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(jī)電系統(tǒng)中，模塊的參數(shù)協(xié)同是保證機(jī)電設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行，有效作業(yè)的基礎(chǔ)條件之一。長(zhǎng)期以來(lái)，參數(shù)不協(xié)同因素就一直存在于機(jī)電系統(tǒng)中，因?yàn)槟K之間存在的參數(shù)誤差，最終造成了設(shè)備無(wú)法高效作業(yè)，因?yàn)橐恢比狈θ藛T也一直缺乏有效的優(yōu)化措施，導(dǎo)致模塊間的參數(shù)問(wèn)題得不到解決。為了維護(hù)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)，保證機(jī)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要對(duì)系統(tǒng)模塊的參數(shù)調(diào)校進(jìn)行研究，從而總結(jié)出對(duì)應(yīng)的優(yōu)化措施，以提升模塊間的參數(shù)協(xié)同性，加強(qiáng)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定程度和使用周期延長(zhǎng)。

2 參數(shù)協(xié)同的重要性

機(jī)電設(shè)備是由機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大系統(tǒng)組成。這兩個(gè)系統(tǒng)決定了機(jī)電設(shè)備的系統(tǒng)參數(shù)，而相對(duì)應(yīng)的，系統(tǒng)參數(shù)也會(huì)決定機(jī)電設(shè)備的機(jī)械性能和控制性能，即系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備的動(dòng)態(tài)性能呈互相影響狀態(tài)，前者會(huì)作用于后者，導(dǎo)致后者發(fā)生改變，而后者的變化則會(huì)反作用于前者，促使前者性能發(fā)生對(duì)應(yīng)的調(diào)整。所以，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，同時(shí)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(jī)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(duì)不同模塊相互影響的研究。機(jī)電系統(tǒng)是由多個(gè)模塊構(gòu)成，想要提升機(jī)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(shí)現(xiàn)參數(shù)的協(xié)同優(yōu)化，只有如此，才能保證機(jī)電設(shè)備性能的有效提升。

3 機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)不同模塊間的協(xié)同優(yōu)化，首先需要建立仿真模型，機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)是以多體動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)，所以機(jī)電系統(tǒng)的狀態(tài)空間模型需以多體動(dòng)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(jī)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(duì)該模塊的優(yōu)化，這樣必然會(huì)造成一個(gè)明顯的時(shí)間問(wèn)題，因?yàn)槟K的迭代過(guò)多，設(shè)計(jì)師需要思考如何降低時(shí)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(yǔ)句、函數(shù)、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)成，該軟件的語(yǔ)言可移植性好，具有極強(qiáng)的可擴(kuò)展性和包容性，能同時(shí)支持C語(yǔ)言，C++和JAVA等多種編程語(yǔ)言。

因此，可以利用C++或者Java配合Python編程語(yǔ)言建立起Python圖像庫(kù)，然后借助Python圖像庫(kù)構(gòu)建起機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)模型測(cè)算機(jī)電系統(tǒng)的模塊參數(shù)。若設(shè)計(jì)師的編程語(yǔ)言能力不足，也可直接使用MATLAB自帶的圖像功能建立起測(cè)算用的機(jī)電數(shù)據(jù)模型，然后通過(guò)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(duì)模型實(shí)現(xiàn)最小化和零極點(diǎn)對(duì)消，modred命令對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行降階[2]。

3.2 多體動(dòng)力學(xué)模型的優(yōu)化

多體動(dòng)力學(xué)模型負(fù)責(zé)用于機(jī)電系統(tǒng)中和控制系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)化，該模型負(fù)責(zé)設(shè)備各組件的相對(duì)位置、阻尼系數(shù)等參數(shù)的計(jì)算和組合，使之形成協(xié)調(diào)性，機(jī)電參數(shù)的協(xié)同搭配會(huì)形成不同的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)值，這些動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)值是系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行定義，明確其變化范圍，然后借助動(dòng)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(dòng)力學(xué)優(yōu)化的作用。

