自動平衡原理基本信息

研究員，工科博士： 路璐，Бутенко Л.Н.研究部門：俄羅斯伏爾加格勒國立技術大學

自動平衡原理研究背景

為獲取經濟利益，企業(yè)需對市場做周密的調研和科學的預判，這就要消耗大量的時間和人力資源，占用了大量的成本。而當今商業(yè)世界經濟活動的目標是綜合各種因素而使利益最大化，比如獲得廉價原料，廉價勞動力和現代化的工藝，為公司形成競爭的優(yōu)勢。如何將眾多因素綜合在一起，是經濟過程中存在的主要問題。本文將各種內外因素參數化，通過對參數的設置和管理來模擬未來經濟過程，為管理者決策提供有效依據，對指導經濟實踐具有非常重要的意義。

自動平衡原理研究依據

在經濟活動分析研究中運用系統(tǒng)方法論、自動化系統(tǒng)設計，為了建立預測經濟情況的發(fā)展模型，以馬斯列尼科夫提出的非傳統(tǒng)的共性發(fā)展預測分析研究方法為基礎，運用了王維循環(huán)。這種方法的優(yōu)點是發(fā)展形勢中其成分的辨證考慮，主要是辨證考慮在過去，現在和未來將要發(fā)生的經濟活動之間的相互關系，可以得到獨具特點的結論。從中國古籍《易經》世界觀中的王維循環(huán)的符號系統(tǒng)，解決自我組織系統(tǒng)的發(fā)展預測課題。結合王維循環(huán)預先規(guī)定的自然法則，在任何系統(tǒng)的發(fā)展中提出總體決定論。偏離這些法則的情況，在具體條件的影響下，產生預測，加大解決任何企業(yè)經濟發(fā)展戰(zhàn)略性課題的應用可能性。

自動平衡原理研究課題

1. 分析現有的經濟預測方法和發(fā)展前景;

2. 構思最有效的預測方法及建立企業(yè)發(fā)展進化模型;

3. 分析必要的系統(tǒng)任務，建立支持預測流程的自動系統(tǒng);

4. 實施自動化系統(tǒng)的演化建模和測試，以解決現實的經濟問題；

5. 分別解決戰(zhàn)略營銷，戰(zhàn)略計劃，戰(zhàn)略管理等經濟課題。

自動平衡原理研究內容

1 目前存在的經濟預測方法分析及其發(fā)展前景

分析當今著名的經濟預測方法，確定他們的形態(tài)結構和效用，分別列出其優(yōu)點和不足以及使用范圍。預測是通過對客觀歷史事實和現狀進行科學的調查和分析，由過去和現在去推測未來，由已知去推測未知，從而揭示未來客觀事實發(fā)展的趨勢和規(guī)律。預測的重要意義就在于它能夠在自覺地認識客觀規(guī)律的基礎上，借助大量的信息資料和現代化的計算手段，比較準確地揭示出客觀事物運行中的本質聯系及發(fā)展趨勢，預見到可能出現的種種情況，勾畫出未來事物發(fā)展的基本輪廓，提出各種可以互相替代的發(fā)展方案，這樣就使人們具有了戰(zhàn)略眼光，使得決策有了充分的科學依據。

無論采用何種預測方法，都必須遵循下面的八個步驟：

1） 確定預測的用途。確定我們進行預測所要達到什么樣的的目標。

2）選擇預測對象。確定我們需要對什么對象進行預測。例如，生產預測中通常需要對公司產品的市場需求進行預測，從而為公司指定生產作業(yè)計劃提供資料。

3）決定預測的時間跨度。確定所進行的預測的時間跨度是短期、中期、還是長期？

4）選擇預測模型。根據所要預測對象的特點和預測的性質選擇一種合適的預測模型來進行下一步的預測。

5）收集預測所需的數據。收集預測所需數據時，一定要保證這些數據資料的準確性和可靠性。

6）驗證預測模型。確定我們選擇的預測模型對于我們要進行的預測是否有效。

7）做出預測。我們要根據前面收集的相關的數據資料和確定的預測模型對我們需要預測的對象做出合理的預測。

8）將預測結果付諸實際應用。按照前面步驟，我們已經對所需要預測的對象做出了預測，然后需要將預測結果應用到實際中去，從而達到我們進行預測的目標。比如說生產預測中，未來市場對企業(yè)產品的需求進行預測之后，就需要根據這些預測來確定企業(yè)的生產計劃。

