（机械电子工程专业论文）多电机驱动振动机械同步理论的研究.pdf

l 一， ! ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a le l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho ns y n c h r o n i z e d t h e o r y o fv i b r a t i o nm a c h i n ed r i v e nb ym u l t i m o t o r b yl il e i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rw e nb a n g c h u n l e c t u r e rr e nz h a o h u i n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 哪6洲6帅90 4 删8 iil_y ： kf1 ， i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二己 恳o 学位论文作者签名：本壶 日 期：2 0 0 7 年l z 月2 6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ，0 r r 东北大学硕士学位论文摘要 多电机驱动振动机械同步理论的研究 摘要 在现代机械系统中，由多个部分组成的系统需要同步、协同和合作来完成统一的工 作任务。在振动机械领域，为了满足不同的工艺要求，常需要两台或多台电机同时工作， 并要求它们具有相同的速度和相位。研究振动机械系统的同步问题对更好地深入研究同 步理论，拓宽应用领域，服务工程实际都具有重要的理论价值和现实意义。 本文以自同步振动筛为研究对象，研究了作平面运动的自同步振动机械的同步理 论。针对多电机同步驱动系统的同步目标，应用振动机械的理论及动态设计方法、振动 同步与控制同步理论、现代控制理论及系统建模与仿真理论等，对振动系统进行动力学 建模及分析，得出振动系统的同步性条件和稳定性条件。应用逻辑思维相似原理和传统 p i d 算法相结合，建立了该模型的模糊控制p i d 控制算法。最后用m a t l a b 控制系统 工具箱和s i m u l i n k 中的模糊逻辑模块对控制系统进行了仿真和分析，具体内容如下： 以自同步振动筛为研究对象，建立了作平面运动的自同步振动机简化的“弹簧一质 量 系统力学模型。参照该力学模型得出振动机械体的振动方程，由系统动力学分析及 运动学分析分别导出了同向和反向回转时振动机的运动轨迹，并在系统力矩平衡方程基 础上导出其同步性条件及稳定性条件，对各种结果进行了分析。在此分析的基础上，考 虑激振器的偏心质量距不等时系统的运动情况，推导出此时振动系统的运动轨迹及实现 特定运动轨迹的同步性条件和稳定性条件，并对由于偏心质量距不等对系统造成的影响 进行了分析。 通过实验和仿真的手段分析了其他因素对振动机械的自同步造成的影响，对实验室 z z s 4 0 7 0 型直线振动筛和模拟试验台分别进行了空载测试，测量了开机时及达到稳态 时筛体的振动加速度信号，研究了振动系统的运动特征、稳定性及其影响因素，为同步 控制的后续研究奠定了基础。 通过对各种参数的调整和设计仍无法使振动机实现自同步时，考虑采用控制同步。 本文根据振动机械的特点提出了用单片机实现模糊控制的方案，介绍了电机速度的检测 方法、系统的硬件和软件设计等。为了达到更好的同步控制精度，比较了各种现代控制 方式的优劣，进一步采用了相应的控制方案。对传统的p i d 速度控制器和模糊p i d 速度 控制器进行了仿真，并对仿真结果进行了分析，通过仿真表明该控制系统可以达到较好 的控制效果。 关键词：自同步振动机；振动同步；控制同步；稳定性；模糊p i d 控制 i i 气 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ns y n c h r o n i z e dc o n t r o l o fv i b r a t i o nm a c h i n ed r i v e n b ym u l t i - m o t o r a bs t r a c t i nm o d e mm e c h a n i c a ls y s t e m ，w h i c hi sc o m p o s e do fs e v e r a lp a r t s ，n e e ds y n c h r o n i z a t i o n ， c o o r d i n a t i o na n dc o o p e r a t i o nt oa c