淺析機電系統(tǒng)各模塊參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化

王 純，陸源源

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港，222000)

1 引言

在機電系統(tǒng)中，模塊的參數(shù)協(xié)同是保證機電設(shè)備穩(wěn)定運行，有效作業(yè)的基礎(chǔ)條件之一。長期以來，參數(shù)不協(xié)同因素就一直存在于機電系統(tǒng)中，因為模塊之間存在的參數(shù)誤差，最終造成了設(shè)備無法高效作業(yè)，因為一直缺乏人員也一直缺乏有效的優(yōu)化措施，導(dǎo)致模塊間的參數(shù)問題得不到解決。為了維護(hù)設(shè)備運轉(zhuǎn)，保證機電系統(tǒng)的正常運行，需要對系統(tǒng)模塊的參數(shù)調(diào)校進(jìn)行研究，從而總結(jié)出對應(yīng)的優(yōu)化措施，以提升模塊間的參數(shù)協(xié)同性，加強系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)穩(wěn)定程度和使用周期延長。

2 參數(shù)協(xié)同的重要性

機電設(shè)備是由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。這兩個系統(tǒng)決定了機電設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)，而相對應(yīng)的，系統(tǒng)參數(shù)也會決定機電設(shè)備的機械性能和控制性能，即系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備的動態(tài)性能呈互相影響狀態(tài)，前者會作用于后者，導(dǎo)致后者發(fā)生改變，而后者的變化則會反作用于前者，促使前者性能發(fā)生對應(yīng)的調(diào)整。所以，在機電系統(tǒng)設(shè)計過程中，同時考慮系統(tǒng)各模塊的參數(shù)，并將這些參數(shù)進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化有助于提升產(chǎn)品的性能[1]。

目前，大部分的參數(shù)優(yōu)化研究文獻(xiàn)都偏重于控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化或機械系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化，少有將各系統(tǒng)和模塊之間進(jìn)行聯(lián)系，也缺乏對不同模塊相互影響的研究。機電系統(tǒng)是由多個模塊構(gòu)成，想要提升機電設(shè)備的性能和效率，就需要從不同模塊間的參數(shù)關(guān)聯(lián)處出發(fā)，實現(xiàn)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，只有如此，才能保證機電設(shè)備性能的有效提升。

3 機電系統(tǒng)協(xié)同優(yōu)化的策略

3.1 控制模型的降階及優(yōu)化

要實現(xiàn)對不同模塊間的協(xié)同優(yōu)化，首先需要建立仿真模型，機電設(shè)備的設(shè)計是以多體動力學(xué)為基礎(chǔ)，所以機電系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型需以多體動力學(xué)軟件制作并導(dǎo)出，然后在控制軟件內(nèi)仿真，控制模塊是機電系統(tǒng)中較復(fù)雜的一部分，涉及的指令較多，優(yōu)化程度高，往往需要進(jìn)行幾十到幾百步的迭代才能完成對該模塊的優(yōu)化，這樣必然會造成一個明顯的時間問題，因為模塊的迭代過多，設(shè)計師需要思考如何降低時間消耗，比較常用的方法是關(guān)鍵模態(tài)法。MATLAB作為一種商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，以語句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該軟件的語言可移植性好，具有極強的可擴展性和包容性，能同時支持C語言，C++和JAVA等多種編程語言。

因此，可以利用C++或者Java配合Python編程語言建立起Python圖像庫，然后借助Python圖像庫構(gòu)建起機電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，通過模型測算機電系統(tǒng)的模塊參數(shù)。若設(shè)計師的編程語言能力不足，也可直接使用MATLAB自帶的圖像功能建立起測算用的機電數(shù)據(jù)模型，然后通過MATLAB的series串行系統(tǒng)連接，使之建立起三維環(huán)境，在使用MATLAB的c2dm指定方法變連續(xù)為離散系統(tǒng)，讓聯(lián)合擬真效果可以達(dá)到最佳狀態(tài)，并應(yīng)用minreal對模型實現(xiàn)最小化和零極點對消，modred命令對系統(tǒng)進(jìn)行降階[2]。