4 機(jī)電系統(tǒng)模塊協(xié)同優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

4.1 零件和控制模塊的優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)控制。參數(shù)采集包括音頻信號(hào)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(cè)系統(tǒng)參數(shù)，模塊數(shù)據(jù)管理器采用的是精簡(jiǎn)指令集——RISC架構(gòu)的采樣高速數(shù)字處理器，通過(guò)采用多級(jí)流水線式處理來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的參數(shù)協(xié)同性。在機(jī)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(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)處理。

機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)為曲柄滑塊，該滑塊的輸入為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，輸出為曲柄上所受力矩，滑塊上所施加的外力和運(yùn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(diǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)體單元對(duì)連桿進(jìn)行離散。連桿和機(jī)電系統(tǒng)的外部各零件連接處為接口節(jié)點(diǎn)，該接口節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)加載所有的力和運(yùn)動(dòng)副[5]。當(dāng)直流伺服電機(jī)和曲柄連接時(shí)，系統(tǒng)會(huì)得到動(dòng)力，并開(kāi)始作業(yè)。因此，電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以J表示，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)常數(shù)以Ke表示，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中伺服電動(dòng)機(jī)施加在曲柄上的轉(zhuǎn)矩TL，電機(jī)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(jì)算出機(jī)電設(shè)備的電機(jī)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(duì)機(jī)電系統(tǒng)的控制模塊參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

4.2 動(dòng)力學(xué)模型優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

協(xié)同優(yōu)化過(guò)程中多體動(dòng)力學(xué)模型必須和控制模塊參數(shù)保持一致性，如果動(dòng)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(huì)出現(xiàn)不同，所引發(fā)的結(jié)果便是拓?fù)鋬?yōu)化完成后，機(jī)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(huì)縮減。故而設(shè)計(jì)師需要注意動(dòng)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(jī)從機(jī)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(gè)個(gè)體，隨機(jī)變量以X表示，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)角以獲得公式(2)：

(2)

4.3 系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試

要實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的模塊優(yōu)化，需要處理好機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變量，根據(jù)協(xié)同優(yōu)化的過(guò)程，設(shè)計(jì)師需要以控制模塊的PID參數(shù)為基礎(chǔ)，使用MATLAB對(duì)多體動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行聯(lián)合仿真，得到機(jī)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(jī)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(jì)師可使用Java、C++等編程軟件設(shè)計(jì)與終端、電表通信相關(guān)聯(lián)的測(cè)點(diǎn)參數(shù)，校核與參數(shù)配置等模塊，對(duì)機(jī)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(shí)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(cè)定機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)是否一致，機(jī)電系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容有電流、電壓、功率和功率因數(shù)等多個(gè)內(nèi)容，采用三表法或者兩表法進(jìn)行，具體情況視機(jī)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(cè)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(cè)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(cè)出總功率與三表法的測(cè)試結(jié)果一致，都是三相負(fù)載所吸收的總功率。要明確機(jī)電系統(tǒng)正式運(yùn)轉(zhuǎn)后的工作效能以及參數(shù)協(xié)同情況，通過(guò)對(duì)電壓偏差進(jìn)行計(jì)算從而來(lái)衡量機(jī)電系統(tǒng)場(chǎng)運(yùn)行之后的情況，因此系統(tǒng)來(lái)判斷其有沒(méi)有正常運(yùn)行以及各模塊參數(shù)是否實(shí)現(xiàn)了協(xié)同化。

5 結(jié)語(yǔ)

提升機(jī)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(duì)于機(jī)電系統(tǒng)的工作效率提升以及使用壽命的延長(zhǎng)有很大的幫助。長(zhǎng)期以來(lái)，相關(guān)研究一直關(guān)注于單個(gè)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(jī)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(guò)分析實(shí)現(xiàn)方法總結(jié)出機(jī)電系統(tǒng)各參數(shù)協(xié)同優(yōu)化的步驟和實(shí)現(xiàn)框架，在機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，可通過(guò)對(duì)應(yīng)的思路和步驟實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)的模塊參數(shù)協(xié)同優(yōu)化，提高機(jī)電系統(tǒng)的運(yùn)行效率。