（机械设计及理论专业论文）平面铰链四杆机构的动力和控制设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第；页 摘要4 机电设备在当今工业中得到广泛地应用，它有效地加快了工业生产自动 化的进程，影响蓑各行各业的发展，而其中设计方法直接决定着机电产品性 能的好坏。如何通过改进机电系统的设计方法来提高产品的性能已成为现今 众所关注的热点领域。 在过去，机电系统设计着重于消去系统速度波动对机构性能的影响。这 样，虽然速度波动得到了良好的控制，但输入扭矩波动有可能变得更为严重， 它同样会导致系统振动、噪音和不稳定等负面作用；另外，同时减小电机一 机构的速度波动和输入扭矩波动还有助于控制器的设计，减小电机的负载。 所以关于如何同时减小系统速度波动和输入扭矩波动的研究具有理论和实际 意义。 论文主要研究的内容是： 1 、对电机一平面铰链四杆机构系统进行建模和仿真，发现电机一机构系 统的速度波动和输入扭矩波动均较大，这将造成系统产生不利的机构性能； 2 、对如何同时减小电机一平面铰链四杆机构系统的速度波动与输入扭矩 波动进行了探讨： ( 1 ) 通过选用控制器的方法来减小电机一平面铰链四杆机构系统的速度 波动和输入扭矩波动。发现控制器仅对系统的速度波动进行有效调节，但对 输入力矩作用甚微甚至使其恶化； ( 2 ) 通过惯性力、惯性力矩平衡得到质量分布，减小电机一平面铰链四 杆机构系统的速度波动和输入扭矩波动。发现系统速度波动、输入扭矩波动 得到了一定的改善，但输入扭矩峰值变大： ( 3 ) 借助于等效转动惯量的优化“平衡”，对机构参数的优化进行了初 步探讨。发现借助于等效转动惯量的优化“平衡”改善机构的质量分布，不 仅减小了系统速度波动和输入扭矩波动，而且有效地简化控制部分的设计、 减小了输入扭矩的峰值，提高系统综合动态性能。 西南交通太学硕士研究生学位论文第；i 页 论文裂鼹醚解敬b 对电镌驱动乎瑟蹬移援搀数运动缨越进行了摸攒 对相关结论进行了验证。 关键词：平面铰链四杆机构；质嫩重配：输入掇矩波动；掇制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第i ii 页 a b s t r a c t 8 m e c h a t r o n i c si sw i d e l yu s e di nm o d e r n i n d u s t r y i ta c c e l e r a t e st h ec o u r s eo f a u t o m a t i o na v a i l a b l ya n di n f l u e n c e st h ed e v e l o p m e n to fe v e r yw a l ko fl i f e t h e d e s i g nm e t h o dd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo fp r o d u c t s ，h o wt oi m p r o v et h ed e s i g n m e t h o df o r i m p r o v i n g t h eq u a l i t yo f p r o d u c t s i sc o n c e r n e d i n t e n s i v e l y i nt h ep a s t ，t oe l i m i n a t et h ei n f l u e n c eo fs y s t e m ss p e e df l u c t u a t i o no nt h e m e c h a n i c a l p e r f o r m a n c ew a se m p h a s i z e d i nt h ef i e l do fm e c h a n i c a l d e s i g n 。 a l t h o u g hs p e e df l u c t u a t i o nw a sc o n t r o l l e dw e l lu n d e rs o m em e a s u r e m e n t s ，t h e f l u c t u a t i o no fi n p u t t i n gt o r q u eb e c a m ew o r s ep e r h a p s i tc a nc a u s e n e g a t i v e i n f l u e n c es u c ha s s y s t e mv i b r a t i o n ，n o i s e s a n d i n s t a b i l i t y t h e r e d u c t i o no f f l u c t u a t i o no fs p e e da n di n p u t t i n gt o r q u ea sw e l li so fb e n e f i tt ot h ed e s i g no f c o n t r o l l e ra n dr e d u c t i o nt h et o a do fe l e c t r i c a im o t o r t h e r e f o r et h es t u d yo f r e d u c i n go ft h ef l u c t u a t i o n s o fs p e e d 。