c o m p l i s ht h eu n i f i e dw o r kt a s k i nt h ef i e l do fv i b r a t o r y m a c h i n e r y , i tu s u a l l yn e e d st w oo rm o r em o t o r sw o r k i n gs i m u l t a n e o u s l ya n dr e q u i r e st h e m h a v i n gt h es a m ep h a s ea n ds p e e di no r d e rt om e e tt e c h n o l o g i c a lr e q u i r e m e n t s t h er e s e a r c h o nt h es y s t e ms y n c h r o n i z a t i o nf o rv i b r a t o r ym a c h i n e r yp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h e a p p l i c a t i o no fm o d e me n g i n e e r i n g i tg i v e si m p o r t a n tt h e o r e t i c a lm e a n i n ga n dp r a c t i c a lv a l u e t or e s e a r c ho nt h et h e o r yo f v i b r a t o r ym a c h i n e r ys y s t e m ，e x p l o i t i n gt h e i ra p p l i c a t i o na r e aa n d s e r v i n gf o re n g i n e e r i n gp r a c t i c e r e g a r d i n gt h es e l f - s y n c h r o n i z a t i o nv i b r a t i n gs c r e e n sa st h eo b j e c to ft h i sp a p e r , t h e s y n c h r o n i z a t i o nt h e o r yo fs e l f - s y n c h r o n i z a t i o nm a c h i n e sm a k i n gp l a n em o v e m e n th a sb e e n r e s e a r c h e d a i m i n ga tt h es y n c h r o n i z a t i o nt a r g e to f t h es y s t e mo fm u l t i m o t o rs y n c h r o n i z a t i o n , a p p l y i n gt h et h e o r ya n dm e t h o d sf o rd y n a m i cd e s i g no fm e c h a n i c a ls y s t e m ，t h et h e o r yo f v i b r a t i o ns y n c h r o n i z a t i o na n dc o n t r o ls y n c h r o n i z a t i o n ，t h et h e o r yo fm o d e mc o n t r o l ，a n d m o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no fs y s t e ma n ds oo n , t h em o d e l i n ga n da n a l y s i so fd y n a m i c sh a s b e e np e r f o r m e df o rt h ev i b r a t i o ns y s t e ma n dt h ec o n d i t i o no ft h es y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t y a r eo b t a i n e d a p p l y i n gt h es i m i l a r i t yp r i n c i p l eo fl o g i c a lt h i n k i n gc o m b i n e dt h et r a d i t i o n a l p i da l g o r i t