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网上真人游戏电磁振动给料机振幅自适应控制

  摘要电磁振动给料机是自动加工与自动装配系统中一种常用的自动供料装置,由于同其他 上料机相比它具有上料效率高、整列定向性能好、工作稳定可靠、结构简单、工件间相互 摩擦小、不易损伤物料、通用性好、改换品种方便、供料速度容易调节等优点,因而它被 广泛应用于轻工、电子产品、医药、食品等行业。目前,电磁振动给料机存在的主要问题 是如何提高物料的输送效率、降低功耗、提高自动化程度,尤其是振幅的精确控制。因此, 本文针对这些问题设计了电磁振动给料机振幅的自适应控制系统。 本论文致力于研究电磁振动给料机振幅的自适应控制系统。为此,首先简明阐述了电 磁振动给料机的工作原理及物料输送原理,通过理论分析证实了振幅稳定性对电振机工作 效率和效果的重要影响;其次,在对电磁振动给料机力学模型及电磁铁的一些特性进行分 析的基础上,建立了电磁振动给料机振幅控制数学模型;设计了电磁振动给料机振幅的自 适应控制方案,包括采用MIT型局部参数优化模型参考自适应控制系统和变结构控制系统 两种模型;接着,搭建实验硬件平台,并介绍本次实验的软件平台,包括RTW的概念、 外部模式及Real-timeWindows Target的软件创建过程,对电振机振幅控制实验装置进行参 数辨识,通过MATLAB对振幅控制系统进行了仿真,验证其正确性;最后,进行了电磁 振动给料机振幅的自适应控制系统的控制实验,且对两种自适应控制方案所取得的效果进 行了比对。 通过对照实验证明,采用自适应控制系统后,电磁振动给料机的振幅明显稳定,并且 控制性能及自动化程度都有很大的提高,实现了预期的效果。 关键词:电磁振动给料机振幅控制参数辨识 自适应控制 Abstract Electromagnetic vibrationfeederisoneofthemost popular materialtransferdeviceswhich widelyusedinautomation manufacturing assemblysystems,becauseofitsmeritsof hi曲efficiency credibility,itssimplestructure,smallfictionexcellentcommonality andSOon.Recently,the main problems electromagneticvibrationfeederarefocusonhowtoincreaseits transportationefficiency,how toreduceits noisy andleft its levelofautomationcontrol,andespecially howto controlits amplitude precisely.For purpose,anadaptivecontrolsystem electromagneticvibrationfeeder’S amplitude isdesigned inthis paper. This paper concen打ates adaptivecontrol system ofelectromagnetic vibrationfeeder.So,theoperatingprinciple andmaterialdeliver principle representedbriefly,andthe importance provedtheoretically;Thenbasedonthemechanicsmodelof thefeederandsomecharacteristicsof electromagneL themodelof electromagnetic vibration feeder's amplitude established;111eschemesoftheadaptive control system designed.including aMITmodelreference adaptivesystem anda sliding mode system.Afterthe hardwareofthe experiments isbuilt,andthesoftwareofcontrol system basedontheMATLAB introduced,includingRTW concept,external