a n di n p u t t i n gt o q u es y n c h r o n o u s l yi so f i m p o r t a n t i nt h e o r ya n d p r a c t i c e t h em a i nc o n t e n to f 氇运t h e s i si sa sf o l l o w s ： 1 t h es y s t e mo fe l e c t r i cm o t o ra n df o u r - b a rl i n k a g e si sm o d e l e da n d s i m u l a t e df i r s t l y t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ee x i s t sag r e a tf l u c t u a t i o nb o t hi n s p e e d a n d i n p u t t i n gt o r q u e ，i tm a y h a v es o m eb a de f f e c t so i lt h es y s t e m 2 。h o wt or e d u c et h ef l u c t u a t i o no fs p e e da n dt h ef l u c t u a t i o no fi n p u t t i n g t o r q u eo ft h es y s t e mi sd i s c u s s e d t h e n ， ( 1 ) s o m e c o n t r o l l e r sa r ed e s i g n e dt or e d u c et h ef l u c t u a t i o no fs p e e da n dt h e f l u c t u a t i o no fi n p u t t i n gt o r q u eo ft h es y s t e m t h ec o n t r o l l e r sm o d u l a t i o n i s a v a i l a b l ef o rt h ef l u c t u a t i o no f s p e e do n l y , b u t i ti sv e r yl i t t l et ot h ef l u c t u a t i o no f i n p u t t i n gt o r q u e o rw o r s e ( 2 ) m a s s d i s t r i b u t i o no f t h em e c h a n i s ma c c o r d i n gt ot h eb a l a n c ei n e r t i af o r c e a n di n e r t i am o m e n t ，t h ef l u c t u a t i o no fs p e e da n dt h ei n p u t t i n gt o r q u eo ft h e e l e c t r i cm o t o r m e c h a n i s mm a yb er e d u c e dg r e a t l y b u tt h ep e a ko fi n p u t t i n g t o r q u e s t i l lr e m a i n e sa th i 曲v a l u e ) w i t ht h e i d e at o o p t i m i z e o fe q u i v a l e n tm o m e n to fi n e r t i a ，t h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第iv 页 o p t i m i z a t i o no f s o m e p a r a m e t e r so f t h em e c h a n i s mi sd i s c u s s e d i ti so b v i o u st h a t n o to n l yt h ef l u c t u a t i o n so fs p e e da n di n p u t t i n gt o r q u eb u tt h ec r e s tv a l u eo f i n p u t t i n gt o r q u ea sw e l la r er e d u c e d t h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ei si m p r o v e d i n a d d i t i o nt ot h i s ，t h ed e s i g no ft h ec o n t r o l l e ri ss i m p l i f i e de f f e c t i v e l y a 1 lo ft h ec o n c l u s i o n ss t a t e da b o v ea r ed r a w nf r o mt h er e s u l t so fs i m u l t i o n o faf o u r - b a rm e c h a n i s md r i v e n b y e l e c t r i cm o t o ru s i n gm a t l a bs o f t w a r e p a c k a g e k e y w o r d s ：p l a n a rf o u r - b a rm e c h a n i s m ；m a s s d i s t r i b u t i o n ；f l u c t u a t i o n o f i n p u t t i n gt o r q u e ；c o n t r o l 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 、引言 第一章绪论 随着科学技术的发展，对机器的总体性能要求不断提高。