方 顥,蔡炯炯,瞿 曉,董桂麗,屠凱莉
(浙江科技學(xué)院 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院,浙江 杭州 310023)
渦旋機(jī)的原理和結(jié)構(gòu)是1905年由法國(guó)工程師CREUX L[1]正式提出,并且在20世紀(jì)80年代得以發(fā)展起來(lái)的一種新型容積式壓縮機(jī)。它的核心部件為動(dòng)渦盤和靜渦盤。
渦旋機(jī)的動(dòng)渦盤和靜渦盤的型線組成相同,兩者相位旋轉(zhuǎn)180°安裝,形成若干封閉的月牙形工作腔,通過(guò)各個(gè)工作腔的容積變化來(lái)完成氣體的壓縮工作。
渦旋式壓縮機(jī)普遍采用間隙密封技術(shù)。這種技術(shù)可以增加渦旋壓縮機(jī)的可靠性。但是其間隙過(guò)大,會(huì)產(chǎn)生不必要的泄漏;間隙過(guò)小,又會(huì)使零件不能正常配合運(yùn)轉(zhuǎn),阻礙渦旋壓縮機(jī)往高壓力和大容量的方向發(fā)展[2-4]。
為了解決渦旋機(jī)工作過(guò)程中的泄漏問(wèn)題,近年來(lái),國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者提出了渦旋機(jī)的泄漏模型以及密封方案。
RONG C等人[5]建立了渦旋機(jī)的切向泄漏模型和徑向泄漏模型,研究了不同間隙下的泄露損失以及壓縮效率的變化規(guī)律。查海濱等人[6]針對(duì)實(shí)際的渦旋壓縮機(jī)原型,拓?fù)涑隽藥缀文P?并運(yùn)用一種復(fù)合的網(wǎng)格構(gòu)建方法,建立了計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)模型,對(duì)其氣體泄漏進(jìn)行了建模。王建吉等人[7]對(duì)渦旋齒3種密封結(jié)構(gòu)(齒頂光滑間隙密封、齒頂迷宮密封以及齒頂組合密封)進(jìn)行了研究和對(duì)比,最后提出了一種新型徑向組合密封結(jié)構(gòu)。李海生等人[8]對(duì)渦旋齒頂?shù)木鬯姆蚁┟芊鈼l做了有限元分析,為渦旋壓縮機(jī)密封條的設(shè)計(jì)提供了新方法。葉劍等人[9]針對(duì)壓縮機(jī)的切向泄漏問(wèn)題,提出了一種切向密封結(jié)構(gòu),以此來(lái)減少壓縮機(jī)泄漏,該結(jié)構(gòu)還改善了壓縮機(jī)增壓過(guò)程性能。
上述針對(duì)渦旋機(jī)密封的研究方案都是從結(jié)構(gòu)和材料上入手,屬于被動(dòng)密封方案。動(dòng)靜渦盤之間的機(jī)械耦合較為緊密,計(jì)算和建模較為復(fù)雜,而且學(xué)者們對(duì)于密封過(guò)程中動(dòng)靜渦盤所產(chǎn)生的接觸力的研究也較少。
針對(duì)上述研究的不足之處,顏禧龍等人[10]提出了一種用于渦旋壓縮機(jī)側(cè)面密封的主動(dòng)控制方法,并分別建立了冷態(tài)和熱態(tài)下動(dòng)渦盤平動(dòng)軌跡的數(shù)據(jù)庫(kù)。渦旋機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)里的軌跡點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動(dòng),減少了動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中的接觸力。史策等人[11]針對(duì)渦旋壓縮機(jī)工作過(guò)程中接觸力可能過(guò)大的問(wèn)題,提出了一種永磁隨變機(jī)構(gòu),當(dāng)渦旋壓縮機(jī)的接觸力過(guò)大時(shí),該機(jī)構(gòu)可以對(duì)其進(jìn)行柔性抵抗,從而減少接觸力。
上述研究雖然有效減少了渦旋機(jī)工作過(guò)程中的接觸力,但從力的控制角度上來(lái)說(shuō)屬于開(kāi)環(huán)控制,其沒(méi)有進(jìn)行力的反饋,得到的控制效果不夠直觀。
