分析伺服系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)與控制的集成優(yōu)化設(shè)計

許周

摘 要：伺服系統(tǒng)即隨動系統(tǒng)，屬于控制系統(tǒng)范疇，在此系統(tǒng)中，輸出量能夠?qū)⑤斎肓孔兓?guī)律真實、客觀的呈現(xiàn)出來，可起到放大功率信號的作用，應(yīng)用表現(xiàn)較為突出。傳統(tǒng)在進行系統(tǒng)設(shè)計時，會對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制展開分離設(shè)計，此種設(shè)計模式雖然具有一定優(yōu)勢，卻始終沒有達到最佳系統(tǒng)設(shè)計水平，鑒于此，設(shè)計人員開始就伺服系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)與控制集成設(shè)計展開了深度研究。

關(guān)鍵詞：集成優(yōu)化設(shè)計；動力學(xué)模型；控制；機械機構(gòu)；伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)應(yīng)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(tǒng)。在進行系統(tǒng)設(shè)計時，需要保證系統(tǒng)速度平穩(wěn)度、位置精度以及速度精度。由于在機電系統(tǒng)內(nèi)，機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性與系統(tǒng)控制效果有直接關(guān)聯(lián)，控制參數(shù)與機械結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合關(guān)系較為凸出，所以為保證整體系統(tǒng)性能，應(yīng)將系統(tǒng)控制與結(jié)構(gòu)設(shè)計有機結(jié)合在一起。為科學(xué)展開系統(tǒng)設(shè)計，明確系統(tǒng)內(nèi)部變量關(guān)系，需要構(gòu)建起相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，以通過優(yōu)化模型與篩選控制方案的方式，達到最優(yōu)化集成優(yōu)化設(shè)計模式。

1.系統(tǒng)動力學(xué)模型建設(shè)

1.1系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模

控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型是對系統(tǒng)內(nèi)元件特性與信號傳遞、轉(zhuǎn)換關(guān)系進行描述的數(shù)學(xué)表達式，是以研究變量間特定關(guān)系為目標(biāo)的，會通過對微分方程的運用，對相關(guān)內(nèi)容展開確定性描述。按照現(xiàn)代控制理論，時域中數(shù)學(xué)模型主要以狀態(tài)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(tǒng)設(shè)計與分析中均具有不可忽視的優(yōu)勢。其中輸入輸出模型會將輸入、輸出變量間關(guān)系直觀反映出來，但卻不能對內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部變量等信息展開描述，屬于不完全描述模式。而狀態(tài)空間模型會將系統(tǒng)內(nèi)外部信息完整呈現(xiàn)出來，描述較為完全。

在具體進行數(shù)學(xué)建模時，由于本次研究主要以控制、結(jié)構(gòu)集成設(shè)計研究為主，所以會忽略電機動態(tài)特性，對系統(tǒng)展開針對性研究。以典型機電位置伺服系統(tǒng)為例。該系統(tǒng)主要由從動輪軸、聯(lián)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(zhuǎn)，而聯(lián)軸器是連接從動輪軸與測試軸的重要部件。按照以往經(jīng)驗，會將測試軸上質(zhì)量塊、聯(lián)軸器以及摩擦盤等均視為是系統(tǒng)運動負載。若設(shè)主動、從動輪軸、測試軸轉(zhuǎn)角分別為θ1、θ2、θ3，三者角加速度由 表示，轉(zhuǎn)速由 表示，粘性摩擦系數(shù)由d表示，三者等效到主動輪軸上的轉(zhuǎn)動慣量為J，主動、從動輪軸結(jié)合處剛性系數(shù)與阻尼系數(shù)為k、b，Tc表示系統(tǒng)深入轉(zhuǎn)矩，在忽視摩擦以及齒隙影響的狀態(tài)下，本次伺服系統(tǒng)動力學(xué)方程如下所示：

1.2PID控制

PID是現(xiàn)代生產(chǎn)較為常見的控制手段，具有工作可靠性高、調(diào)節(jié)靈活以及結(jié)構(gòu)簡單等方面的優(yōu)勢，是現(xiàn)代常用控制技術(shù)。該項技術(shù)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(yīng)對象展開控制。在此，會按照環(huán)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(tǒng)展開仿真控制，從而完成相應(yīng)控制分析任務(wù)。

2.優(yōu)化設(shè)計模型

2.1順序優(yōu)化模型

2.1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型

在進行機械優(yōu)化設(shè)計時，會在給定環(huán)境或荷載環(huán)境中，通過對其幾何尺寸以及產(chǎn)品形態(tài)等進行約束的方式，選擇最佳設(shè)計變量，進而通過設(shè)置目標(biāo)函數(shù)的方式，獲取最優(yōu)值進而完成優(yōu)化設(shè)計任務(wù)。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(tǒng)展開分析與設(shè)計。

