一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统的制作方法

本实用新型属于结构振动无线主动控制领域，涉及一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统。

背景技术：

结构主动振动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。但是传统的控制多采用有线控制的方法。对于大型结构和不易于实施有线控制的结构(如移动或旋转起重机、石油钻头等设备)而言，以线缆为基础的有线控制大大增加了系统的复杂性，造成维护困难和成本昂贵。与之相比，基于无线传感器网络的结构主动振动控制技术以其搭建方便、费用低廉、易于实施和灵活性强等优点成为了近几年的研究热点。但是无线主动振动控制由于传感信号和控制信号的无线传输而引入了较大的时间延迟，从而大大降低了控制性能，这成为了无线控制技术在结构主动振动控制中应用的瓶颈。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统，主要由以下部件组成：悬臂梁、压电驱动器、功率放大器、A/D转换电路、无线单元、dSPACE控制器、信号调理电路和激光位移传感器。

悬臂梁的末端放置激光位移传感器，悬臂梁振动时，放置于梁末端的激光位移传感器来测量悬臂梁末端位移；激光位移传感器之后顺序连接信号调理电路、A/D转换电路、无线发送单元。悬臂梁末端位移信号经信号调理电路和A/D转换电路后送入第一无线发送单元；无线接收单元接收到信号后送入dSPACE控制器的第一无线接收单元，dSPACE控制器计算并输出控制信号，并经过第二无线发送单元传输。

第二无线接收单元之后连接D/A转换电路、功率放大器和与悬臂梁顶端连接的压电制动器；第二无线接收单元接收到dSPACE控制器发出的控制信号后经D/A转换电路为模拟信号，模拟信号经过功率放大器后驱动压电制动器，使其产生与梁的振动方向相反的作用力，从而抑制梁的振动，实现控制作用。

本实用新型以压电悬臂梁为控制对象，搭建了一套基于WiFi技术的一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统。该系统可以有效补偿无线控制中的时间延迟，显著提高无线控制的性能，且成本低廉，操作方便容易实施，具有广阔的应用前景和实用价值。

附图说明

图1是本实用新型的无线结构主动振动控制系统结构图。

图2是该时延补偿方法构建的时延信号流管道示意图。

图3是离散后的时延信号流管道示意图。

图4是压电悬臂梁模型及相关参数。

图5是有补偿的无线控制和无补偿的无线控制效果对比。

具体实施方式

如图所示，所搭建的悬臂梁无线主动控制系统主要由以下部件组成：悬臂梁；压电驱动器；无线单元；dSPACE控制器；功率放大器；激光位移传感器。实施时，给梁一个初始状态，使梁振动，通过放置于梁末端的激光位移传感器来测量悬臂梁末端位移，位移信号经信号调理电路和A/D转化后送入无线发送单元，无线接收单元接收到信号后送入dSPACE控制器，控制器根据本实用新型提出的结构振动无线主动控制时延补偿方法计算并输出最优控制力，并经过无线发送单元传输，无线接收单元接收到控制信号后经D/A转化为模拟信号，模拟信号经过功率放大后驱动压电制动器，使其产生与梁的振动方向相反的作用力，从而抑制梁的振动，实现控制作用。

本实用新型搭建了一种基于无线传感器网络的结构振动主动控制时延补偿系统。该系统基于被控对象的数学模型，即考虑无线控制引入的时间延迟量为τ的n自由度受控结构运动方程为：

改写成状态空间的形式为：

其中B＝[0 M^-1]^T，C，K，M分别为结构的阻尼，刚度和质量矩阵。E为干扰矩阵，为系统状态，u(t)为控制输入向量，f(t)为扰动向量。

因为时间延迟主要是在无线信号的传递过程中产生的，可建立一个水管模型，假设控制信号流参数为q(v,t)，z为管道长度参数，可以建立控制信号的连续方程为：

其中1/τ为信号流的速度。

则施加在结构上的控制力为：

q(0,t)＝u(t),q(1,t)＝v(t)＝u(t-τ) (4)

对构建的时间延迟管道进行离散化，通过有限差分法可得：

m为离散点数，记q_i(t)＝q(z_i,t),i＝1,2,...m，结合式(4),则式(3)在管道上的不同离散点方程可以写为

根据控制系统离散化方程，扩展原系统的状态向量可得：

其中是2n+(r×m)维的扩展状态向量,且是2n+(r×m)维的扩展系统方阵，且

其中α＝m/τ，I_r为r×r维单位矩阵，为(2n+r×m)×r维扩展控制矩阵，且在理想情况下，干扰项为0。