基于人工神經網絡的液壓振動系統研究

郭志剛，李文選，馮繼剛

(河北工程大學機電工程學院，河北邯鄲056038)

隨著科學技術步伐的加快，液壓振動系統在各個領域中得到了廣泛應用和發展，目前對其研究多為建立系統模型，然后根據實驗參數對系統進行數學優化計算［1－5]。周順等［6]曾提出過模態控制方法，但未見基于神經網絡對液壓振動系統模型進行的研究。本文通過立體正交試驗找出訓練神經網絡的樣本，采用人工神經網絡建立數學模型，運用計算機仿真軟件得出最佳優化組合，為液壓振動系統的分析和改進提供參考。

1 液壓激振基本原理

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

圖1中K、C分別表示配重和振動輪之間的剛度和阻尼，計算公式如下:

式中:η—流體動力黏度;l—柱塞的厚度;D1—缸壁內徑;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。

2 液壓振動輪的模型試驗

2.1 安排立體正交試驗

液壓激振振動試驗選取4個試驗因素，每個試驗因素選擇3個水平子集合，在確定水平表之后，由每個因素水平子集內選取3個因素水平值，利用正交表構造立體表的豎表。安排立體正交優化試驗，獲得訓練神經網絡的樣本。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 壓路機水平表優化試驗安排Tab.1 The optimization experimental arrangement of horizontal roller table

2.2 數據處理

對上述液壓激振振動試驗獲得的試驗振幅值數據進行小波分析，求得實驗的振動輪振幅值，繼而求得所采樣加速度值，如圖2所示。

對數據進行歸一化處理，見表2。

表2 壓路機試驗數據歸一化結果Tab.2 The normalization results of roller test data

2.3 液壓振動試驗數據訓練神經網

對表2的網絡模型的數據記為矩陣形式，得訓練模型

建立完成的神經網絡模型需通過試驗樣本為輸入矩陣PP和輸出矩陣TT驗證:

通過仿真函數simuff()，輸入驗證矩陣PP，得到模型目標值tt:

3 方差分析

建立液壓振動輪合理的BP網絡之后，可以根據MTALAB軟件仿真最優目標值，選用仿真函數simuff()來完成。

3.1 液壓振動試驗數水平表所對應的試驗目標值

根據函數simuff()得仿真實驗結果，一個水平表對應一個試驗號，各水平表結果見表3。為了確定水平表中每個試驗對應的目標值，需對每個試驗號所對應豎表的目標值進行處理。

表3 仿真實驗結果Tab.3 The experimental results of simulation

以第9號實驗例說明確定目標值的方法。水平表第9號試驗所對應的因素子集合為 f3，A3，L2，W1。安排正交表進行仿真實驗，本實驗的權數W選為0.96。對9個實驗目標進行權系數處理，以第1號試驗最終值求解為例，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個試驗所對應的目標值為: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 號試驗最終目標最大值為 0.494 5 ×0.96=0.476 5。

3.2 液壓振動試驗數因素水平子集尋優

對水平表試驗進行方差分析，立體正交化試驗目的是要求的壓實度越大越好的平均值越大，因素偏差值Sj越大，試驗目標值土的高度變化值△h越大。所以，因素水平子集合最優組合為A3f2w3L2(表 3)，其中:A3∈［0.5，0.61] ;f2∈［32，36] ;W3∈［17.4，19.4] ;L2∈［92，115] 。根據最優化組合A3f2w3L2，計算得其目標值0.551 3即為系統阻尼，根據式(2)計算得系統剛度為3.3N/mm。與神經網絡模型目標值tt比較，其相對誤差為 10.46%。

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

4 結論

最優組合仿真目標值為0.552 3即系統剛度為3.30 N/mm，這與試驗目標值3.00 N/mm的相對誤差為10.46%，滿足工程要求。因此人工神經網絡模型應用于液壓振動系統的方法可行。

［1] 辛麗麗，梁繼輝，聞邦椿.振動輪跳振現象的振動壓路機系統的動力學特性分析［J] .中國工程機械學報，2008，6(2):61－66.

［2] 談振藩，羅躍生，李康.振動輪式微機械陀螺儀數學模型及工作狀況分析［J] .哈爾濱工程大學學報，2002，23(2):33－36.

［3] 羅躍生.振動輪式微機械陀螺儀微分方程模型的建立［J] .哈爾濱工程大學學報，2002，23(3):16－19.

［4] 劉智香.液壓振動壓路機主要故障診斷與排除［J] .工程機械，2001(9):59－61.

［5] 劉高君，鄭 舸.基于組態王液壓回路控制實驗系統研究［J] .四川理工學院學報:自然科學版，2009，22(3):100－102.

［6] 周順，凌林本，周百令，等.振動輪式微機械陀螺儀模態控制方法研究［J] .中國慣性技術學報，2000，8(1):50－54.