modeand Real-time Windows Target programmingprocess.And afterthe parameterestimationthesystems’correctuess provedbyMATLABSimulation.Atlast,theexperiments ofthe amplitude control using adaptivecontrolsystemsare咖en,and theresultsofthemare compared. Thetestsshowthatthe stability ofthe amplitude has improvedgreatly,and thecontrol performance andthegradeofautomatichavebeen greatlyimproved aswell. Keywords"electromagnetic vibration feederamplitudecontrol,parameter estimation, adaptive control II 学位论文独创性声明: 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实,本人负全 部责任。 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光 盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档,可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致。除在保密期内的保密论文外,允许论文被查阅和借阅。论文 全部或部分内容的公布(包括刊登)授权河海大学研究生院办理。 论文作者(签名): 童il .2唧年'3月27Et 第一章绪论 1.1引言 第一章绪论 在很多情况下,振动是一种不必要的和有害的情况,但是在某些场合振动却是有益的, 振动给料机就是一个例子。振动给料机是一种自动供料装置,同其他上料机相比它具有上 料效率高、整列定向性能好、工作稳定可靠、结构简单、工件间相互摩擦小、不易损伤物 料、通用性好、改换品种方便、供料速度容易调节等优点;在上料过程中,可以利用挡板、 缺口或偏重等方法对零件进行定向整理,分离筛选后供料;也可在高温、低温或真空环境 中操作。因而它被广泛应用于轻工、电子产品、钟表元件的自动加工、装配等机械上,在 医药、食品的自动输送、称重、包装上也得到非常广泛应用。 1.2课题的提出 1.2_1振动给料机的分类和发展现状 国内外,生产和使用振动给料机的厂家很多,从起振方式的分类来说,主要有四种, 即机械式往复给料机、电磁振动给料机、电机振动给料机和压电陶瓷式给料机【1,2,3—1。 1)20世纪50年代初,最常用的是机械往复式给料机,它由偏心轴、连杆及连杆端部 的弹簧所组成,工作机体借弹性连杆激起振动。其优点有:结构简单、维修量小、布置所 需高度小、耐用,且对物料的粒度组成、外在水分、物理性质等要求不严格,能适应矿井 等恶劣的环境,使用可靠、性能稳定。目前国内较大的振动机械厂如:唐山矿山机械厂、 河南省鹤壁市煤电通用机械厂等仍在生产这种K型往复式给料机【5'6l。其主要缺点是:由 连杆和偏心轴传动,往复作业,比较笨重、动力消耗大,处理量小且成问接成堆式不均匀 给料;另外,随着工业机械化,自动化程度的提高机械往复式给料机已无法满足生产的需 要,继而在60年代出现了电磁振动给料机。 2)电磁振动给料机(简称电振机)属于双质体共振型,它是由电磁激振器驱动的。电磁 激振器由铁芯、线圈及衔铁组成,交变电流或脉动电流通过线圈,使电磁铁产生周期变化 的电磁吸力,从而使工作机体产生振动。其相对于机械往复式给料机具有处理能力大、结 构紧凑、重量轻、可无极调速以及电耗少等优点,适应性更加广泛,在全国工农业领域中 得到广泛得应用。 目前,电磁振动给料机存在的主要问题是输送物料的效率低、能耗大,尤其是直接影 响给料机运量的振幅大小,需由电磁铁间隙、板弹簧片数以及联接杆螺母松紧程度等因素 决定,调节起来比较复杂;并且经过长期使用,给料机会出现弹性系数改变、顶紧螺栓变 河海大学工学硕士论文 电磁振动给料机振幅的自适斑控制 松等情况,给振幅的精确控制带来困难【7J。另外,给料槽和物料质量的改变会改变给料机 的固有频率,也就是说在电磁式振动给料机的使用过程中由于物料成分、密度等物理性质 的不同所引起的不同程度的负载效应也会影响给料机振幅的稳定性嘲。 