基于WSN的悬臂梁结构无线控制系统的设计和初步验证

摘要

目前，悬臂梁结构被广泛使用于土木结构中，但由于这些梁结构在受到外力作用时会产生持续的振动，严重影响结构的工作性能和服役时间。因此，对这类结构进行振动控制颇为重要。振动主动控制精度高，自适应调节能力强，在结构振动控制中被广泛应用。压电材料可以提供廉价可靠并且无损于结构的驱动和传感方式，在土木工程中有很多采用压电材料进行结构振动控制的研究。在传统的传感器实际应用中，要通过导线实现信息交互，使得系统成本增加，维护困难，设计也更加复杂。
　　本文基于上述因素，设计了一种无线控制系统并通过实验对其进行初步验证，该系统采用嵌入式技术和无线传感器技术，不仅能够有效对悬臂梁结构振动进行控制，而且体积小、功耗低、布线少、基本不会对土木结构造成任何损伤。
　　本文工作内容包括:首先，在研究压电效应的原理基础上，通过实验获得了压电材料传感和执行的特性;其次，在熟悉结构振动控制理论的基础上，完成了本系统的算法设计;再次，对本文研究对象悬臂梁结构进行了建模分析;然后，基于无线传感器网络技术，搭建了悬臂梁无线控制系统，该系统包括悬臂梁、PVDF传感器、信号调理电路、A/D采集板卡、控制运算单元、D/A输出板卡、功率放大器、压电双晶片驱动器，以嵌入PD（比例微分）控制算法的DSP作为核心控制运算单元，PVDF采集结构振动的参数，经单片机A/D转换后通过无线方式传给DSP，DSP通过控制算法计算输出控制值，并用D/A输出、功率放大器放大输出信号来驱动压电双晶片，达到控制结构振动的目的，上述系统实验结果表明，结构振动时间缩短为不加控制时的1/6，验证了该系统的可行性。
　　最后，针对搭建的无线控制系统中间环节产生的延时问题，提出了有效的优化方案并进行相关仿真和实验。本研究所开发的无线控制系统，简单高效，可为实际工程借鉴，具有一定的实用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 结构振动控制发展

1．3 无线传感器网络概述

1．4 无线控制初步进展

1．5 本文的工作内容

2 压电材料及振动控制机理

2．1 压电材料简介

2．2 压电材料的结构振动控制机理

2．3 压电耦合方程

2．3．1 压电材料的弹性

2．3．2 压电材料的介电性

2．3．3 压电材料的压电效应和逆压电效应

2．3．4 压电方程

2．4 压电材料的输出特性实验

2．4．1 压电双晶片的输出特性实验

2．4．2 PVDF的输出特性实验

2．5 本章小结

3 结构振动控制原理及系统设计

3．1 振动控制算法介绍

3．2 PID控制算法

3．2．1 PID控制的定义

3．2．2 PID控制的参数选取

3．2．3 本系统应用的控制算法

3．3 二次型最优控制

3．4 本章小结

4 系统建模仿真

4．1 悬臂梁力学模型的建立

4．1．1 悬臂梁系统模型

4．1．2 悬臂梁的传感方程

4．1．3 悬臂梁的执行方程

4．1．4 悬臂梁的状态空间方程

4．2 MATLAB仿真

4．2．1 仿真环境介绍

4．2．2 开环系统控制

4．2．3 闭环系统控制

4．3 本章小结

5 悬臂梁结构无线振动控制系统实验研究

5．1 系统架构介绍

5．1．1 悬臂梁模型搭建

5．1．2 实验设备介绍

5．2 系统的硬件设计

5．2．1 传感信号调理电路

5．2．2 A/D模块

5．2．3 无线数传模块

5．2．4 D/A模块

5．2．5 控制信号调理电路

5．3 系统的软件设计

5．4 数据采集单元

5．5 系统的实验研究

5．5．1 扫频实验

5．5．2 有线控制实验

5．5．3 无线控制实验

5．6 系统优化研究

5．7 本章小结

结论

参考文献

附录A MSP430单片机采集发送程序

附录B DSP28335芯片接收控制程序

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