物體之間既要發(fā)生接觸,同時(shí)為了順從環(huán)境的約束,還要精確地控制物體之間的接觸力,避免過(guò)大的沖擊力對(duì)物體造成損害。柔順控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力的有效控制目的。柔順控制可分為兩種,即主動(dòng)柔順控制和被動(dòng)柔順控制。
物體間可以通過(guò)安裝具有柔順控制功能的裝置(如彈簧、氣缸、阻尼器等)來(lái)被動(dòng)調(diào)節(jié)接觸力,稱為被動(dòng)柔順控制[12],該方法需要增加額外的被動(dòng)柔順裝置,且不具備控制能力,適用范圍受到限制。主動(dòng)柔順控制是根據(jù)力的反饋信息,采取一定策略對(duì)物體間的作用力進(jìn)行主動(dòng)控制。與被動(dòng)型的控制相比,主動(dòng)控制省略了部分機(jī)械裝置,降低了耦合度;但少了這些約束后,對(duì)其控制器的設(shè)計(jì)要求變高了。
主動(dòng)柔順控制在航空葉片、汽車零部件等大型工件的磨削拋光加工等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。趙源等人[13]在螺旋槳的磨削任務(wù)中,使用非線性比例-微分(propor-tional differential,PD)控制器進(jìn)行了接觸力仿真和實(shí)驗(yàn),分析了約束條件下阻抗參數(shù)的調(diào)節(jié)和環(huán)境剛度的變化對(duì)接觸力控制精度的影響。KIGUCHI K等人[14]針對(duì)未知環(huán)境的拋光任務(wù),設(shè)計(jì)了基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的力位混合控制器,采用仿真的方式對(duì)該控制器的有效性進(jìn)行了評(píng)估。BUCHLI J等人[15]針對(duì)復(fù)雜的環(huán)境加工任務(wù),采用了基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的變阻抗控制,結(jié)果表明,可變阻抗控制的功率可應(yīng)用于各種各樣的機(jī)器人系統(tǒng)和實(shí)際場(chǎng)合。NAZMARA G等人[16]設(shè)計(jì)了基于梯度下降法的模糊控制器,用來(lái)調(diào)整阻抗控制器的參數(shù),其可用于有障礙環(huán)境下的軌跡規(guī)劃。
動(dòng)渦盤與靜渦盤保持接觸是渦旋機(jī)進(jìn)行正常工作的必要條件,否則會(huì)導(dǎo)致氣體泄漏,影響渦旋機(jī)的工作效率;但同時(shí),渦盤間接觸壓力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致過(guò)摩擦現(xiàn)象發(fā)生,影響渦旋機(jī)的使用壽命。因此,把渦盤間的接觸力控制在合理的范圍內(nèi)非常重要。
目前,學(xué)者們對(duì)于渦旋機(jī)側(cè)面接觸力的主動(dòng)控制研究相對(duì)較少。除了在工件的打磨、拋光、去毛刺等領(lǐng)域以外,只要涉及物體之間需要發(fā)生接觸的場(chǎng)合,且產(chǎn)生的接觸力需要控制或者需要平穩(wěn)過(guò)渡的場(chǎng)合,就可以采用主動(dòng)柔順控制。
因此,針對(duì)渦旋機(jī)的工作環(huán)境,筆者提出一種基于法向-切向坐標(biāo)系下的主動(dòng)柔順控制方法,以對(duì)動(dòng)渦盤和靜渦盤之間的接觸力進(jìn)行控制。
直驅(qū)式渦旋機(jī)平臺(tái)的工作部件示意圖如圖1所示(通過(guò)平面電機(jī)來(lái)控制動(dòng)渦盤的位置)。
圖1 渦旋機(jī)的工作部件示意圖
由圖1(b)可知:平面電機(jī)線圈分為2組,一組為X方向,另一組為Y方向,其均固定在平臺(tái)上。X方向線圈和Y方向線圈通電后,其產(chǎn)生的磁力與永磁體自身的磁力相互作用,從而對(duì)永磁體產(chǎn)生X方向和Y方向的推力。
