弹性结构连接多机系统同步耦合机理与控制研究

In this project, synchronization and control of multiple motors in elastic system are investigated. Based on theories of electromechanics, structural dynamics, nonlinear dynamics and modern control theory, the coupling dynamic modeling, the analysis of characteristics, and the studies of synchronization coupling mechanism and control are completed. Fully considering the electromechanical coupling of motor system, the rigid-flexible coupling between motor and elastic structure and multi-dynamic-system coupling among multiple motors, the coupling dynamic models connecting with elastic beam, rectangle plate and 3-D solid structure, respectively, are established and the characteristics of those are revealed. Then, the synchronization coupling mechanism is studied. The synchronization and stability conditions are provided. The effects of motors and structure’s parameters on synchronization couplings are discussed. Finally, based on fully considering synchronization couplings, the motion synchronization control methods are provided to enhance the coupling strength, change the synchronization status of harmful synchronization and improve the stability of coupling system. Moreover, the feasibility, stability and robustness of control system are verified by experiments. Through this project, the synchronization theory of elastic system driven by multiple motors is set up and the applications of synchronization theory of multiple motors are expanded. Also for the development of machinery and equipment to large-scale direction, the theoretical basis and solutions are provided.

以弹性结构连接多机系统为研究对象，以电机学、结构动力学、非线性动力学和现代控制理论为理论基础，完成耦合动力学模型的建立、耦合动力学特性分析、同步耦合机理和同步控制方法的研究。在充分考虑电机系统机电耦合、电机与弹性结构刚柔耦合及电机与电机之间多动力学系统耦合的基础上，建立基于弹性梁、矩形板及三维固体结构的多机系统的耦合动力学模型，揭示系统的耦合动力学特性；研究系统同步耦合机理，建立实现多机同步的同步性条件和稳定性条件，揭示电机、结构等参数对同步耦合作用的影响规律；在考虑多机同步耦合的基础上，提出能够实现多机同步运动的控制方法，用以增强有益同步的耦合强度，改变有害同步的同步状态，提高耦合系统的稳定性，并通过实验研究，说明控制系统的有效性、稳定性与鲁棒性。通过研究建立了弹性结构连接多机系统的同步理论，扩展了多机同步理论的应用范围，也为机械装备大型化方向的发展提供了理论依据和解决方案。

梁/板结构作为典型的连续结构单元广泛应用于建筑、机械、运输、航空航天、海洋工程等领域。在工业生产中，这些结构往往受到各种动力机械产生的激励作用。例如，民用飞机的机翼可视为典型的悬臂梁结构，航空发动机悬挂在每一机翼上，为飞机提供动力；摇臂钻床的摇臂也可视为典型的悬臂梁结构，在摇臂上安装主轴箱，实现钻孔加工；龙门铣床或钻床的横梁上安装一个或两个带有垂直主轴的铣头或钻头，由电动机分别驱动完成铣削或钻削加工；大型风力发电机的塔筒-发电机系统也可以看作带发动机的悬臂梁结构系统等。上述系统均可视为典型的弹性结构连接单机/多机系统。以弹性梁连接的单机/双机及三机机械系统为研究对象，完成了弹性梁连接单机/双机及三机机械系统耦合动力学模型的建立、耦合动力学特性分析、同步耦合机理机同步控制方法的研究：在充分考虑电机系统机电耦合、电机与弹性结构刚柔耦合及电机与电机之间多动力学系统耦合的基础上，建立了基于弹性梁结构的单机/双机/三机机械系统的耦合动力学模型，揭示了系统的耦合动力学特性；研究了基于弹性梁模型的双机/三机机械系统同步耦合机理，建立了实现双机/三机同步状态的同步性条件和稳定性条件，揭示了电机参数、结构参数等因素对弹性梁连接双机/三机同步耦合作用的影响规律；在充分考虑系统复杂和多变的耦合作用的基础上，提出了能够实现双机/三机同步运动的控制方法，用以增强有利同步状态的耦合强度，改变不利同步的同步状态，提高了耦合系统的稳定性。通过本项目的完成，揭示了弹性结构连接多机系统的机电耦合机理，建立了弹性结构连接多机机械系统的同步理论，扩展了同步理论的应用范围，为多动力系统的设计、选型及减振提供参考，也为机械装备大型化方向的发展提供了理论依据和解决方案，具有一定的科学研究意义与工程应用价值。