基于DSP的柔性结构振动控制系统

　　1　引言

　　柔性结构振动控制是当前振动工程研究的热门课题之一,其思想是通过一定的工艺措施把功能材料(传感器和制动器)与结构材料相结合形成层状复合材料或将功能材料粘贴在结构材料表面,使结构本身不仅具有承受载荷的能力,还具有振动自检测功能,通过与之配套的测控系统和控制算法,能自适应控制制动器,使之产生变形,从而改变结构材料的应力状态或阻尼,达到振动控制的目的,形成一种柔性智能结构。本文利用压电材料作为传感器和制动器〔1〕,对柔性结构进行了振动控制研究。本文主要介绍神经网络控制算法及基于PC486和DPS(数字信号处理器)的主从式控制系统。

　　2　控制算法

　　基于神经网络的振动控制原理〔2〕如图1所示,神经网络由一个输入层,一个非线性隐层和一个线性输出层组成。振动控制的目标是使下面的误差函数最小:

式中Ne——系统中误差传感器的数量:

　　Pi(k)、ci(k)——分别为第i个传感器处k时刻的扰动量和控制量:

　　上述目标可通过下面的梯度下降算法调整神经网络的权值达到:

　　参考信号输入与误差输出之间的单信号通道如图2所示,图中wlq和wjl分别为神经网络隐层和输出层权值。

　　第i个误差传感器处的控制量ci(k)为:

式中No——制动器数量

　　Nh——隐层节点数

　　*——卷积操作符

　　TFij——第j个制动器与第i个传感器之间的传递函数

　　振动控制算法包括输出层和隐层的训练算法:输出层的训练算法为:

式中u——收敛系数

　　i和j——分别为第i个传感器和第j个致动器

　　式(4)和(7)即为振动控制的神经网络算法。参考信号的选取原则上要求其与外扰信号相关,传递函数TFij选用ARX模型,通过实验建模的方法〔3〕获得。

　　3　控制系统设计

　　3.1　硬件设计

　　振动控制的最终实现除控制算法外,还依赖于具体的控制系统,为此本文研制了相应的控制系统,如图3所示。

　　系统中多路模拟开关采用AD7506,A/D转换器为AD678。为了使压电制动器产生较大应变以产生足够的驱动能力,研制了高压功率放大器,其输出信号幅值为±250V,经使用,可以满足要求。

　　主从式系统由PC486和TMS320C25 DSP〔4〕组成,如图4所示,其作用是控制数据采集、进行高速信号处理以实现控制算法。为了实现实时处理,在从机板上设置了公用双端口存储器,从机板上的存储器映像到主机PC486地址空间内,主机和从机在切换逻辑控制下,能交替地存储这块区域,通过读写公共存储区实现彼此间的数据通信。PC486主机通过命令寄存器发出控制命令,启动或关闭从机,管理主机与从机DSP之间的总线转换,对公共存储器进行切换控制。此外,主、从机可通过八位双向数据口发送数据至对方,或接收对方的数据,这样,主机可以掌握从机的工作状态。