h m ，f u z z yp i dc o n t r o la l g o r i t h mo ft h i sm o d e li sb u i l t f i n a l l y , t h ec o n t r o ls y s t e m i ss i m u l a t e da n da n a l y z e db yu s i n gc o n t r o ls y s t e mt o o l b o xi nm a t l a ba n df u z z yl o g i c t o o l b o xi ns i m u l i n k ，t h ec o n c r e t ec o n t e n t si sa sf o l l o w s ： r e g a r d i n gt h es e l f - s y n c h r o n i z a t i o ns h a l es h a k e ra st h er e s e a r c ho b j e c t ，t h em e c h a n i c a l m o d e lo ft h es e l f - s y n c h r o n o u sv i b r a t i n gm a c h i n e si np l a n em o t i o nw h i c hs i m p l i f i e di n t o “s p r i n g q u a l i t y ”s y s t e mi sb u i l t r e f e r r i n gt ot h i sm e c h a n i c a lm o d e lt h ev i b r a t i n ge q u a t i o no f t h ev i b r a t i o nm e c h a n i c a li so b t a i n e d ，m o t i o np a t ho ft h ev i b r a t i o nm e c h a n i c a li nt h es a m ea n d o p p o s i t ed i r e c t i o n sa r ed e d u c e db yd y n a m i c sa n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s ，a n dt h ec o n d i t i o n so f s y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t yh a v eb e e nd e d u c e db a s e do nt h ee q u a t i o no fb a l a n c e dm o m e n t o ff o r c e ，a n dt h ea n a l y s i so fa l lk i n d so fr e s u l t sh a sb e e nm a d e b a s e do nt h i sa n a l y s i s ， i i i c o n s l d e n n gt h em o v e m e n tc o n d i t i o no ft h i ss y s t e mw h e nt w oe c c e n t r i cq u a l i t ym o m e n ta r e u n e q u a | ，t h em o v e m e mp a t ha n ds y n c h r o n i z a t i o na n ds t a b i l i t yc o n d i t i o n so f s p e c i a lp a t hh a s b e e nd e d u c e d a n dt h ee f f e c to f u n e q u a le c c e n t r i cq u a l i t yt ot h es y s t e mw a sa n a l v z e d o t h e re f f e c t st o s e l f - s y n c h r o n o u sm e c h a n i c a lh a v eb e e na n a l y z e db yt 1 1 em e a l l so f e x p e r i m e n t sa n ds i m u l a t i o n u n l o a d e dt e s th a sb e e nc a r r i e do u tt oz z s 4 0 7 0 l i n e a rv i b 洲n g s c r e e na