49、直流电机控制器设计与可持续制造中切削液的应用研究

直流电机控制器设计与可持续制造中切削液的应用研究

1. 直流电机分数阶控制器设计

1.1 鲁棒控制器与分数阶系统

鲁棒控制器对被控系统的参数变化不太敏感，而分数阶控制器在这方面表现更为出色。参数不确定的 FOPDT 系统可表示为：
$G(s) = \frac{[k−, \overline{k}]}{s([\tau−, \overline{\tau}]s + 1)}$
其中，$\overline{k}$、$\overline{\tau}$ 以及 $k−$、$\tau−$ 分别是给定参数的上下限。

为绘制最大和最小增益图，系统的传递函数分别表示为：
$G_{R1}(s) = \frac{[\overline{k}]}{s([\tau−]s + 1)}$
$G_{R2}(s) = \frac{[k−]}{s([\overline{\tau}]s + 1)}$

以直流电机为例，其传递函数为：
$G_{Plant} = \frac{0.08}{s(0.05s + 1)}$

1.2 分数阶控制器设计步骤

分数阶控制器的设计步骤如下：
1. 设计 $K_P$ ：为实现最小静态误差，根据公式可得比例增益 $K_P = 10$。
2. 设计 $K_D$、$\mu$、$K_I$ 和 $\lambda$ ：已知时间常数 $\tau = 0.05$，电机增益 $K_{Plant} = 0.08$。设定增益裕度 $\varphi_m \geq 60°$，通过公式计算得到 $v = 0.3$，以及 $k_1 = 12.5$ 和 $k_2 = 0.05$。将这些值代入公式可得：
$C_{FO}(s) = 0.625s^{0.7} + \frac{12.5}{s^{0.3}}$
将 $K_P = 10$ 加入上式，得到最终的分数阶控制器传递函数：
$C_{FO}(s) = 10 + 0.625s^{0.7} + \frac{12.5}{s^{0.3}}$

1.3 系统稳定性分析

将得到的控制器传递函数与最大和最小增益的传递函数结合，可得到开环控制系统和闭环控制系统的传递函数。例如，控制器与 $G_{R1}(s)$ 的开环控制系统传递函数为：
$G_{R1ol}(s) = \frac{0.0625s + s^{0.3} + 1.25}{0.04s^{2.3} + s^{1.3}}$
闭环控制系统传递函数为：
$G_{R1cl}(s) = \frac{0.0625s + s^{0.3} + 1.25}{0.04s^{2.3} + s^{1.3} + 0.0625s + s^{0.3} + 1.25}$

同理，可得到控制器与 $G_{R2}(s)$ 的开环和闭环控制系统传递函数。通过检查 $G_{R1cl}(s)$ 和 $G_{R2cl}(s)$ 的分母，发现 $K = 1$，表明系统是稳定的。

1.4 不同控制器性能对比

不同控制器设计的性能规格对比如下：
| 控制器设计 | Ziegler–Nichols 方法 | 分数阶方法 | 分数阶方法 |
| — | — | — | — |
| 模型 | 全模型 | 全模型 | 全模型 |
| 规格 | $G_{clZN}(s)$ | $G_{R1cl}(s)$ | $G_{R2cl}(s)$ |
| 上升时间 (s) | 0.0454 | 0.878 | 0.881 |
| 调节时间 (s) | 0.55 | 13.2 | 14 |
| 峰值幅度 | 1.05 | 1.06 | 1.09 |
| 超调量 (%) | 5 | 6 | 9 |
| 出现时间 (s) | 0.26 | 1.87 | 2.32 |

从表格中可以看出，传统控制器设计在瞬态响应方面优于分数阶控制器设计系统，但分数阶系统具有更大的稳定区域，为系统提供了更多的灵活性。

2. 可持续制造中切削液的应用

2.1 传统切削液的问题与蔬菜油的优势

在现代制造业中，对可持续和可生物降解切削液的需求不断增加。传统切削液在使用过程中会带来一些问题，如对环境的污染和对健康的危害。而蔬菜油作为切削液具有以下优势：
1. 润滑性能好 ：能够有效减少摩擦和磨损。
2. 闪点高 ：降低了烟雾产生和火灾危险，可在高温切削条件下使用。
3. 分子大小均匀 ：其性能（如粘度、沸点）相对稳定。
4. 沸点高、分子量高 ：减少了蒸发和雾化损失。

