盘式电流变传动机构的设计与实验分析 机电应用专业毕业设计 毕业论文

1、盘式电流变传动机构的设计与实验分析摘要：在机电应用领域有一门新兴学科电流变技术。它主要特征是能利用电场作用，实现液一固态转化的可逆性、连续可控性和响应的快速性等，主要在机电传动与控制系统应用前景广泛应用前景。虽国内外有很多关于电流变应用机构的研究，但是电流变液的流动模式，大多数是平动式或剪切式，也有少部分挤压式的论文报导。一种新型的电流变传动装置将在此文展现，波纹式电流变传动机构，它的流体工作模式是复合型的，剪切一挤压式。波纹式电流变传动机构具有响应速度快、能实现无级调节和易于计算机控制等优点，可以说是传动机械学中的一项突破。虚拟仪器技术和电流变技术将有机的结合起来，用于传动机构的测量与控制，

2、将波纹式电流变传动机构的测控系统构建了在虚拟仪器平台上，本文还将介绍了该系统的架构方案，控制方案，此系统可以使对步进电机、异步电机的控制方便地实现，而且可使波纹式电流变传动机构的输出力矩被迅速、精确的测量与控制。现有的物理和数学理论来建模方式对于呈复杂的非线性关系的波纹式电流变传动机构的外加电场和电流变液产生的力矩，对于现有的物理和数学理论来建模具有一定的难度，而对于表示任意非线性关系和学习的能力人工神经网络能解决，由此对解决这类问题提供了新思想和新方法。本文也是基于此，为了完成对传动机构的识别和验证，利用BP算法的多层前馈网络的自学习能力，由此建立可靠的波纹式电流变传动机构模型，这样就可以使

3、进一步的基础理论研究容易进行。本文通过对大量的实验数据进行分析，同时对波纹式与平盘式电流变传动机构的输出力矩也进行了比较，最终得到波纹式要比平盘式所传递的力矩大十倍的结论。关键词：电流变液波纹式挤压控制虚拟仪器传动机构人工神经网络Abstract：There is a mechanical and electrical applications in the emerging discipline of ER technology. Its main feature is the electric field can be used to achieve reversible liquid-s

4、olid transformation, continuous controllability and fast response, etc., mainly in the electrical and mechanical drive and control system applications widely used in future prospects. Although there are many domestic and foreign institutions on the application of the ER, but ER fluid flow patterns,

5、most of translational or shear type, there are few papers reporting extrusion. A new ER gear show in this article, corrugated Electrorheological Actuator, its mode of operation is a complex fluid, and cut one extrusion. Ripple Current Actuator with fast response, can achieve stepless adjustment and

6、easy computer control, etc., can be said to drive a breakthrough in machine learning. Virtual instrument technology and current technology will change the organic combination of measurement for the transmission and control, the corrugated current Actuator control system constructed in the virtual in

7、strument platform, the paper also describes the structure of the system program , control scheme, this system enables the stepper motor, asynchronous motor control easy to realize, but also make corrugated current Actuator output torque is rapid, precise measurement and control. Existing physical an

8、d mathematical modeling methods of the theory were the complex nonlinear relationship for the ripple Current Actuator ER electric field and the torque generated for the existing physical and mathematical theory to model a certain difficulty, and for any nonlinear relationships and learning that the

9、ability of artificial neural network can solve this kind of problem solving provides new ideas and new methods. This article is also based on this, in order to complete the transmission of identification and authentication, the use of BP algorithm is a multilayer feedforward network self-learning ab

10、ility, thereby establishing a reliable corrugated current variable transmission model, so that you can make the basis for further theory research easier. Based on the large number of experimental data analysis, while corrugated and flat disc current Actuator output torque is also compared, and ultim

11、ately get corrugated flat disc than ten times the torque of the transmission of the conclusions. Keywords: electrorheological fluid corrugated extrusion control virtual instruments artificial neural network transmission 1 引言电流变流体是一种是由作为分散相的固体粒子和作为连续相的基础液所组成的新奇的流体。在电场的作用下，电流变液的响应时间特别短，甚至可达毫秒，并且其表观粘度可