3)到了70年代末至80年代初,旨在改进电磁振动给料机上述缺点的电机振动给煤 机应运而生,它是一种单质体振动型的给料设备,虽然其从原理看远不如前者,但就本身结 构而言,既简化了调节环节使工人便于调节和操作,又使同机型的运量有所增加,机重减 目前国内外各振动给料机生产厂商的主要产品均为电磁振动给料机和电机振动给料机,除国内的唐山矿山机械厂、河南省鹤壁市煤电通用机械厂外还有众多国外大型企业, 如美国的I振动机械和FMC科技等【9'10l。 电机振动给料机的不足之处有3点:将振源改在电动机内部,这样普通电机已不能 满足要求,必须选用振动电机,到现在为止国内厂家生产的该电机功率为2-2~6kW,成 功的功率为3kW,保质的功率为2.2kW,且其价格比普通电机高,如用防爆型不但造价 高,性能也很难保证。参振电机在给料机槽体上立式安装,轴承除受正常的径向力外.尚 有较大的轴向力,严重影响电机的使用寿命(在开机率较高的地方,最长使用寿命不超过1 年,并多为一次性报废)。振动带来槽体破裂,也增加了维修工作量。 正是由于这些致命缺点的存在,电机振动给料机的应用受到很大的限制,电机振动给 料机并没能取代电磁振动给料机,相反电磁振动给料机的应用更为广泛。 4)压电式振动给料机是利用压电陶瓷的逆压电效应作为振动源的压电式振动供料装 置。压电陶瓷是铁电材料,它经过一定的物理处理后,陶瓷体就变成了永久的压电晶体, 在一定的条件下它可将机械能转换为电能,或将电能转换为机械能,以压电陶瓷作为起振 器,具有高效,低能耗,低噪音等诸多优点。目前压电式振动给料机的供应商主要是日本 产机SANKI株式会社[IIJ,而在我国它还处在研究阶段[1213】,并且因为振动幅度不大限制 了它在生产的应用。 本论文中,我们的主要研究对象是电磁振动给料机。 1.2.2电磁振动给料机的振幅控制方法 电磁振动给料机的最大优点是:振幅和频率易于进行无级调节,特别是易于实现振幅 的无级调节,从而实现生产能力的无级调节。 目前国内主要采用的振幅调节方法有18l: 1)采用调压器调节振幅,这种调节方法的优点是调节范围大,但是不易实现自动控 2)采用可变电阻调节振幅,这种调节方法又可分为串连型和并联型,前者的损耗较大,而后者均匀性较差,所以都只适用于小型电振机。 第一章绪论 3)采用晶闸管整流器调节振幅,这是目前电振机中使用比较广泛的一种控制方案, 其工作原理是在工频周期内产生移相触发脉冲,触发晶闸管的导通与否,进而调节给料量 大小的目的。目前多采用模拟电路来调节晶闸管导通角,最典型的是阻容移相控制电路和 单结晶体管触发电路,它们的优点有:能实现闭环自动控制,大大简化控制系统,并且可 以在一定程度上提高精度;控制系统能量损失少;体积小、成本低。它的缺点是:功率因 数低;调节过程非线性;调节范围窄;受环境温度、电源浪涌和火花脉冲的影响,工作不 稳定:可靠性不高;电路复杂,且不易实现与计算机连接构成闭环反馈控制。 随着单片机、PLC、DSP等控制器以及振动传感器的发展,国内一些研究人员开始尝 试采用自动控制系统对电振机的振幅进行控制,目前主要采用的是常规PI和PID控制, 并取得了一些成果[1415]。但对于具有时变参数的情形,PID控制器只有根据对象参数的变 化,不断重新调整参数值,才能达到良好的控制效果,因此仅仅使用常规PID调节是不够 的,而采用自适应控制恰恰可以克服系统的不确定性。 1.3自适应控制系统研究概况 控制系统在设计和实现中总是存在着不确定性,主要表现在: 1)系统的数学模型与实际系统间总是存在着差别,即人们通常所说的系统具有未建 模的动态特性。 2)系统本身的结构和参数是未知的或是时变的。 3)作用在系统上的扰动往往是随机的和不可测量的。 4)系统在运行过程中控制对象的特性随时间或工作环境的变化而变化,且变化规律 难以确定。 在发生这些问题时,常规调节器不可能很好地解决控制问题,为此,需要设计一种特 殊的控制系统。于是参照在日常生活中生物(包括人类)能够调整自身参数、改变习性来适 应新环境的特性,提出了构造自适应控制器的设想。 因此自适应控制的任务就是:在系统的运行中,依靠不断采集控制信号的信息,确定 被控对象的当前工作状态,优化性能准则,产生自适应控制规律,从而实时地调整控制器 的结构或参数,使系统始终工作在最优或次优状态。 1.3.1自适应控制的定义 自适应控制有许多不同的定义,其中有两种概念比较清晰,引用也较多,这里加以介 一个是由Gibsontl6】于1962年提出的,定义为:一个自适应控制系统必须提供出被控对象当前状态的连续信息,也就是辨识对象;它必须将当前系统的性能与期望的或最优的 河海大学工学硕士论文 电磁振动给料机振幅的自适府挣制 性能进行比较,并做出使系统趋向期望或最优性能的决策;最后它必须对控制器进行适当 的修正,以驱使系统走向最优状态。