变输入机构（共3篇）
变输入机构 篇1
1 变输入机构的驱动控制与输出运动分析
目前自动测试系统已经进入了虚拟仪器时代, 虚拟仪器改变了人们传统的仪器观, 使电子测量技术和自动测试系统都进入了一个新纪元。
由于Lab VIEW主要用于仪器控制、数据采集、数据分析等方面, 而且其功能相对更强、更全面, 是一种基于图形编程语言的开发环境, 与C语言等传统编程语言有着许多相似之处, 因而本论文采用Lab VIEW软件对所构造的变输入七杆机构的速度参数和位置参数进行数据采集和数据分析。
虚拟仪器的概念和结构:
所谓“虚拟仪器”是指主要和计算机辅以少量通用硬件, 如A/D、D/A采集器等完成原来由物理仪器完成的功能, 它的运行主要依赖于软件, 所以具有造价低、功能全, 灵活性好等特点。虚拟仪器的基本构成从要素上说包括计算机、虚拟仪器软件、硬件接口模块等。从构成方式上说, 则有以DAQ板和信号调理部分为硬件来组成的PC-DAQ测试系统, GPIB接口卡、VXI控制器、串行总线系统、现场总线系统等。目前较为常用的虚拟仪器系统是数据采集卡系统、GPIB仪器控制系统、VXI仪器系统以及这三者之间的任意组合。
构造和使用虚拟仪器的关键在于应用软件, 正所谓“软件即仪器”。虚拟仪器的应用软件主要包括:集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口和虚拟仪器的用户界面。虚拟仪器的应用软件由用户编制, 可以采用各种编程软件, 面象对象的编程方式和可视化编程语言环境的推出, 为虚拟仪器应用软件的编程作出了重要贡献。虚拟仪器软件采用分层结构, 在用户和底层硬件之间包括应用程序模块、驱动程序模块和三个接口层。其中, 各模块之间的通信和数据交换通过接口完成, 驱动程序和硬件接口层软件均由仪器生产商提供。每层都是由许多程序组成的程序库, 庞大的程序库提供给使用者选择。
2 数据采集模块的实现
虚拟仪器的内部功能划分为数据采集和控制、数据分析和数据表达式三个功能模块, 其中数据采集系统是其核心部分之一, 数据采集 (DAQ:Data A cqusit ion) 系统的基本任务是物理信号的产生和测量.要使计算机系统能够测量物理信号, 首先要使用传感器把物理信号转换成电压或者电流之类的电信号.通常不能把被测信号直接连接到DAQ卡, 而必须使用信号调理辅助电路, 先将信号进行一定的预处理.总之, 数据采集是借助软件来控制整个DAQ系统的, 包括对数据采集参数的各种控制, 比如:进行数据采集卡的选择、数据采集通道选择、采样速率的控制、数据的存储等。
2.1 瞬态信号采集系统的应用考虑
信号调理除了放大、滤波和隔离等一般作用之外, 通过多路复用技术可以以较低的成本有效扩展系统的I/O能力。
(1) 同步采样与连续扫描技术在瞬态信号采集系统中的应用考虑
多路复用器在通道之间的切换, 会在每个通道的采样点之间引起一定的时间延迟, 通常认为连续扫描技术不适用于如交流信号的相位分析这些采样点之间的时间关系非常重要的应用场合。一般需要采用同步采样技术进行这样的测量。由于瞬态信号测量的重要目的之一通常是要比较不同通道采样点之间的数据关系, 因此, 过去一直认为瞬态信号的采集与应该采用同步采样技术。其实, 只要所选用的DAQ板只要有仪器保证一定的定时精度, 采用连续扫描技术和专门研究的自动补偿算法同样可以进行精确的相位测量。由于瞬态信号采集通常要对数据做大量的事后分析, 而较少要求实时分析, 因此, 在非实时应用情况下, 可以用等速扫描采样技术和软件方法复现瞬态过程不同通道信号间的时间关系。
