不平衡量信号的精密谱分析及其在砂轮动平衡测控仪中的应用

摘要

在精密和超精密磨削以及磨削自动化的发展过程中，砂轮在线动平衡是一项不可缺少的关键技术，在生产中有着重要的意义和广阔的应用前景。 现有的在线动平衡装置，控制是依据时域振动量峰—峰值，由于干扰、倍频分量和非整倍频分量的存在，时域振动量峰—峰值并非振动真值，因此采用时域峰-峰值最小的控制算法存在原理性误差。现有的机械式动平衡装置采用自动搜索算法或PID控制算法并由单片机(或单板机)实现，运算速度慢、平衡时间长、实时性差、平衡精度低、鲁棒性不佳。 本课题研制出一微机控制的机械式在线动平衡测控仪，机械式平衡装置精度稳定，停车或重新启动平衡状态得以维持。本系统以TMS320C240数字信号处理器为核心，用水平安装在砂轮罩上的SZ-5型压电式加速度传感器检测砂轮旋转时的振动，并用精密谱分析方法对砂轮振动不平衡信号进行重构，获得砂轮不平衡量的真值，采用滑模变结构控制算法控制砂轮高速旋转时平衡头内双永磁直流电动机，进而调节双偏心齿圈的重心位置，实现对不平衡量的平衡补偿。该方法与现有方法相比较其特点在于：1.现有方法大多采用振动量的峰—峰值测量，该量含有辅助电机及其它环境振动带来的分量，因而并不完全是砂轮的不平衡量。本系统采用精密谱分析方法对信号进行重构，能获得砂轮不平衡量的真值;2.现有方法大多采用经典的PID控制和最优控制，系统的鲁棒性不好，调节时间不佳，本系统采用的滑模变结构控制方法可有效地解决上述问题。 论文提出的基于精密谱分析技术和变结构控制算法的砂轮动平衡装置属国内首例，此外本方法还可用于其他旋转机械动平衡测控类系统中。 本论文完成的主要工作有： (1)研究了动平衡系统中砂轮不平衡量提取的精密谱分析方法，对DFT、小波、小波包、多小波谱分析方法进行了仿真研究;并证明了小波方法对砂轮不平衡量提取的可行性和有效性。 (2)建立了平衡头控制对象的数学模型； (3)对具有非线性切换函数的滑模变结构控制器进行了设计和仿真，并与传统控制算法(PID控制)进行了对比研究；保证了控制系统对内部参数变化和外部扰动具有不变性;在相同精度和成本前提下，改善了动态响应，缩短了调节时间，使系统具有一定的鲁棒性。 将具有非线性切换函数的滑模变结构控制器引入到直流电动机控制中，解决其快速的动态响应和静态精度的矛盾要求，理论和仿真实践都证明，将具有非线性切换函数的滑模变结构控制器引入到砂轮动平衡中是可行的。 本论文的创新之处： (1)将小波变换分析方法引入到砂轮不平衡量检测中。通过仿真计算及对实际数据的处理，证明了本文提出的精密谱分析算法提取砂轮振动不平衡信号非常有效，并进行了对比研究。解决了砂轮振动过程中不平衡振动信号分析和特征提取这一难点问题。 (2)将具有非线性切换函数的滑模变结构控制方法引入到砂轮在线动平衡测控系统中，仿真研究结果表明本算法显著提高了系统动态响应速度，缩短了平衡时间，并保证了系统的鲁棒性。 (3)研究设计出适于本对象的具有非线性切换函数的滑模变结构控制方法和精密谱分析方法，并使之得以工程实现，现场实验结果验证了其可行性和正确性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表索引

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第一章绪论

第二章砂轮不平衡故障诊断

第三章不平衡信号的分析与预处理

第四章基于精密谱分析的振动不平衡量检测算法

第五章动平衡控制算法与设计实现

第六章砂轮动平衡测试系统实现

第七章全文总结与展望

参考文献

致谢

作者在攻读博士期间发表论文情况

作者简历