12、随场强的增大而增大，而且在电场强度达到一定程度下，可以停止流动或固化，但当去掉电场后，电流变流体又能够恢复到最初的粘度。这就是电流变效应。我们可以根据电流变效应，设计出新一代的离合器、阀门、减振器和隔振器等电流变器件。此类器件具有的优点有结构简单、响应迅速、低噪声和节能等。1.1 电流变流体的基本概念及概述 电流变流体是一种可在毫秒级实现可逆的“固”一“液”态转化的新型智能材料。为了使电流变技术在工程方面具有应用价值，电流变流体的性能要满足以下要求，即：在电场作用下，流体的粘度增加的要明显，就是要有明显的电流变效应，而且达到固化状态的电场的电压越低越好。基础液的绝缘性应越高越好，提高施加的电压

13、，增强电流变效应，而且通过两极间的电流小，其控制电功率也就降低了。电流变流体最好是无水型的，这样化学性能应很稳定，而且要无毒，无腐蚀性，对金属的磨损性要较小比较好。有较宽的粘度调节范围比较好，所以电流变流体在无电场作用时的粘度需要尽量低。关于电流变悬浮液的主要研究工作有以下四个方面：新型电流变液的制备：为了获得性能优异的电流变液，我们可以通过选着不同电流变材料和改变分散相粒子的结构，。研究流变液性能：为了为设计高效电流变液提供理论依据，我们研究在加外加电场作用的时候分散相微粒分散状态的变化，还有微粒的组成、化学结构、分散相体积分数和尺寸及分布等对电流变液的屈服应力、粘度及某些动态性能的影响。对

14、电流变效应的模型化研究和在计算机上的模拟：我们首先假定电流变效应起源，然后从微观相互作用进行理论推导，我们可以得到粘度、屈服应力等与外界场强及有关电流变液本身特性参数间的关系，为了与实验事实相对照，研究电流变效应的产生机理，我们还进行计算机模拟和预测。电流变液的应用：对研制的电流变体制成离合器、控制阀等进行应用方面的探索。1.2 电流变效应的机理及机制研究 电流变效应的机理ER 效应的作用机理反面，有很大争议。很多学者认为ER 流体在外加静电场的作用下，均匀悬浮的电介质粒子产生极化，被极化的粒子相互吸引，按电场方向形成规则的链状结构，破坏了未加电场时的布朗运动规律，同时使液体的粘性增加，产生屈

15、服强度，这是场致极化理论。赞同极化理论的学者中，对水的作用看法也有很大不同。少部分人认为只有吸收了相当数量的水分子的粒子才能被极化，所以认为水很重要。由于“无水”ER 液体的出现上述观点被逐渐否定。很多学者认为ER 效应产生的原因是其中的极化粒子有序排列在两极间形成一些链状结构，水并不起什么作用。这种观点为了保证ER 效应，要求母液与电介质粒子介电常数不同，只有这样才能在电场作用下得到不同程度的极化。我国学者根据ER 液的等效交流电导引起的能量耗散结构，提出粒子极化效应的理论框架，认为ER 的过程是“极化一耗散一结构流变”的过程。从宏观的角度，ER 效应是在电场作用下，液体的流动阻力或剪切应力

16、逐步变化和增加的过程。用以下的公式来描述，即 液体流动中所产生的剪切应力或流动阻力； ER 液体在电场作用下，逐步固化或稠化所引起的剪切应力，通常称作电致屈服应力； u塑性粘度；液体在与流动垂直方向上，单位距离上的速差或剪切速率 。ER 液体的ER 效应也可以看作是液体粘度逐步增大的过程，它的粘度不同于普通液体称为表观粘度，如以表示，则=上述两种表达方式都要求液体必须处于运动状态，即不应等于零。当减小时，将十分大，也就是比有极大增长，但当增大时，将逐步与接近。为了说明ER 效应的机理，很明显必须探讨在电场作用下，或的增长原因。通过大量的微观观察和试验研究，认为以两相悬浮液为基础的ER 液体由于

