压电谐振足控制系统的研究

论文摘要

近年来,压电谐振型机器人发展迅速。这种类型的机器人具有节省能源,结构简单,相对运动部件较少因而摩擦、磨损较小,体积小,噪音低等优点。采用弯扭耦合模态足的压电谐振型机器人,由于设计或使用环境的问题,存在着驱动信号频率与压电足固有频率不符而无法达到谐振状态的问题。本文分析了谐振足的压电特性,根据研究需要合理简化谐振足模型,通过解析方法建立了压电悬臂梁和压电谐振足的动力学模型,运用模态分析法简化了压电谐振足动态特性分析过程,基于模态变换后的压电谐振足动力学模型确定了压电致动器最佳位置,得到了固有频率对压电谐振足动态特性的影响曲线。针对谐振足的控制,在研究分析了双互抑驱动神经元算法机理的基础上,提出了应用于压电谐振足控制的控制算法。通过Matlab对算法仿真,显示了算法能有效的实现压电足工作谐振状态;应用了Ansys对受控对象进行了模态分析,得到了实验谐振足的固有频率;并在此基础上进行了算法的瞬态动力学分析,仿真结果与Matlab仿真结果对比分析可以得到:双互抑驱动神经元振动控制算法可以有效控制压电谐振足工作在其谐振点上,压电谐振足动力学模型能较好地反映压电足的动态特性。根据压电信号检测的特殊性研究并设计了压电信号电荷放大电路,研制完成了谐振足控制系统,通过控制系统性能测试证明,该控制系统输出动态特性优良,并能有效检测压电振动信号。通过搭建的实验系统,进行了压电谐振足系统实验,结果表明:双互抑驱动神经元控制方法能有效控制压电足工作在其谐振状态;与恒定频率控制方法对比,谐振足因磨损或有粘着物而固有频率改变时,双互抑驱动神经元控制方法能有效的保持足工作在谐振状态,保持较大的振幅。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及来源
• 1.2 压电谐振驱动的研究综述
• 1.3 压电振动控制的研究综述
• 1.3.1 压电智能建模的研究现状
• 1.3.2 压电控制方法的研究现状
• 1.3.3 压电传感技术的研究现状
• 1.4 本课题的研究内容
• 第2章 压电谐振足动力学研究
• 2.1 引言
• 2.2 谐振足的压电特性
• 2.2.1 压电效应
• 2.2.2 压电方程及振动模式的选择
• 2.3 压电谐振足动力学建模
• 2.3.1 压电谐振足模型简化
• 2.3.2 压电悬臂梁动力学建模
• 2.3.3 压电谐振足动力学建模
• 2.4 压电谐振足动态特性分析
• 2.4.1 动力学方程模态变换
• 2.4.2 压电致动器位置对动态特性的影响
• 2.4.3 固有频率变化对动态特性的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 双互抑驱动神经元控制算法研究
• 3.1 引言
• 3.2 双互抑驱动神经元控制机理
• 3.3 双互抑驱动神经元振动控制模型
• 3.4 压电谐振足控制律设计
• 3.5 控制算法仿真
• 3.5.1 控制算法仿真
• 3.5.2 Ansys模态分析与算法仿真
• 3.6 本章小结
• 第4章 谐振足控制系统的研究
• 4.1 引言
• 4.2 控制系统总体结构
• 4.3 压电信号检测的设计
• 4.3.1 传感压电片的等效电路
• 4.3.2 电荷放大电路设计
• 4.4 主控程序流程图
• 4.5 控制系统性能测试
• 4.5.1 控制系统输出动态特性
• 4.5.2 控制系统压电检测信号测试
• 4.6 本章小结
• 第5章 系统实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 致动压电片/传感压电片的布置
• 5.3 实验系统构建
• 5.4 谐振足系统实验
• 5.4.1 谐振频率追踪实验
• 5.4.2 控制律参数调整实验
• 5.4.3 谐振足模拟运动实验
• 5.4.4 控制算法对比实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