(2) 变速采样技术在瞬态信号采集系统中的应用考虑瞬态信号在不同时间的起伏会变化很大。对这种起伏变化很大的信号进行等速采样的时候, 就必须以信号起伏最快时的变化速率选定采样率。显然, 在大部分信号持续时间内, 用此速率采样对内存和硬盘都是一种浪费, 而且会降低频域分析的频率分辨率。而变速采样技术可以根据信号变化快慢自动调整采样率, 从而实现系统资源的优化利用。
2.2 实时数据采集系统的体系结构考虑
在连续数据的采集应用场合, 采样率的通道一般较高, 系统设计者通常关心的是系统吞吐率和仪器的存储能力, 以保证不丢失的采集、存储数据。而实时应用场合, 系统设计者更关心的是系统相映速度而不是纯粹的吞吐能力。在这种情况下, 关键是如何预先确定系统对中断请求与触发信号的响应时间。同时, 对计算机的处理能力要求也较高。系统设计者的目标集中在如何保证数据在事先确定时间内被正确的采集与处理, 以便在控制环节或仿真周期内得到测试结果。从计算机和软件的角度出发, 系统体系结构一般可分为集中控制系统和分布式数据采集系统两种体系结构。集中控制系统相对简单, 并具有明显的系统性能优势, 缺点是灵活性和使用范围不够。分布式数据采集数据正好与之相反, 且软件编程较为复杂。
3 信号分析模块的实现
信号分析模块包括时域显示、频域分析、FFT、自相关分析、功率谱分析五种情况。根据测试中对信号的分析和处理基本要求, 提供了滤波器、窗函数、时域、频域、频率响应、子功率谱、互功率谱、自相关函数、互相关函数等信号分析方法。加上对这些分析方法的数据控制, 能够很好的实现对信号的处理和分析。
4 结论
随着计算机技术的发展, 虚拟仪器技术在21世纪必将得到飞速的发展。利用虚拟仪器技术, 将可以改变传统的教学方式, 大大降低实践环节的固定资产投入, 提高教学质量, 并且取得良好的试验效果。本文基于虚拟仪器的控制变输入机构的运动以及对其输出运动的测试, 取得了满意的试验结果。
摘要：变输入转速机构的主要特征是具有变速单元。本文从变输入机构函数的设计和虚拟仪器的选用以及数据采集的实现等多个方面对变输入机构的控制进行阐述和研究分析。
关键词：LabVIEW软件,虚拟仪器,变输入机构
参考文献
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[3]姚燕安.变输入转速机构设计[J].上海交通大学, -01:1-3.
变输入机构 篇2
混合输入机构利用不同性质的电机驱动多自由度闭链机构,以获得所需要的输出运动[1]。作为一种特殊的多自由度机构,有效的控制是实现混合输入机构功能的关键,而精确的动力学模型是进行有效控制的基础。由于机构系统的非线性和强耦合,若考虑运动副摩擦、间隙等非线性因素,则精确的动力学模型难以获得[2]。混合输入机构控制的难点在于常速电机的不可控性,在机构运转过程中,负载、惯性力等的变化会引起常速电机转速的波动[3],常速电机自身无法补偿这种转速波动,从而严重影响机构输出运动的精度。
本文提出了基于常速电机位置跟踪的控制策略来对伺服电机进行控制,以补偿常速电机的转速波动对机构运动的影响;设计了模糊自适应滑模变结构控制器,应用模糊自适应推理逼近系统的不确定之和(包括系统参数的不确定、外部扰动和非线性摩擦等),从而获得控制连续的控制增益,消除变结构控制引起的抖振,实现混合输入机构的轨迹跟踪。