17、悬浮液中的固体粒子在电场的诱导发生极化，产生ER效应，极化后的粒子相互作用，在电场两极之间形成链，当电场加强，链间就会相互作用，从而成柱，两相ER 液体中的固体粒子从电场为0 时的无序到电场作用下的有序排列，直到稳定时的固化结构是ER 液体表观粘度或剪切屈服应力产生和逐步增加的原因。ER 液体在电场作用下的极化包括两部分：基础液的极化，即电粘效应；粒子的极化或粒子在基础液中的链化效应，而ER 液体产生的ER 效应，应是两者的综合。对两相悬浮液，ER 效应产生的电致抗剪屈服应力主要是由粒子的链化效应所产生，电粘效应不能产生电致抗剪屈服应力，不能产生电致抗剪屈服应力，能改变ER 液体的基液粘度。但

18、是，在流动状态下的电粘效应不能忽略有强电粘效应的基础液，流动状态下能产生随剪切速率增大而增高的剪切力。大量的研究表明，粒子的极化有在粒子内部的极化，包括电子云极化、偶极子转向极化和离子极化和在粒子与基础液接触处的界面极化，最主要的形式是双电层极化，这两种可能。 电流变液的机制研究大家认为电场导致的固体颗粒的极化是电流变液的本质。有电场作用时两个偶极矩之间有相互作用。电流变液系统的状态是由于库仑相互作用和热运动之间的竞争决定。热能为3NkT / 2 ，其中T 为温度，k 为玻耳兹曼常数，N 为颗粒总数。偶极矩相互作用可近似为。在低电场作用下热运动为主，且系统为液态；当电场加强时偶极矩相互作用大于

19、热运动，介电颗粒突然开始沿电场方向排列并在两个极板之间形成链状等结构。由此可知电流变液的本质是电场导致的固化。由此而得临界电场为当考虑了体系的自由能，电流变液的临界电场变为当E Ee 时，电流变液体系呈固态；E r2，故上式可化为:故：2.3波纹式电流变传动机构而今大多数商用的ERF的屈服应力为skPa，由此因为传动机构所能传递的剪切应力过小影响了ERF的广泛应用。而提高传递力矩的途径有以下两种:一是找出一种屈服应力大的材料;二是充分的利用现有材料的各种性质。第二种需要研究ERF一些特殊运动规律;同时还有ERF传动机构的创新与相应电液控制规律的研究。由于电流变液是非牛顿流体，目前应用领域的一项

20、关键问题是如何提高电流变液传递力矩。现今国内外电流变研究者大多都是采用平滑的圆盘式、圆筒式、平板式电流变传动机构，利用它们的旋转或平移产生剪切力场来传递力或力矩，这种机构的缺点是传递的功率较小，只适用于小功率场合。而近来由许多实验研究，我们可以看出，挤压流动下的屈服应力可比剪切流动下的大若干倍，且电场和体积密度会随着应变的增加而变大。波纹式传动副如图所示，设想两平面盘，一端(或两端)为波纹式，两盘间充满电流变液。当一端转动时，给电流变液加上高压电场，则电流变液会发生电流变效应，由此带动另一端转动，从而带动负载运动。因为一端盘面上刻有波纹，在波纹盘在转动的时候，电流变液会受到一个轴向挤压力，最终

21、导致机构所传递的力或力矩的大大增加。2.4传动机构的本构方程挤压流是流体力学中一种基本流动。若使用Bingham模型，会导致两圆盘间无相对运动的非物理结果，就是所说的屈服面佯谬。佯谬的出现可以知道使用模型过于理想化，己不能正确描述问题的物理本质。由此采用广义的双粘度模型来研究。上式中电场强度的函数是动态应力，表示为: 其中c.n是与电流变液性质有关的常数，c.n值由实验确定。在柱坐标系中，狭缝中挤压流的动量方程在r方向上的投影近似为：2.5机构的控制模型设k1,k0分别为电流变传动器的输入端和输出端的弹性连接器的弹性系数，J和J0分别为电流变传动器和负载的转动惯量，b和b0分别为粘性阻尼系数,

