[實用新型]一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統

有效

• 申請號: 201720992232.9
• 申請日: 2017-08-10
• 公開（公告）號: CN206960977U
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發明（設計）人: 劉志強;李娜;喻言;王國民;毛幸全;郭金河;韓帥
• 申請（專利權）人: 中交公路規劃設計院有限公司;大連理工大學;中交公規土木大數據信息技術（北京）有限公司
• 主分類號: G05D19/02
• 分類號: G05D19/02;G08C17/02
• 代理公司: 大連理工大學專利中心21200
• 代理人: 梅洪玉

技術領域

本實用新型屬于結構振動無線主動控制領域，涉及一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統。

背景技術

結構主動振動控制是土木工程中的主要研究方向，取得了一系列的研究成果。但是傳統的控制多采用有線控制的方法。對于大型結構和不易于實施有線控制的結構(如移動或旋轉起重機、石油鉆頭等設備)而言，以線纜為基礎的有線控制大大增加了系統的復雜性，造成維護困難和成本昂貴。與之相比，基于無線傳感器網絡的結構主動振動控制技術以其搭建方便、費用低廉、易于實施和靈活性強等優點成為了近幾年的研究熱點。但是無線主動振動控制由于傳感信號和控制信號的無線傳輸而引入了較大的時間延遲，從而大大降低了控制性能，這成為了無線控制技術在結構主動振動控制中應用的瓶頸。

實用新型內容

本實用新型要解決的技術問題是提供一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統。

本實用新型采用的技術方案如下：

一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統，主要由以下部件組成：懸臂梁、壓電驅動器、功率放大器、A/D轉換電路、無線單元、dSPACE控制器、信號調理電路和激光位移傳感器。

懸臂梁的末端放置激光位移傳感器，懸臂梁振動時，放置于梁末端的激光位移傳感器來測量懸臂梁末端位移；激光位移傳感器之后順序連接信號調理電路、A/D轉換電路、無線發送單元。懸臂梁末端位移信號經信號調理電路和A/D轉換電路后送入第一無線發送單元；無線接收單元接收到信號后送入dSPACE控制器的第一無線接收單元，dSPACE控制器計算并輸出控制信號，并經過第二無線發送單元傳輸。

第二無線接收單元之后連接D/A轉換電路、功率放大器和與懸臂梁頂端連接的壓電制動器；第二無線接收單元接收到dSPACE控制器發出的控制信號后經D/A轉換電路為模擬信號，模擬信號經過功率放大器后驅動壓電制動器，使其產生與梁的振動方向相反的作用力，從而抑制梁的振動，實現控制作用。

本實用新型以壓電懸臂梁為控制對象，搭建了一套基于WiFi技術的一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統。該系統可以有效補償無線控制中的時間延遲，顯著提高無線控制的性能，且成本低廉，操作方便容易實施，具有廣闊的應用前景和實用價值。

附圖說明

圖1是本實用新型的無線結構主動振動控制系統結構圖。

圖2是該時延補償方法構建的時延信號流管道示意圖。

圖3是離散后的時延信號流管道示意圖。

圖4是壓電懸臂梁模型及相關參數。

圖5是有補償的無線控制和無補償的無線控制效果對比。

具體實施方式

如圖所示，所搭建的懸臂梁無線主動控制系統主要由以下部件組成：懸臂梁；壓電驅動器；無線單元；dSPACE控制器；功率放大器；激光位移傳感器。實施時，給梁一個初始狀態，使梁振動，通過放置于梁末端的激光位移傳感器來測量懸臂梁末端位移，位移信號經信號調理電路和A/D轉化后送入無線發送單元，無線接收單元接收到信號后送入dSPACE控制器，控制器根據本實用新型提出的結構振動無線主動控制時延補償方法計算并輸出最優控制力，并經過無線發送單元傳輸，無線接收單元接收到控制信號后經D/A轉化為模擬信號，模擬信號經過功率放大后驅動壓電制動器，使其產生與梁的振動方向相反的作用力，從而抑制梁的振動，實現控制作用。

本實用新型搭建了一種基于無線傳感器網絡的結構振動主動控制時延補償系統。該系統基于被控對象的數學模型，即考慮無線控制引入的時間延遲量為τ的n自由度受控結構運動方程為：

改寫成狀態空間的形式為：

其中B＝[0 M^-1]^T，C，K，M分別為結構的阻尼，剛度和質量矩陣。E為干擾矩陣，為系統狀態，u(t)為控制輸入向量，f(t)為擾動向量。

因為時間延遲主要是在無線信號的傳遞過程中產生的，可建立一個水管模型，假設控制信號流參數為q(v,t)，z為管道長度參數，可以建立控制信號的連續方程為：

其中1/τ為信號流的速度。

則施加在結構上的控制力為：

q(0,t)＝u(t),q(1,t)＝v(t)＝u(t-τ)(4)

對構建的時間延遲管道進行離散化，通過有限差分法可得：