1 系统动力学模型
1.1伺服驱动系统动力学模型
混合输入机构结构如图1所示。构件0为机架。构件1由常速电机驱动,使用编码器检测构件1的角位移,为提高检测精度,编码器安装在常速电机的输出轴上。构件2由伺服电机驱动。q1、q2为广义坐标,mi、li、ls i分别表示各活动构件的质量、长度和质心到回转轴的距离,Ji为绕过质心与机构平面垂直的轴的转动惯量。i为活动构件编号,i=1,2,3,4。
应用降阶模型法[4]可建立机构的动力学模型:
式中,M为质量惯性矩阵;C为阻尼矩阵;G为重力矩阵;W为摩擦和外部扰动矩阵;τ为驱动力矩阵。
若常速电机角位置q1可实时检测,通过微分运算可得到
1.2模型不确定分析
式(2)所示的动态模型中,运动的耦合、常速电机运动的检测误差等因素的影响,会造成模型参数存在一定的不确定性。机构运动副摩擦的复杂性,使得不可能得到摩擦力的精确表达式。此外,系统还受随机干扰的影响。考虑如上各因素,式(2)可进而表示为
式中,d220、c220、g210、f0分别为质量、阻尼、重力、摩擦与扰动的参数名义值;δd22、δc22、δg21、δf分别为质量、阻尼、重力、摩擦与扰动的参数不确定值。
2 混合输入机构控制策略
混合输入机构的输出运动是常速和变速两种运动经两自由度平面五杆机构合成的结果,当机构的构型和尺度确定后,机构的输出运动取决于原动件的输入运动。要实现给定轨迹的跟踪,则机构两原动件的输入运动必须满足经逆运动学规划得到的函数关系。由于常速电机自主运行,只可检测,无法进行实时控制,而可控电机具有实时控制功能,因此本文提出伺服电机对常速电机进行位置跟踪的控制策略,以实现混合输入机构的轨迹跟踪,控制原理如图2所示,下标0表示初始状态,下标r表示理论值。对常速电机的角位移进行实时检测,根据两原动件的函数关系确定伺服电机的期望运动参数,可得到伺服驱动系统的动力学模型,以该模型为对象对伺服电机的角位移进行负反馈控制,可得到伺服电机实际运动参数。常速电机和伺服电机的实际运动参数共同输入平面五杆机构中,从而实现混合输入机构给定轨迹的跟踪。
3 控制器设计
滑模变结构控制器具有对系统参数和外部干扰变化不敏感的优点,因而广泛应用于复杂非线性系统的控制中,但由切换控制引起的高频抖振是该类控制方法的主要缺点[5]。本文设计一种模糊自适应滑模变结构控制器,应用自适应模糊推理实现控制增益对各不确定之和的逼近,从而消除抖振,实现混合输入机构的轨迹跟踪。
3.1变结构控制器的设计
简化后混合输入机构系统的动力学方程为式(3)。定义跟踪误差e=q2d-q2,则有
定义Lyapunov函数为
V=(d220+δd22)s2/2
显然V正定。V表达式两端对时间求一阶导数有
式中,δF为系统不确定和。
取控制律
式中,k为控制增益;α为常数,α>0。
将式(5)代入式(4)有
若k为δ F的最佳逼近,则根据万能逼近定理[6]有
|δF-k|≤ε
ε为很小的正实数,存在很小的正实数β满足ε≤β|s|,则有
V·≤βs2-αs2
当α>β时,
3.2模糊自适应推理对不确定和的逼近
式(5)中,关键在于确定控制增益k,它是系统不确定和δF的逼近值。理论和实践已证明,模糊系统可以实现对任意连续函数的精确逼近[7],本文应用模糊自适应推理实现控制增益对系统不确定和的逼近。
