[发明专利]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

说明书

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。

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。