n ds i m u l a t e dt e s t - b e d v i b r a t i o na c c e l e r a t i o ns i g n a lw h e n s t a r t i n ga n di ns r e a d vs t a t e i sm e a s u r e d a n dm o t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，s t a b i l i t ya n di n f l u e n c ef a c t o r sh a v eb e e nr e s e a r c h e d a n dt h e s ew o r ks e t t l et h ef o u n d a t i o nf o rt h e f o l l o w i n gs t u d v i ft h e a d j u s t m e n t a n d d e s i g ns t i l l c a n n o tr e a l i z e s e l f s y n c l o m z a t i o n ， c o n t r o l s y n c h r o n i z a t i o nw i l lb ec o n s i d e r e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro f v i b r a t i n gm e c h a m c a l t h i s p a p 盯p r e s e n t sf u z z yc o n t r o lp l a nb yu s i n gm i c r o c o n t r o l e r t h em e t h o do fm o t o rs p e e d d e t e c t i o na n dh a r d w a r ed e s i g na r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r i no r d e rt oa c l l i e v eb e t t e r s y n c h r o n l z i n gc o n t r o lp r e c i s i o n ，m e r i t sa n d s h o r t c o m i n g so fe v e r ym o d e mc o m r o lm e t h o da r e c o m p a r e da n ds p e e dc o n t r o ls c h e m ea r es e l e c t e d t h er e s u l to fs i m u l a t i o ns h o w sm a tt l l e c o n t r o ls y s t e mc a na t t a i nt h es a t i s f i e dr e s u l t t h ep i d c o n t r o l l e ra n df u z z yp i dc o n t r o l l e r 铷_ e s l m u l a t e di nm a t l a ba n dt h ee m u l a t i o nr e s u l t sa r ea n a l y z e d t h ee m u l a t i o nr e s u l t s h o w s t h a tt h i sc o n t r o l l e rh a sb e t t e rc o n t r o l r e s u l ta n ds t u p i da n de x c e u e m k e yw o r d s ： s e l f - s y n c h r o n o u s v i b r a t i n gm a c h i n e ；v i b r a t i o ns y n c h r o l l i z a t i o n ；c o n 们l s y n c h r o n i z a t i o n ；s t a b i l i t y ；f u z z yp i dc o n t r 0 1 i v 东北大学硕士学位论文目录 口三罩 目豕 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 课题研究的意义1 1 2 振动同步研究的国内外现状2 1 3 控制同步研究的国内外现状3 1 4 本课题研究的内容及主要工作5 第2 章多电机振动系统的自同步分析7 2 1 前言7 2 1 1 研究对象7 2 1 2 力学模型的建立7 