2的振动控制效果。

具体实施时，振动主动控制算法的控制流程如图4所示。首先初始化AD采集卡7和DA输出卡10，然后施加扰动信号给悬臂梁2，模拟外界环境扰动所引起的振动。此时，通过传感压电纤维片采集悬臂梁2的振动信号，作为主动控制算法的输入，通过算法的运算输出控制信号给悬臂梁2进行抑振。判断控制是否结束；如果没有结束，则继续采集悬臂梁2的振动信号，控制算法运算，继而输出抑振信号。

FxLMS算法是振动主动控制中最常用的自适应控制算法之一，其算法结构框图如图5所示，将外界扰动所引起的振动信号以一定的采样率进行采样产生序列，作为自适应滤波器的输入，称为参考信号。控制器的输出是由输入信号序列与自适应滤波器内积运算得到，滤波器输出与扰动信号同时作用于控制对象，可以得到残余误差。

基于FxLMS控制算法的悬臂梁振动主动控制时间历程与综合控制效果如图6所示，采样频率1kHz，在实验时间5s时施加控制算法输出。通过图6可以看出在时施加振动控制后，悬臂梁的振动响应得到了明显的抑制。

Claims (6)

1.一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，其特征在于，包括基座（1）、悬臂梁（2）、负载质量块（3）、四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片、电荷放大器（6）、AD采集卡（7）、目标机（8）、宿主机（9）、DA输出卡（10）、多通道压电驱动功率放大器（11）；所述基座（1）一端与光学隔振台固定连接，基座（1）另一端固定悬臂梁（2）的一端，负载质量块（3）固定安装在悬臂梁（2）的另一端；所述四片作动压电纤维片、两片传感压电纤维片紧密粘贴在悬臂梁（2）上，其中两片传感压电纤维片分别连接两台电荷放大器（6），所述电荷放大器（6）依次连接AD采集卡（7）、目标机（8）、DA输出卡（10）、多通道压电驱动功率放大器（11），所述多通道压电驱动功率放大器（11）分别连接四片作动压电纤维片，所述目标机（8）与宿主机（9）之间通过网线连接。

2.根据权利要求1所述的变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，其特征在于，所述基座（1）呈“工”字型，包括底座（1-1）、支架（1-2）和顶板（1-3），所述底座（1-1）通过螺栓与光学隔振台固定连接，所述顶板（1-3）上的夹板通过螺栓紧固悬臂梁（2），底座（1-1）和顶板（1-3）之间通过支架（1-2）固定。

3.根据权利要求1所述的变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，其特征在于，所述负载质量块（3）有多个重量，用于模拟柔性机械臂的负载变换；其质量分别为悬臂梁（2）质量的5%-80%。

4.根据权利要求1所述的变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，其特征在于，所述四片作动压电纤维片每两片为一组，采用正反对贴的方式粘贴在悬臂梁（2）上；其中，一组用于模拟扰动信号，称为扰动压电纤维片（4-1），粘贴在靠近悬臂梁（2）固支端的位置；另一组用于施加主动控制信号，称为抑振压电纤维片（4-2），粘贴在靠近悬臂梁（2）自由端的位置。

5.根据权利要求1所述的变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验系统，其特征在于，所述两片传感压电纤维片紧密粘贴在悬臂梁（2）上，其粘贴位置位于扰动压电纤维片（4-1）和抑振压电纤维片（4-2）之间，并紧靠两组作动压电纤维片，用于实时采集悬臂梁（2）上的振动信号；其中，紧接悬臂梁（2）固支端的传感压电纤维片称为参考压电纤维片（5-1），紧接悬臂梁（2）自由端的传感压电纤维片称为误差压电纤维片（5-2）。

6.一种变负载柔性悬臂梁振动主动控制实验方法，应用上述的实验系统，其特征在于，操作步骤如下：

1）将基座（1）固定在光学隔振台上，安装悬臂梁（2）到基座（1）上；

2）选择合适重量的负载质量块（3）并固定安装至悬臂梁（2）底部的圆孔中；

3）启动目标机（8）和宿主机（9），进入xPC实时控制系统，将宿主机（9）中根据实际需求设定好模拟扰动信号及实验用的主动控制方法下载至目标机（8）中；

4）启动电荷放大器（6）；

5）启动多通道压电驱动功率放大器（11）；

6）启动xPC实时控制系统，实时采集悬臂梁（2）振动响应信号并输出抑振作动信号，对悬臂梁（2）的振动进行抑制；

7）在目标机（8）的示波器中观测悬臂梁（2）的振动控制效果；

8）暂停xPC实时控制系统，更换悬臂梁（2）底部的负载质量块（3），并再次启动xPC实时控制系统；

9）在目标机（8）的示波器中观测悬臂梁（2）的振动控制效果。