复杂机电系统耦合与解耦设计_现代机电系统设计理论的探讨

复杂机电系统耦合与解耦设计_现代机电系统设计理论的探讨 复杂机电系统耦合与解耦设计_现代机电系统设计理论的探 讨 复杂机电系统耦合与解耦设计——现代机电系统设计理论的探讨——钟 掘 陈先霖 复杂机电系统耦合与解耦设计 ——现代机电系统设计理论的探讨 钟 掘 陈先霖 * 摘要 针对现代大型复杂机电系统的性能与运行状态是多物理过程和 多参数全局耦合结果的事实,提出对复杂机电系统进行全局耦合分析及耦合并行设计的基本思想,探讨全局耦合分析与设计的基本理论框架,以期研究复杂机电系统功能、奇异工况的生成机制,实现复杂机电系统全局耦合最优设计。 关键词 复杂机电系统 耦合 解耦 并行设计中国图资料分类法分类号 TH122 目前常用的串行设计模式、分支与总体组装式程序,无法反映复杂机电系统的网络式多重耦 *国家自然科学基金重点资助项目(59835170)收稿日期:1999—08—23 钟 掘 院士 ——————————————————————————————————————————————— 合作用与机组工况、功能间的内反馈与自组织规律。优良的复杂机电系统的产生和运行,迫切需要 基于全局耦合的设计理论与方法。 基于此,本文在认识复杂机电系统全局耦合事实的基础上,提出耦合与解耦设计的学术思想,究”课在转轮用马氏体不锈钢焊接行为及材料匹配规律、大型变曲面构件电渣熔铸工艺模拟与优化、热模压成形工艺与叶片数控加工工艺优化等方面取得了进展,有的工艺技术还在两江、满台城和高坝洲电站叶片加工中得到了应用,为三峡水轮机巨型叶片的铸造、焊接和数控加工提供了理论和技术储备。 “发电机组热变形及冷却技术研究”课题研究了发电机组的电磁损耗、冷却变形、热变形和热应力分析计算及测试技术,为发电机组的结构改进以及在消除危害发电机安全运行的局部过热和热变形方面为发电机的设计提供了理论依据。课题组采用单片微机结合编码红外线的方法实现了转子温度的无接触测量,其结果与ABB公司的计算结果基本吻合。 该项目所产生的理论成果和技术基础将提高我国大型水轮发电机组的设计和制造水平,对三峡和其它大中型水轮发电机组的设计制造、评估国外投标厂商的设计和工艺、引进和消化国外先进技术、与国外进行技术交流以及大型水轮发电机组的国产化等方面都将起到积极的促进作用。 (编辑 周佑启) Voith公司和奥地利Elin公司进口的水轮机技术文件中关于扭频——————————————————————————————————————————————— 计算的错误。这些成果将在提高我国大型水电机组动态设计水平、机组运行稳定性、可靠性和寿命等方面发挥重要作用。 “三峡水轮机优化设计理论及试验研究”课题将吴仲华的叶轮机械三元流动理论应用在水轮机的流动分析之中,发展了水轮机流动计算分析的全三维欧拉方程计算方法,建立了紊流模型,并进行了水轮机过流部件内部流动计算,发展和完善了水轮机的有旋流动的全三维的优化设计模型,提出了多目标函数、多优化参数的优化设计方法,并开发了适合水轮机设计计算的图形显示软件系统,该成果对发展和提高我国水轮机的设计理论和技术有重要理论意义和促进作用。 “巨型推力轴承润滑理论与性能研究”课题解决了巨型轴承性能计算和金属塑料瓦热粘弹流理论的难题,提出了巨型轴承热相似的试验准则,并通过试验证实了塑料瓦面上存在油膜滑移。课题组对弹性金属塑料瓦的结构和工艺进行了研究,并在轴承试验台上对轴承的油流动情况及支承结构进行了充分的试验研究,为三峡机组推力轴承今后的国产化打下了良好的基础。 “水轮机转轮的制造工艺模拟和质量控制研 中国机械工程第10卷第9期1999年9月 以期能为复杂机电系统的设计、制造与运行提供借鉴,使其具有最优结构体系、高效率、动力稳定、调节灵敏、参数精确、抗干扰能力强。 这一立意得到国家自然科学基金的支持,1999年将“复杂机电系统耦合与解耦设计理论与方法”立为重点项目。 ——————————————————————————————————————————————— 振动。这种强耦合只有在电机容量大到一定程度 后才表现突出,此时电机转子、定子的间隙较大,转子轴心位置的变化影响着电磁场,电磁场的变化又影响转子的运动与振动形态,两者交互作用。大型发电机组是具有这种耦合的典型复杂系统。邱家俊等[1]对大型发电机组中的这类耦合问题已进行深入研究。 2.1.2 控制系统调控微变量与机械系统主体运动机电耦合 复杂机电系统中,常以液压伺服、光电跟踪、射线、激光等技术对系统工作载荷、运动状态、工作精度等系统的主体功能与工艺目标进行多重网络式控制。控制微变量对于主体运动又是一种干扰,与主体运动的力学参数构成参数弱耦合,由于计算机控制系统的特点,使得这种弱耦合具有离散变量与连续变量交互共存的特点,同时控制环境常受到有色噪声的干扰,耦合过程常表现为非有理谱密度的随机动态过程。 例如某带钢平整机,通过现场测试与相应理论分析表明:由于速度控制系统与轧辊系统的机电耦合,导致电磁转矩的谐波特性与轧制速度相关密切,其12次谐波分量与触发角的关系见图2。