2 2 同向回转自同步振动机械的同步理论9 2 2 1 同向回转自同步振动系统运动微分方程的建立9 2 2 2 稳定运转的同步性条件1 0 2 2 3 两种同步运转状态及其稳定性条件1 2 2 2 4 自同步振动系统的典型运动特征1 4 2 3 反向回转自同步振动机械的同步理论1 6 2 3 1 反向回转自同步特性1 6 2 3 2 自同步振动系统的典型运动特征一1 7 2 4 两偏心质量距不等同向回转时的自同步特性分析1 8 2 4 1 同向回转情况下系统运动微分方程的推导18 2 4 2 同向回转时的同步性条件1 9 2 4 3 同向回转情况两种同步运转状态及其稳定性条件2 l 2 4 4 自同步振动系统的典型运动特征2 2 2 5 偏心质量距不等反向回转自同步特性分析2 3 2 5 1 自同步特性分析2 3 2 5 2 自同步振动系统的典型运动特征2 5 2 6 本章小结2 6 v 东北大学硕士学位论文目录 第3 章自同步振动机械的动响应分析2 7 3 1 前言2 7 3 2z z s 4 0 7 0 型直线振动筛空载测试实验2 7 3 2 1 振动筛结构参数2 7 3 2 2b & k 振动测试分析系统2 8 3 2 3 试验过程及结果分析。2 9 3 3 模拟试验台的试验及结果分析3 4 3 3 1 偏心块质心位置的确定3 4 3 3 2 试验及结果分析一3 5 1 3 4 自同步振动机的仿真分析3 7 3 4 1 激振器偏心质量距对同步运动的影响3 7 3 4 2 电机驱动力矩对同步运动的影响：3 8 3 5 本章小结3 9 第4 章智能同步控制策略4 1 4 1 前言4 1 4 2 同步控制器的硬件设计4 l 4 2 1 基于单片机的转速测量系统。4 1 ， 4 2 2 电机转速测量4 2 4 2 3 同步控制器的电路设计4 6 4 3 同步控制系统的软件设计4 8 4 3 1p i d 控制器的设计4 8 4 3 2p i d 控制器参数的整定5 0 4 3 3 模糊控制原理51 4 3 4 模糊p i d 控制器的设计5 4 4 3 5p i d 参数的模糊调整规则5 6 4 3 6 模糊推理及解模糊化5 8 4 4 本章小结5 9 第5 章同步控制器的设计与仿真6 l 5 1 系统传递函数的建立6 l 5 2 传统p i d 控制仿真6 2 5 3 模糊p i d 控制仿真6 2 5 4 本章小结6 4 第6 章结论与展望6 5 v i ， 6 1 结论6 5 6 2 展望6 6 参考文献6 7 致谢7 0 v i i t t ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的意义 同步是自然界、人类社会及工程技术部门中客观存在的一种运动形式，是指两个或 两个以上的物件、物体或所观察的对象实现相同或相似的运动形式或物理形态，如相同 的速度、相位和运动轨迹等。从最初发现的钟摆同步到智能控制同步和混沌同步，同步 研究的重要性在实际应用中得到体现，同时由于同步现象可以用同步理论很好的解释， 因此受到人们越来越多的关注。 在人们所涉及的任何一种科学技术领域和部门，包括所有的自然科学与社会科学， 无一不存在同步现象或同步问题，如宇宙学、化学、电磁学、医学、生态学、生命科学、 经济学、电工技术、无线电技术、电子技术和机械等科学技术领域，同步现象和同步问 普遍地存在着。 线性和非线性振动利用技术通过产生振动服务于生产，这个过程是由能够产生振动 的机械设备来完成的，在这些振动机械设备中，常常要求其内部的两个或两个以上的部 件实现同步运转，或要求具有相同的速度和相位，如双电机驱动或者多电机驱动的振动 给料机、振动输送机、振动筛、振动干燥机、振动冷却机、振动桩机等，都要求它们在 同步状态下运行，进而完成所需的工作过程。在过去，为了实现两个激振器同步运转， 通常采用一对速比等于1 的齿轮使两个带有偏心的激振器实现同步运转，这样的机器结 构较为复杂。而振动同步原理的提出，促进了振动利用工程领域技术与产业部门的重大 变化和变革。从技术上使得振动机械的结构大大简化，维护更加方便，进而带来了重大 的经济效益和社会效益。 由于两个物件或物体在同步过程中所获得的同步参数或参量不可能完全相等，总会 有一定的误差。随着生产力的不断提高，工农业生产对于同步控制精度的要求也越来越 高，因此有必要在前人经验的基础上做进一步的研究。 目前对同步问题大量研究大大深化了人们对同步问题的认识，把同步研究推进到一 个新的水平。但是经典的自同步理论中却还有许多问题未得到圆满解决，例如自同步系 统受到外界的扰动导致两电机的转速和相位发生差异时，系统如何自行恢复同步状态的 能力；对已经同步运行的自同步振动机械系统，切断一台电机的电源后，断电的电机为 什么有时还能与未断电的电机继续同步运转等。