2.1.2控制優(yōu)化模型

（1）在對設(shè)計變量進行選取時，需要運用適當(dāng)優(yōu)化算法，對結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型展開優(yōu)化進而獲得相應(yīng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(xué)展開控制優(yōu)化模型建設(shè)。

（2）目標(biāo)函數(shù)。在進行閉環(huán)系統(tǒng)等部分設(shè)計時，需要滿足以下幾項條件：①要從易加工、節(jié)約材料以及易減小體積質(zhì)量等內(nèi)容著手，對受控對象結(jié)構(gòu)參數(shù)進行確定；②需要盡量減小控制能量；③需要保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定性。設(shè)計人員可按照具體要求，按照不同方式展開組合設(shè)計，進而制定出多種約束條件以及目標(biāo)函數(shù)，形成不同優(yōu)化設(shè)計問題，以為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供可靠數(shù)據(jù)參考。

（3）約束條件。伺服系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計應(yīng)保證閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)極點應(yīng)全部位于復(fù)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(yōu)化模型

傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計并沒有將控制系統(tǒng)性能與機械系統(tǒng)性能平衡問題考慮到其中，整體設(shè)計并不全面，所以為保證系統(tǒng)性能，需要從全局入手，通過對控制結(jié)構(gòu)與機械結(jié)構(gòu)展開全面分析與優(yōu)化設(shè)置的方式，制定出最佳集成優(yōu)化設(shè)計方案。

在進行集成優(yōu)化模型構(gòu)建過程中：①選取設(shè)計變量。由于控制結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)之間關(guān)系較為復(fù)雜，兩者之間存在著某種耦合關(guān)系，所以在進行設(shè)計過程中，需要做好兩者關(guān)系梳理與分析，以通過全面考慮獲得最佳優(yōu)化參數(shù)；②設(shè)置目標(biāo)函數(shù)。在進行集成設(shè)計時，需要做好控制設(shè)計與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的融合，要在對兩者性能展開充分分析的基礎(chǔ)上，科學(xué)展開目標(biāo)函數(shù)選取，在進行參數(shù)選擇以及目標(biāo)函數(shù)設(shè)置時，也需要滿足結(jié)構(gòu)參數(shù)易于加工以及控制量較小等方面的要求，要保證整體系統(tǒng)性能穩(wěn)定性；③約束條件。因為伺服系統(tǒng)性能會通過阻尼比、超調(diào)量以及調(diào)節(jié)時間等進行體現(xiàn)，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(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，確保系統(tǒng)極點能夠全部處于復(fù)平面左半面位置，系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間以及超調(diào)量需要保持在相應(yīng)范圍內(nèi)；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(tǒng)功能較為強大，不僅能夠在電氣控制方面得到科學(xué)應(yīng)用，同時在機械控制方面也有著較為突出的表現(xiàn)。有關(guān)企業(yè)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(zhǔn)控制效果，會按照電流環(huán)、位置環(huán)以及速度環(huán)控制模式，通過對伺服控制信號設(shè)置器的運用，按照電子凸輪主軸從軸插補關(guān)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(diào)節(jié)，可達到良好補償效果，保證絲桿動態(tài)性能。在完成伺服控制系統(tǒng)組態(tài)任務(wù)后，技術(shù)人員會通過計算機對數(shù)字伺服驅(qū)動器控制參數(shù)展開設(shè)置與調(diào)整，會在控制過程中，按照系統(tǒng)運行結(jié)果對控制參數(shù)展開優(yōu)化與改進。在不斷調(diào)整、自動整定過程中，電流環(huán)、速度環(huán)控制參數(shù)會得到持續(xù)性完善，能夠使絲桿運行更加滿足動態(tài)需求，系統(tǒng)控制優(yōu)勢會得到充分體現(xiàn)。

4.結(jié)束語

鑒于集成優(yōu)化設(shè)計必要性與重要性，有關(guān)部門應(yīng)加大對伺服系統(tǒng)集成設(shè)計的研究力度。要在傳統(tǒng)設(shè)計模式基礎(chǔ)上，將控制、機械結(jié)構(gòu)平衡性與協(xié)調(diào)性考慮到其中，進而從全局角度著手，科學(xué)展開控制系統(tǒng)、機械結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計模式，確保整體伺服系統(tǒng)性能可以達到最佳，進而實現(xiàn)理想化系統(tǒng)應(yīng)用模式，確保系統(tǒng)所具備的各項效能可以得到完全性發(fā)揮。

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