3.2.1 模糊系统设计
模糊控制系统输入为s,输出为k,控制系统输入、输出的模糊集均取为{负很大,负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,正很大},表示为{NH,NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB,PH}。论域分别取为[smin,smax]和[kmin,kmax]。
为便于计算,模糊集的隶属函数设计为高斯函数:
μA=e-[(x-v)/(2σ2)]2
式中,v为隶属函数的中心值;σ为隶属函数的宽度。
考虑变结构控制器的稳定性,确定模糊控制规则,如表1所示。模糊推理采用最大最小推理方法,模糊输出采用加权平均法计算[8]:
式中,vi为k的隶属函数的中心值;μi(s)为s的隶属度;m为控制规则数。
3.3.2 自适应律的确定
设δF的最优逼近值为k*,且k*满足滑模条件。由式(7)可得
k*=vTdW
式中,vd为最优逼近向量。
定义误差为
取Lyapunov函数为
则
将式(8)代入式(9),有
自适应律取为
此时,式(10)与式(6)相同,则当α>β时,V·≤0,自适应控制律渐进收敛。
4 仿真计算与分析
机构结构参数如表2所示。要实现轨迹为近似8字形,轨迹生成时,曲柄1和曲柄2所要满足的运动关系为:q1d=πt,q·1d=π,q·1=π+0.2sin2πt,q2=q1+0.3sinq1+1.15,q·2=q·1+0.3q·1cosq1,q0=[0 1.15]q·0=[0 0]。系统的不确定和δF=0.1sin8πt。
滑模变结构控制器参数:λ=80,α=0.3。
模糊控制器参数s的论域为[-8,8],其隶属函数的中心向量为(-8,-6,-4,-2,0,2,4,6,8),σs=0.7071。k的论域为[-0.08,0.08],σk=0.007 071,其隶属函数的中心向量为(-0.08,-0.06,-0.04,-0.02,0,0.02,0.04,0.06,0.08)。则二者的隶属函数分别如图3、图4所示。
分析图5～图7发现,虽然常速电机的速度存在波动,但通过模糊自适应变结构控制,实现了伺服电机对常速电机角位置的跟踪,从而保证了轨迹跟踪的实现,表明本文的动力学简化和控制策略是正确可行的。分析图8、图9可知,通过模糊自适应推理实现了对系统不确定和的逼近,确定了连续的控制增益,消除了滑模变结构控制的抖振。
1.常速期望值 2.常速实际值 3.伺服期望值 4.伺服实际值
1.期望输出曲线 2.实际跟踪结果
5 结语
针对混合输入机构中常速电机可测不可控的特点,实时检测常速电机的角位置,并对系统的动力学模型进行降阶简化,得到如式(2)所表示的系统的伺服驱动动力学模型。提出了基于常速电机位置跟踪的控制策略,对伺服电机进行控制。考虑系统参数的不确定、外部扰动和非线性摩擦,设计了模糊自适应滑模变结构控制器,应用模糊自适应推理逼近系统的不确定之和,从而获得控制连续的控制增益,消除了变结构控制引起的抖振,实现了混合输入机构的轨迹跟踪。
参考文献
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[7]诸静.模糊控制原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.
