[发明专利]一种柔性悬臂梁结构振动主动控制系统及方法

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用的技术方案是：

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C_a、梁的杨氏模量E_b、惯性矩I、梁的密度ρ_b、梁的横截面积A_b、压电致动器左右端位置激光位移传感器测量点位置r_b、电荷常数d₃₁、压电致动器的杨氏模量E_a、宽度w_a、压电致动器以及梁的厚度t_a,t_b。

进一步的，所述步骤3的模型为其中，r_b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，E_a、t_a、w_a是压电致动器的杨氏模量、厚度和宽度；频率ω_i用求得，其中E_b,I,A_b,V_a(r,t),ρ_b分别表示梁的杨氏模量、惯性矩、截面面积、控制电压、密度。