双机及多机激振下非线性振动系统的控制同步理论研究

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振动机械广泛用于煤矿、化工、冶金、电力、建筑、粮食、医药、环保等领域,可以对不同物料进行加工、分级、脱泥、脱水、回收和除杂等。随着现代工业和农业的不断发展,对振动机械的要求不断提高,振动机械向智能化、高精度、高效性等方向发展。针对振动机械系统工作中振动机体受到物料的惯性力、摩擦力和冲击力的问题,为了更准确地分析激振器的同步性能,在研究振动机械同步性能时应该考虑物料的影响。随着振动机械的不断发展,对振动机械的同步性能提出更高的要求,振动机械同步运动精度限制了振动机械的应用。因此,多激振器激励振动系统控制同步理论有待进一步深入研究,以适应高精度、智能化的发展需求。通过对非线性振动机械-物料系统的控制同步理论研究,在理论和工程实际中都有重要意义和应用价值。许多对振动机械同步性能的研究忽略了物料对激振器同步运动的影响因素,为了更符合实际工况的研究同步理论,本文推导出了考虑物料影响两个和多个激振器激励下非线性振动机械-物料系统动力学模型。采用振动同步理论分析了物料非线性力对同向回转双激振器同步运动的影响,并通过仿真和实验对比分析,验证了同步理论应用的正确性。为了提高振动机械-物料系统中两激振器和多激振器的同步精度,分别提出了交叉耦合控制策略以及相邻交叉耦合控制策略和自适应全局滑模控制算法结合的控制系统,并通过实验验证了控制系统的有效性。提出的控制系统考虑了激振器之间的耦合动力学特性,在控制系统中采用全局滑模解决了滑模控制到达阶段的鲁棒性问题,控制系统能够对非线性振动机械-物料系统的不确定量进行自适应逼近,抑制系统的“抖振”并使系统的响应更加平稳。采用提出的控制器对振动机械-物料系统中多激振器进行控制,实现了高精度的同步运动,并分析了在物料非线性力作用下振动机械系统的振动特性和运动状态。本文主要对以下几个方面进行详细的研究:(1)针对远共振条件下两个同向回转激振器激励下振动机械-物料系统的同步问题,利用小参数平均法获得了同步运动的同步性条件和同步状态稳定性条件。并通过仿真和实验对比分析,验证了同步理论应用的正确性。通过建立的振动机械-物料系统动力学模型和对其同步运动性能的分析讨论,为更准确分析振动机械系统同步性能提供理论基础。为了提高同步控制精度,提出了交叉耦合控制策略和RBF网络自适应全局滑模算法结合的控制器,并采用Lyapunov稳定性定理和Barbalat引理证明了控制系统的稳定性。通过与主从控制器对比分析,进一步验证控制器的有效性。采用控制器对振动机械-物料系统进行控制,实现了系统中两个同向回转激振器转速和相位同步运动,同时系统在工作方向上形成稳定的椭圆运动轨迹。通过交叉耦合控制同步方法实现振动机械-物料系统的精确同步运动,为振动机械系统的设计和应用提供了新的方法,扩大了振动机械系统的应用范围。(2)建立了两个反向回转激振器激励振动机械-物料系统动力学模型,该模型中考虑了物料的非线性力对振动机械系统同步运动的影响。为了提高同步运动效果,针对振动机械-物料系统提出了交叉耦合控制策略和自适应全局滑模算法结合的控制器,控制器考虑了两个反向回转激振器之间的耦合特性。首先采用实验方法对控制器控制振动机械系统精度进行验证。然后采用提出的交叉耦合控制器控制考虑物料的振动机械系统,实现了两个反向回转激振器激励振动机械-物料系统的同步运动,并提高了同步性能和控制精度。(3)针对非线性振动机械-物料系统中三机以上的多激振器同步运动,分别推导出了考虑物料影响的三机同向回转、四机反向回转、以及多激振器激励下的非线性振动机械系统动力学模型。针对多激振器的转速和相位同步问题,建立了基于RBF网络自适应全局滑模算法和相邻交叉耦合控制策略结合的控制器。利用Lyapunov定理证明了控制器的稳定性,并通过数值模拟方法对比验证了相邻交叉耦合控制器的有效性。相邻交叉耦合策略考虑了相邻激振器之间的耦合作用,提高了多激振器转速和相位的控制精度。RBF自适应全局滑模算法能够对非线性振动系统的不确定量进行自适应学习,抑制系统的“抖振”并使系统的响应更加平稳。通过相邻交叉耦合控制器的控制,实现了非线性振动系统的精确控制。在三机同向回转和四机反向回转等条件下振动机械系统分别获得了稳定的椭圆振动和直线振动。通过分析非线性振动机械-物料系统中参数变化对提出控制器的影响,说明控制系统的强鲁棒性。
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