2.2 传统切削液的分类

传统切削液主要分为三类：油基、水基和气基。油基切削液适用于需要良好润滑性能的加工任务，水基切削液则在冷却和润滑方面表现出色，可进一步分为乳液和溶液形式。

2.3 蔬菜油作为切削液的优缺点

蔬菜油作为金属加工液具有一些优点和缺点，具体如下：
| 优点 | 缺点 |
| — | — |
| 对环境污染小 | 热稳定性低 |
| 生物降解性高 | 氧化稳定性差 |
| 闪点高 | 凝固点高 |
| 生产可能性广泛 | 防腐蚀性能差 |
| 生产成本低 | 毒性低 |

2.4 不同蔬菜油在加工中的应用研究

许多研究对不同蔬菜油在加工中的应用进行了探讨，以下是部分研究的总结：
| 序号 | 研究者 | 工件材料 | 切削条件 | 结果/发现 |
| — | — | — | — | — |
| 1 | Marimuthu 等 | Inconel 625 | 干切削条件 | 进给、切削深度和切削速度是重要的切削参数，影响材料去除率和刀具磨损 |
| 2 | Kannnan 和 Tony | EN - 8 钢 | 蔬菜切削液（菜籽油、芝麻油、向日葵油、棕榈油和米糠油） | 向日葵油性能最佳，能提供更好的表面光洁度和更低的刀具 - 工件界面温度 |
| 3 | Yazid 等 | Inconel 718 | 干切削、MQL 50 ml/h 和 100 ml/h | MQL 50 ml/h 可产生更好的表面粗糙度 |
| 4 | Magri 等 | Inconel 625 镍基合金 | 高压冷却液 | 高压冷却液会影响刀具磨损，但可提高工件表面粗糙度 |
| 5 | Ojolo 等 | 低碳钢、铜和铝 | 直链生物油 | 生物油适用于金属加工液，花生油在降低切削力方面表现最佳 |
| 6 | Lawal 等 | 低碳钢 | 植物油与可溶性油对比 | 以温度评估切削液性能 |
| 7 | Avila 和 Abrao | AISI 4340 钢 | 合成乳液、含矿物油和不含矿物油的乳液 | 不含矿物油的乳液可延长刀具寿命 |

从这些研究可以看出，蔬菜油基切削液在提高加工性能、延长刀具寿命和改善表面光洁度方面具有潜力。随着对环境保护和可持续发展的关注不断增加，蔬菜油基切削液有望成为未来切削液的发展方向。

2.5 蔬菜油基切削液应用的流程图

graph LR
    A[选择工件材料] --> B[确定切削条件]
    B --> C[选择蔬菜油基切削液]
    C --> D[进行加工试验]
    D --> E[评估加工性能]
    E --> F{性能是否满足要求?}
    F -- 是 --> G[确定最佳参数]
    F -- 否 --> C

这个流程图展示了蔬菜油基切削液在加工中的应用过程，从选择工件材料开始，经过确定切削条件、选择切削液、进行加工试验和评估加工性能，最终确定最佳参数。如果性能不满足要求，则需要重新选择切削液。

3. 不同蔬菜油基切削液的具体应用案例分析

3.1 椰子油在加工 AISI 304 材料中的应用

Adithan 等人研究了椰子油（蔬菜基）在使用硬质合金刀具加工 AISI 304 材料时的性能。他们发现，椰子油不仅改善了表面光洁度，还减少了刀具磨损。在试验中，对比了椰子油、可溶性油和直切油在切削深度为 0.5mm 且进给率变化的情况下的表现，结果显示椰子油的效果优于其他两种。

3.2 大豆油基切削液在车削中的应用

Julie 等人使用 L9 田口设计，将一种试验性的大豆油基切削液与干切削和矿物油基切削液在车削操作中进行了比较。实验数据分析表明，大豆油基切削液在降低表面粗糙度方面取得了与油基切削液相似的性能，但在刀具磨损方面表现更好。