由于永磁體與動(dòng)渦盤相互固定,所以永磁體運(yùn)動(dòng)的同時(shí)會(huì)帶動(dòng)動(dòng)渦盤運(yùn)動(dòng),從而改變動(dòng)渦盤的位置。當(dāng)動(dòng)渦盤與靜渦盤發(fā)生接觸時(shí),控制器會(huì)根據(jù)力的反饋信號(hào)對(duì)動(dòng)渦盤的位置進(jìn)行調(diào)整,通過(guò)改變動(dòng)渦盤的位置來(lái)改變接觸力大小。
動(dòng)渦盤的平動(dòng)軌跡為圓形,其當(dāng)前位置與平動(dòng)軌跡原點(diǎn)的距離稱為平動(dòng)半徑,記作r,如果動(dòng)渦盤與靜渦盤側(cè)面剛好接觸,此時(shí)的平動(dòng)半徑稱為額定平動(dòng)半徑,記作r0。
當(dāng)r≤r0時(shí),動(dòng)渦盤和靜渦盤之間不會(huì)產(chǎn)生接觸力;當(dāng)r>r0時(shí),靜渦盤由于受到動(dòng)渦盤的擠壓而變形,從而給予動(dòng)渦盤一個(gè)反作用力。
反作用力矢量可分解成法向和切向2個(gè)分量,如圖2所示。
圖2 動(dòng)渦盤的受力示意圖
圖2的左半部分中,靜渦盤的形變量為r-r0,一般接觸模型用彈簧模型來(lái)表示[17-18],因此,平動(dòng)半徑與法向接觸力fcn、切向接觸力fct的大小的關(guān)系如下式所示:
(1)
(2)
式中:k0為渦盤的剛度系數(shù);μ為摩擦系數(shù)。
切向接觸力fct可看作是動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中所受的摩擦力。筆者將其與fcn簡(jiǎn)化成線性關(guān)系。
由于法向接觸力與平動(dòng)半徑的關(guān)系明確,所以需要對(duì)動(dòng)渦盤所受的法向接觸力進(jìn)行控制。
在單自由度運(yùn)動(dòng)中,物體之間的接觸力與位置的關(guān)系如圖2右半部分所示。其中,x為物體當(dāng)前位置;x0為臨界接觸位置。
與式(1)、式(2)類似,x,x0,fc之間的關(guān)系如下式所示:
fc=k0(x-x0)
(3)
經(jīng)典柔順控制的框圖如圖3所示。
圖3 柔順控制的基本框圖
假設(shè)此時(shí)物體處于過(guò)接觸狀態(tài),由圖3可以推導(dǎo)出fc與fd,xd,x0的關(guān)系,如下式所示:
(4)
式中:M為期望的慣性系數(shù);B為期望的阻尼系數(shù);k為期望的剛度系數(shù);一般把GM(s)看作一個(gè)低通濾波器。
若fd為常量,在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下,fc最終會(huì)收斂至fcss。fcss的計(jì)算方法如下:
(5)
式(5)中,假設(shè)位置控制器能實(shí)現(xiàn)位置的零誤差跟蹤,則GM(0)=1。
由式(5)可知,k的取值會(huì)影響接觸力的最終收斂值。為了更好地分析M和B的取值對(duì)系統(tǒng)的影響,筆者將式(4)中的Z(s)按照標(biāo)準(zhǔn)二階傳遞函數(shù)的形式表達(dá)如下:
(6)
ωn越大,系統(tǒng)的收斂速度越快,但ωn過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定;ξ過(guò)大會(huì)引起輸出的超調(diào)量增大,同時(shí)使系統(tǒng)的收斂速度變慢,減小ξ可以使超調(diào)量減小,但過(guò)小的ξ同樣會(huì)使系統(tǒng)的收斂速度變慢。
筆者將動(dòng)渦盤的二自由度平面運(yùn)動(dòng)分解成2個(gè)獨(dú)立的單自由度運(yùn)動(dòng),并分別使用經(jīng)典柔順控制方法,再把動(dòng)渦盤的當(dāng)前位置和臨界接觸位置等變量分別投影到XY坐標(biāo)軸上,如圖4所示。
圖4 XY坐標(biāo)下柔順控制示意圖