这三方面的功能是自适应控制系统所必须具备的功能。 另一个是由法国学者Landau[171于1974年提出的,它是一个针对模型参考自适应控制 系统的定义:~个自适应系统,将利用其中的可调系统的各种输入状态和输出来度量某个 性能指标;将所测得的性能指标与规定的性能指标相比较;然后,由自适应机构来修J下可 调系统的参数或者产生一个辅助的输入信号,以保持系统的性能指标接近于规定的指标。 定义中提出的可调系统一般由被控对象和调节器组成,它可以通过修改它的内部参数或输 入信号来调整其性能。 1.3.2白适应控制的发展概况[181920】 自适应控制系统首先由Draper和Li在1951年提出,他们介绍了一种能使性能特性不 确定的内燃机达到最优性能的控制系统。这种类型的控制能自动地达到最优地操作点,所 以称为最优控制或极值控制。而自适应这一专门地名词是1954年由Tsien在《工程控制论》 一书中提出来的。 自适应控制发展的重要标志是在1958年美国麻省理工学院的Whitaker教授提出了一 种飞机自动驾驶仪的模型参考自适应方案,称为MIT方案。此后,英国辛家军事科学院的 Parks利用Lyapunov稳定性理论、法国Landau利用Popov超稳定理论等设计方法设计模 型参考自适应系统,使之成为一种最基本的自适应控制系统。1974年,为了避免出现输出 量的微分信号,美国的Monopoli提出了一种增广误差信号法,使由输入输出信号设计的自 适应控制系统更可靠地应用于实际工程中。 1960年“和VanDerVelde提出了一种自振荡的自适应控制系统,它的控制回路中用 一个极限环使参数不确定性得到自动补偿。 1963年Petrov等人介绍了一种自适应控制系统,它的控制输入是由开关函数或继电器 产生的,并以与参数值有关的系统轨线不变性原理为基础设计系统,这样的系统被称为变 结构系统。 1960至1961年,Bellman和Fel’dbaum分别在美国和苏联应用动态归化原理设计具有 随机不确定性的控制系统时,发现作为辨识信号和实际信号的控制输入之I’日J存在对偶特 性,因此提出了对偶控制。 1973年瑞典学者K.J.Astrom和B.Wittenmark首先提出了另一种重要的自适应控制,即自校正调节。1976年英国的Clarker和Gawthrop提出了广义最小方差自校正控制器,它 克服了自校正调节器不能用于非最小相位系统的缺点。1976年英国的Edmunds首先提出 了极点配置自校正控制技术,K.J.Astrom、B.Wittenmark和Wittenmark也在这方面做了一 些研究。 近年来许多学者在自适应控制系统的稳定性、收敛性和设计方法上做了大量的研究, 第一章绪论 其中有美国的Narendra、Morse和澳大利亚的Goodwin。我国学者陈翰馥在收敛性分析方 面也做出了很大的贡献。 1.3.3自适应控制系统的基本结构 通常自适应控制系统的基本结构有两种形式,即前馈自适应控制和反馈自适应控制【18】。 1)前馈自适应控制结构 前馈自适应控制又称开环自适应控制。它借助对作用于过程信号的测量,并通过自适 应机构按照这些测量信号改变控制器的状态,从而达到改变系统特性的目的。没有“内” 闭环反馈信号而实现控制器参数是前馈自适应控制的特点,如图1-1所示。 图1-1前馈自适应控制结构图这种结构类似于一般扰动的复合控制,所不同的是增加了自适应机构和可调控制器。 1950年,增益调度的前馈自适应控制方案首次被应用于飞机控制系统中。在这个设计中, 增益作为客观信号的前置量,以描述运行状态,被计算参数以特征曲线的形式存贮在计算 机中,以便同控制器参数适配来控制运行状态。 前馈自适应控制结构的优点是:由于可预知其过程状态和无须对可观测过程的输入和 输出信号进行辨识,因此能够快速地反应过程变化。 前馈自适应控制结构的缺点是:忽略了不可观测信号、干扰和意外的过程状态变化, 且大量参数存贮必须有许多操作,从而限制了使用。 2)反馈自适应控制结构 如果过程品质变化不能直接由外过程信号的测量确定,则可采用图1-2的反馈自适应 控制结构。这是应用最广泛的自适应控制结构,其特点为: 信号变化或过程特性可借助测量各内控制回路信号进行观测。 除基本回路反馈外,自适应机构还构成了附加反馈环。 