同步系统中许多新的物理现象的不断出 现还有待于进一步深人研究。 传统的机械同步系统多利用刚性传动( 如齿轮传动) 或柔性传动( 如链或带传动) 实 1 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 现同步。这种机械式强制定速比传动方式由于需要复杂笨重的机械传动装置，因而存在 结构复杂、安装维修不便、工作时噪声大以及灵活性差等缺点。随着控制理论的迅速发 展，研究人员将许多先进的控制方法应用到振动机械的同步控制中，解决了许多工程实 际问题，并获得了巨大的经济效益和社会效益。因此，传统的机械同步系统已经发展为 振动同步( 对于双激振器式振动机) 或电轴同步( 对一般机械) 以及传统的控制同步和智 能控制同步。目前用控制的方法实现同步不仅已成为现实，而且可获得良好的控制效果， 获得满意的精度和工作稳定性。 在振动同步的基础上，实现同步的方法已逐渐向传统的或智能控制同步方法过渡， 更多地利用控制技术和方法实现同步能获得良好的控制效果，有必要将同步理论与控制 理论结合起来，研究振动机械的同步控制问题，并运用仿真分析的方法实现同步控制问 题的研究，以获得满意的精度和工作稳定性。 因此，本文在多电机振动机械系统同步研究方面，从理论与实际两个方向，针对振 动机械系统，以机械振动学、同步理论、控制理论、非线性动力学等为基础，借鉴同步 理论研究的最新成果，研究了多电机驱动振动机械的动力学机理、同步性条件和稳定性 条件、振动同步和控制同步等问题。这些研究不仅对振动机械领域中的同步问题有实际 性指导意义，而且可以为其它领域的同步现象提供分析研究的思路或方法，使同步研究 具有更广泛的意义。 1 2 振动同步研究的国内外现状 最早发现机械系统振动同步现象的是1 7 世纪的丹麦科学家h u y g e n s ，他发现当同 时挂在可摆动的薄板上的两台挂钟满足一定条件时，可以实现同步摆动。2 0 世纪2 0 年 代，人们在非线性电路中也发现了同步现象，在非线性系统中，当系统接近共振工作时， 其固有频率国常常被强迫振动频率y 所俘获，此时系统只能出现频率为y 的振动，从而 发现“频率俘获 是非线性振动系统的特有现象。2 0 世纪6 0 年代，前苏联b l e h m a n 博 士又提出了双激振器振动机的同步理论。采用由两台感应电动机分别驱动的两个惯性激 振器激励，可使机器实现所要求的直线振动、圆周振动或其它形式的运动。加深了人们 对同步的认识，并将这一理论成果应用于振动工程机械中，解决了许多工程应用的实际 问题。2 0 世纪8 0 年代，日本学者i n o u e 和a r a k i 等研究了双电机驱动的平面振动机的3 倍频同步，从而拓宽了同步理论研究的领域。 在国内，闻邦椿院士长期从事振动同步的理论与利用研究。研究了不同形式的基波 同步和倍频同步原理，针对复杂机电系统完成了多种控制同步研究。并且上述研究成果 已经在国内许多振动工程机械中得到了推广与应用，获得了巨大的社会与经济效益。 - 2 ， 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 在混沌同步研究方面，2 0 世纪9 0 年代中国原子能科学研究院的方锦清在国内较早 地全面总结和介绍了非线性系统中混沌控制方法、同步原理及其应用前景。另外国内研 究人员提出了对力学系统混沌运动进行控制的各种策略，对不同系统之间的部分同步、 广义同步及同步控制等问题都进行了深入研究，取得了许多进步性的成果。同时，上海 交通大学的陈立群，刘延柱应用开闭环控制器对混沌振动系统进行同步控制，实现了多 自由度混沌系统间的同步，说明了该控制律的有效性和鲁棒性。 1 3 控制同步研究的国内外现状 2 0 世纪8 0 年代以来，控制理论和方法得到了迅速的发展。在多机机械系统同步控 制的研究中，传统控制和智能控制等各种主要控制方法均得到了采用，如p i d 控制、变 结构自适应控制、模糊控制、神经网络控制等。最近l o 多年来，智能控制得到迅速的 发展和应用，在同步控制过程中可以获得满意的效果。智能控制是针对系统的复杂性、 非线性、不确定性而提出来的。它适合在环境与性能变化、不可测干扰、元件故障、复 杂的信息模式等条件下使用。其中，模糊逻辑控制、神经网络和专家控制是三种典型的 智能控制方法。 模糊控制是用语言归纳操作人员的控制方法，运用语言变量和模糊集合理论形成控 制算法的一种控制。1 9 6 4 年美国教授查德( l a z a d e h ) 创建模糊集理论和1 9 7 4 年英国 工程师麦丹尼( e h m a m d a n i ，模糊控制论专家) 成功地将模糊数学应用到蒸汽机和锅炉 控制上以来，模糊控制得到了迅速地发展。此后，各国学者对不同的复杂控制对象，如 炼钢炉、水泥窑和热水厂等控制系统的实验研究都得到了较好的结果。