分析伺服系统机械结构与控制的集成优化设计

许周

摘 要：伺服系统即随动系统，属于控制系统范畴，在此系统中，输出量能够将输入量变化规律真实、客观的呈现出来，可起到放大功率信号的作用，应用表现较为突出。传统在进行系统设计时，会对系统结构与控制展开分离设计，此种设计模式虽然具有一定优势，却始终没有达到最佳系统设计水平，鉴于此，设计人员开始就伺服系统机械结构与控制集成设计展开了深度研究。

关键词：集成优化设计；动力学模型；控制；机械机构；伺服系统

伺服系统应用较为广泛，是跟踪输入指令信号展开动作，对位置以及动力输出等信息进行获取的自动化控制系统。在进行系统设计时，需要保证系统速度平稳度、位置精度以及速度精度。由于在机电系统内，机械结构动力学特性与系统控制效果有直接关联，控制参数与机械结构参数耦合关系较为凸出，所以为保证整体系统性能，应将系统控制与结构设计有机结合在一起。为科学展开系统设计，明确系统内部变量关系，需要构建起相应数学模型，以通过优化模型与筛选控制方案的方式，达到最优化集成优化设计模式。

1.系统动力学模型建设

1.1系统数学建模

控制系统数学模型是对系统内元件特性与信号传递、转换关系进行描述的数学表达式，是以研究变量间特定关系为目标的，会通过对微分方程的运用，对相关内容展开确定性描述。按照现代控制理论，时域中数学模型主要以状态空间模型、微分方程以及差分方程几种模型为主，各模型在控制系统设计与分析中均具有不可忽视的优势。其中输入输出模型会将输入、输出变量间关系直观反映出来，但却不能对内部结构以及内部变量等信息展开描述，属于不完全描述模式。而状态空间模型会将系统内外部信息完整呈现出来，描述较为完全。

在具体进行数学建模时，由于本次研究主要以控制、结构集成设计研究为主，所以会忽略电机动态特性，对系统展开针对性研究。以典型机电位置伺服系统为例。该系统主要由从动轮轴、联轴器以及主动轮轴等所组成，在电机带动下，主动轮轴会进行运动，其和从动轮轴间会以传动比为J的齿轮展开运转，而联轴器是连接从动轮轴与测试轴的重要部件。按照以往经验，会将测试轴上质量块、联轴器以及摩擦盘等均视为是系统运动负载。若设主动、从动轮轴、测试轴转角分别为θ1、θ2、θ3，三者角加速度由 表示，转速由 表示，粘性摩擦系数由d表示，三者等效到主动轮轴上的转动惯量为J，主动、从动轮轴结合处刚性系数与阻尼系数为k、b，Tc表示系统深入转矩，在忽视摩擦以及齿隙影响的状态下，本次伺服系统动力学方程如下所示：

1.2PID控制

PID是现代生产较为常见的控制手段，具有工作可靠性高、调节灵活以及结构简单等方面的优势，是现代常用控制技术。该项技术会通过线性组合手段，将偏差比例、微分以及积分组成控制量，进而对相应对象展开控制。在此，会按照环境特性以及被控对象实际情况，直接运用PID控制器对伺服系统展开仿真控制，从而完成相应控制分析任务。

2.优化设计模型

2.1顺序优化模型

2.1.1结构优化模型

在进行机械优化设计时，会在给定环境或荷载环境中，通过对其几何尺寸以及产品形态等进行约束的方式，选择最佳设计变量，进而通过设置目标函数的方式，获取最优值进而完成优化设计任务。在进行测试时，会通过在测试轴上施加不同负载的方式，对整体系统展开分析与设计。

2.1.2控制优化模型

（1）在对设计变量进行选取时，需要运用适当优化算法，对结构优化模型展开优化进而获得相应结构参数，将其作为已知常量。在此会通过对PID控制器的直接运用，科学展开控制优化模型建设。

（2）目标函数。在进行闭环系统等部分设计时，需要满足以下几项条件：①要从易加工、节约材料以及易减小体积质量等内容着手，对受控对象结构参数进行确定；②需要尽量减小控制能量；③需要保证系统性能稳定性。设计人员可按照具体要求，按照不同方式展开组合设计，进而制定出多种约束条件以及目标函数，形成不同优化设计问题，以为后续优化设计提供可靠数据参考。

（3）约束条件。伺服系统优化设计应保证闭环控制系统稳定性，系统极点应全部位于复平面左半面，且要保证从动轮轴半径能够大于主动轮轴半径一倍。

2.2集成优化模型

传统优化设计并没有将控制系统性能与机械系统性能平衡问题考虑到其中，整体设计并不全面，所以为保证系统性能，需要从全局入手，通过对控制结构与机械结构展开全面分析与优化设置的方式，制定出最佳集成优化设计方案。

在进行集成优化模型构建过程中：①选取设计变量。由于控制结构、机械结构之间关系较为复雜，两者之间存在着某种耦合关系，所以在进行设计过程中，需要做好两者关系梳理与分析，以通过全面考虑获得最佳优化参数；②设置目标函数。在进行集成设计时，需要做好控制设计与结构优化的融合，要在对两者性能展开充分分析的基础上，科学展开目标函数选取，在进行参数选择以及目标函数设置时，也需要满足结构参数易于加工以及控制量较小等方面的要求，要保证整体系统性能稳定性；③约束条件。因为伺服系统性能会通过阻尼比、超调量以及调节时间等进行体现，因此在进行约束条件选取时，需要满足几个方面的要求，一方面需要保证闭环控制系统稳定性，确保系统极点能够全部处于复平面左半面位置，系统调节时间以及超调量需要保持在相应范围内；另一方面主动轮轴半径需要保持在从动轮轴半径一半以下长度。

3.丝杆控制

伺服系统功能较为强大，不仅能够在电气控制方面得到科学应用，同时在机械控制方面也有着较为突出的表现。有关企业可通过对伺服电子凸轮的运用，对丝杆伸缩时间与运动展开控制。

为达到精准控制效果，会按照电流环、位置环以及速度环控制模式，通过对伺服控制信号设置器的运用，按照电子凸轮主轴从轴插补关系位置与速度等指令，对电流误差、位移误差以及速度误差等展开调节，可达到良好补偿效果，保证丝杆动态性能。在完成伺服控制系统组态任务后，技术人员会通过计算机对数字伺服驱动器控制参数展开设置与调整，会在控制过程中，按照系统运行结果对控制参数展开优化与改进。在不断调整、自动整定过程中，电流环、速度环控制参数会得到持续性完善，能够使丝杆运行更加满足动态需求，系统控制优势会得到充分体现。

4.结束语

鉴于集成优化设计必要性与重要性，有关部门应加大对伺服系统集成设计的研究力度。要在传统设计模式基础上，将控制、机械结构平衡性与协调性考虑到其中，进而从全局角度着手，科学展开控制系统、机械结构集成优化设计模式，确保整体伺服系统性能可以达到最佳，进而实现理想化系统应用模式，确保系统所具备的各项效能可以得到完全性发挥。

参考文献：

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