3.2 多體動力學(xué)模型的優(yōu)化

多體動力學(xué)模型負(fù)責(zé)用于機電系統(tǒng)中和控制系統(tǒng)對應(yīng)的機械系統(tǒng)的優(yōu)化，該模型負(fù)責(zé)設(shè)備各組件的相對位置、阻尼系數(shù)等參數(shù)的計算和組合，使之形成協(xié)調(diào)性，機電參數(shù)的協(xié)同搭配會形成不同的動態(tài)性能指標(biāo)值，這些動態(tài)性能指標(biāo)值是系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)。通過對設(shè)計變量進(jìn)行定義，明確其變化范圍，然后借助動態(tài)性能指標(biāo)值創(chuàng)建目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)變化范圍和相互之間的關(guān)系創(chuàng)建約束條件，以便達(dá)成動力學(xué)優(yōu)化的作用。

4 機電系統(tǒng)模塊協(xié)同優(yōu)化的實現(xiàn)

4.1 零件和控制模塊的優(yōu)化實現(xiàn)

控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實時控制。參數(shù)采集包括音頻信號相關(guān)參數(shù)、模塊工作參數(shù)、電力參數(shù)和環(huán)境與安防檢測系統(tǒng)參數(shù)，模塊數(shù)據(jù)管理器采用的是精簡指令集——RISC架構(gòu)的采樣高速數(shù)字處理器，通過采用多級流水線式處理來實現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)協(xié)同性。在機械系統(tǒng)的內(nèi)部，可內(nèi)置USB接口、SPI接口、IIC接口等接口，提高數(shù)據(jù)采集的執(zhí)行效率，便于參數(shù)的收集，控制系統(tǒng)的控制芯片可內(nèi)嵌wince和linux等復(fù)雜的操作系統(tǒng)，以便于使用者管理和操作不同事件，實現(xiàn)多任務(wù)的實時處理。

機電系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)為曲柄滑塊，該滑塊的輸入為曲柄轉(zhuǎn)動角速度，輸出為曲柄上所受力矩，滑塊上所施加的外力和運動方向呈現(xiàn)為相反狀態(tài)，曲柄和滑塊屬于剛體零件，而連桿屬性柔性零件。要實現(xiàn)對控制模塊的參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，需要根據(jù)設(shè)備的材料彈性模量、泊松比和密度，ANSYS需以三維二十節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元對連桿進(jìn)行離散。連桿和機電系統(tǒng)的外部各零件連接處為接口節(jié)點，該接口節(jié)點負(fù)責(zé)加載所有的力和運動副[5]。當(dāng)直流伺服電機和曲柄連接時，系統(tǒng)會得到動力，并開始作業(yè)。因此，電機的電樞輸入電壓以Ua(s)表示，轉(zhuǎn)矩系數(shù)以Kt表示，電樞電感以La表示，電樞電阻以Ra表示，電機轉(zhuǎn)動慣量以J表示，感應(yīng)電動勢常數(shù)以Ke表示，運動過程中伺服電動機施加在曲柄上的轉(zhuǎn)矩TL，電機輸出轉(zhuǎn)角以θ(s)表示，得到下列公式(1)：

(1)

根據(jù)上述公式計算出機電設(shè)備的電機輸出轉(zhuǎn)角，然后將該轉(zhuǎn)角的負(fù)載轉(zhuǎn)矩輸入到MATLAB軟件的模型中，進(jìn)行三維環(huán)境下的擬真演算，最后根據(jù)該結(jié)果對機電系統(tǒng)的控制模塊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 動力學(xué)模型優(yōu)化實現(xiàn)