由图2可见,不同触发角导致不同的谐波分量。而触发角对应轧制速度,因此在某些轧制速度下,谐波分量的影响最小,而在其它某些轧制速度下,谐波分量影响最大。 1 复杂机电系统的耦合事实 复杂机电系统维数高,单元数量大,过程间的耦合错综复杂,使系统在结构、功能、行为等方面都与简单系统有本质区别。 ——————————————————————————————————————————————— 复杂机电系统的耦合作用常表现为机电耦合 与界面耦合。2.1 机电耦合 复杂机电系统中电参数主要来源于驱动与控制2个子系统,通过子系统间的关联、集成而与机械系统的力学参数构成机电耦合,从而影响系统的动态特性和响应特性。 2.1.1 驱动源强电磁场与传动系统机电耦合 对于电机驱动的复杂机电系统,电磁场的磁电参数与传动系统的力学参数交互影响,构成耦合。这种耦合常表现为2种方式:一是电磁场产生谐波分量,对传动系统的振动构成直接激励(见图1)。这种激励在电机驱动的机电设备中普遍存在,并随电机功率的增大而激励作用增强。谐波分量的频率成分由电机的驱动型式决定,交流电机以50Hz为主,整流驱动的直流电机的频率成分由整流装置决定,如三相全桥整流的频率分量为50Hz的6、12、18 等倍频。 图1 驱动与传动系统机电耦合示意图 图2 某平整机12次谐波分量与触发角的关系 功率达数万千瓦的轧制机械是这类耦合的典型设备。对某平整机传动系统扭振和电磁参数的现场测试表明,大功率整流装置的谐波分量(300Hz、600Hz等)产生相应频率的谐波转矩,使传动系统产生相应频率的扭振响应。 另一类耦合是电机的电磁参数与机械系统的动力参数构成参数耦合,从而影响整个系统的动 ——————————————————————————————————————————————— 力学性能,降低系统稳定性,产生参数激振等自激 2.2 界面耦合 复杂机电系统的总体是通过各物理过程的界面或结构模块的界面集成,因此其中的界面耦合形式多种多样,如机床刀具与工件间的弹塑耦合,叶轮机械转子与工作介质间的流固耦合,多平行轴系统的弯扭耦合,多构件系统的刚柔耦合,以及不同传动件间的动力耦合等。任何机电系统都具 复杂机电系统耦合与解耦设计——现代机电系统设计理论的探讨——钟 掘 陈先霖 有一定形式的耦合界面,只是不同系统的界面耦合机理与特征各有不同。界面耦合也是界面约束,这类约束的稳定常常是系统正常运行的条件,因此界面约束日益成为核心问题而为人们所关注。大型汽轮发电机组、高速轧机等都是界面耦合问题突出的典型例子。高速轧机中轧辊工作界面的耦合关系十分复杂,由运动速度、载荷、热力过程、工作机构的弹性、工件的塑性、工艺润滑涉及的流体动力、分子吸附行为和表面形貌等交互作用的极薄界面膜,形成轧辊系统特有的多重耦合机制,也构成特有的薄膜约束机制。这种约束呈强非线性,在工艺强化情况下,约束极易被破坏,诱导轧机系统工作失稳。如对某平整机的振动测试表明,由于轧制界面的多重耦合,使得轧辊的扭振、垂振、水平振动相互耦合,不同振动的特征频率都同时出现在其它型式的振动中,其垂直振动特征频率(584Hz)耦合到水平振动中的实例见图3,图3a为水平振动频谱,图3b为垂直振动频谱,图3c ——————————————————————————————————————————————— 为二者的相关分析结果。 图4 全局耦合分析框图 题从全局耦合中解耦出来,对耦合参数进行分解。基于非线性理论、数学物理方法、人工智能等交叉学科理论,融合相关学科知识,运用理论与试验建模方法,建立耦合问题的数学模型。 局部耦合的数学模型可分为2种类型:解析模型与统计模型。解析模型往往是多参数耦合的非线性微分方程组,因此需寻求解析模型的降维求解方法及统计模型的数值计算方法,对局部耦合模型进行求解。 基于耦合参数的基本规律,可以对系统进行全局耦合结构体系分析,进而可对系统进行全局耦合建模。本课题运用功率拓扑键合图法所建立的某复杂系统的耦合拓扑图见图5。复杂机电系统具有多维、多层次、非线性、离散与连续混存、随机与确定过程兼有的特点,全局耦合模型的描述不能仅用定常线性方法,需运用非线性动力学、分布参数系统非光滑分析法、神经网络理论、灰色系统理论、非线性递推辨识算法等多种现代数理理论,寻求适合全局耦合的系统动态综合方法。复杂机电系统全局耦合分析的根本目的在于探索耦合对运动的约束机制,分析耦合参数与系 图3 平整机垂直与水平振动的耦合实例 统主体运动及功能的相关机理,研究系统功能生成的组织规律,进行奇异工况预测和故障预控。为此需解决以下关键问题:1基于微分流形、微分拓扑等非线性解耦理论,探求复杂系统全局耦合模型的解耦、——————————————————————————————————————————————— 求解算法,分析耦合参数与系统主运动的相关规律[2];o建立具有模式发现自适应行为的计算系统,研究自组织功能生成中的主导与协同机制,建立耦合参数与系统功能的映射规律;?分析全局耦合中奇异点存在的条件及动态变化规律,研究其与奇异工况的相关性,进行解耦单元设计。 