传统的机械装 置由于不具备控制系统，很难达到我们对机器系统性能的要求。如此，机构 学渐渐发展成为和电子、控制技术紧密相结合的学科。随之产生了可控机构 与受控机构，它们能够精确实现给定的运动，并且具有较高的运动速度，较 好地适应了现代工业发展的需要。在现代机械的设计中，机构的设计和其运 动控制系统的设计相互影响、密不可分，机构的动力学性能将直接关系到机 构控制系统设计的难易程度。而机构的动力学性能可以从机构结构和质量分 配设计这两个方面来加以改进。本章对机构学研究现状和可控机构的发展与 应用现状进行了简要的阐述。 1 2 、机构学研究现状和发展展望 机构学是研究机构和机器的分析和综合的理论。机械工程学科随着1 8 世纪下半叶的工业革命而迅速发展，机构学也在原来机械力学的基础上发展 成为一门独立的学科，通过对机械的结构、运动、动力学的研究形成了机构 学独立的体系和独特的研究内容。那时的机器是由原动机、传动机、工作机 组成，机构也被看作是由刚性构件组成且具有确定运动的运动链，在输入运 动一定时其他构件做确定的相对运动，且不考虑构件的弹性变形、运动副之 间的问隙。 在2 0 世纪7 0 年代，计算机作为信息处理和控制的手段在机械产品上得 到广泛应用，使得机器和机构的概念也发生了广泛的变化，同时随着其他科 学技术的发展机构学也迅速发展。特别是随着自动控制理论的广泛应用，传 统的机构学已发展成为与多种学科交叉，融合形成新的学科分支的现代机构 学。一方面，航空航天技术、机器人、海洋开发、医疗器械等技术的开发， 对机构和机器的功能提出了更高的要求，如智能化、系统化、柔性化的输出， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 高精度、高速度、大承载能力、微结构等特殊性能和结构要求；另一方面， 机电一体化技术、现代控制理论、传感技术、计算机技术、微电子技术、生 物技术、材料科学的发展为机构学的发展提供了新的研究领域。因而促成了 受控机构学、可控机构学、机器人机构学、微型机构学、仿生机构学、广义 机构学等许多新分支的出现，构成了现代机构学的多个分支f 1 】【2 】【3 1 4 1 。在近 3 0 多年的时问里，经国内外机构学专家大量、广泛的研究，现代机构学己有 较大发展，主要体现在以下几个方面： 1 ) 广义机构的研究 随着各种新型驱动元件的不断涌现和计算机技术的广泛应用，机构的概 念也广义化，主要体现在机构非刚性化和将驱动元件的特性融合到机构中去， 使机构具有可控性和智能化，可以使原本实现运动、动力传动和变换的机构 具有更广泛的特征，从而拓宽了机构学的研究范围【6 j 。 2 ) 步行机构和机器人机构学的研究 随着人类社会的不断发展和科学技术的不断前进，人们对步行机和机器 人的需求也不断增加，如沙漠地带的勘测、管道内部的检测、核电车间的操 作、高温车间的操作等；对它们的研究也不断深入，如对开链机器人的工作 空间、运动动力学、轨迹规划、控制等方面的研究；对并联机器人机构的类 型、运动动力学、冗余度机器人的逆动力学、考虑杆件弹性变形和运动副问 隙的动力学问题等的研究；对步行机的行走机理、机械结构、控制技术等的 研究。 3 ) 微型机构和微驱动器的研究 人类社会的研究领域己不再局限于宏观世界，人们已开始涉足微观世界。 微观世界也需要相应的执行机构、作动器来满足如细胞的切割、血管的疏通 等。微型机械的工作环境及特点决定了其执行机构、驱动器、传感器、控制 器等必须集成在一个多晶硅片上，使传统的无源机构变为有源机构。而对于 机械的类型、机构中的摩擦机理、驱动方式、微小运动的测量等均需作更深 入的研究 7 1 。 4 ) 仿生机构的研究 仿生机构是模仿生物世界某些生物的生理机理和动作来设计一些特殊用 途的机器，如蛇型探测器、仿生微型泵等【5 】。 5 ) 可控机构的研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 现代机械愈来愈需要机构能实现柔性输出，因此要求机构能可调、可控， 可控机构正是应这一要求而兴起的。可控机构是指单自由度机构中的某些结 构参数或机构的输入运动和多自由度闭链机构中的某些运动由计算机进行实 时控制或以人工手动方式进行多固定位置的控制来实现柔性输出、改善机构 的运动、动力特性。目前机构学界对可调机构、可编程控制机构、可控机构、 混合驱动的二自由度和多自由度可控机构的类型和设计方法已开始研究。 而且随着科学技术和工业生产的飞跃发展，机构学界已开始进一步关注 并探讨机构学方面的以下问题： 1 、机械产品概念设计促进机构及其系统的设计和方法的研究； 2 、机电一体化技术的发展促进机电系统方案设计的研究； 3 、机器人技术的发展推动机器人机构的深入研究； 4 、机械动态设计的发展推动机构及其系统的动态分析与设计； 5 、多学科与机构学交叉、融合形成多种机构学新分支： 6 、对传统典型机构深入研究，完善其设计方法，提高现有机器的性能。 由以上可以看出机构学己由单纯研究机构的结构、运动、动力学的理论 和方法，发展成为研究各种机构的功能、工作原理、类型、设计方法、机器 的运行状态和特性、控制方式及系统设计方法的技术基础学科。 1 3 、可控机构简介 可控机构 1 3 】是指单自由度机构中的某些结构运动参数或机构的输入运 动和多自由度闭链机构中的某些运动，这些运动可用微机进行实时控制或以 人工手动方式进行多固定位置的控制，可以实现柔性输出，改善机构的运动 和动力特性。