闭环信号流通道能产生非线反馈自适应控制结构图 河海大学工学硕上论文 电磁振动给}I机振幅的自适抨制 1.3.4白适应控制系统的方案分类 自适应控制系统可分为三大类,即模型参考自适应控制、自校正控制和其他自适应控 1)模型参考自适应控制系统MRACs模型参考自适应控制系统的结构如图1.3所示。其设计目标是使被控系统在运行过程 中的响应特性与参考模型的动态性能一致,参考模型应具有所期望的闭环性能。 图1-3模型参考自适应控制系统框图 模型参考自适应控制系统的实际运行可分为三个阶段: 比较闭环性能,产生广义误差e(f); 按照自适应规律计算控制器的参数; 调整可调控制器。 21自校正控制系统STCs 典型的自校正控制系统如图1-4所示。它的设计目标是:在所有输入信号和过程条件 下,确定最优化过程模型和获得闭环系统的最优控制品质。 自校正控制系统具有三大要素:过程信息采集;控制性能准则优化;调整可调 控制器。 图1.4典型自校正控制系统框图 31其他形式的自适应控制系统 其他形式的自适应控制系统主要是指其他基于先进理论的tl适应控制系统及非线性 自适应控制系统、多变量过程自适应控制系统和全系数自适应控制系统等。主要包括基于 人工智能的自适应控制系统、基于神经元网络的自适应控制系统、基于模糊集合论的自适 应控制系统、鲁棒自适应控制系统、乒乙自适应控制系统以及变结构自适应控制系统等。 第一章绪论 1.4研究的主要内容及论文的组成 本文以电磁振动给料机为研究对象,首先对电磁振动给料机的结构、物料输送原理和 运动状态进行分析,明确物料传输的几种不同方式,确定其最有效的运动状态。然后建立 力学模型,确定一些主要的参数,进行力学分析,网上真人游戏。确定获得最佳运动状态所需的激振力形 式,进而制作一个信号发生器,通过传感器对其相关参数进行采集,经A/D变换后输入计 算机,按照自适应控制原理设计控制方案,对输入数据进行计算、处理、分析,最终完成 对电磁振动给料机的控制。 该论文包含了以下内容: 1)运动状态分析 电磁振动给料机的物料运动状态有好几种,有物料不断脱离槽面跳动而向前移动的, 也有始终与槽面接触但沿槽面向前滑移的,振动参数调节不佳时更会造成物料只跳动而不 向前甚至反向移动的,如何达到最有效的物料输送方式?这就需要我们对振动给料机的具体 的运动状态进行分析,以确定其最佳运动状态。 2)力学模型电磁振动给料机是一个在交变电磁力作用下作稳态运动的振动系统。其力学模型可简 化为一个单自由度的弹簧质量阻尼系统,系统的刚度、质量和激振力的频率、幅值及波形 都对系统的运动输出有影响。目前电磁振动给料机的振动激振力主要是通过对电磁铁施加 经过半波整流而获得的,激振力的幅度通过调节电压来控制,而工作频率及波形是不可调 节的。我们通过对电磁振动给料机力学模型的研究,寻找能得到最佳运动状态的系统参数 和激振力状态,在此基础上用计算机控制的方式来实现最佳的运动特性。 3)自适应控制 自适应控制的主要类型有模型参考自适应控制和自校正控制以及其他基于先进理论 的自适应控制系统、多变量过程自适应系统和全系数自适应控制系统等。本文尝试采用 MIT自适应控制律的模型参考自适应控制和变结构控制等方法进行电磁振动给料机振幅的 控制,给出了电磁振动给料枧振幅的自适应控制系统的设计过程,并应用MATLAB软件 进行仿真。 钔实验简介 通过对电磁振动给料机料槽的速度的数据采集,经过模数转换(A/D)。应用 MATLAB/Simulink软件对所采集数据进行处理,得到给料槽振幅的数据信息,通过自适 应控制算法,产生数字信号经过数模转换(D/A),经过驱动电路实现对振动给料机自动化控 实验主要包括以下部分:搭建电磁振动给料机的模拟实验装置,该装詈由给料槽、电磁铁、主振弹簧、支架 以及数据采集卡、传感器、驱动放大电路和PC机组成。 河海大学工学硕士论文电磁振动给料机振幅的自适应掩制 采用参数识别技术,测定电磁铁参数及振动给料机的固有频率和阻尼比,以便我们 更好地认识该模拟实验装置,为后面的控制实验作基础。 首先使用开环控制进行振动实验,当振幅稳定后对给料槽进行敲击或加入重物,观 察振幅变化情况并进行记录,以便与自适应控制的结果进行比较。 进行自适应控制实验,重复开环控制时的操作,比较实验结果,并在线调整自适应 参数使自适应控制效果达到最佳。 1.5研究的意义 通过改善电磁振动给料机的振动性能、优化其设计参数和提高其自动化程度,提高生 产和工作效率,从而降低生产成本,提高经济效益。如果工作性能良好的电磁振动给料机 研制成功,就能跟上甚至超过了当今的国际水平,使我们在振动给料机的这一生产领域走 在世界的前列。 