22、电流变传动器的转角，以及输入和输出的转角分别是、和.于是可以得到动力学方程:表明外加电场不断变化的情况下，输出力矩受之影响曲线。其中实线代表交流高压，点划线代表直流高压。由图可看出，传动装置的输出力矩跟着外加电压的增加而增强，直流电压下要比交流电压下的输出力矩小。对上面三式进行Laplace变换，其中和M分别表示和M的象函数。我们可以得到下图所示的电流变传动系统结构方块图从图可以看到:输入量包括:输入角度，电场作用下的电流变液剪切力矩Me，负载M，是作为干扰量输入。输出量是输出角度反馈是:,。从上图可知道电流变转向操纵器的输出角度是:因为很小，忽赂高次项，可以得到: 2.6机构的技术指标及应用

23、尺寸:直径要300mm，长度要10kV/mm不允许杂质存在传递力矩:采用相同的ERF，传递力矩要比平滑面增大几倍温度环境:+20一+125(无离子，交流电)外加电场:典型为:O一3kV/mm功率损失:控制ERF的电场功率损失是:2一50W响应时间:ERF的响应时间是毫秒级的而机构本身响应时间0.05秒转向角度:士3600剪切一挤压式电流变传动机构为一项新的传动装置，主要用途:在主动振动控制、减震、隔振等装置;新型流体控制阀和控制系统;可控阻尼器、制动器、离合器等;冲击机械;高性能电液伺服系统.3 传动机构的研究设计3.1电流变器件的特点工程技术人员把科学家的发现和预测变为现实其中一个重要环节就

24、是电流变技术。要是将电流变液应用于新设计的各种装置，可以看到它们明显具有如下特点:利用电流变液体器件制成的自动系统，不仅结构将十分简单，还可以将不同信号转变为电信号，然后直接去控制电流变液体制成的中间器件，使控制和调节具有无级连续变化的性能，响应速度也很快快。电流变液体制成的液体流量和压力的控制器，还具有的特点是结构简单，易于生产，制造过程无精密加工的要求，相对于一般的液压控制阀可省去有磨擦运动的零件和精密加工的零件。再者因为电流变液体器件，一般没有金属和金属间的直接接触，因此工作中主要零件没有磨损，工作寿命较长。因为器件的工作介质是液体，因此工作过程柔和，不存在无固体或金属磨擦副的存在，相对

25、噪音低，振动少，由此我们可以知道电流变液体器件是一种低噪音、工作平稳和柔和的器件。与其它控制系统相比较，因为电流变液体制作的控制器件，在控制中所消耗的能量较低。因为电流变液体器件的控制信号简单，又只需要一个电场信号或电压信号，因而极易与微机技术相结合形成智能控制，这是一种控制方式发展前景很好。3.2研究目的和内容电流变传动机构响应速度快且具有良好的机械性能，因此应用前景广泛。我们把获得最佳的机械传动综合性能指标作为目标，研究波纹式电流变传动机构的设计方法、传动理论、电液控制规律，能为工程应用提供实验数据。要使装置具有良好的动态性能，主要研究内容为:变信号输入，启动、制动、任意波形输入等;机构结

26、构优化设计;控制方法预计采用采用基于虚拟仪器技术的检测与控制系统;系统识别。电流变传动机构的剪切力矩和外加电压之间是非线性关系且很复杂，很难用现有的物理和数学理论来建模，因此拟采用人工神经网络进行系统识别。在研究波纹式电流变传动机构的动态性能时，要得到机构的输入输出转矩、输入输出转速、外加电压、电流变流体的温度等信号，还要控制对步进电机、异步电机和高压电源。机构在工作时，由负载的变化，将检测的信号反馈到计算机。而对步进电机的控制，要实现变信号输入，即启动，制动，任意信号输入。波纹式电流变传动机构对输入信号的响应速度能够达毫秒级，因此要求对高压电源的控制要快，信号的采样率要高。此研究拟解决的关键