2 复杂机电系统全局耦合分析 复杂机电系统是多过程网络式全局耦合的统一体。耦合事实是耦合模型建立的基础,在建立物理过程对偶耦合模型的同时,尚需用合适的数学方法对全局的多重耦合拓扑关系进行真实描述。本文的基本研究思路见图4。 耦合事实提取就是发现问题,即通过工程实践和实验,得到耦合问题的基本特征,包括耦合的层次、耦合的类型、耦合作用的载体及耦合参数等信息。耦合事实的准确提取是分析的基本前提。 对局部耦合问题建模,首先需将局部耦合问 3 复杂机电系统耦合并行设计 基于复杂机电系统的全局耦合机理,在并行 中国机械工程第10卷第9期1999年9月 复杂机电系统耦合并行设计的关键问题有: (1)并行工程环境下,代表各耦合对物理过程耦合机制的智能体设计 构造多个智能体模拟各耦合对物理过程的耦合机制,以进行分布式并行协同求解。为此需寻求各耦合参数所处领域中领域知识的描述组织方法,求解过程的价值评估方法及求解规则的选取准则。 ——————————————————————————————————————————————— (2)智能体之间交互作用模型及通信模块设计 多智能体进行并行协同求解时,各智能体任一时刻推理规则的选取都是以自身局部状态和耦合状态为依据的。为能及时完成智能体之间的信息传递,需建立智能体之间耦合信息传递模型,并设计通用、且具有足够表达能力的通信语言。 (3)协同求解策略及协调算法研究 在系统共同的目标下,设计多智能体协同求解时共同协作的选择策略,并研究根据求解进展适时对协作规划进行调整的算法。 (4)建立并行设计通用支持平台 在对耦合 图5 某系统的耦合拓扑图机理研究的基础上,研究并设计适用于复杂机电系统的开放式并行通用软件支持平台。 工程环境下,构造多个智能体模拟各耦合对,通过通信实现耦合参数间的交互过程,进行复杂机电系统的全局耦合分布式并行设计[3]。其基本模式见图6 。4 结语本文分析了复杂机电系统的基本耦合特点,讨论了对复杂机电系统进行全局耦合分析和耦合并行设计的基本思想和框架,对其中的关键理论 与技术尚属初步探讨,大量的研究工作尚在进行之中。 发展以高技术密集为特征的新型复杂机电系统,必然要建立在高知识集成的耦合与解耦理论、方法的基础上,因此本文提出的全局耦合分析与设计思想将有助于推动新型高性能复杂机电设备的产生。 参 ——————————————————————————————————————————————— 学出版社,1996. 2 ZhongJue.Trans.CUST,1998(1):50,52 3 钟掘.中南工业大学学报,1998(2):165,168 (编辑 周佑启) 钟 掘 女,1936年生。中南工业大学(长沙市 410083)教授,中 国工程院院士。主要从事机械设计理论、冶金机械与材料制备等方面 的研究,曾获国家科技进步一等奖1项,二等奖2项,省、部级奖15项, 发表论文100余篇。考文献1 邱家俊.机电耦联动力系统的非线性振 动.北京:科 图6 耦合并行设计基本模式 陈先霖 北京市 100083 北京科技大学 CHINAMECHANICALENGINEERINGVol.10,No.9,1999 TheoriestoProductiveForces WangShuren(TianjinUniversity,Tianjin,China) ZhaoChen LiXiuzhen 1049SunYuehai p1047-Abstract:TianjinUniversityundertookandhascom-pletedanappliedfundamentalresearchprojectnamed “TheoreticalResearchonNewTechniquesofZC1WormTransmission”whichissupportedbytheNationalNatu-ralScienceFoundation.IncooprationwithTianjinWanx-inReducerPlant,aseriesofproductsofZC1wormreduc-eraredevelopedandproduced,whichreachestheinterna-tionaladvancedlevel.Theex——————————————————————————————————————————————— perienceisasfollows:1Sci-entificresearchprojectshouldaimatinternationalad-vancedlevel.oThecooprationbetweenfactoriesandin-stitutionscanacceleratetheprocessofscientificresearchproject.?Thecooprationbetweenfactoriesandinstitu-tionsisanimportantwaytotransferscientificresearchfruitsintoproductiveforces. Keywords:ZC1wormtransmission