从广义上讲，模 糊控制是基于模糊推理、模仿人的思维方式，对难以建立精确数学模型的对象实施的一 种控制。模糊控制是不需要建立被控对象的数学模型、也适用于非线性系统、对参数的 变化有较强的适应性的一种控制。基于以上优点，很多国际著名的专家指出：“模糊控 制是2 1 世纪的控制技术”，将有非常广阔的发展前景和产品市场。 神经网络是用来模拟脑神经的结构和思维、判断等脑功能的一种信息处理系统。 2 0 世纪8 0 年代以来，神经网络理论取得了突破性进展，并以它一系列优异的性能而迅 速成为智能控制一支新的生力军。神经网络之所以为自动控制界关注，是由于它具有下 述颇具吸引力的特点： ( 1 ) 很强的自学习和自组织能力，能进行在线或离线的学习。 ( 2 ) 并行处理及其带来的高速处理能力，而且处理的时间与问题的复杂程度只是成 比例关系，而不是如串行处理中的几何数量级关系。 ( 3 ) 8 1 灵强的处理非线性问题的能力，能逼近任意的非线性函数。因而适于处理那些难 - 3 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 于用模型或规则描述的过程或系统。 ( 4 ) 很强的信息综合能力，能同时处理大量的、不同类型的定量和定性信息，便于进 行多种信息的融合。 ( 5 ) 分布式存储信息和容错能力。每个神经元存储多种信息的部分内容，部分神经元 的损坏和信息破坏只会导致网络部分功能减弱。 神经网络在自动控制系统中应用方式是多种多样的，基本上可分为单神经元的应用 和神经网络的应用。神经网络组成的系统可以很复杂，也可以获得很好的性能。但目前 由于缺乏相应的神经网络芯片或神经网络计算机硬件支持，利用目前的计算机的串行计 算方法来模拟神经网络机制，解决实时控制问题，其计算速度还很难满足实际需要，因 此尚未获得实际应用。而由单个神经元构成的控制器，结构简单，易于实现实时控制。 虽然神经网络控制在应用上还有困难，但它是一种很有前途的方法，它的大量应用有待 于现在已经取得成功的神经网络集成电路芯片生产的成熟。 专家控制的思想是瑞典学者k ，j a s t r o m 在1 9 8 3 年提出的。1 9 8 6 年他正式提出 了专家控制的概念和方法，阐述了比较深入、完整的见解，对于专家控制的发展和应用 起到了重要的先导作用。十余年来专家控制获得了许多成功应用，其成果令人鼓舞；但 它在理论上还很不完善，并未形成有普遍意义的理论体系和设计方法。与鲁棒控制的情 况正好相反，专家控制是理论的成熟较之应用的成功明显薄弱的典型，但对许多工业过 程，专家控制都表现出是一个行之有效的控制方法。 专家控制的基本思想可以作一个形象的比喻：专家控制是试图在控制闭环中加入一 个有经验的控制工程师，系统能为他提供一个控制工具箱，即可对控制、辨识、测量、 监视等各种方法和算法选择自便，调用自如。因此，专家控制可以看成是对一个控制专 家，在解决控制问题或进行控制操作时的思路、方法、经验、策略的模拟。控制专家在 完成控制任务时主要进行三件工作：观察、检测系统中的有关变量和状态；运用自己的 知识和经验判断当前系统运行的情况并分析比较各种可能，以采用合适控制方法予以执 行。 近年来，非线性同步控制理论的研究越来越受到人们的重视。考虑系统参数的非完 整性，需要采用适当的控制方法来实现系统的同步运动，如鲁棒控制，自适应控制等。 为了保持两个或多个构件的特定的运动学关系，即运动同步，实现其在现代制造装配和 空间工程等领域的应用，国内外已经出现了多种相关的控制策略，如主从控制，集中控 制，分散控制，动力学自适应同步控制等，由于噪音、参数不确定性、摩擦、未知载荷、 铰接的刚柔性等因素影响，实现机械系统的同步控制一般都需要基于观测器进行参数估 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 计，通过设计适当的控制法则来使系统的同步误差收敛于零。 在国内，各大工程中同步控制技术亦得到了大量的应用，例如：三峡工程永久船闸 人字门开门同步控制技术应用；上海东方明珠广播电视塔钢天线桅杆整体提升同步控制 技术应用；北京西客站主站钢门楼整体提升同步控制技术应用；北京首都机场四机位库 网架五面整体提升同步控制技术应用；航天部门研制空中武器和模拟飞行器空中飞行的 三轴飞行姿态仿真转台控制中的同步控制技术应用；首钢4 号高炉环形吊车双电机同步 控制等等。通过同步控制技术在这些重大工程中的研究和应用，可见同步控制技术在我 国得到了很大的发展，并取得了显著的经济效益和社会效益。 目前，国内外振动同步与控制同步的研究工作，已扩展到振动同步和控制同步的复 合系统、多电机驱动的机械系统的控制同步、多液压缸系统和多液压马达的同步控制。 研究多机传动机械系统的同步控制将具有广泛的应用前景。 