它能有效克服传统机构的缺点，综合了单自由度闭链机构和开 链机构的优点，只需适当调节驱动元件的控制参数，就能对功能需求的变化 做出快速发应。可控机构具有闭链机构刚性好、运动速度快、承载能力强， 以及开链机构柔性好的特点，从而有效地满足了现代产品的高性能、小批量、 多品种的需求。 1 3 1 可控机构的分类 可控机构根据其驱动类型及驱动方式的不同，可分为以下几类【1 1 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 ) 可调机构 可调机构是指单自由度机构的某些机构尺寸连续调节或手动调节以实现 输出多任务。可调机构的研究始于六十年代初，按其实现功能分为： 1 ) 轨迹综合的可调机构； 2 ) 实现运动综合的可调机构； 3 ) 实现函数综合的可调机构。 2 ) 变输入机构 变输入机构是单自由度机构输入由微机控制，以改善机构系统的运动和 动力性能。传统的输入大多是等速运动，这种传统机构存在缺乏输出柔性， 机构的设计空间受限制；而且不能适应机构参数的变化和工作条件的变化等 缺点。变输入机构可以根据机构的运动和动力性能要求，设计变速输入函数 以及可以实现机构参数二维设计空间，从而实现机构的柔性输出，减小机构 的振动，实现误差补偿。按变速单元的类型，变输入机构可分为： ( 1 ) 机械式变输入机构 变速单元是一组具有变速比的机械装置，可将输入轴的匀速运动转化为 要求的速度函数。 ( 2 ) 伺服式变输入机构 用伺服电机作机构的动力输入，伺服电机可产生要求的速度函数用来直 接驱动机构的输入构件。 ( 3 ) 混合输入机构 混合输入机构是指多自由度机构的输入由常速电机和伺服电机驱动，以 实现机构精确的多任务输出。 ( 4 ) 电子凸轮机构 电子凸轮机构系统是由计算机实现凸轮机构的功能。系统是由硬件和软 件两部分组成：硬件由微机、轴位置编码器、d a 转换器和执行机构组成，软 件产生凸轮轮廓的算法。凸轮的多个轮廓可同时存储在可编程存储器中，相 应的凸轮轮廓能按命令送到执行机构中，当输出运动需要改变时，只要改变 数值或设定，而且机构的输出柔性好。 1 3 2 、可控机构的研究和应用现状 随着机械工业的发展，先前由机械工程师先对机械结构进行设计，再由 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 机电工程师设计其控制部分的机电系统设计方法也不能满足机械工业发展的 需要，而面向控制的机构设计的理论和方法越来越受到国内外研究人员的重 视。对于如何使机械设计和控制设计融合起来，从而简化动力学模型、便于 控制器设计的研究成果也有不少相关报道。下面简要介绍一下有关学者作过 的研究工作。 参考文献 1 4 中f a t h y 通过一个简单的例子，即利用电机提升重物，重 物的质量为机构设计的参数，而电机的输入电压为控制参数。在分析二者之 间的耦合关系后提出了将机构设计与控制设计结合起来的观点。然后通过从 理论上归纳出提出了四种设计方法：顺序设计、迭代设计、嵌套设计和同步 设计。最后分析机构与控制器设计相结合的条件。该文献对于面向控制的设 计有定的理论指导意义。 参考文献 1 5 中r e y e r 分析了将机械系统的结构及其尺寸设计与控制器 设计的优化模型。最后通过直流电机的设计来证明了这一观点。 参考文献 1 6 中t o u m i 等认为机械系统性能的好坏取决于系统的结构和 控制系统，在对机械系统的结构参数进行优化时，如果没有考虑其动力学内 在联系的话，得到的结果可能不是最优。提出了在机械设计中将建摸、机构 设计与控制设计结合起来的观点，并通过分析机械系统中各部件及其子系统 之间的能量关系，以确定整体优化时的参数。然后对几种常用的控制如p i d 控制、自适应控制、神经网络控制等进行分析比较。最后给出了一些工程应 用实例，在m i t 机械手中为得到良好的静态和动态特性，而采用平行四边形 结构、采用铝合金材料等。 参考文献 1 7 1 8 g u o 和t o u m i 等提出面向控制设计的两种基本方法： 1 对整个机械系统综合优化；2 在原机械系统设计完成后进行质量重布。利 用第2 种方法对平面四杆机构进行设计。文章在分析平而四杆机构的动力学 模型后，提出采用质量重布的方法，使机构在运动过程中机构的总质心保持 固定。从而消除动力学方程中重力项的影响，即消除振动力的影响，简化了 动力学方程。然后采用简单的p d 控制器来控制，得到了较满意的控制效果。 该文章虽然给出了在质量重布时杆长、质量和质心位置之间要满足的方程， 但这三者的取值可能性有无数多种，如何取才是最优。文章没有分析考虑其 他运动学参数对控制器参数和控制能量的影响。 参考文献 1 9 f x w u 等也是通过质量重布，并且采用将质心布置在平 西南交通火拳硕士研究生学位论文第6 贞 面四杼机构的节点上的方法，使旗动力学方穆极大简化。分析平面四秆机构 p d 控裁嚣麓稳定性麓，穆妁控裁嚣雳予势能不变( c l p e ) 、广义馔量不变( c i g i ) 和广义惯量部分不变( p c i g i ) 的情况，证明了对机构的动力学参数做适警的调 整后，能方便控制器的设计并撮商控制效果。但其缺点和文献 1 8 同样没有 考虑其蚀运动学参数瓣控制器参数和控制能量的影响。 参考文献 2 0 jd i k e n 分褥了开链辊藏手豹动力学方稳，将瓿橡中套秘件 简化为等效质点，推导出消除振动力需要满足的条件。在满足该条件的情况 下，其动力学方程中的重力项消失了，方程得以简化。在掇制方法上怒利用 固控溅，将驱动惑壤篱犍麓二除系绞，熬嚣确定黪控制器数控裁参数。