newtech-nique appliedfundamentaltheory reducerCouplinganddecouplingdesignforcomplexelec-tromechanicalsystem——explorationfordesigntheoriesformodernelectromechanicalsystem ZhongJue(Center-southuniversityoftechnology,Changsha,Chi-na) ChenXianlin p1051-1054 Abstract:Basedonthefactsthattheperformanceandrunningstateoflarge-scalecomplexelec-tromechanicalsystemsareoftheresultsofthecompletecouplingofseveralphysicalprocessesandparameters,abasicideaofcompletecouplinganalysisandcouplingcon-currentdesignforcomplexelectromechanicalsystemisproposedinthispaper.Andthebasictheoryframeofcouplinganalysisanddesignisdiscussed.Withthismethod,onewillbeabletoinvestigatetheperformanceandtobuildmechanismofodditystate,toobtaintheop-timumdesignofcompletecouplingforacomplexelec-tromechanicalsystem. KeyWords:complexelectromechanicalsystem coupling decoupling concurrentdesign ——————————————————————————————————————————————— StudyonDynamicModelingandStructureforRapidlyReconfigurableManufacturingSystem ShengBohao(BeijingMachineToolResearchInstitute,Beijing,China) LuoZhenbi YuShengmei ZhaoXiaobo 1060ZhaoHonglin ZhangJianmin p1055-Abstract:TheRapidlyReconfigurableManufacturing System(RRMS)isasmartmanufacturingsystemadapt-edforagilemanufacturing.Inthispaper,aninnovatoryconstructionofarraylayoutRRMSbasedorganizablemodelFMCispresented.Thestochasticmodelsofsys-temdesignandsystemcontrolforRRMSaccordingtooptimumproductiveprofitareestablished.Thealgo-rithmsappliedtooptimalbufferallocationandworkrout-ingpolicyforreconfigurableflexiblemanufacturingsys-tembasedonaqueuingnetworkmodelandintroducedastaticMarkovroutingpolicyareobtained.ThedevelopednovelprototypeoforiganizablemodelFMCcanbeusedasakeycomponentofRRMS.Casestudyisperformed,theRRMSappliedtoautopartsproductionisefficient.?Keywords:rapidlyreconfigurablemanufacturing organizablemodelFMC arraylayout stochasticmodel VirtualMachiningProcess:Concept,MethodAndItsApplication ZhengLi(TsinghuaUniversity,Beijing,China) LiuDacheng LiZhizhong ZhangBopeng p1060-1062 ——————————————————————————————————————————————— Abstract:Virtualmachiningprocessisoneofthemostimportantresearchfieldsinvirtualmanufacturing.Thispaperproposedastandardmodelarchitectureforde-scribingthemachiningprocess,differentmachiningmod-elsfromdifferentresearcherscanbeeasilyembeddedintothisarchitecture,andfinallythemachiningprocesscanbemodeledandsimulatedatphysicallevel.Anapplica-tionisillustratedthatvirtualmachiningprocessoffersaneffectivewaytosimulatemachiningsurfaceerroratthephysicallevelandrealizesverificationofmachiningpro-cessbeforearealmachiningprocessisperformed. Keywords:virtualmachiningprocess virtualmanufacturing processsimulation millingprocessTheoryofNonlinearDynamicsandAppliedTechniquesofSolvingIrregularOperationofaLargeScaleGasTur-bineinaComprehensiveWay ChenYushu(TianjinUniversity,Tianjin,China) TianJiayu JinZongwu DingQian p1063-1068 Abstract:C-LmethedinnonlineardynamicstheoryisappliedinsolvingsomekeyvibrationproblemsexistedinLargeScaleGasTurbines.Thenonlineardynamicalmodelswerebuiltfirst,thenanalyzedbytheoreticalmethod,experimentalmethodandnumericalmethod,toshowthedynamicalbehavioursinvariousfailurecases.Techniquesofsolvingirregularoperationoflargescalegasturbineinacomprehensivewayweregivenout,andsuccessfullyappliedtoapowerplan——————————————————————————————————————————————— tinTianjin. KeyWords:nonlineardynamicstheory largescalegasturbine vibrationfailure solvingirregu-laroperationinacomprehensiveway StudyontheTheoryandTechnologyBasesforVirtualManufacturing YanJunqi(ShanghaiJiaotongUniver-sity,Shanghai,China) FanXiumin JiangZuhua MaDengzhe JinYe p1068-1071 Abstract:Thesignificanceoftheresearchwork,thestate-of-the-artfortherelatedtheoryandtechnologyandtheresearchscopeaboutvirtualmanufacturing(VM)havebeenintroducedinthispaperfirstly.Thenthegoalandcontentswithcharacteristicsforvirtualman-ufacturinghavebeenproposed,includingtheoreticalre-search,prototypedevelopment&experimentalenviron-mentestablishmentandindustrialapplication.Andfinal-ly,theachievementsatthisstageunderthesupportfromNNSFhavebeenpresented,suchasVMsystemarchitec-ture,holographicproductmodel,environmentestablish-mentetc. Keywords:virtualmanufacturing architecture knowledgeintegration holographicproductmodel fuzzyredesign ———————————————————————————————————————————————