在動(dòng)渦盤繞圓周進(jìn)行平動(dòng)過(guò)程中,接觸力矢量在x軸上的投影分量大小不僅與動(dòng)渦盤位置的x值有關(guān),還與動(dòng)渦盤位置的y值有關(guān);接觸力矢量在y軸上的投影分量大小不僅與動(dòng)渦盤位置的y值有關(guān),還與動(dòng)渦盤位置的x值有關(guān)。因此,接觸力矢量在2個(gè)軸的分量大小之間存在耦合。
動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中,圖4中的傳遞函數(shù)G(s)的表達(dá)式是一直在變化的,直接用于計(jì)算接觸力非常困難,因此,需要選擇合適的坐標(biāo)變換來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算[19]。
筆者把XY坐標(biāo)系變換到法向-切向坐標(biāo)系下,這個(gè)坐標(biāo)系以下簡(jiǎn)稱n-t坐標(biāo)系。它們之間的變換關(guān)系如下式所示:
(7)
式(7)中,θ可以通過(guò)下式來(lái)表示(x和y為動(dòng)渦盤在XY坐標(biāo)系下的位置):
θ=atan2(y,x)
(8)
2個(gè)坐標(biāo)系的位置關(guān)系如圖5所示(p為動(dòng)渦盤所在的位置,2個(gè)坐標(biāo)系的原點(diǎn)與平動(dòng)軌跡的圓心重合)。
圖5 坐標(biāo)系的位置關(guān)系示意圖
動(dòng)渦盤在XY坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記為(sx,sy),由平動(dòng)軌跡的圓心指向坐標(biāo)點(diǎn)(sx,sy)可看作是動(dòng)渦盤的位移矢量。這個(gè)位移矢量在n-t坐標(biāo)系下的坐標(biāo)記作(sn,st)。
(sn,st)和(sx,sy)的關(guān)系如下式所示:
(9)
式(9)中sn的值代表的是坐標(biāo)原點(diǎn)到動(dòng)渦盤的距離,也就是動(dòng)渦盤的實(shí)際平動(dòng)半徑r,所以有sn=r。由式(8)可知st=0恒成立,所以在n-t坐標(biāo)下只需要考慮sn的值即可。
由于動(dòng)渦盤與靜渦盤剛好發(fā)生接觸的所有位置點(diǎn)的集合為一個(gè)圓,所以在n-t坐標(biāo)系下,這些位置點(diǎn)的值全部相等。把它們統(tǒng)一記作sn0,且有sn0=r0。
由式(1)可知,位移矢量sn與所受法向接觸力的關(guān)系如下:
(10)
n-t坐標(biāo)系下的柔順控制框圖如圖6所示。
圖6 坐標(biāo)變換后的柔順控制框圖
圖6與圖3的不同之處在于:圖3中的變量以XY作為參考坐標(biāo)系,而圖6中的變量以n-t作為參考坐標(biāo)系;除此之外,由于傳感器的反饋信號(hào)是以XY作為參考,因此,筆者需要將這些反饋信號(hào)變換到n-t坐標(biāo)系下進(jìn)行處理。
筆者以n-t坐標(biāo)系為基準(zhǔn),描述動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)控制方法,以及在該坐標(biāo)系下的柔順控制方法。
在設(shè)計(jì)控制器之前,筆者需要知道n-t坐標(biāo)下質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、推力等變量之間的關(guān)系。
在n-t坐標(biāo)系下,動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中的速度矢量同樣可分解成法向和切向2個(gè)分量。其中,速度矢量的法向分量vn>0,意味著平動(dòng)半徑增大,反之減小;速度矢量的切向分量vt>0,意味著平動(dòng)是按逆時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行的,反之平動(dòng)按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行。