最 后通过计算机仿真诞明采用该方法能较好地提高开链祝构豹输出特性。 可控机构融合了机电一体化技术、现代按制技术、传感器技术、计算机 技术、人工智能技术等多种现代科学技术，怒现代机构学中骢一个重要交叉 领壤。可控礁擒戆斑容还有待送步静深入磷究，鞋蓠控潮策疆帮褪稔动力 设计针对于速度波动的调节，却忽略了机构输入扭矩波动。如此得到了速度 波动较小的机构系统，但输入扭矩波动仍很剧烈，它同样会造成机构的振动、 噪音移疲劳等不饕l 瓣瞧娩。 目前可控机构的控制理论研究目前还比较少。为了能使可控机构褥到广 泛的应用，必须对典机电控制方察、控制策略作深入的研究，并编制出相应 的仿冀软件系统。这样可控机构系统将具备性陡优越，可靠的特点。 1 4 、本文研究的内容 控制方法或控制器的设计与控制器的类型和系统的动力学方程有密切的 关系。逶豢凝穆豹葫力学方程嚣线毪、复杂豹疆会熬囊态象绕，与援捻豹结 构和各构件的质量分布有关。而机构的结构与质量分布又涉及到机构的运动 设计和机构惯性力和惯性力矩的平衡等问题。本文以减小速度波动和输入扭 矩波动为主要是标，对帆梅的矮黧癸布彝控铡器斡设计进入了深入的探讨。 本文的主要磷党内容如下： 1 、为了对电机与机构系统的控制与动力性能进行了对比研究，本文酋先 对电机与机构系统进行动力学建模，将整个系统分成电机与连杆机构两个子 系统，露各个子系统分霜建立鼗繁模型；秀综食褥受系统熬狡悫方程，通遂 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 仿真，对整个系统的动力学特性进行研究。通过初选的电机一平面铰链四杆 机构系统的仿真分析，发现机构在运动过程中速度波动和输入扭矩波动过大。 这将会造成运动副反力增加，机械产生振动，降低机械寿命，影响机械效率 和工作质量。 2 、选择采用了加入控制器的方法对机构的速度波动进行调节。通过仿真， 发现控制器的加入对机构速度波动进行了有效的调节，但机构的输入力矩波 动没有改善甚至变得更为剧烈。 3 、由于仅靠控制器的作用很难同时减小机构速度波动与输入扭矩波动， 而且控制器设计较复杂，所以通过机构惯性力与惯性力矩平衡，得到较适应 机构性能的机构质量分布，减小机构输入扭矩波动。 4 、由于惯性力矩的平衡，往往将增大机构重量，增大输入扭矩峰值，要 维持原机构运动则必须在机构原动件上施加更大的驱动力，即机构输入扭矩 峰值在数量上加大，势必造成机构机构驱动电机容量的加大，增大控制能量。 为了有效地控制电机一平面铰链四杆机构系统的速度波动与输入扭矩波动和 输入扭矩峰值，针对系统性能指标( 速度波动、输入扭矩波动) 对系统进行 优化质量分布进彳亍了初步的研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 、引言 第二章电机与平面铰链四杆机构 动力学模型及仿真 为了提高机械的设计精度，优化机构的动力响应并减化控制器的设讨，有 必要将电机与平面机构作为一个整体进行研究。而将电机与机构综合起来进 行研究的文献不甚多。鉴于电机和机构之间连接方式多种多样，本文以电机 驱动的平面铰链四杆机构为例，并按一种最简单的假想情况( 曲柄直接安装 在电机轴上) 来研究。在系统建模前，首先把整个系统分成两部分电机和连 杆机构；然后，分别建立电机的动力学方程和电磁方程以及平面铰链四杆机 构的动力学方程：再将这些方程联立，形成整个系统的动力学微分方程：最 后我们对所建立的数学模型进行仿真分析。 2 2 、电机与机构系统的数学模型 2 2 1 、电机的数学模型 直流电机按励磁绕组的连接方式分 为4 种：它励、并励、串励和复励。本文 选取具有宽的调速特性的并励电机为代表 进行研究。直流电机电磁转矩为： 咿 ，本文假设m 。：。) 。机构电系统的开环输入电压为 v = 1 0 v 。 平面铰链四杆机构的机构参数如下表( 各杆析均为在线杆件 6 ，= 0 ，i = 1 , 2 ，3 ) ： l m ij f 1lo 5o 1 0 10 0 3 6 1 1 8 242o 1 7 4 0 4 3 2 7 2 6 331 5o 1 4 60 2 2 8 4 9 43 ? 表2 - 1 平面铰链四杆机构原始机构参数 a 墨 t i m e ( s ) 图2 5 电机与半向铰链凹秆机构输出速度与电机 输出力矩仿真结果 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 在周期变速稳定运动中，速度波动过大，将使得运动副反力增大，造成 机械的振动，降低机械寿命，影响机械的效率和工作质量。 衡量速度波动的大小用速度波动系数。” s ；些颤竺鱼 ( 2 1 9 ) 其中：u 。和u m 分别为个周期内的最大和最小角速度，。为平均角 速度。 据仿真分析可知：电机一平面铰链四杆机构在稳定运动过程中输出角速 度最大值棚一= 9 1 4 1 4 ，输出角速度最小值为。= 5 3 2 6 0 ，输出的平均角速 度= 6 9 8 9 9 。 则可得速度波动系数e ；0 5 4 5 8 4 。可见本电机一平面铰链四杆机构速度 波动很大，势必将对机构性能能造成不良的影响，如振动、噪音和寿命下降 等。 为了衡量输入力矩波动的大小，可用同输出速度波动系数一样的方法来 衡量。 ，m 。一m 。j 。 c = 。 m 。 ( 3 - 3 ) 其中：m _ 。，和m 。；。分别为一个周期内的最大和最小输入扭矩，m 。为平均输 入扭矩大小。 可知在图2 - 5 的仿真分析中，在电机一平面铰链四杆机构系统稳定运动 过程中m 。；z 1 3 0 1 8 8 ，m i i 。= 7 9 9 5 5 ，m 。；9 0 2 6 6 ，输入扭矩波动系数 亭一0 5 5 6 5 ： 可见本电机一平面铰链四杆机构输入扭矩波动也较很大，它也将对机构 性能能造成如振动、噪音和寿命下降等负面影响。 