27、问题为:在以波纹端面的曲面研究为中心的基础上，进行流体力学、电液控制规律、材料性能筛选和机构性能等研究。研究目标:设计并研制一套波纹式电流变传动机构;建立基于虚拟仪器的该机构的系统控制模型且对该机构的动态性能指标进行理论研究。3.3机构设计目的及运作原理本文所设计的机构是实际上相当于一个电流变力矩放大器的一个实验装置，用来研究不同的曲面盘间隙、曲面盘内外径的值、曲面的波纹头数以及曲面波纹的起伏程度对机构性能的影响，由此来提出多目标规划的电流变力矩放大器的进一步优化设计方案。为了达到最优值，通过实验拟合的方法来研究放大力矩和控制电场、温度等因素之间的关系，利用脉冲和阶跃电场信号来研究此装置的动态

28、性能。我们装置主要应用为汽车转向控制装置的改进、优化。根据电流变流体和电流变技术所具有的特点，我们设计了电流变的传动机构:它主要由一个置于中间的中间盘和两个置于两边的转盘的结构组成，具体结构中间盘通过两根芯轴与两个转速转矩传感器连接并且通过步进电机传动，在芯轴上加负载，砂轮是用来模拟实际负载，两个转盘通过一个换向器分别由同步带和同步带轮传动，由伺服电机带动换向器。这样两个转盘就具有转速相同、转向相反的运动特征。在结构中，整个机构由左、右两个有机玻璃座支撑，而且转盘和中间盘是和外界严格密封，它们中间有一个很小的间隙，我们在间隙中间充满了电流变液体。而且转盘机构和中间盘机构之间是完全绝缘的，转盘通

29、过电刷接触接正极并使中间盘接负极。这时在转盘和中间盘之间就建立了一个电场，电场的大小由电压的大小决定，整个系统就能实现力矩放大的功能。因为转动指令信号扭矩非常小，所以在左右两个转盘和中间盘之间分别外加电场，因此可以通过电流变液体把外部动力根据负载加在中间盘上，从而实现了信号力矩的放大。因为左右两个转盘的转动方向相反，所以当信号正转时，信号加在中间盘和左转盘之间;当信号反转时信号加在中间盘和右转盘之间，我们设定左转盘的转向为正。波纹式电流变传动机构的结构设计是从三维造型开始的，先设计出装置的立体图，形象直观，可直接修改，并获得理想的三维结构图。在这里，左右转盘作为主动盘，中间盘作为从动盘，采用了

30、双圆盘结构，他的特点是:两个主动转盘由一个变速电机通过换向机构产生大小相同、方向相反的速度，这样会使得当输入信号控制正反转时输出扭矩快速跟踪输入信号.电流变产生的力矩是由剪切引起粘性力和电致引起的屈服应力两部分组成。因为对于任意信号输入，主动盘的转速一定，并比输入信号快。因此两转盘的相对转速基本不变，使得剪切引起粘性力不随输入信号变化，这样就便于利用外加电场对放大器进行控制。3.4机构零件设计目前国内外大部分电流变应用传动装置的设计中，中间盘和转盘都是采用平面形式，在运动时只有径向地剪切力产生，这样，在电流变液体的固化程度不是很高时，它的传动效率就比较低，使得能量损耗比较大，不能够满足实际工程

31、应用的需求。对于这一问题，我们计划用一种曲面盘来取代原来的平面盘的形式，由于曲面盘的表面的起伏，电流变流体的作用方式就由原有的单独的剪切式变成了挤压式和剪切式同时作用的方式。在通电时，电流变液体固化后就会产生轴向力，会对盘的表面产生轴向的挤压，虽然这个力很小，但它大大提高了整个机构传动效率，并可以提高电能的使用、使连接更加紧固和提高控制的灵敏度。我们初步拟定实验装置中的曲面盘采用正弦波形状的曲面，这种装置的设计是以王晓杰等人的实验为基础的。他们的实验中采用的是锥面，而正弦曲面可以看成无数个锥面的组合体，这样解决了设计的理论可行性，而且在我们设计的装置进行实验时，中间盘曲面和转盘曲面都要能够经常

