用动力学原理分析自动化“怪现象”

坚持不懈

　　自动化设备性能的优劣主要取决于其运动机构的性能，不少专业技术人员在现场调试运动机构时，遇到过一些“怪现象”，因不知道这些现象产生的原因，往往把问题归罪于运动控制器或电机及驱动器。

　　如果用机械系统动力学原理来分析这些自动化设备的动态特性，这些“怪现象”就很容易解释，并能找到解决问题的方法。

　　为什么垂直摆动轴在运动过程中会振动
　　在调试一台自动化设备时，笔者曾经遇到这样的一个“怪现象”。该设备有两个一样的摆动机构，如下图所示，不同的是一个机构水平放置，一个机构垂直放置。水平放置的机构调试十分顺利，可垂直放置的机构，在运动过程中抖动严重，运动速度极不稳定。而且，不管是开环控制还是闭环控制，该现象都存在。

　　上述的摆动机构同样可以简化为下图的物理模型，但其机构转动惯量是随摆杆角度而变化的，同时还有重力产生的一个负载力矩TL。

　　由以上微分方程组很容易得到垂直摆动结构系统的方框图，如下图所示。给该系统加入具有S形速度曲线的位移信号，让摆杆转动90度。

　　根据系统的方框图，进行数据仿真，从结果图中可看出，速度波动十分严重，这和实际情况十分相似。

　　而水平放置的摆杆机构方框图，其中系统参数和垂直放置的机构一样。同样操作，给该系统加入具有S形速度曲线的位移信号，让摆杆转动90度。

　　在同条件下，进行数据仿真，和垂直放置的机构仿真结果完全不一样，水平放置的摆杆其运动过程速度平稳。仿真结果表明：造成垂直放置的机构运动速度波动的主要原因是非线性的转动惯量，非线性重力矩对系统的速度波动影响不明显。

　　为了消除垂直放置的摆杆机构运动速度抖动问题，在该机构中增加一个液压阻尼器，该改进措施十分有效，运动速度变得很平稳。增加阻尼器，其实就是大幅度提高了系统的阻尼力，削弱非线性转动惯量对系统的影响。

　　修改阻尼比参数后，同样条件下进行模型仿真，如下图所示。从图可看到，改善后的垂直放置摆杆机构速度平稳，只是响应速度稍慢，该结果和实际情况相同。

　　不论是闭环控制系统还是开环控制系统，在机构设计的过程中，一定要考虑用动力学原理分析、计算系统的结构和参数，有条件的情况下，最好进行系统动态特性的仿真工作，这样才不至于设备加工制作完成后，在调试过程中遇到难于解决的“怪现象”，造成时间和费用的损失。