李城鑫

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000）

機(jī)電工程改造淺析

李城鑫

（西南科技大學(xué)，四川 綿陽 621000）

機(jī)電工程是集電子學(xué)、機(jī)械學(xué)、信息技術(shù)于一體的協(xié)同交叉集成。與純機(jī)械實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能相比，使用控制電路極大的簡化了設(shè)備的構(gòu)造，增加了設(shè)備的精度。加上微型計(jì)算機(jī)和電氣化在機(jī)械上的應(yīng)用，免費(fèi)的可編程程序，也逐步提高了非線性機(jī)械系統(tǒng)對于控制系統(tǒng)的適應(yīng)性。機(jī)電設(shè)備的發(fā)展離不開物理建模和傳感器。基于M EM S技術(shù)的傳感器和執(zhí)行器的進(jìn)步，成熟的CAE技術(shù)使得機(jī)電一體化在純機(jī)械中的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)。

機(jī)電工程；控制；建模

0 引言

時代的更迭，是科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，而科技的尖端則是工業(yè)水平的革命。隨著德國工業(yè)4.0的提出，機(jī)電一體化即成為時代的寵兒。相比于高新尖的各式數(shù)控機(jī)械工程，傳統(tǒng)的純機(jī)械得益于經(jīng)濟(jì)性、可靠性、使用壽命等，也有自己的生存空間。所以如何提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)精度就是機(jī)電工程對于純機(jī)械改造的重點(diǎn)所在。機(jī)電工程對于純機(jī)械系統(tǒng)的改造結(jié)果不僅僅是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床而已，而是一種基于原生態(tài)機(jī)械系統(tǒng)適應(yīng)新環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 純機(jī)械系統(tǒng)建模

1.1 基于力學(xué)理論的建模

在理論力學(xué)中，空間任意力系有力與力矩的平衡方程：

根據(jù)牛頓第二定律，在極坐標(biāo)系中表示有：

1.2 基于運(yùn)動學(xué)理論的建模

機(jī)械機(jī)構(gòu)通常有由剛體單元組成，每個剛體元件相對于相鄰元件僅有一個自由度。

剛體中除了質(zhì)心外任意一點(diǎn)速度表示為：

一般來說機(jī)械系統(tǒng)以剛體建模時，運(yùn)動約束會限制剛體自由度數(shù)。

因此我們可以借助yacobi矩陣 )(kqJ 將機(jī)構(gòu)中物理點(diǎn)速度和廣義速度聯(lián)系起來，降低剛體運(yùn)動誤差。那么（1）式可以表示為：

最后利用牛頓—?dú)W拉方程就可以推導(dǎo)出運(yùn)動模型。

2 控制系統(tǒng)的改造

2.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

現(xiàn)行的智能控制理論主要包括：自適應(yīng)控制、自組織控制、邏輯控制、遺傳算法等。在純機(jī)械系統(tǒng)的改造中，一般使用嵌入式控制系統(tǒng)綜合，控制器根據(jù)純機(jī)械運(yùn)用的環(huán)境的不同可以選用DSP、AR M、PLC、P(I) D等。如在機(jī)床當(dāng)中，利用PLC控制器進(jìn)行改造。為了保證其傳動穩(wěn)定性和精度，一般采用工藝等級較高的絲杠螺母傳動與直線滾動導(dǎo)軌。那么在機(jī)床中運(yùn)用機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的硬件框圖如圖1。

圖1 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的硬件框圖

在此PLC控制中，實(shí)用的電流放大器可以有效的避開電阻和電感問題。

又如在伺服控制系統(tǒng)中通過LQR控制器改造。一般使用Fuzzy-LQR控制算法，實(shí)用的Simulink進(jìn)行仿真，最后利用編程軟件進(jìn)行自主研發(fā)設(shè)計(jì)。在此簡單列舉幾點(diǎn)闡述伺服控制對于純機(jī)械系統(tǒng)的優(yōu)勢和使用嵌入式設(shè)計(jì)的必要性。在階躍響應(yīng)中，由柔性傳動引起的諧振時是無法避免的。利用P(I)D控制器相似的功能我們可以測量出負(fù)載角度與負(fù)載角速度。

由上可以得到系統(tǒng)的根軌跡，不難看出P(I)D控制系統(tǒng)相對簡單，與卡爾曼濾波系統(tǒng)的響應(yīng)幾乎相同，但也說明了伺服系統(tǒng)中PD控制器有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，能更好的服務(wù)于純機(jī)械系統(tǒng)。

圖2 開環(huán)響應(yīng)

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的優(yōu)化主要體現(xiàn)在制定運(yùn)用過程中，利用給定的成本函數(shù)，求解最優(yōu)化的控制參數(shù)。