2 4 、本章小结 从本章的分析中我们可以看出，机构系统在稳定运动工作状态下运转时， 等效转动惯量的周期性变化引起速度的周期性波动。在一个运动周期内，输 入功与总耗功相等，因此机构处于稳定运动工作状态。但在一个周期的任一 时间间隔内，输入功与总耗功一般并不相等，所以瞬时速度是变化的，形成 了机构的速度波动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 机构在运转过程中，由于外力和构件在高速度运动时产生惯性力，引起 机构的速度波动，这是机构产生振动、噪音和疲劳等现象的主要原因，从而 影响了机构的运动精度和动力性能。尤其是在现代高速、精密、重载的机械 中，克服这种不利的机构速度波动成为必须解决的重要问题。工业中一般用 飞轮调节方法来减小机构的速度波动，但是在这种方法中为了稳定机构速度 应用的飞轮会消耗大量的能量。 机构的输入扭矩波动同样会造成机构的振动、噪音和缩短机构的寿命。 在下一章尝试通过控制器对电机的速度波动和输入扭矩波动加以控制。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第三章基予各种p i d 控制策略韵机构控制器比较 3 、弓| 言 如果能通过计算，在机械运劝发生以前掌握其每一瞬时所需输入能鼹， 裁能给壤鞫鞋耱应的糍量输入，舞诧缀容易使嫒械达到魇瑟求戆性戆。健在 第二章中可以看蓟，幽于电辊一税构系统方程豹菲线性缀难掌握这个薰。 所以只通过电机驱动机构部分的设计并不能满足工北中对机电系统综 合性能的要求。可以通过角速度传感器获得曲牺的运动情况，再反馈角速度 误差来诵节电穗熬稔入电压，辩撬秘系统熬遮凌波动送行羧翱。逶过菝翻器 来改变四杆机构的遮动、动力性能，使系统的运动变得稳定，减小输出速度 波动。也就是说可考虑设计相应的控制器，使输入能量的误差尽量减小，从 丽改善辍擒运动性筑鄹动力学往越。 3 2 、控制系统简介 进入2 0 世纪以潦，现代辩学技术的发展砖蜜动控制的精度、速度和逡应 能力静骚求越来越离，飙两摇动了鑫动控翻联论帮控裁技术翡迅速发震。特 别是2 0 世纪6 0 年代以来计算机技术的迅猛发展，奠定了自动控制理论和控 制技术的物质基础。于是，现代控制理论逐步形成了一门现代科学分支”。 较潮理论豹发戴涟程是圭籍攀餮复象、瘗爨变裂凄变熬辩证发震过程。 从发展的不同阶段来看，控制理论的发展大致经历了经典撒制理论和现代控 制理论两个阶段。 、 经典控制理论主要研究简单憋单稔入单输如系统，所涉及的系统大多是 线性辩不变系统，帮馒是嗣 二薅浃菲线往系统闷蘧豹轻乎褥法，氇只戆簸理 两个状态变量的情况。常接触到的系统，如电机的位置和速度控制、冶炼炉 的温控系统都被简化成线性定常系统来处理。 瑷谯控裁理论霹激霆采舞谈多臻入多赣凄系统熬超越，系统露澄怒线蛙 的或非线性的，定常藏时变的。实际控制系统德往需要同时控制多个系统变 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 量。例如在精密加工机构的使用中，有的控制变量多达7 个，经典控制理论 显然是无能为力的。因此，现代控制理论不仅在航天、飞行器的控制方面得 到广泛应用，而且还深入到工业生产过程中。现代控制理论的研究方法采用 状态空间法，它的分析不仅限于单纯的闭环，而且可以扩展为适应环、学习 环等。总之，现代控制理论是6 0 年代人类探索空间的需要，也是计算机飞速 发展和普及的结果。 3 3 、p i d 控制简介 目前工业自动化水平已成为衡量各行各业现代化水平的一个重要标志。 同时，控制理论的发展也经历了古典控制理论、现代控制理论和智能控制理 论三个阶段。智能控制的典型实例是模糊全自动洗衣机等。自动控制系统可 分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制器、传感器，变 送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、执行机构， 加到被控系统上；控制系统的被控量，经过传感器、变送器，通过输入接口 送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。 比如压力控制系统要采用压力传感器。电加热控制系统的传感器是温度传感 器。目前，p i d 控制及其控制器或智能p i d 控制器( 仪表) 已经很多，产品 已在工程实际中得到了广泛的应用，有各种各样的p i d 控制器产品，各大公 司均开发了具有p i d 参数自整定功能的智能调节器( i n t e l l i g e n tr e g u l a t o r ) ，其 中p i d 控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实 现。有利用p i d 控制实现的压力、温度、流量、液位控制器，能实现p i d 控 制功能的可编程控制器f p l c ) ，还有可实现p i d 控制的p c 系统等等。可编 程控f j 器( p l c l 是利用其闭环控制模块来实现p i d 控制，而可编程控制器 ( p l c ) 可以直接与c o n t r o l n e t 相连，如r o c k w e l l 的p l c 一5 等。