基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的液壓振動(dòng)系統(tǒng)研究

郭志剛，李文選，馮繼剛

(河北工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

隨著科學(xué)技術(shù)步伐的加快，液壓振動(dòng)系統(tǒng)在各個(gè)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，目前對其研究多為建立系統(tǒng)模型，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)對系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)優(yōu)化計(jì)算［1－5]。周順等［6]曾提出過模態(tài)控制方法，但未見基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對液壓振動(dòng)系統(tǒng)模型進(jìn)行的研究。本文通過立體正交試驗(yàn)找出訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真軟件得出最佳優(yōu)化組合，為液壓振動(dòng)系統(tǒng)的分析和改進(jìn)提供參考。

1 液壓激振基本原理

液壓振動(dòng)壓路機(jī)的關(guān)鍵部件是二自由度振動(dòng)輪。工作時(shí)，液壓激振的工作部件振動(dòng)輪直接與被壓實(shí)材料接觸;液壓振動(dòng)輪的配重通過差動(dòng)油缸的活塞桿和活塞筒懸掛在滾筒內(nèi);激波器使液壓系統(tǒng)產(chǎn)生類正弦液壓波，波通過油缸將激振力作用于配重，使配重上下運(yùn)動(dòng)，在慣性的作用下，帶動(dòng)振動(dòng)輪振動(dòng)。其組成如圖1所示。

圖1中K、C分別表示配重和振動(dòng)輪之間的剛度和阻尼，計(jì)算公式如下:

式中:η—流體動(dòng)力黏度;l—柱塞的厚度;D1—缸壁內(nèi)徑;d1—活塞直徑;G—剪切彈性模量;D2—彈簧中徑;d2—彈簧絲直徑;n—彈簧有效圈數(shù)。

2 液壓振動(dòng)輪的模型試驗(yàn)

2.1 安排立體正交試驗(yàn)

液壓激振振動(dòng)試驗(yàn)選取4個(gè)試驗(yàn)因素，每個(gè)試驗(yàn)因素選擇3個(gè)水平子集合，在確定水平表之后，由每個(gè)因素水平子集內(nèi)選取3個(gè)因素水平值，利用正交表構(gòu)造立體表的豎表。安排立體正交優(yōu)化試驗(yàn)，獲得訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的樣本。因素水平用因素水平子集合中間元素值替換，如表1所示。

表1 壓路機(jī)水平表優(yōu)化試驗(yàn)安排Tab.1 The optimization experimental arrangement of horizontal roller table

2.2 數(shù)據(jù)處理

對上述液壓激振振動(dòng)試驗(yàn)獲得的試驗(yàn)振幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行小波分析，求得實(shí)驗(yàn)的振動(dòng)輪振幅值，繼而求得所采樣加速度值，如圖2所示。

對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，見表2。

表2 壓路機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)歸一化結(jié)果Tab.2 The normalization results of roller test data

2.3 液壓振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)

對表2的網(wǎng)絡(luò)模型的數(shù)據(jù)記為矩陣形式，得訓(xùn)練模型

建立完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型需通過試驗(yàn)樣本為輸入矩陣PP和輸出矩陣TT驗(yàn)證:

通過仿真函數(shù)simuff()，輸入驗(yàn)證矩陣PP，得到模型目標(biāo)值tt:

3 方差分析

建立液壓振動(dòng)輪合理的BP網(wǎng)絡(luò)之后，可以根據(jù)MTALAB軟件仿真最優(yōu)目標(biāo)值，選用仿真函數(shù)simuff()來完成。

3.1 液壓振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)水平表所對應(yīng)的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值

根據(jù)函數(shù)simuff()得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，一個(gè)水平表對應(yīng)一個(gè)試驗(yàn)號(hào)，各水平表結(jié)果見表3。為了確定水平表中每個(gè)試驗(yàn)對應(yīng)的目標(biāo)值，需對每個(gè)試驗(yàn)號(hào)所對應(yīng)豎表的目標(biāo)值進(jìn)行處理。

表3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 The experimental results of simulation

以第9號(hào)實(shí)驗(yàn)例說明確定目標(biāo)值的方法。水平表第9號(hào)試驗(yàn)所對應(yīng)的因素子集合為 f3，A3，L2，W1。安排正交表進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)的權(quán)數(shù)W選為0.96。對9個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)進(jìn)行權(quán)系數(shù)處理，以第1號(hào)試驗(yàn)最終值求解為例，T1=t11×W×W×W ×W=0.534 7 ×0.996 ×0.96 ×0.96 ×0.96=0.454 1，依次可得水平表9個(gè)試驗(yàn)所對應(yīng)的目標(biāo)值為:T1=0.454 1;T2=0.321 7;T3=0.358 5;T4=0.392 0;T5=0.437 3;T6=0.486 1;T7=0.258 8;T8=0.466 5;T9=0.476 5，比較大小可得第 9 號(hào)試驗(yàn)最終目標(biāo)最大值為 0.494 5 ×0.96=0.476 5。

3.2 液壓振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)因素水平子集尋優(yōu)

對水平表試驗(yàn)進(jìn)行方差分析，立體正交化試驗(yàn)?zāi)康氖且蟮膲簩?shí)度越大越好的平均值越大，因素偏差值Sj越大，試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值土的高度變化值△h越大。所以，因素水平子集合最優(yōu)組合為A3f2w3L2(表 3)，其中:A3∈［0.5，0.61] ;f2∈［32，36] ;W3∈［17.4，19.4] ;L2∈［92，115] 。根據(jù)最優(yōu)化組合A3f2w3L2，計(jì)算得其目標(biāo)值0.551 3即為系統(tǒng)阻尼，根據(jù)式(2)計(jì)算得系統(tǒng)剛度為3.3N/mm。與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型目標(biāo)值tt比較，其相對誤差為 10.46%。

表4 最優(yōu)子集正交表方差分析及最優(yōu)元素水平Tab.4 Optimal subset of the orthogonal analysis of variance and the level of most elements

4 結(jié)論

最優(yōu)組合仿真目標(biāo)值為0.552 3即系統(tǒng)剛度為3.30 N/mm，這與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值3.00 N/mm的相對誤差為10.46%，滿足工程要求。因此人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型應(yīng)用于液壓振動(dòng)系統(tǒng)的方法可行。

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