32、更换，这样可以方便取得大量的实验数据来确定在不同振幅和不同头数的曲面盘中间哪一个能够取得达到最佳的电流变的效应和最好的传动效果。这样整个机构就需要能够比较方便地对中间盘和曲面盘进行拆装，使得整个机构的精度要求加大并增加了机构的复杂性。由于在传动机构工作时，需要考虑到电流变液的泄漏等问题，还必须考虑到绝缘的问题。对于绝缘问题，首先芯轴和转盘间，采用两对尼龙套。在材料的选择上之采用有机玻璃作为装置的支座，能起到良好的绝缘效果。对于密封问题，应选用耐磨性好且不易泄露、磨擦系数小的介质，因电流变液会随着转盘的转动而流动，故应选用填料密封的方式。下面就关键零件的具体设计思路和零件的结构进行阐述:曲面盘:

33、需要应用到中间盘和转盘上并实验需要起伏度和不同头数的曲面，因此其数量较多。由于要求严格地采用正弦波曲面并对它地表面精度较高，所以它需要在数控机床上完成。芯轴和镶块:将中间盘设定为分开的形式，单独将两个镶块加工出来，其内孔于中间盘的内孑L相对且精度要求相当，并用内六角圆柱头螺钉固定在中间盘上，将其芯轴和内孔的内端部磨成高精度进行过渡配合，并装配后在径向钻孔、攻丝，最后用止动螺钉将它们固定。转盘:曲面盘就需由螺钉固定在转盘上。考虑到转盘本身地结构特征，在设计中采取将转盘内部、曲面盘的外部边缘凸出一处的结构转盘的中部有三个电流变液体的流通孔、曲面盘固定四个螺钉孔。凸出部分的宽度尺寸由流通孔径的大小和

34、锥度确定，其余各部分的尺寸由与它进行配合的标准件的尺寸和配合要求以及机构本身的特点来确定。考虑到转盘的复杂性，故采用浇铸的方法先制作毛坯，然后再精加工。轴承的选用和固定:由于曲面盘的采用使中间盘和转盘之间通电时有轴向力的产生，这样芯轴和转盘之间就要选用能够承受轴向力的轴承来进行传动和连接，在本次设计中我们选用的是角接触球轴承，因为这种轴承涉及到调隙的问题，因此芯轴和转盘之间内外两组轴承我们选用的是相同型号的，并且外部的轴承我们都采用螺纹固定的方式;同样，在支座和转盘之间我们也选用一组角接触球轴承，并通过轴承端盖由螺钉固定;采用梯形齿的同步带传动，带轮由弹性挡圈和键(平键)固定在换向器和转盘主轴

35、上;换向器齿轮由弹性挡圈和圆柱销分别固定在换向器主轴I、n上;各个联轴器采用不同型号的标准件凸缘连轴器; 转盘和塑料套、支座和转盘之间分别采用Yx型孔用、轴用密封圈来进行密封，使电流变液体不能溢出腔体内部;两个支座、芯轴和塑料套之间分别采用不同型号的O型环密封。在支座上采用螺塞孔来加入和放出电流变液体，中间盘和转盘之间的最大间隙不能超过Ilnln; 支座和转盘之间的间隙应取在4snun之间;中间盘和转盘之间两组轴承的芯轴、支座和端盖之间的绝缘套均用绝缘塑料制成，用来保证两中间盘采用质量较小的铝合金加工;因机构本身性能和各方面的要求，其余需加工的金属零件的材料均选用45#钢。4 传动机构的模型识

36、别4.1人工神经网络技术的发展及实现近年人工神经网络在自适应控制、信号处理和模式识别等众多领域应用广泛。神经网络是一种大规模分步并行处理机制系统，它有一些处理单元像神经元一样，通过把问题表达成单元间的权来解决。人工神经网络通过实践进行学习的能力，具有自适应的能力，具有容错、抗干扰和自修复等能力。研究结果已经表明与传统处理方式相比用神经网络处理直觉和形象思维信息具有更好的效果。神经网络的发展科学背景非常广阔，是众多学科研究的综合成果。如今神经网络已在信息处理、组合优化、图象处理、自动控制、模式识别、机器人学和人工智能的其它领域应用日益广泛。人工神经网络由于能够形成任何连续非线性映射的任意近似，近

