机电工程改造浅析

李城鑫

（西南科技大学，四川 绵阳 621000）

机电工程改造浅析

李城鑫

（西南科技大学，四川 绵阳 621000）

机电工程是集电子学、机械学、信息技术于一体的协同交叉集成。与纯机械实现系统功能相比，使用控制电路极大的简化了设备的构造，增加了设备的精度。加上微型计算机和电气化在机械上的应用，免费的可编程程序，也逐步提高了非线性机械系统对于控制系统的适应性。机电设备的发展离不开物理建模和传感器。基于M EM S技术的传感器和执行器的进步，成熟的CAE技术使得机电一体化在纯机械中的应用成为现实。

机电工程；控制；建模

0 引言

时代的更迭，是科学技术的不断发展，而科技的尖端则是工业水平的革命。随着德国工业4.0的提出，机电一体化即成为时代的宠儿。相比于高新尖的各式数控机械工程，传统的纯机械得益于经济性、可靠性、使用寿命等，也有自己的生存空间。所以如何提高生产效率和生产精度就是机电工程对于纯机械改造的重点所在。机电工程对于纯机械系统的改造结果不仅仅是现代数控机床而已，而是一种基于原生态机械系统适应新环境的优化设计。

1 纯机械系统建模

1.1 基于力学理论的建模

在理论力学中，空间任意力系有力与力矩的平衡方程：

根据牛顿第二定律，在极坐标系中表示有：

1.2 基于运动学理论的建模

机械机构通常有由刚体单元组成，每个刚体元件相对于相邻元件仅有一个自由度。

刚体中除了质心外任意一点速度表示为：

一般来说机械系统以刚体建模时，运动约束会限制刚体自由度数。

因此我们可以借助yacobi矩阵 )(kqJ 将机构中物理点速度和广义速度联系起来，降低刚体运动误差。那么（1）式可以表示为：

最后利用牛顿—欧拉方程就可以推导出运动模型。

2 控制系统的改造

2.1 控制系统设计

现行的智能控制理论主要包括：自适应控制、自组织控制、逻辑控制、遗传算法等。在纯机械系统的改造中，一般使用嵌入式控制系统综合，控制器根据纯机械运用的环境的不同可以选用DSP、AR M、PLC、P(I) D等。如在机床当中，利用PLC控制器进行改造。为了保证其传动稳定性和精度，一般采用工艺等级较高的丝杠螺母传动与直线滚动导轨。那么在机床中运用机电一体化控制系统的硬件框图如图1。

图1 机电一体化控制系统的硬件框图

在此PLC控制中，实用的电流放大器可以有效的避开电阻和电感问题。

又如在伺服控制系统中通过LQR控制器改造。一般使用Fuzzy-LQR控制算法，实用的Simulink进行仿真，最后利用编程软件进行自主研发设计。在此简单列举几点阐述伺服控制对于纯机械系统的优势和使用嵌入式设计的必要性。在阶跃响应中，由柔性传动引起的谐振时是无法避免的。利用P(I)D控制器相似的功能我们可以测量出负载角度与负载角速度。

由上可以得到系统的根轨迹，不难看出P(I)D控制系统相对简单，与卡尔曼滤波系统的响应几乎相同，但也说明了伺服系统中PD控制器有很强的自适应性，能更好的服务于纯机械系统。

图2 开环响应

2.2 优化设计

控制系统的优化主要体现在制定运用过程中，利用给定的成本函数，求解最优化的控制参数。

在图2所示的开环伺服系统中，

A为阶跃幅值，由此可计算得ℜ=1。由上图依次优选数值可以求取响应周期时间T。最后可以由电机响应函数SG求得系统的响应函数G。

分析LQR控制算法可知，其优化方式为确定最优反馈增益及传递函数优化解。

3 反馈系统的改造

一般反馈系统可分为定值调节系统、随动调节系统、程序调节系统。与机电工程的反馈控制系统不同，纯机械系统反馈机制的改造是独立于控制系统的。纯机械系统致命的缺陷就是工作精度，反馈机制对于纯机械系统是将系统输出值进行采集、返回输入端，同时检测系统偏差及对象特征变化，据此来控制误差，调整系统行为。

我们以随动调节系统中的二阶系性能及系统时域性为例进行分析：

其中f为自然震动频率，ς为阻尼比。

最后同理将公式(7)带入传递函数SG 中，做拉氏变换求取系统时域输出tY，最后得到成本函数。利用iY函数不同的特征根带入成本函数中，最后分析得到反馈响应机制的最优化方式。同理其他反馈机制我们也可以用相似方法优化得到反馈系统的改造方案。

4 机电工程系统的优化设计

机电系统的环境工作变量对于其工作特性有较大影响，所以除了控制器的优化外，还需要对改造后的机电系统进行整体优化。先将整体优化分为若干独立的局部优化，评估整体性能，最后通过调节系统元件，得到次优解，即整体最优化。

机械电子工程区别于纯机械系统，除了高精度外还需要快速响应和良好的稳定性。

（1）快速响应。控制器发出指令后，经过功率放大器使纯机械系统得到执行指令，而快速响应是机械系统从接到到执行指令的时间间隔段。只有良好的响应机制，才能保证系统与控制器执行一致，即精确完成任务，降低反馈系统的增益量。

（2）良好的稳定性。机电工程中的装置一般要求系统即使在温度、湿度等环境下也能达到设计的工作寿命，系统抗干扰能力也要达到标准。

当机械系统的环境参数对系统成本函数影响较大时，应该适当降低环境和外界干扰的影响。常用方法有提高系统刚度、调整阻尼比、提高装配精度等。

（3）设计参数优化。优化参数是指优化结构参数，从参数集合Q中选出满足纯机械系统建模的参数kq，最后带入系统总成本参数0G中求取极值。具体如下：

①分析建立优化问题的动态模型。

②确定目标函数0G。

③确定约束函数kR。

④根据实际需求合适的优化方案。

⑤由{kq}带入动态模型中，求解0G极值。

如果成本参数的优化结构综合影响结构属性，那么需要根据机电系统特性分立多个目标函数和独立的约束函数，求取多个平均优化值，最后根据成本函数对优化值的灵敏度，选择最优变量。

5 结论

机械系统在改造为机电系统过程中，对控制系统和反馈系统进行综合优化后，集成控制与反馈为一体，提高了工作精度与控制灵敏度。同时，机电系统整体的优化降低了电能对于智能控制系统的负增益效果，大大提高了系统的使用寿命。

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TH715

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1671-0711（2016）10（上）-0055-02