3.3 棕榈油在不同加工场景中的应用

• Ramana 等人对三种切削条件（干切削、棕榈油、棕榈油与硼酸润滑剂的混合物）进行了表面粗糙度方面的研究。通过田口方法确定表面粗糙度的最佳切削参数，结果表明在该研究中棕榈油的性能优于干切削和棕榈油与硼酸混合物作为切削液的情况。
• Rahim 等人研究了使用不同 MQL 油（合成酯和棕榈油）对 Ti - 6Al - 4V 进行钻孔的影响。结果发现，干切削条件下刀具寿命最短，而棕榈油在微观硬度、表面粗糙度和亚表面变形方面具有显著优势，可作为合成酯 MQL 润滑剂的可行替代品。

3.4 多种蔬菜油在不同加工材料中的应用总结

研究者	工件材料	蔬菜油类型	主要结果
Adithan 等	AISI 304 材料	椰子油	改善表面光洁度，减少刀具磨损，优于可溶性油和直切油
Julie 等	未提及	大豆油基切削液	降低表面粗糙度性能与油基切削液相似，刀具磨损表现更好
Ramana 等	未提及	棕榈油	性能优于干切削和棕榈油与硼酸混合物作为切削液
Rahim 等	Ti - 6Al - 4V	棕榈油	在微观硬度、表面粗糙度和亚表面变形方面有优势，可替代合成酯

4. 加工过程中参数对蔬菜油基切削液效果的影响

4.1 切削速度、进给率和切削深度的影响

许多研究表明，切削速度、进给率和切削深度是影响加工性能的重要参数。例如，Adam 等人在使用植物油作为润滑剂对低碳钢进行铣削操作时发现，切削速度是影响表面粗糙度的最重要因素，其次是切削深度和进给率。而在 Sunflower Oil 作为切削液时，通过设置最佳参数组合可获得最低的表面粗糙度。

4.2 最小量润滑（MQL）参数的影响

• Khan 等人研究了蔬菜油基切削液的最小量润滑（MQL）对低合金钢 AISI 9310 车削性能的影响。结果表明，MQL 显著减少了刀具磨损，提高了刀具寿命和表面光洁度，改善了可加工性。
• Jiang 等人研究了 MQL 的供油速度对切削力和表面粗糙度的影响。他们将供油速度从 2ml/h 变化到 14ml/h，结果显示，供油速度的增加可有效降低切削力和表面粗糙度，但超过 10ml/h 后，降低效果不再显著。

4.3 参数影响的流程图

graph LR
    A[设定切削参数] --> B[进行加工试验]
    B --> C[测量加工性能指标]
    C --> D{性能是否达到预期?}
    D -- 是 --> E[确定最佳参数组合]
    D -- 否 --> F[调整切削参数]
    F --> B

这个流程图展示了通过不断调整切削参数来达到最佳加工性能的过程。首先设定切削参数，进行加工试验并测量性能指标，根据性能是否达到预期来决定是否调整参数，直到确定最佳参数组合。

5. 总结与展望

5.1 研究成果总结

• 在直流电机控制器设计方面，分数阶控制器具有更强的鲁棒性和更大的稳定区域，尽管其瞬态响应可能不如传统控制器，但为系统提供了更多的灵活性。通过详细的设计步骤和稳定性分析，可以实现对直流电机的有效控制。
• 在可持续制造中，蔬菜油基切削液具有诸多优点，如良好的润滑性能、高闪点、对环境友好等。不同蔬菜油在加工不同材料时表现出不同的优势，通过合理选择蔬菜油基切削液和优化切削参数，可以提高加工性能、延长刀具寿命和改善表面光洁度。

5.2 未来发展方向

• 对于直流电机控制器，未来可以进一步研究分数阶控制器的优化设计方法，以提高其瞬态响应性能，同时结合智能控制算法，实现更精确的电机控制。
• 在蔬菜油基切削液方面，需要进一步研究如何提高其热稳定性和氧化稳定性，开发更高效的添加剂，以扩大其应用范围。此外，还可以结合先进的加工技术，如高速切削、微加工等，探索蔬菜油基切削液在这些领域的应用潜力。