37、年来被广泛应用于自动控制领域，以解决非线性、大滞后系统这一困扰现代控制理论界的难题。现在比较成熟的神经网络训练算法为BP算法。理论上讲只要神经元作用函数合适，收敛步数足够多，采用BP算法训练的神经网络就可以任意精度逼近任意的非线性系统。神经网络模型有Hopfield模型、Bp模型、Kohonen模型、Ham-ming模型等，都是基于连接学说构造的智能仿生模型，它是由大量神经元组成的非线性动力系统，是算法和构造的结合，具有非定长性、非凸性、非线性和非区域性等特点。各种人工神经网络模型都有以下三个共同的特点:一个神经网络由很多非线性处理单元组成，每个单元有多个输出及输入通道，经由输入通道加载到处理

38、单元中的信号经加权求和与非线性转换，形成了单一的输出信号并经输出通道传到其它处理单元。每一处理单元都有一局部存储器，存放该单元与其他处理单元间的由学习规则确定的、可以修改的联结强度。通常一个网络是分成一群群或一层层的结构，群或层中的处理单元通常具有相同的非线性转换函数，不同群或层的处理单元则可能具有相同或相异的非线性转换函数。根据这三个特点，既人工神经网络既可以用传统计算机模拟，又可以用集成电路芯片组成的电子神经计算机，甚至可以用光学的、生物芯片的方式实现。目前光学、生物神经计算机的发展不是很成熟，然而电子神经网络计算机的开发已到了比较实用的阶段。1986年，McClelland和Rumelh

39、art提出的多层网络误差反传学习算法，我们简称BP算法，解决了多层网络的学习问题，它的结构简单且易于编程，因而在工业控制领域应用较为广泛的。其由具有多个节点的输入层、隐层和多个或一个输出的输出层组成，每个节点为一个单独的神经元。相信两层间单向连接。BP网络主要用处:函数逼近:用输入矢量和相应的输出矢量训练一个网络逼近一个函数;模式识别:用一个特定的输出矢量将它与输入矢量联系起来;分类:把输入矢量以所定义的合适方式进行分类;数据压缩:减少输出矢量维数以便于传输或存贮。4.2神经网络的基本概念在人体内神经网络的基本元素神经元的结构不是完全相同的;但神经元都由下述基本成份组成。细胞体:由很多分子形成

40、的综合体，内部含有一个核糖体、细胞核、原生质网状结构等。它是神经元活动的能量供应地。树突:细胞体的伸延部分产生的分枝，它是接受从其它神经元传来的信息的入口。轴突:细胞体突起的最长的外伸管状纤维，它是把神经元兴奋的信息传出到神经元的出口。突轴:一个神经元与另一个神经元之间相联系并进行信息传送的结构。目前，人工神经网络的研究尚处于起步的初级阶段，仅限于突轴能进行信息综合的行为进行模拟和对神经元能处于抑制或兴奋状态行为。人工神经网络对神经元的兴奋与抑制进行模拟，在兴奋状态，则产生内正外负的反电位差;在抑制状态，细胞膜内外之间有内负外正的电位差。由神经元传出的电脉冲信号通过轴突，先到达轴突末梢，这时使

41、其中的囊泡产生变化从而释放神经递质，这种神经递质通过突轴的间隙进入到另一个神经元的树突中。树突上的受体接受神经递质，从而改变膜间离子的通用性，使膜内外离子浓度差产生突变上升的脉冲，这个脉冲接着沿轴突进行传递。从而信息就从一个神经元传送到另一个神经元中。在神经网络结构上大量不同的神经元的轴突末梢可以达到同一个神经元的树突并形成大量突轴。来源不同的突轴所释放的神经递质都可以对同一个神经元的膜电位变化产生作用。因此，在树突上，神经元可以对不同来源的输入信息进行综合，这就是神经元对信息的空间综合特性，另外，对于来自同一个突轴的信息，神经元可以对于不同时间传入的信息进行综合，即神经元对信息有时间综合特性