第二章电振机工作原理及物科输送原理 2.1引言 第二章 电振机工作原理及物料输送原理 电磁振动给料机的运动状态有许多种情况,就其运送物料的方式来说有好几种,有物 料不断脱离槽面跳动而向前移动的,也有始终与槽面接触但沿槽面向前滑移的,振动参数 调节不佳时更会造成物料只跳动而不向前甚至反向移动的。如何达到最有效的物料输送方 式;当电振机的工艺参数确定后,振幅的稳定性对生产效率和效果又有怎样的影响,这都 需要我们对振动给料机的物料运动状态进行分析。 2.2电磁振动给料机的分类和结构 目前,轻工业生产中应用的电振机从结构上主要分直线料槽往复式(简称“直槽式”) 和螺旋料槽扭动式(简称“圆盘式”)两类,其基本结构如图2.1所示。直槽式一般作为不需 定向整理的粉粒状物料的给料机,或用于对物料进行清洗、筛选、烘干、加热或冷却的操 作机;圆盘式一般作为需要定向整理的给料机,多用于具有一定形状和尺寸的物料传输的 场合,但是两者的工作原理是基本相同的。 图2-1电磁振动给料机的结构 1.料斗2.衔铁3.主振弹簧4.底座5一电磁铁6-隔振弹簧 本文主要讨论直槽式电振机,它一般由四个部分组成: 11槽体部分:包括料槽或料斗l、衔铁2和主振弹簧3; 21电磁激振器部分:包括底座4、铁芯及线减振部分:主要是减振弹簧或橡胶; 4)控制部分:包括驱动供电装置和自动控制装置。 河海大学工学硕士论文 2.3电振机的工作原理图2.2表示了电振机的工作原理[221。图2.2(a)中物料2放在由主振弹簧3支撑的供料槽体l 上,衔铁4与槽体的主振弹簧连成一体,绕于铁心上的线中流过的是经过半波整流后的 单向脉动电流,电磁铁就产生了相应的脉冲电磁力。图2.2(b)表示在正半周期内线圈中有 电流流过,铁芯产生一次脉冲电磁力吸引衔铁,使槽体压着主振弹簧向下运动,主振弹簧 存贮了一定的势能;在负半周期内线圈中无电流通过,电磁力消失,弹簧就恢复变形,迫 使料槽向上振动。这样一吸一推,使料槽产生了伴随着直动或扭动的上下垂直振动。由于 电磁力是一个周期变化的强迫作用力,因此电振机是一个以电磁力为周期干扰力的强迫振 动系统。 当电振机采用不同的运动参数(振幅、频率、振动角、倾角等)时,物料就在槽体工作 面上出现不同形式的运动。物料的基本运动形式有以下四种: 11相对静止:物料随工作面一起运动而无相对运动; 2、正向滑动:物料与工作面保持接触,同时,物料沿输送方向对工作面作相对运动; 3)反向滑动:物料与工作面保持接触,同时,物料逆着输送方向对工作面作相对运 上述四种运动形式中,相对静止不能供送物料,其余三种运动形式,都可以完成给料工作,并且由于运动参数的限制,在实际工作中上述几种运动形式可能有各种不同的组合 形式,因此必须对这三种形式的运动同时进行讨论与计算。 电流电磁力 图2.2电磁振动给料机工作原理图1.给料槽2.物料3.主振弹簧4.衔铁5-铁芯6一线物料运动方式与给料槽加速度的关系 物料在槽体中的输送如图2 3所示,图中口为料槽倾角,p为主振弹簧与垂直方向的夹 角,为振动方向角,根据几何关系可以知道=+盯。槽体在电磁力作用下沿劝向作简 谐振动,如图2—3(a)所示,则槽体沿劝向的位移可以表示为:S=Asintat 式中:4——槽体沿S方向的单振幅; ——振动圆频率。 图2.3槽体位移曲线及物料受力分析 将槽体振动位移岛分解到x方向(平行于工作面)和J,方向(垂直于工作面),便得到沿x 方向和y方向的分位移: s=ACOS西.sincot- sx。,:爿sin;.sin耐(2-1) 对式(2—1)求时间的一阶导数和二阶导数,便得到沿z方向和Y方向的速度分量及加速 度分量: 匕2V cos#=A(ocos COStot sin=Aa)sin#CO¥(-Ot a。=a.cos=-02Ac。s西.sin肼(2-2) ay=口 sin矿=一2Asin sincot 料槽的实际运动应为一般平面运动,但由于板簧的振幅远小于其长度,因此可将料槽 的运动近似为直线运动。当料槽的加速度绝对值较小,而物料与料槽表面之间的摩擦系数 较大时,物料将始终跟随料槽一起运动。当料槽的加速度绝对值超过一定数值时,由于摩 擦力不足以带动物料跟随料槽一起运动,两者分间产生相对运动。以下分析产生相对运动 河海大学工学硕士论文电磁振动给}l机振幅的自适一拧制 的加速度条件。 首先分析料槽运动曲线处于正半周期,即弹簧释放过程中物料的受力情况,由上面的 分析可以看出此时加速度指向负方向,在加速度绝对值较大的情况下物料具有沿工作面反 向滑动的趋势,由于摩擦力方向与运动趋势方向相反,因此也应指向负方向,其受力分析 如图2.3(b)所示。