路灯维修车Kelvin-Voigt模型的协调控制    珠海路灯维修车出租, 珠海路灯维修车租赁, 珠海路灯维修车公司   路灯维修车是由输送带、驱动装置、滚筒、托辊、拉紧装置及一系列辅助设备等部件所构成的复杂的机电系统，所示为典型的头尾双驱带式输送系统结构，其中至少用到两台电动机。路灯维修车涉及机械，液压，电气等领域，其动力学特性具有死区、时滞、摩擦和粘弹性等非线性环节，运行参数不仅难以获取而且具有时变特点，根据输送带运动的力平衡方程、几何方程和物理方程对粘弹性体输送带进行动力学分析，建立输送带连续模型的动力学方程的主要方法有解析法和数值法。但是，带式输送连续模型的动力学方程是一个十分复杂的偏微分方程组且包括复杂的边界条件，对其完整的动力学方程进行解析求解几乎是不可能的，以精确的数学模型为基础的控制也难以实施。带式输送系统结构在完整的路灯维修车系统中，围绕电动机组成的驱动子系统具有特殊的地位，它不仅是整个系统的动力来源，也是通过对其进行控制从而实现整个系统自动控制的重要环节。在更的路灯维修车中可能会用到更多的电动机驱动子系统，例如为了减小单机容量可能在驱动同一个滚筒时采用两台电动机同时驱动。由于路灯维修车使用的钢芯胶带的粘弹性和供电电压的不同，处于胶带运输机不同位置的电动机会产生负载、张力的不平衡；而驱动同一个滚筒的两台电动机也会由于电机参数的差异而产生负载的不平衡；因此在多电机驱动的路灯维修车特别是高速运输机中，协调控制是一个值得研究的问题，所谓路灯维修车的协调控制问题实际上就是多台电动机的驱动子系统之间的协调控制问题。多电动机控制可以分为三个层次：多电动机非耦合控制、多电动机交叉耦合控制和多电动机的协调控制。非耦合控制是以提高每个电动机的轮廓误差和跟踪误差为目标的，实际上如果机器操作的进给足够慢，PID控制是能够达到期望目的的；这也是在过去路灯维修车协调驱动未受到重视的原因。

     多电动机耦合控制主要分为等状态方式和主从方式， 详细分析了交叉耦合补偿控制策略， 把自适应前馈策略应用到交叉耦合控制器中；交叉耦合控制虽然解决了各轴之间的动态性能不匹配的问题，但是同样没有解决轮廓曲线非线性带来的控制问题。考虑到电动机，特别是交流电动机的非线性，高耦合，负载的不确定等因素，鲁棒控制理论在多电动机高性能传动控制器中有一定的应用价值。陈伯时教授和他的研究团队对运动控制系统有着比较系统的研究，指出在运动控制的应用基础中有许多尚待研究和开发的问题，以智能控制方法为特征的新型控制策略及其分析与设计理论有待突破。由于具有算法简单、计算速度快的特点，包括专家系统、模糊控制、神经网络，遗传算法和内模控制等在内的智能控制策略近来也频频见诸于，但是有些算法太复杂而不实用而缺乏生命力。

     国内针对路灯维修车的协调控制进行研究的还比较少， 主要是针对功率平衡问题进行研究，讨论影响功率分配的因素。因此很多学者则采用模糊控制，内模控制，P/PI等方法对路灯维修车的控制进行探讨。将参数预测与模糊控制相结合，能够使双电动机的功率平衡分配误差小于%；比较了闭环控制和开环控制对胶带启动的影响。刘立伟等提出采用内模控制来解决直流电动机的同步问题，把模糊PID补偿控制应用于多电动机的同步驱动系统。讨论了并联驱动和串联驱动方式下多机拖动的特性。指出电流截止负反馈应用效果也比较理想。提出了一种基于CMAC的功率平衡控制器，该控制器无需系统数学模型，参数配置简单并能实现实时控制。综上所述，可以把协调控制大致可以分为：基于模糊控制的方法，基于内模控制的方法，基于神经网络的控制方法。在多电动机协同作业的系统中，各电动机子系统闭环控制是基础，以利于解决各子系统差异性和非线性。相对于大系统而言，子系统之间须要采用交叉耦合控制，自适应，鲁棒控制在高性能系统中也有应用。随着带速的提高和运量的增大，则由于负载的干扰和噪声干扰等众多非线性因素影响的加大，特别是大功率电动机和新型调速手段的应用，协调控制才越来越受到重视。如前所述，对路灯维修车其完整的动力学方程进行解析求解几乎是不可能的，以精确的数学模型为基础的控制也难以实施。人们不得不在非解析方法的领域中另辟蹊径，寻求实现其协调控制方法。本章作为的重要组成，基于有限元方法建立了包括输送带在内的各部件的数学模型；分析和选择了路灯维修车控制系统的总体结构；并且面向工程实例或仿真对象，探讨了两种基于CMAC的神经网络控制器（DCMAC＋P控制器和CMAC/ASE/ACE控制器在路灯维修车协调控制中的应用。