在圖2所示的開環(huán)伺服系統(tǒng)中，

A為階躍幅值，由此可計(jì)算得?=1。由上圖依次優(yōu)選數(shù)值可以求取響應(yīng)周期時間T。最后可以由電機(jī)響應(yīng)函數(shù)SG求得系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)G。

分析LQR控制算法可知，其優(yōu)化方式為確定最優(yōu)反饋增益及傳遞函數(shù)優(yōu)化解。

3 反饋系統(tǒng)的改造

一般反饋系統(tǒng)可分為定值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)、程序調(diào)節(jié)系統(tǒng)。與機(jī)電工程的反饋控制系統(tǒng)不同，純機(jī)械系統(tǒng)反饋機(jī)制的改造是獨(dú)立于控制系統(tǒng)的。純機(jī)械系統(tǒng)致命的缺陷就是工作精度，反饋機(jī)制對于純機(jī)械系統(tǒng)是將系統(tǒng)輸出值進(jìn)行采集、返回輸入端，同時檢測系統(tǒng)偏差及對象特征變化，據(jù)此來控制誤差，調(diào)整系統(tǒng)行為。

我們以隨動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中的二階系性能及系統(tǒng)時域性為例進(jìn)行分析：

其中f為自然震動頻率，?為阻尼比。

最后同理將公式(7)帶入傳遞函數(shù)SG 中，做拉氏變換求取系統(tǒng)時域輸出tY，最后得到成本函數(shù)。利用iY函數(shù)不同的特征根帶入成本函數(shù)中，最后分析得到反饋響應(yīng)機(jī)制的最優(yōu)化方式。同理其他反饋機(jī)制我們也可以用相似方法優(yōu)化得到反饋系統(tǒng)的改造方案。

4 機(jī)電工程系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

機(jī)電系統(tǒng)的環(huán)境工作變量對于其工作特性有較大影響，所以除了控制器的優(yōu)化外，還需要對改造后的機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行整體優(yōu)化。先將整體優(yōu)化分為若干獨(dú)立的局部優(yōu)化，評估整體性能，最后通過調(diào)節(jié)系統(tǒng)元件，得到次優(yōu)解，即整體最優(yōu)化。

機(jī)械電子工程區(qū)別于純機(jī)械系統(tǒng)，除了高精度外還需要快速響應(yīng)和良好的穩(wěn)定性。

（1）快速響應(yīng)?？刂破靼l(fā)出指令后，經(jīng)過功率放大器使純機(jī)械系統(tǒng)得到執(zhí)行指令，而快速響應(yīng)是機(jī)械系統(tǒng)從接到到執(zhí)行指令的時間間隔段。只有良好的響應(yīng)機(jī)制，才能保證系統(tǒng)與控制器執(zhí)行一致，即精確完成任務(wù)，降低反饋系統(tǒng)的增益量。

（2）良好的穩(wěn)定性。機(jī)電工程中的裝置一般要求系統(tǒng)即使在溫度、濕度等環(huán)境下也能達(dá)到設(shè)計(jì)的工作壽命，系統(tǒng)抗干擾能力也要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)機(jī)械系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)對系統(tǒng)成本函數(shù)影響較大時，應(yīng)該適當(dāng)降低環(huán)境和外界干擾的影響。常用方法有提高系統(tǒng)剛度、調(diào)整阻尼比、提高裝配精度等。

（3）設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化。優(yōu)化參數(shù)是指優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，從參數(shù)集合Q中選出滿足純機(jī)械系統(tǒng)建模的參數(shù)kq，最后帶入系統(tǒng)總成本參數(shù)0G中求取極值。具體如下：

①分析建立優(yōu)化問題的動態(tài)模型。

②確定目標(biāo)函數(shù)0G。

③確定約束函數(shù)kR。

④根據(jù)實(shí)際需求合適的優(yōu)化方案。

⑤由{kq}帶入動態(tài)模型中，求解0G極值。

如果成本參數(shù)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)綜合影響結(jié)構(gòu)屬性，那么需要根據(jù)機(jī)電系統(tǒng)特性分立多個目標(biāo)函數(shù)和獨(dú)立的約束函數(shù)，求取多個平均優(yōu)化值，最后根據(jù)成本函數(shù)對優(yōu)化值的靈敏度，選擇最優(yōu)變量。

5 結(jié)論

機(jī)械系統(tǒng)在改造為機(jī)電系統(tǒng)過程中，對控制系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)進(jìn)行綜合優(yōu)化后，集成控制與反饋為一體，提高了工作精度與控制靈敏度。同時，機(jī)電系統(tǒng)整體的優(yōu)化降低了電能對于智能控制系統(tǒng)的負(fù)增益效果，大大提高了系統(tǒng)的使用壽命。

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1671-0711（2016）10（上）-0055-02