变输入机构 篇3
烟草包装机分为硬盒硬条包装机和软盒硬条包装机, 目前国内各大烟厂使用最广泛的是ZB25型软盒硬条包装机组 (生产能力400包/min) 以及ZB45型硬盒硬条包装机组 (生产能力400包/min) 。随着科技的不断进步, 国外一些烟草包装机制造企业已经研制出超高速包装机组 (生产能力大于800包/min) 。为了赶上国外的先进水平, 国内的一些专业厂家也投入相当大的精力来进行超高速包装机的研制和开发。
目前世界上对于超高速包装机开发有两种截然不同的观点, 一个观点是把原先的间歇运动改为连续运动, 所有包装动作都用一个个轮毂来完成;另一种观点则是使用双通道技术, 在不增加机器运转速度的前提下使机器生产能力提高一倍。
前一种方案虽然在设计理念上非常先进, 但是实施起来却非常困难, 因为机器运转速度过快会出现噪音大、发热量大、零件磨损过快、烟包质量下降等一系列问题。而后一种方案虽然技术上没有什么大的突破, 但是却能弥补前一方案的种种缺陷, 所以目前国内正在开发的超高速包装机就使用了双通道技术。
2 存在的问题
该超高速包装机组包括硬 (软) 盒包装机、烟包储存器、小包透明纸包装机以及条盒条透包装机。在设计小包透明纸包装机的时候由于机组排布的需要, 烟包从烟包储存器出来之后由烟包分离鼓把烟包从竖起来排列的一排分成平躺下来的两排, 然后烟包运动方向转90°进入小包透明纸包装机。
由于分离鼓每个工位分离两包叠在一起的烟包, 所以从分离鼓输出到转向机构的烟包并不在一个平面上, 而是相差一个烟包的厚度。另外, 虽然是双通道的机器, 但是单轨的速度也已经达到了400包/min的高速, 所以该机构必须保证烟包在高速运动过程中的稳定性以及机构自身的稳定性和耐用性。
3 转向机构的设计
烟包转90°这一动作, 可以通过两种不同的方案来实现。一是使用可以转弯的特殊传送带使烟包转向。二是通过特殊的拨轮使烟包转向, 两端通过同步齿形传送带链接。第一种方案的优点在于结构简单且成本低廉, 但缺点是这种特殊的传送带比较适合低速运动, 无法保证高速运动下烟包的稳定性, 而且高速运动可能会大大缩短该传送带的使用寿命, 另外这种传送带的转弯半径也比较大。而第二种方案虽然结构比第一种方案稍微复杂一点, 但是完全满足机器在高速运转下的稳定性并能保证有很长的使用寿命。由于以上原因, 在超高速包装机烟包转向机构的设计中采用了第二种方案。
烟包转向机构的具体结构如图1所示。
1.烟包2.拨轮3, 4, 7, 8.导板5, 6, 9.传送带
烟包从分离鼓输出后分别进入轨道一和轨道二, 轨道一的烟包由拨轮2与烟包转向机构上方的分离鼓直接交接并转向, 然后再通过传送带5进入小包透明纸包装机;轨道2的烟包由传送带6与分离鼓交接并送入拨轮2进行转向, 最后通过传送带9输入小包透明纸包装机。
由于轨道二的烟包所在平面比轨道一的烟包所在平面高出一包烟包的厚度, 而两个拨轮2以及传送带5和传送带9都处在同一个平面, 所以传送带6两端分别连接一大一小两个同步带轮, 两个同步带轮的半径相差一个烟包的厚度。
拨轮2带动烟包转向的过程中, 挡板3、4、7、8的作用就是保证烟包能顺利转向, 并在转向过程中保证烟包的稳定性。挡板的设计原则是保证比实际烟包长1~2mm的模拟烟包能正好能顺利通过两块挡板之间的轨道, 并且在转向过程中位置固定不能随意转动。当实际烟包通过轨道的时候既能顺利通过, 又不会因为随意转动而卡死在轨道里。
轨道二烟包运行的距离要大于轨道一的烟包, 而烟包从分离鼓输出的时候是同步的, 烟包通过传送带进入小包透明纸包装的时候后两个轨道也必须同步, 所以在设计两个拨轮位置的时候必须保证两个轨道正好相差整数个烟包。由于小包透明纸包装机两个轨道的间距是160mm这个固定值, 则两个拨轮Y方向的距离也必须是160mm。经过计算, 为了满足以上要求, 轨道二至少要比轨道一多2包烟包。输出传送带上两个挡块之间的间距是230mm, 两包烟包就是460mm。由于Y方向的160mm是固定值, 所以X方向的间距应保持在300mm左右。为了保证轨道二的烟包不会因为没有及时到位而被拨轮夹坏, 轨道二的烟包就需要先到交接位置, 稍作停顿后再由拨轮带走。另外考虑到传送带6有一定斜度, 烟包在它上面移动的实际距离要比水平方向上的投影距离稍大, 所以最终把两个拨轮X方向的间距设定在284mm。
4 结语