还有可以实现 p i d 控制功能的控制器，如r o c k w e l l 的l o g i x 产品系列，它可以直接与 c o n t r o l n e t 相连，利用网络来实现其远程控制功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 匦匾卜吨墅囹口一 ( a ) 图3 1 开环和闭环系统 3 3 1 、p l d 控制的主要研究内容为： l 、结构系统设计 a 、开环控制系统 开环控制系统是指被控对象的输出( 被控制量) 对控制器的输出没有影 响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。如 图3 - 1 ( a ) 所示。 b 、闭环控制系统 闭环控制系统的特点是系统被控对象的输出( 被控制量) 会反送回来影响 控制器的输出，形成一个或多个闭环如图3 - 1 ( b ) 所示。闭环控制系统有正 反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈，若极性 相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系 统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统， 眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确 的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。 另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗狰 之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。 2 、阶跃响应 阶跃响应是指将一个阶跃输入加到系统上时，系统的输出。稳态误差是 指系统的响应进入稳态后，系统的期望输出与实际输出之差。控制系统的性 能可以用稳、准、快三个字来描述。稳是指系统的稳定性，一个系统要能正 r 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 常工作，首先必须是稳定的，从阶跃响应上看应该是收敛的；准是指控制系 统的准确性、控制精度，通常用稳态误差来描述，它表示系统输出稳态值与 期望值之差；快是指控制系统响应的快速性，通常用上升时间来定量描述。 3 、p i d 控制器的参数整定 p i d 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程 的特性确定p i d 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。p i d 控制 器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：是理论计算整定法。它主要 是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的 计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程 整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简 单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。p i d 控制器参数的工程整定方法， 主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点 都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用 哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。 3 3 2 、p i d 控制的原理和特点 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控 制，简称p i d 控制，又称p i d 调节。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史， 它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技 术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型 时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经 验和现场调试来确定，这时应用p i d 控制技术最为方便。即当不完全了解 个系统和被控对象，或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合 用p i d 控制技术。p i d 控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分 计算出控制量进行控制的。 比例( p ) 控制 比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成 比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。 积分( i ) 控制 在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有 稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分 项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这 样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输 出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+ 积分( p i ) 控制器， 可以使系统在进入稳态后无稳态误差。 