在XY坐標(biāo)系下,速度矢量的分量vx、vy與n-t坐標(biāo)系中的分量vn、vt的關(guān)系如下:
(11)
動(dòng)渦盤所受的推力由平面電機(jī)所產(chǎn)生,推力大小與電機(jī)的q軸電流大小有關(guān)??刂芚向的q軸電流記作iqx,控制Y向的q軸電流記作iqy。筆者把q軸電流看作一個(gè)矢量,電流的合成矢量在XY坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(iqx,iqy),若將該矢量投影到n-t坐標(biāo)系中,其坐標(biāo)可表示為(iqn,iqt),iqx、iqy與iqn、iqt的關(guān)系,即:
(12)
接觸力矢量在XY坐標(biāo)下的分量fcx、fcy和n-t坐標(biāo)下的分量fcn、fct的關(guān)系如下:
(13)
忽略外部阻力的情況下,動(dòng)渦盤只受電機(jī)所產(chǎn)生的推力以及與靜渦盤接觸后的接觸力影響,所以動(dòng)渦盤的速度與力的關(guān)系如下:
(14)
式中:kf為電機(jī)的推力系數(shù);m為動(dòng)渦盤的質(zhì)量,兩者均為常量。
式(14)兩邊同時(shí)乘以坐標(biāo)變換矩陣的表達(dá)式如下:
(15)
(16)
對(duì)式(11)求導(dǎo)后,聯(lián)立式(11)、式(12)可知,n-t坐標(biāo)下質(zhì)點(diǎn)的位移、速度、推力等變量之間的關(guān)系如下:
(17)
根據(jù)上述的變量定義,使用類似方法可推導(dǎo)出位移矢量的法向分量sn和速度矢量的法向分量vn的關(guān)系如下:
(18)
假設(shè)此時(shí)sn>sn0,由式(10)、式(17)、式(18)可知系統(tǒng)的輸入、輸出關(guān)系,由此筆者設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的控制器,如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)的控制示意圖
圖7中的虛線部分均表示被控對(duì)象。由于電流的響應(yīng)速度比機(jī)械運(yùn)動(dòng)的響應(yīng)速度快得多,筆者認(rèn)為電流控制器的增益恒為1,所以省略對(duì)電流控制器的描述。
筆者將圖6、圖7合并,得到系統(tǒng)的總控制圖如圖8所示。
圖8 系統(tǒng)的總體控制示意圖
圖8中,由于力傳感器的值經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后得到的法向接觸力為負(fù),因此,筆者需要把這個(gè)值乘以-1,然后才能反饋給控制系統(tǒng)。
筆者使用MATLAB/Simulink搭建了渦旋機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)模型(其中包含了平面電機(jī)的電流與推力的關(guān)系模型);根據(jù)式(1)、式(2)搭建了渦盤的接觸力模型;根據(jù)圖8搭建了控制器模型。
接觸力模型的參數(shù)包括:接觸剛度ko和摩擦系數(shù)μ。它們的具體數(shù)值如表1所示。
表1 仿真參數(shù)
為了驗(yàn)證接觸力的可控性,仿真前1 s,筆者令期望的法向接觸力為10 N;1 s后令期望的法向接觸力突變到5 N,接觸力矢量在法向-切向坐標(biāo)系下的分量值恒為負(fù),直接從傳感器獲取到的是接觸力矢量分別在X軸和Y軸上的投影值。因此,筆者需要把傳感器上獲得的值進(jìn)行坐標(biāo)變換來(lái)得到法向接觸力的值。
實(shí)際法向接觸力的值如圖9所示。
圖9 期望值變化時(shí)的法向接觸力曲線
由圖9可知:當(dāng)期望值為10 N時(shí),實(shí)際法向接觸力會(huì)在一段時(shí)間后收斂,收斂值約為9.84 N,相對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差為1.63%;當(dāng)期望值改變至5 N時(shí),實(shí)際法向接觸力在0.3 s左右收斂,最終穩(wěn)定在4.92 N左右,相對(duì)穩(wěn)態(tài)誤差為1.54%,其誤差都在2%以內(nèi)。