協(xié)同優(yōu)化過程中多體動力學(xué)模型必須和控制模塊參數(shù)保持一致性，如果動力學(xué)模型和控制模塊參數(shù)發(fā)生偏差，則柔性零件的載荷歷程也會出現(xiàn)不同，所引發(fā)的結(jié)果便是拓?fù)鋬?yōu)化完成后，機電設(shè)備的柔性零件形狀出現(xiàn)差異設(shè)備的使用周期會縮減。故而設(shè)計師需要注意動力學(xué)模型和控制模塊參數(shù)的平衡性，首先使用微分進(jìn)化算法，隨機從機電系統(tǒng)中選取初始種群，使系統(tǒng)可以達(dá)成一致覆蓋全部參數(shù)空間的目的，以NP為種群數(shù)，i表示第i個個體，隨機變量以X表示，電機輸出轉(zhuǎn)角以獲得公式(2)：

(2)

4.3 系統(tǒng)參數(shù)測試

要實現(xiàn)機械系統(tǒng)的模塊優(yōu)化，需要處理好機電系統(tǒng)的設(shè)計變量，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化的過程，設(shè)計師需要以控制模塊的PID參數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB對多體動力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到機械系統(tǒng)在優(yōu)化前和優(yōu)化后的所受力矩，將優(yōu)化后機械系統(tǒng)所受力矩的最大值和優(yōu)化前的受力矩比較，確定減小幅度。設(shè)計師可使用Java、C++等編程軟件設(shè)計與終端、電表通信相關(guān)聯(lián)的測點參數(shù)，校核與參數(shù)配置等模塊，對機械系統(tǒng)的模塊參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，使之和控制系統(tǒng)模塊隨時匹配，保證模塊參數(shù)的協(xié)同性。

完成參數(shù)調(diào)節(jié)后，需要測定機電系統(tǒng)的運行參數(shù)是否一致，機電系統(tǒng)的測試內(nèi)容有電流、電壓、功率和功率因數(shù)等多個內(nèi)容，采用三表法或者兩表法進(jìn)行，具體情況視機電設(shè)備的線路構(gòu)成而定，三表法主要用于三相四線制電路的測量，其總功率為各相功率相加、各相電流、各相電壓相加，以PA、PB、PC代表各相功率，iA、iB、iC代表各相電流，UA、UB、UC代表各相電壓，那么三表法的測量公式(3)為：

P總=PA+PB+PC=UAiA+UBiB+UCiC

(3)

兩表法則用于三相三線制電路，公式為：

PAC+PBC=UACiA+UBCiB=(UA-Uc)iA+(UB-UC)iB=UAiA-UCiA+UBiB-UCiB=UAiA+UBiB-Uc(iA+iB)=UAiA+UBiB-UC(-iC)=UAiA+UBiB+UCiC=PA+PB+PC

(4)

不難發(fā)現(xiàn)，兩表法的測出總功率與三表法的測試結(jié)果一致，都是三相負(fù)載所吸收的總功率。要明確機電系統(tǒng)正式運轉(zhuǎn)后的工作效能以及參數(shù)協(xié)同情況，通過對電壓偏差進(jìn)行計算從而來衡量機電系統(tǒng)場運行之后的情況，因此系統(tǒng)來判斷其有沒有正常運行以及各模塊參數(shù)是否實現(xiàn)了協(xié)同化。

5 結(jié)語

提升機電設(shè)備的各模塊參數(shù)協(xié)同性，讓不同系統(tǒng)和組件的數(shù)值達(dá)到最優(yōu)，對于機電系統(tǒng)的工作效率提升以及使用壽命的延長有很大的幫助。長期以來，相關(guān)研究一直關(guān)注于單個模塊或者系統(tǒng)的參數(shù)調(diào)整，缺乏統(tǒng)一性，難以從整體上為機電系統(tǒng)的優(yōu)化提供幫助，本文以MATLAB、ANSYS等軟件作為系統(tǒng)模型的建立和導(dǎo)出模塊參數(shù)的媒介，并通過分析實現(xiàn)方法總結(jié)出機電系統(tǒng)各參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的步驟和實現(xiàn)框架，在機電系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可通過對應(yīng)的思路和步驟實現(xiàn)機電系統(tǒng)的模塊參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，提高機電系統(tǒng)的運行效率。