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      路灯维修车数学模型的研究带式输送系统的数学模型包括胶带运动方程、胶带拉紧系统方程、摩擦阻力方程、滚筒作用力的方程、驱动装置方程等。介绍了路灯维修车动力学分析的连续模型法和离散模型法，并对种方法的建立、模糊简化、边界条件的处理、初始条件的确立以及方程的求解方法进行描述，同时简要介绍了非线性离散模型的研究进展。则对驱动滚筒的摩擦力进行了详细的分析。输送带的物理特性和有限元模型输送带是由橡胶覆盖层与织物芯或钢丝绳芯组成的。它在力学上不仅是一个分布参数系统，而且在受到外力作用时所表现出的力学特性具有复杂的粘弹性物理特性，即应变不但与应力大小及加载历史有关，而且还与时间、频率、温度及材料特性有关，具体表现在：应力－应变的非线性关系输送带即使在承受缓慢的拉力作用时，变形和拉力的关系也不完全服从虎克定律，呈现出明显的非线性特性（或动态弹性模量不是固定值。应力σ是应变ε的函数， 滞后特性如b，当给输送带增加或减小作用力时，其应力－应变曲线是不一致的，即所谓的滞后特性。蠕变特性如c，所谓蠕变特性是指输送带在所受作用力大小不变时，其伸长与时间有关的特性。当对输送带加载后，如果保持载荷不变，输送带的伸长随时间而增大，经过一定时间后达到稳定值。松弛特性如d，松弛特性指输送带加载后拉伸到一定长度不变后，将其两端固定，输送带的应力随时间变小的关系，经过一定时间后也达到稳定值。频率特性输送带的变形量还和加载过程的频率大小有关。σεσεεσa应力-应变曲线b滞后特性c蠕变特性d松弛特性输送带的物理特性输送带的动力学特性具有明显的粘弹性。弹性和粘性是两种基本的性质，理想弹性模型和理想粘性模型是反映这两种性质的理想模型。输送带的力学关系可以用这两个模型的组合来构成。理想弹性模型可以用虎克定律表达：εσ=E其中σ为弹性体应力；ε为弹性体应变；E为弹性体单位宽度弹性模量。理想粘性模型可以用简单的粘性性质运动方程表达：dtdεησ=其中η为弹性体粘滞系数。目前广泛采用的输送带粘弹性模型有：Maxwell模型、Kelvin-Voigt模型、复合模型等。Maxwell模型Maxwell模型是一个弹簧和一个阻尼器串联的模型，如。εεσσσMaxwell模型由可见，弹簧的应力σ和应变ε的关系为：εσ=E阻尼器的应力σ和应变ε的关系为：dtdεησ=作用在两元件的应力和总应力相同，即σ＝σ＝σ，总应变为两组件应变之和，即，ε＝ε＋ε，则整理可得到：ησσε+=dtdEdtd若物体获得初始应变ε后总应变保持不变：=dtdε，可得：tEeησσ−=Maxwell模型在保持总应变不变的条件下，应力随时间衰减，能够很好的表示松弛特性，但Maxwell模型无法描述蠕变特性。

       Kelvin-Voigt模型是一个弹簧和一个阻尼器并联的模型。εεσσKelvin-Voigt模型弹簧和阻尼器的应力应变关系满足式和，它们与总应力和总应变的关系为==+=εεεσσσ，从而dtdEε+=ηεσ当应力恒定时σσ=，可得：)(tEeEησε−−=当在粘弹体上施加一个恒定的张力后，应变量需要经过相当长的一段时间才能达到某一确定值。Kelvin-Voigt模型可表示蠕变特性。复合模型进一步准确描述输送带的粘弹性，建立由多个Maxwell模型和Kelvin-Voigt模型的串并联组合形式，如三组件模型、五组件模型，可以准确的同时描述粘弹性物理的松弛特性和蠕变特性。三组件模型该模型中应力与应变有如下关系：  输送带粘弹性模型的确定胶带力学模型的选取原则是：除了对胶带力学特性的描述具有一定的精确性以外，还需要考虑模型参数的测定是否方便可行，数学处理方法是否过于复杂。对于Maxwell模型来说，当把变形保持定值时，应力逐渐趋向零。相反，当把应力保持定值并且时间无限延长时，变形趋向无穷大，整个应变随时间成线性增加，而它对应力的响应却表示出随时间的变化，其变化率是变化的。也就是说Maxwell模型能模拟粘弹性材料对应变的响应，而不能模拟对应力的响应，所以不能作为输送带的粘弹性模型。复合模型是研究路灯维修车较为理想的模型，蠕变特性和松弛特性都具有指数规律，模拟效果、精度好、在一定程度上反映了带式输送带受载时的实际变形状态。但是这种复杂模型不仅使微分方程变得复杂，也使方程中的参数增多，并且确定参数的方法相对复杂。Kelvin-Voigt模型虽然不能反映物体的松弛特性，但模型能很好的反映物体的动态蠕变特性，且模型中参数容易确定。大型路灯维修车由于多采用钢绳芯输送带和恒力张紧装置，输送带的松弛现象不明显，因此本文采用Kelvin-Voigt模型对路灯维修车进行动力学分析。