42、。4.3BP神经网络BP网络具有结构简单，工作状态稳定，易于硬件实现的特点。具有很强的非线性映射能力，在模式识别、分类等方面的问题应用广泛。网络的学习过程分为两个阶段:输入层隐含层误差反向传播示意图第一个阶段是对于给定的输入，通过当前的连接权值正向传播，得到输出层各神经元的实际输出;第二个阶段是通过实际输出和各神经元的理想输出进行比较，计算出输出层各神经元的一般化误差，如果在输出层未能得到期望的输出值，则实际输出之差值(误差)与逐层递归地计算期望输出，便于根据此差调节权值。在调节权值时采用训练期(ePoch)的学习方式，就是对每个模式要计算出权重误差导数，直到该训练期结束时才累加，此时才计算权

43、重变化，并把它加到实际的权重数组上，每个周期只做一次。BP神经网络数学模型标准的BP模型有输入层、隐含层、输出层三个神经元层次组成。各个层次的神经元之间形成完全互连接，同一层次的神经元之间没有连接。BP网络模型结构对于BP模型的输入层神经元，其输入与输出相同，即。输出层和中间隐含层的神经元的操作特性为一般函数形式为网络的运行分为网络预测输出和网络训练两个阶段。BP神经网络的学习算法对多层网络进行训练时，表明训练结束的标志时，网络的所有实际输出与其理想输出一致。否则，通过修正权值，使网络的实际输出与理想输出一致。在网络不包含隐含神经元层时，我们可以直接采用Delta学习算法。就是对于输入/理想输

44、出对p，权值按下式进行调整:但在BP模型中，我们引进了中间隐含神经元层，因中间隐含神经元层的输出误差不能直接计算，所以不能直接采用Delta学习算法来训练BP模型。但将Delta学习算法加以推广便可用于BP模型。定义网络输出误差为:并设为整个训练集中所有样本产生的输出误差之和。根据梯度下降法，pwji可以由下式表示:又这就是说，按下式进行权值调整:就可以使E按梯度下降很显然，式4.7与标准的Delta算法是一样的。如何求得网络中多个神经元的值是现在要解决的问题。BP模型所采用的方法是将输出层产生的误差反向传播到输入层来计算，为了计算，可再一次利用偏微分规则，获得的结果与标准的Delta算法的结

45、果是一致的。如果不是输出神经元，则所得结果:带有动量项的加权调节公式为:式中的a为动量系数是一个确定过去学习效果的常数。BP算法的逐个样本误差学习法BP网络的逐个样本学习法有如下几个步骤:网络状态初始化:对网络的权值，偏置值赋初值采用较小的随机数。网络的输入值用样本的输入值，求出网络的输出值。修正输出层到隐含层的权值。修正输入层到隐含层的权值。网络训练至满意的精度。是否还有学习样本?有，返回步骤2。更新学习次数，若小于预定的学习次数，返回步骤2。利用训练后的网络进行预测。4.4系统模式识别和检验网络对传动机构的识别我们在26.7的实验条件下进行，对实验所得1000组数据中的650组作为神经网络

46、误差曲线学习阶段实际输出与网络输出由上面两图可以看出，当网络的学习误差控制在0.0005时所得到的学习结果更接近实际情况。网络输入层到隐含层及隐含层到输出层的权值和闭值见下表表2所示。表l网络神经元之间的权值表2隐含层结点和输出层结点阈值网络对传动机构的检验验证阶段网络输出与实际输出对比图。由图可以看出，系统的识别结果是符合预先设定要求的，即此网络模型被认为可靠。5 实验与分析5.1 基于虚拟仪器技术的测控系统虚拟仪器技术虚拟仪器是仪器技术与计算机技术综合应用的产物，它将仪器硬件与计算机资源、数字信号处理技术结合，利用一种或者多种功能的通用模块，调用不同功能的软件模块，就能组成不同的仪器功能。Labvi