当物料与料槽表面无相对运动,物料的加速度也为口;N为料槽表面对 物料的支承力,与料槽表面垂直;mg为作用于物料的重力:f为料槽表面对物料的摩擦 料槽表面垂直和平行两个方向的平衡方程为:胜牌=m,gcosa.-N(2-3) 1肌HCOS=厂一mgsin口 当N0时物料将与料槽表面分离发生跳跃,oh(2—3)式整理得到物料发生跳跃的条件为 N=mgcosot-mlalsin矿<_o,即mlalsinO>mgeosa,由于此时口0,进一步整理可得物 料沿工作面正向跳动的加速度条件为: aq,其中q一等 而当x方向的合力小于维持相对静止所需要的惯性力时,物料将发生正向滑动,假设 动摩擦系数与最大静摩擦系数相等,且为,则: fmlalcos庐>_f-mgsina {N=mgcosot—m]alsin>0 (2-4) lf=ItN 由上述条件得到物料发生正向滑动的加速度条件为: q<口%,其中%2—2j::器 引入静摩擦角胁,则=tango,这样就可以表示为:%=一篇 当料槽运动曲线处于负半周期时,用相同的方法进行分析,此时加速度指向正方向 (口0),摩擦力也指向正方向,其受力分析如图2-3(c)所示。 料槽表面垂直和平行两个方向的平衡方程分别为: masin=N—mgCOSO! (2-5) macos#=f+mgsina (2-6) 由式(2.5)NN得到=masinck+mgcosa>0恒成立,因此物料不可能发生跳动。 当加速度达到一定数值时,摩擦力的大小不足以带动物料随料槽一起运动,两者产生 相对滑动,物料相对于料槽向左滑移,即作运送方向的逆向运动。此时满足如下条件: (2-7) 可得物料产生逆向滑动的条件为: 口a,其中:——:——r cOS(ao在设计给料机的结构参数时应保证h|>laI,kf,物料与料槽之间的相对运动与给料槽 加速度的最大值q。的关系为: 1)aMiXkI,物料随工作面一起运动而无相对运动; 2)kfc吃一s川,物料与工作面保持接触,同时在一个振动周期内,物料有部分时 间正向滑动; 3)川cq一[ajl,物料与工作面保持接触,同时在一个振动周期内,物料有部分时 间正向滑动,另一部分时间物料反向滑动,并且通常情况下正向滑动的距离较大。 4)aMAX,M,物料在两个方向有滑动并有跳动。 2.4.2物料滑行运动理论某些易碎性和粉状物料要采用滑行运动的输送方式,本小节研究滑移量与结构参数之 间的关系。 由上面的分析可知,当口;ap时正向滑动开始,设正向滑动起始时间为’我们可以 物料作正向滑动时,在y方向没有相对加速度,其z方向的运动方程为式(2.9):m(IqI一q)=一朋苫sin盯 q=一ax+gsina一(q+gcosot)(2-10) 对式(2—10)相对加速度进行积分,可以得到物料的相对速度: u=£q出=g(sina'-卢cos口)(r—o)一爿(c。s矿+sin)(cos。t-cos耐,)(2-11) 当地=0时,相对滑移结束,假设滑移结束时间为t。,.卿Jtw满足如下关系式: gsin(a一^%)r一脚彳cos(妒一a0)coscot=gsin(a一,龟)fp一国一cos(妒一,岛)cos研。 (2—12) 该方程为非线性代数方程,可以通过数值方法求得‰。 物料正向滑动的距离可以表示为: eg(sina一cosg)(1--tr,)~训(coS+sin妒)(c。s研一cos啤)d7(2-13)=i1 一4cos(一风)(sinn盯口一sincotp,)同理,当a=4,时反向滑动开始,设正向滑动起始时I剐为k,可以由d(0)=ar解得: 铲砖删n—g彳酬sin(硒Uo+俐a)Jl砌) 物料x方向的运动方程为:m(ax+q)uN+mgsin‘x (2—15) 缸=一q+gsina+p(ay+gcosot)(2-16) 相对速度满足式陀一17): Avx=£q出ig(sin盯+COStz)(f—o)一缈爿(c。s一sin庐)(c。s国t--COScot。)(2-17) 根据u=0同样可以通过数值方法求得反向滑行结束时问k 物料反向滑动的距离可以表示为: 。Cg(sina+c。s口)p—to)~m4(c。s矿一sin0)(COSO)t-cos珊t.)df(2.18) =:19sin(口+胁)(k—f。)2+4cos(+胁)coso(屯一o) 一彳cos(+,%)(sin6nk-sineat。) 综上所述: 1)一个周期内物料作滑行运动的距离为:最=峨+&; )物料作滑行运动的平均速度为:‰=—[弓兰—二2。需要说明的是反相滑行的时间一般很短,距离也很短,很多情况下可以忽略不计[231。 2.4.3物料抛掷运动理论 当嚷。