自同步振动和振动同步传动是振动利用工程中的类特殊物理现象，在冶金、建材、 煤炭等行业的物料筛分和物料输送设备中具有广泛用途，文献 2 ，3 】对此曾做过系统深入 的研究。从机械动力学的角度导出了自同步振动机械工作的同步条件和稳定性条件，为 自同步机械的设计及调试奠定了理论基础；并且从能量传递的角度分析了振动同步传动 的物理过程，并进行了实验研究【2 】；近年来，同步研究已经发展到控制同步与振动同步 相结合的组合同步阶段【6 】，即把电机系统和振动机械系统纳入到统一的机电系统中进行 研究；从控制同步的角度研究了双机传动系统的定速比控制问题【1 6 1 ，进一步研究了多机 传动系统的智能控制问题【3 ”2 1 。由于同步经常与系统的非线性特性联系在一起，现在已 有不少研究者开始进行非线性系统的混沌同步的研究【3 7 3 引。这些研究大大深化了人们对 同步问题的认识，把同步研究推进到一个新的水平。本文在文献 2 ，3 】的基础上，从机械 动力学的角度导出了两激振器偏心质量距不等时自同步振动机械工作的同步条件和稳 定性条件，并分析了系统运动轨迹的变化及同步性和稳定性条件的变化；借助实验和仿 真等手段，对推导的理论模型进行验证与结果的比较，证明了理论分析的正确性；在通 过机械动力学设计仍无法实现自同步的情况下，考虑了振动系统的智能控制算法，为进 一步研究振动同步系统其他问题奠定了基础。 1 4 本课题研究的内容及主要工作 本文以实验室自同步振动机械系统为研究对象，在对它进行动力学和运动学分析的 基础上，导出了振动系统实现同步的同步性条件及稳定性条件。在不能达到自同步的情 况下，为了实现同步运转或达到更高的同步控制精度，在同步理论的基础上选择最优的 智能同步控制方案，用m a t l a b 进行了仿真分析。论文的主要工作分述如下： - 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 ( 1 ) 以多电机驱动的振动筛系统为研究对象，建立了自同步振动系统的力学模型， 基于该模型推导了系统的振动方程，能够实现同步运转的同步性条件和稳定性条件等。 特别是在此基础上推导了偏心质量距不等时，振动系统的自同步特性，做出了振动系统 初始相位差角不同情况下，振动系统质心的运动轨迹，分析了其运动规律及其同步性与 稳定性条件。 ( 2 ) 对实验室z z s 4 0 7 0 型振动筛进行空载测试，测量了开机时及达到稳态时筛体的 振动加速度信号，对实验数据进行变换处理，研究了振动系统的运动特征、稳定性及影 响因素。同时对试验室模拟试验台进行了试验，分析了它的稳定性与同步性及试验过程 中各种现象出现的原因，模拟试验机在实际运转中，机体下支座在起机和停机过程中出 现了明显的滑移现象，需要迸一步改进。最后通过对z z s 4 0 7 0 型振动筛进行仿真，分 析了影响自同步振动机稳定性的其他因素。 ( 3 ) 自同步振动系统在不能达到自同步的情况下，考虑采用智能控制同步的策略。 介绍了电机速度的同步检测和硬件实现方法等，权衡各种智能控制算法的利弊，并最终 选用模糊p i d 控制算法作为本文软件设计的解决方案。把速度差和速度差变化率作为模 糊p i d 控制器的输入，分别介绍了两者的模糊量化、模糊推理、模糊判决和模糊关系的 确定等。 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件中的s i m u l i n k 模块对p i d 控制器和模糊p i d 控制器分别进 行了系统仿真，并对仿真结果进行分析。结果表明模糊p i d 控制系统是一种高效稳定的 控制系统，提高了系统的稳定性，具有很强的鲁棒自适应性能。 本文关于振动系统同步运动的研究，为实验室模拟试验台的改进奠定了基础，同时 也为更深入地研究同步现象的若干问题和扩展同步理论的工程应用提供了理论依据。 东北大学硕士学位论文 第2 章多电机振动系统的自同步分析 第2 章多电机振动系统的自同步分析 2 1 前言 2 1 1 研究对象 用两台电动机分别驱动两套激振系统，可产生同步运转从而可以取消齿轮传动，应 用振动阻矩法或哈密尔顿原理可以求出振动同步传动的同步性判据和稳定性判据，并可 确定同步振动机械的运动状态。 双电动机驱动的平面运动的自同步振动机按轴的回转方向可分为同向回转和反向 回转两种。本文研究的自同步振动系统是建立在实验室自同步振动筛基础上，该实验台 是研究双电机驱动或多电机驱动自同步振动系统的振动同步、控制同步和复合同步的。 为了使这种振动机实现同步运转，必须满足它的同步性条件，为了获得所要求的运 动轨迹，必须满足既定的同步运转状态的稳定性条件。目前工业中应用的自同步振动机 的类型很多，例如作平面运动和作空间运动的、单质体和双质体的、非共振型和近共振 型的、两轴作同向回转和作反向回转的。本试验台同步系统包括四台模拟试验