為了驗(yàn)證式(6)中的參數(shù)變化時(shí)分析結(jié)果的正確性,在保持k和ωn不變的情況下,筆者取不同的ξ的值,做出對(duì)應(yīng)的力響應(yīng)曲線;保持k和ξ不變,取不同的ωn的值,做出對(duì)應(yīng)的力響應(yīng)曲線,結(jié)果如圖10所示。
圖10 不同阻抗參數(shù)下的法向接觸力曲線
由圖10(a)可知:ξ越小,超調(diào)量越大。
圖10(b)中,以輸出衰減到誤差帶內(nèi)且以后不再超出誤差帶所用的時(shí)間來(lái)衡量系統(tǒng)的響應(yīng)速度,可以得知當(dāng)ωn越大時(shí),系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快。
可以看出:圖10中的輸出響應(yīng)與式(6)中阻抗控制器參數(shù)對(duì)接觸力的響應(yīng)的理論分析結(jié)果是一致的。
圖9和圖10是動(dòng)渦盤的運(yùn)動(dòng)速率在100 mm/s情況下的法向接觸力曲線。為了驗(yàn)證動(dòng)渦盤平動(dòng)速率突然變化時(shí)的法向接觸力是否仍然可控,筆者對(duì)其進(jìn)行仿真。仿真前1 s,令vt=100;1 s后,令vt=200,期望的法向接觸力恒為10 N。動(dòng)渦盤的實(shí)際平動(dòng)速率與此時(shí)的法向接觸力如圖11所示。
圖11 動(dòng)渦盤速率突然變化時(shí)的曲線
由圖11可知:當(dāng)動(dòng)渦盤的平動(dòng)速率突然變化時(shí),法向接觸力雖然在同一時(shí)刻出現(xiàn)了小幅度波動(dòng),但在0.2 s之后仍然能向期望值收斂。
針對(duì)渦旋機(jī)工作過(guò)程中動(dòng)渦盤和靜渦盤之間接觸力控制困難的問(wèn)題,筆者提出了一種基于法向-切向坐標(biāo)系下的主動(dòng)柔順控制方法,并設(shè)計(jì)出了一套在法向-切向坐標(biāo)系下動(dòng)渦盤運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制方案;最后使用MATLAB/Simulink,對(duì)動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中所受接觸力進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。
研究結(jié)論如下:
1)動(dòng)渦盤平動(dòng)過(guò)程中,其與靜渦盤的法向接觸力能收斂至期望值,且誤差在2%以內(nèi),驗(yàn)證了主動(dòng)柔順控制方法的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性;
2)當(dāng)期望值改變后,法向接觸力能在0.3 s左右收斂至新的期望值,說(shuō)明實(shí)際值對(duì)期望值的跟蹤性能較好,驗(yàn)證了控制方法的快速性;
3)通過(guò)調(diào)整阻抗控制器的參數(shù),控制系統(tǒng)可以對(duì)接觸力響應(yīng)中的超調(diào)量以及收斂時(shí)間等進(jìn)行改善;
4)當(dāng)動(dòng)渦盤的平動(dòng)速率突然變化時(shí),法向接觸力能在0.2 s左右回到穩(wěn)定狀態(tài),說(shuō)明控制系統(tǒng)具有一定的抗干擾能力,驗(yàn)證了控制方法有較強(qiáng)的魯棒性。
在后續(xù)的研究中,筆者擬根據(jù)渦旋機(jī)的實(shí)際工況,如接觸力的超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間以及受到干擾時(shí)系統(tǒng)的回復(fù)時(shí)間等因素,設(shè)立具體的評(píng)價(jià)指標(biāo),對(duì)阻抗控制器參數(shù)做進(jìn)一步的優(yōu)化。