>阿J时,物料将脱离料槽表面发生跳跃运动。如果物料的腾空时问恰好等于料 槽下降的时间,当物料再次与料槽表面接触时,网上真人游戏物料己向前跳跃了一大步;如果物料的腾 空时间小于料槽的下降时问,则料槽在还没有到达向左下运动的极限时,物料就己落在料 -14- 第二章电振机工作原理及物料输送原理 槽表面上,与料槽一起向左下运动,每次跳跃的距离较小;如果物料的腾空时间大于料槽 的下降时间,则物料在料槽己经过左下的极限位置开始向右上运动时,物料才落在料槽表 面上,这样物料的移动距离更小,甚至没有移动。本节研究结构参数与跳跃移动量之间的 关系。 由于hl>kl,因此物料运动的第一个周期,在发生跳跃运动前必然先发生丁F向滑动, 该段正向滑动的开始时刻即为0。 正向滑移结束时刻为抛掷运动开始时刻o,由口(o)=巳可以得到: (2,2。)-Acos(#-/%)(sincot.一sincotPf) q=一哆一gcosa(2-22) 相对加速度吼对时间进行两次积分可以得到物料在J,方向对工作面的相对位移: 当S重新等于。时抛掷运动结束,设抛掷运动结束时间为0,则抛离时|'日JAt=f,。~tj,,则鼠可以表示为: s=一lgcos如t2+Asin妒c。scotsAt-Asin[sin(砒Ho,)-sin国o。]=o(2-24) 将gcos口=Ac02sin庐sinn%代入化简得: 任zs,记吒=纵为起抛角,coat=A仍为抛离角,则式(2-25)表示了起抛角与抛离角之间的 河海大学工学硕士 电磁振动给料机振幅的自适应控制 1020 3a 40 50 60 7D即90 图2.4起抛角与抛离角约关系物料被抛起后,x方向的运动万程为: m(ax+Aaxl=mgsina (2‘26) 相对加速度嵋对时间进行两次积分可以得到物料对工作面的相对位移: 蝇2eC gsi…幽cos心删础 f2-271 =昙gsina(o—o)2+coAcos#coscot.(tj。一o)一4cos矿(sincotj。一sincat,.) 自第二个运动周期开始,正向滑行的起始时间应取r。和f。中较大的一个,记为: o=max(t,,o) (2-28) 这样,物料正向滑行运动的距离叫由式(2—29)表不: %=j1 (2.29)一Aeos(一鸬)(sin甜。一sin0) 因此: 1)一个周期内物料作抛掷运动的距离为:馘=%+峨; 2)物料作抛掷运动的平均速度为:%2—[鼍7—型。2.5振幅控制的意义 振动给料机的理论生产效率Q(t/h)为: 第二章电振机工作原理及物料输送原理Q=3600hBv.p (2-29) 其中:h为物料层厚度(m) B为工作面宽度(m) P为物料密度(tim3) 由上一节的分析可以知道,在确定了安装倾角Or"和振动方向角,并且物料摩擦系数 /.to已知的情况下,就可以计算出物料的理论平均速度‰,电振机的生产率也就确定下来了。 但是,v。与料槽振动幅度爿之间有密切的关系,当A不稳定时,电振机的生产效率也是不稳 定的,因此,对电振机振幅进行精确控制是十分必要的。 2.6本章小结 本章主要完成了以下工作; 1)简要介绍了电振机的分类、结构及其工作的基本原理; 2)研究了物料输送方式,通过对物料平均输送速率和电振机生产效率的研究,得出 结论:电振机振幅的稳定性直接影响其生产效率和效果,因此需要对电振机振幅进行精确 控制。 河海大学工学硕士论文 电磁振动给}{机振幅的自适脚摔制 3.1引言 第三章 电振机振幅控制模型 目前电振机多为开环控制,也有一些采用闭环,但目前主要是采用PID控制口4251,而 对电振机控制系统的数学模型却研究得很少‘26】,研究和建立电振机振幅控制的数学模型对 于更好地确定自适应控制参数或采用其它控制算法都是十分重要的。本章主要研究和建立 振幅控制的数学模型。 3.2电振机力学模型的建立 如图2.1所示电磁振动给料机为双质体振动结构,其结构可以简化为图3一l所示的二 自由度系统口61,其中巩表示槽体与传输物体的总计算质量,m2为底座计算质量,c表示料 槽与底座之间的相对运动阻尼系数,ct、c2分别表示料槽和底座的绝对运动的阻尼系数,t 为主振弹簧刚度,k2为隔振弹簧刚度,F(,)表示料槽所受的电磁激振力,S、最分别为 料槽与底座沿振动方向的位移。 图3-1 电振机的力学模型 假设电磁力是正弦变化的,HI]F(f)=F’sin(at,那么电振机的振动微分方程为: j啊墨+c(,一tl+q,、+后(s一是)=,kln出‘ (3.1)

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