上面這些步驟系統(tǒng)總結了規(guī)劃、設計和應用預測的各環(huán)節(jié)，如果是定期做預測，數據則應定期收集，實際運算則可由計算機進行。

2 構思最有效的預測方法及其為企業(yè)發(fā)展構建進化模型的使用條件

廣義介紹東方文化《易經》在中國古今預測中所擁有的地位，闡述其理論根據和發(fā)展進程。在數學結構上分析伏羲循環(huán)和王維循環(huán)的差異。王維循環(huán)的二進制編碼及其和經濟現象的聯系，建立自動化模型和系統(tǒng)，表現王維循環(huán)在經濟學中的應用。

3 規(guī)劃必要的基本參數數據，建立支持預測流程的自動系統(tǒng)

運用專家系統(tǒng)逐一解決戰(zhàn)略營銷，戰(zhàn)略計劃，戰(zhàn)略管理等經濟課題的預測。深入研究預測模型數據庫，建立了自動系統(tǒng)，結合多個專家系統(tǒng)說明預測初始和結束的狀態(tài)。結合王維循環(huán)預先規(guī)定的自然法則，在任何系統(tǒng)的發(fā)展中提出總體決定論。偏離這些法則的情況，在具體條件的影響下，產生預測。

4 實施自動化系統(tǒng)建模演化和測試，解決現實的經濟問題

闡述運用王維循環(huán)在經濟系統(tǒng)中預測過程的總綱要：

1）為建立發(fā)展方案選擇企業(yè)運作的經濟參數。

2）根據這些經濟參數確認企業(yè)發(fā)展的經濟初始狀態(tài)。

3）評定初始狀態(tài)，在專家系統(tǒng)中對數據集提出問題，并得到專家數據。

4）導入王維循環(huán)得到可能的初始狀態(tài)的發(fā)展變體。

5）每種狀態(tài)按照經濟理論的闡述，建立了發(fā)展方案。

6）選擇必須或能夠達到的資源條件，通過自動系統(tǒng)，得到相應采取的管理方法。

5 解決戰(zhàn)略營銷，戰(zhàn)略計劃，戰(zhàn)略管理等經濟課題

是在實踐中應用經濟預測系統(tǒng)，解決企業(yè)戰(zhàn)略經濟課題，并且得到企業(yè)應用結果的反饋消息。

結論

深入研究預測模型知識庫，建立自動系統(tǒng)，結合多個專家系統(tǒng)說明預測初始和結束的狀態(tài)，能夠有效地運用專家多年積累的有效經驗和專門知識。通過模擬專家的思維過程，解決需要專家才能解決的問題，對決策的過程作出解釋，并有學習功能?，F在，專家系統(tǒng)已成為人工智能領域中最活躍、最受重視的領域。我們將專家系統(tǒng)成功的運用在經濟預測中，結合王維循環(huán)預測系統(tǒng)，為經濟預測提供有效的判斷依據。2100433B

根據平衡頭產生不平衡量方式的不同，可以把已研制的平衡頭分為質量變分布式、質量變化式和作用力式等，現分類列出如下，如圖1所示:

質量變分布式平衡頭

不改變平衡面處質量的數量，而是改變質量分布來調整平衡頭產生的不平衡量的方法稱之為質量變分布式平衡頭。該型平衡頭可分為固體質量分布和液體質量分布兩不中。

華中理工大學張鴻海等人研制的智能式砂輪在線平衡儀、哈爾濱工業(yè)大學和浙江大學的電磁式平衡頭及美國LORD公司的自動平衡頭都屬于固體質量分布類型，其優(yōu)勢在于根據電動機原理，采用電磁力這種非接觸方式去拖動平衡頭內質量不對稱的圓環(huán)，平衡盤都是屬于這一類型。