微分( d ) 控制 在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分( 即误差的变化率) 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失 稳。其原因是由于存在有较大惯性组件( 环节) 或有滞后组件，具有抑制误 差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用 的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说， 在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅 值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有 比例+ 微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负 值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象， 比例+ 微分( p d ) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。 3 4 、电机一机构系统控制简介 计算机技术和微电子技术的发展为机械系统的运动控制有提供了一个 新的途径。“，出现了微型计算机控制的数控机床、用微处理器作为控制机构 的电脑缝纫机，出现了石英电子钟和电子计算器，还出现了电子照相机等等。 机械与微电子技术和计算机技术的联 系日益紧密。 图3 - 2 所示表明了在现代机械中 微机与机械装置之间的联系。机械装 置上装有传感器，传感器的输出信号 通过接口传送到微机，微机对信号进 行处理，之后，发出控制信号，控制 信号通过接口传送给执行元件。 图3 - 2 计算机控制机构运动原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 3 。5 电机一平面铰链四杆机构控制器设计与仿真 3 5 1 、一般p l d 控制器 3 5 1 1 、一般p 1 0 控制器设计 模拟控制系统中，控制器最常用的控制娥樟是p i d 控制。模拟p i d 控制 系统簌瑷图热蘸3 - 3 掰示。 阁3 - 3p i d 控制系统原理圈 p t d 控裁器是一耱线性控制嚣，它裰撂给踅僮唯) 嗣实骣涂出y 章) 秘成控 翩偏差8 和) 。 p ( f ) = ，o ) 一y ( f ) ( 3 - 1 ) p i d 控制法则可表示为： 哟吒+ 知e ( t ) d t + 学j 洚2 ) p i d 控制器各校正环节的作用如+ f ： ( 1 )毙铡耀节：成魄锲蟪发映控锻系绫熬德差售号，骟差一旦产生， 控铺器立即产生控剃作用，班减少偏差。 ( 2 )积分环节；主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用 的强弱取决于积分时间常数五，t 越大，积分作用越弱，反之则越强。 ( 3 )徽分环葛；爱获镶麓镶号蘩交纯趋势( 交纯逮率) ，著耱褒德 差信号变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系 统的动作速度，减少调节时间。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 3 页 3 5 1 2 、用一般p i d 控制器对电机一机构进行控制的仿真分析 一般p i d 控制器控制的电机平面铰链四杆机构参数设置如表2 - 1 所示。 其仿真分析如下( 仿真源程序见附录1 ) ： t i m e ( s ) 图3 2 一般p i d 控制器用于 电机平面铰链四杆机构系 统仿真结果 从仿真分析中可见，电机一平面铰链四杆机构系统输出角速度峰值 珊一= 1 0 0 5 3 6 ，输出角速度最小值为c o m l 。一9 7 5 3 1 ，输出的平均角速度 。= 9 9 3 9 1 ，加一般p i d 控制器的电机一平面铰链四杆机构的速度波动系数 ；0 0 3 2 5 ，可见同未加控制器的电机一平面铰链四杆机构系统( 如图2 5 ) 相比，电机一平面铰链四杆机构系统的速度波动得到了极大的改善。 在周期变速稳定运动中，输入扭矩波动过大，也将造成机械的振动，降 低机械寿命，影响机械的效率和工作质量。 可知在图2 - 5 的仿真分析中，在电机一平面铰链四杆机构系统稳定运动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 过程中m 一= 1 3 0 1 8 8 ，m 。一7 9 9 5 5 ，m 。；9 0 2 6 6 ，宇= 0 5 5 6 5 ；加一般 p i d 控制器后的电机一平面铰链四杆机构系统，m ：5 0 1 3 3 8 ， m m 一9 5 4 7 6 ，m 。一2 1 8 4 9 2 ，亭；1 8 5 7 6 。可见加一般p i d 控制器后电机 一平面铰链四杆机构系统不但输入力矩峰值增加很大，而且输入扭矩波动变 得更为剧烈。 因此可得到这样的结论：一般p i d 控制器对电机一平面铰链四杆机构系 统仅对速度波动进行有效调节。 3 5 2 、专家系统p id 控制器 3 5 2 1 、专家p l d 控制原理 专家控制的实质是基于受控对象和控制规律的的各种知识，并以智