分析伺服系統機械結構與控制的集成優化設計

許周

摘 要：伺服系統即隨動系統，屬于控制系統范疇，在此系統中，輸出量能夠將輸入量變化規律真實、客觀的呈現出來，可起到放大功率信號的作用，應用表現較為突出。傳統在進行系統設計時，會對系統結構與控制展開分離設計，此種設計模式雖然具有一定優勢，卻始終沒有達到最佳系統設計水平，鑒于此，設計人員開始就伺服系統機械結構與控制集成設計展開了深度研究。

關鍵詞：集成優化設計；動力學模型；控制；機械機構；伺服系統

伺服系統應用較為廣泛，是跟蹤輸入指令信號展開動作，對位置以及動力輸出等信息進行獲取的自動化控制系統。在進行系統設計時，需要保證系統速度平穩度、位置精度以及速度精度。由于在機電系統內，機械結構動力學特性與系統控制效果有直接關聯，控制參數與機械結構參數耦合關系較為凸出，所以為保證整體系統性能，應將系統控制與結構設計有機結合在一起。為科學展開系統設計，明確系統內部變量關系，需要構建起相應數學模型，以通過優化模型與篩選控制方案的方式，達到最優化集成優化設計模式。

1.系統動力學模型建設

1.1系統數學建模

控制系統數學模型是對系統內元件特性與信號傳遞、轉換關系進行描述的數學表達式，是以研究變量間特定關系為目標的，會通過對微分方程的運用，對相關內容展開確定性描述。按照現代控制理論，時域中數學模型主要以狀態空間模型、微分方程以及差分方程幾種模型為主，各模型在控制系統設計與分析中均具有不可忽視的優勢。其中輸入輸出模型會將輸入、輸出變量間關系直觀反映出來，但卻不能對內部結構以及內部變量等信息展開描述，屬于不完全描述模式。而狀態空間模型會將系統內外部信息完整呈現出來，描述較為完全。

在具體進行數學建模時，由于本次研究主要以控制、結構集成設計研究為主，所以會忽略電機動態特性，對系統展開針對性研究。以典型機電位置伺服系統為例。該系統主要由從動輪軸、聯軸器以及主動輪軸等所組成，在電機帶動下，主動輪軸會進行運動，其和從動輪軸間會以傳動比為J的齒輪展開運轉，而聯軸器是連接從動輪軸與測試軸的重要部件。按照以往經驗，會將測試軸上質量塊、聯軸器以及摩擦盤等均視為是系統運動負載。若設主動、從動輪軸、測試軸轉角分別為θ1、θ2、θ3，三者角加速度由 表示，轉速由 表示，粘性摩擦系數由d表示，三者等效到主動輪軸上的轉動慣量為J，主動、從動輪軸結合處剛性系數與阻尼系數為k、b，Tc表示系統深入轉矩，在忽視摩擦以及齒隙影響的狀態下，本次伺服系統動力學方程如下所示：

1.2PID控制

PID是現代生產較為常見的控制手段，具有工作可靠性高、調節靈活以及結構簡單等方面的優勢，是現代常用控制技術。該項技術會通過線性組合手段，將偏差比例、微分以及積分組成控制量，進而對相應對象展開控制。在此，會按照環境特性以及被控對象實際情況，直接運用PID控制器對伺服系統展開仿真控制，從而完成相應控制分析任務。

2.優化設計模型

2.1順序優化模型

2.1.1結構優化模型

在進行機械優化設計時，會在給定環境或荷載環境中，通過對其幾何尺寸以及產品形態等進行約束的方式，選擇最佳設計變量，進而通過設置目標函數的方式，獲取最優值進而完成優化設計任務。在進行測試時，會通過在測試軸上施加不同負載的方式，對整體系統展開分析與設計。

2.1.2控制優化模型

（1）在對設計變量進行選取時，需要運用適當優化算法，對結構優化模型展開優化進而獲得相應結構參數，將其作為已知常量。在此會通過對PID控制器的直接運用，科學展開控制優化模型建設。

（2）目標函數。在進行閉環系統等部分設計時，需要滿足以下幾項條件：①要從易加工、節約材料以及易減小體積質量等內容著手，對受控對象結構參數進行確定；②需要盡量減小控制能量；③需要保證系統性能穩定性。設計人員可按照具體要求，按照不同方式展開組合設計，進而制定出多種約束條件以及目標函數，形成不同優化設計問題，以為后續優化設計提供可靠數據參考。

（3）約束條件。伺服系統優化設計應保證閉環控制系統穩定性，系統極點應全部位于復平面左半面，且要保證從動輪軸半徑能夠大于主動輪軸半徑一倍。

2.2集成優化模型

傳統優化設計并沒有將控制系統性能與機械系統性能平衡問題考慮到其中，整體設計并不全面，所以為保證系統性能，需要從全局入手，通過對控制結構與機械結構展開全面分析與優化設置的方式，制定出最佳集成優化設計方案。

在進行集成優化模型構建過程中：①選取設計變量。由于控制結構、機械結構之間關系較為復雜，兩者之間存在著某種耦合關系，所以在進行設計過程中，需要做好兩者關系梳理與分析，以通過全面考慮獲得最佳優化參數；②設置目標函數。在進行集成設計時，需要做好控制設計與結構優化的融合，要在對兩者性能展開充分分析的基礎上，科學展開目標函數選取，在進行參數選擇以及目標函數設置時，也需要滿足結構參數易于加工以及控制量較小等方面的要求，要保證整體系統性能穩定性；③約束條件。因為伺服系統性能會通過阻尼比、超調量以及調節時間等進行體現，因此在進行約束條件選取時，需要滿足幾個方面的要求，一方面需要保證閉環控制系統穩定性，確保系統極點能夠全部處于復平面左半面位置，系統調節時間以及超調量需要保持在相應范圍內；另一方面主動輪軸半徑需要保持在從動輪軸半徑一半以下長度。

3.絲桿控制

伺服系統功能較為強大，不僅能夠在電氣控制方面得到科學應用，同時在機械控制方面也有著較為突出的表現。有關企業可通過對伺服電子凸輪的運用，對絲桿伸縮時間與運動展開控制。

為達到精準控制效果，會按照電流環、位置環以及速度環控制模式，通過對伺服控制信號設置器的運用，按照電子凸輪主軸從軸插補關系位置與速度等指令，對電流誤差、位移誤差以及速度誤差等展開調節，可達到良好補償效果，保證絲桿動態性能。在完成伺服控制系統組態任務后，技術人員會通過計算機對數字伺服驅動器控制參數展開設置與調整，會在控制過程中，按照系統運行結果對控制參數展開優化與改進。在不斷調整、自動整定過程中，電流環、速度環控制參數會得到持續性完善，能夠使絲桿運行更加滿足動態需求，系統控制優勢會得到充分體現。

4.結束語

鑒于集成優化設計必要性與重要性，有關部門應加大對伺服系統集成設計的研究力度。要在傳統設計模式基礎上，將控制、機械結構平衡性與協調性考慮到其中，進而從全局角度著手，科學展開控制系統、機械結構集成優化設計模式，確保整體伺服系統性能可以達到最佳，進而實現理想化系統應用模式，確保系統所具備的各項效能可以得到完全性發揮。

參考文獻：

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