基于神经网络的智能化机构振动主动控制实验研究

　　智能化机构的全部或部分构件由智能材料制成,其中的智能构件不仅具有承载能力,同时还应具有感知、处理、执行等多种功能。理论上,1个智能化机构应集成有传感器、控制系统、作动器3个基本要素。凡未集成控制系统、仅集成了传感器与作动器的机构应称为机敏机构(smart mecha-nisms)。机敏机构是机构智能化发展的一个过渡阶段,学术界将其统称为智能化机构,目前研究中的智能化机构多属此类。智能化机构的主要用途为①创成复杂的运动规律或运动轨迹;②改善机构的动力学品质[1]。本文以集成了传感器与作动器的平面弹性连杆机构为研究对象,以抑制该智能化机构的弹性动力响应为最终目标。

　　以压电元件作为传感器与作动器,采用振动主动控制的方法抑制连杆机构的弹性动力响应,是近年新兴的研究方向。文献[2,3]应用线性最优控制理论,研究了此类智能化机构的振动主动控制问题。目前,该领域的研究工作一般停留于理论研究和计算机仿真,实验研究开展得很少;仅有的几例实验研究控制效果也很不理想,实验与仿真存在着相当程度的差异[4]。产生差异的原因是多方面的,智能化机构的非线性本质与动力学模型的不确定性无疑是其中的关键因素,因此,如何根据实际机构建立较为精确的非线性动力学模型,并提高控制方法的自适应性,已成为智能化机构振动控制所面临的一个亟待解决的问题。

　　1　实验装置及其控制系统

　　智能化机构实验装置见图1,其中刚性曲柄为普通构件,弹性连杆、摇杆为智能构件。智能构件由40Cr板条及板条上粘贴的1对片状压电陶瓷1,2和2对电阻应变计3～6构成。压电陶瓷作为作动器,贴于智能构件正中的上下表面;电阻应变计作为传感器,贴于压电陶瓷的两侧。根据逆压电效应,当压电陶瓷受到电压信号激励时,其长度方向将产生一定的机械应变。由于上下2片压电陶瓷的极化方向相同,产生的应变等值反向,因而对构件形成控制力矩。机构及压电陶瓷的参数见表1。

　　智能化机构由直流电机驱动,由可控硅直流调速装置调整电机转速。采用数字转速表实现电机转速测量。曲柄轴与电机轴之间装有飞轮,其外缘开有齿槽及小孔,可与光电传感器配合产生数据采集的启动信号与采样频率信号。应变计的测量信号经惠斯通电桥送入动态电阻应变仪,应变仪的输出信号经低通滤波器滤波后,由A/D卡采集入计算机(PC586/133)。控制软件运算处理产生的控制信号经D/A卡变换输出,由直流电压放大器放大后施加于压电陶瓷作动器。同时,动态电阻应变仪的低阻输出信号可由光线示波器直接观测。