電磁式的自動平衡頭往往不能精確地使不平衡質量沿周向連續(xù)地微調，只能以“步”為單位移動或鎖定，由于受其位置調節(jié)分度的制約，在最大平衡能力和最小可調量之間通常有矛盾。

典型的使用兩個配重塊周向調節(jié)的方案里，在調節(jié)時，單向移動的配重塊在質量塊周向移動的過程中往往會有短時的轉子不平衡量增大的情況?？呻p向移動的配重塊的設計只能部分解決這個問題。但同時這個設計造成平衡頭結構復雜化。

此外，在很強的離心力和振動下長時間運行時，自動平衡裝置的可靠性如何是影響實際工業(yè)應用的最主要因素之一，機械活動部件的磨損和疲勞也是一個需要考慮的問題。

平衡盤屬于液體質量分布類型，該類平衡頭存在調節(jié)速度或精度受到一定限制;此外，液體或蒸汽可能會泄漏;并且較難測得平衡頭內各個室里的液體量，等等問題。但是造價低廉，結構簡單，容易推廣。

質量變化式

這類平衡頭主要分為增重/減重和注液/釋液兩類。

通過在轉子某個位置在線增重或減重來實現不停機自動平衡。例如，Gusarov等人通過在轉子某個位置較輕的相位噴涂快速凝固的流態(tài)物質來平衡轉子。moue在一種用于自動動平衡機的專利里，用電火花加工方式在轉子某個區(qū)域用電火花刻蝕去重。此外，也有用激光在線去重的。

注液式平衡頭通常有3個以上的儲液室，其調節(jié)配重方式是不停機在線地向儲液室里注入液體；平衡盤都屬于這一類。由于轉盤上沒有活動機械部件，相比較而言，注液式平衡頭加工制造簡單、動作可靠。

作用力式一“虛擬”平衡頭

產生虛擬力的手段通常是采用電磁的方式，例如1992年Chen等人的專利就利用主動電磁軸承的電磁力來實現對轉子偏心造成的振動的控制。2001年北京工業(yè)大學黃曉蔚等人對利用主動電磁軸承實現自動平衡的方法進行了實驗研究。

作用力式的平衡頭具有非接觸、無活動機械部件的優(yōu)點，然而電磁軸承的承載力是有限的；同時由于電磁力支承具有副剛度，它實現穩(wěn)定懸浮就已經比較困難，具有一定的不穩(wěn)定性，需要閉環(huán)控制才可以克服。電磁力是一個隨磁間隙增大而非線性地迅速減小的力，這種非線性也使電磁力的大小比較難以精確控制。

注液式轉子振動平衡系統(tǒng)的典型結構

這種平衡系統(tǒng)的設計以德國Hofmann公司和德國Dittel公司的產品應用最為廣泛，下面分別予以介紹。

Hofmann公司的產品，以砂輪噴液型主動平衡裝置最為常用。該裝置采用計算機微處理系統(tǒng)實現閉環(huán)控制，其平衡砂輪最高轉速為60000 r /min，平衡所需時間為10秒到300秒，若需要重新平衡其時間大約為5秒，其平衡精度能達到。該平衡系統(tǒng)已在高速和超高速磨床上得到了廣泛應用，框圖如圖2所示。

Dittel公司的H6000平衡系統(tǒng)主要由被控轉子、信號采集器、控制器和執(zhí)行器四部分組成，主要應用在高精度的磨床機械，結構如圖5所示。

從這兩套系統(tǒng)來看，注液式振動平衡系統(tǒng)一般包括:振動檢測單元、振動信號處理單元、控制單元、液體流量控制單元和平衡盤等。系統(tǒng)開始工作后，振動傳感器會實時檢測轉子的振動信號，系統(tǒng)中的控制單元會根據算法實時判斷當前轉子的振動是否超限，并計算超限情況下需注入平衡盤內的液體量，并根據振動反饋情況實時調整注液量，將振動控制在安全范圍內。在實際應用中發(fā)現這一類系統(tǒng)存幾個問題需要研究解決:

(1)平衡盤的結構設計制約，使系統(tǒng)在長期工作后，由于腔內液體注滿而失去平衡能力;

(2)采用電磁閥進行液體流量控制，當單個電磁閥發(fā)生故障時，系統(tǒng)將無法正常工作;而且電磁閥在設備運行過程中，開關頻繁，易發(fā)生故障;

(3)平衡算法原因造成首次噴液振動增大，對設備安全有一定程度危害。

為解決第一個問題，克服前述注液式平衡頭的缺點，賀世正提出了一種釋液式平衡系統(tǒng)。在該系統(tǒng)增加了一個電磁閥，通過電磁閥，儲液室滿了以后可釋放其中液體。但這種方式增加了平衡頭的制造難度，降低了可靠性。由于無法測量儲液室的液體量，只能通過是否有調節(jié)能力來判斷儲液室狀態(tài)，因此會造成某段時間調節(jié)效果較差。

2006年北京化工大學高金吉、張鵬設計了一種新型的可連續(xù)注液、排液的自動平衡頭，該平衡頭利用液位自衡原理，設計了不受控制的排液孔，只控制注液流速，通過連續(xù)不斷的注液在平衡頭內形成的動態(tài)液體實現轉子的不平衡補償。而且該平衡盤設計安裝簡單方便，而且由于不受控的連續(xù)排液，因此腔體不會因注滿而失去平衡能力，從而為解決第一個問題提供了新的辦法。

振動信號采集與處理技術

旋轉機械振動控制的研究主要還是集中在不平衡振動方面，因而關于旋轉機械振動信號數字處理方法的研究與應用的報道也主要集中在轉頻振動信號處理方面，所采用的核心算法主要是DFT(Discrete Foutier Tansform，簡寫成DFT)和FFT(FastFoutier Tansform，簡寫成FFT)，該部分的成果對于轉子振動主動控制系統(tǒng)的實現具有很重要的借鑒意義，相關的應用報道主要有:

• 報道基于FFT的軟件算法在動平衡試驗機上的應用。

• 鄭建彬采用基于DFT的動平衡機不平衡量提取算法，在頻域提取不平衡量的幅度和相位，不平衡幅度測試精度達4m，相角小于2°。

• 提出了基于FFT的數字信號處理方法，根據測定的車輪動平衡轉速求解出與車輪不平衡量有關的振動信號的振幅和相位，把時域離散振動信號轉化到頻域進行分析處理。

• 白志剛，唐貴基為了提取出轉子動不平衡信號的幅值和相位特征，首先采用鎖相倍頻電路控制A心進行整周期采樣，然后利用FFT進行頻譜分析。

• 首先列舉了互相關和傅立葉變換兩種算法的應用及特點，而后通過試驗從精度和計算時間兩方面進行了比較。認為采用傅立葉變換求解不平衡量的幅值和相位可以獲得良好的效果

• 通過對相位差校正法的仿真計算及誤差分析，基于頻譜校正理論開發(fā)了虛擬動平衡測試儀，該測試儀可準確計算出不平衡質量的幅值及相位。

• 董永貴提出一種整周期采樣的軟件實現方法來解決信號采樣問題。對鍵相信號與振動信號進行同步采樣，而對振動信號的整周期截取則利用軟件實現。其優(yōu)點在于可利用通用數據采集卡實現整周期采樣。

• 徐晶，于向軍引入現代數字信號處理技術，基于快速傅立葉變換算法對球磨機軸承振動信號進行頻譜分析，實現了存煤量的監(jiān)測，并對采集的試驗數據進行了處理與分析。

• 耿慧論述了在旋轉機械的動平衡檢測中，采用轉速脈沖信號觸發(fā)A/ D進行整周期采樣，然后通過對采集到的整周期信號進行離散傅里葉變換，從而得到不平衡信號的幅值與相位。