浅析机电系统各模块参数的协同优化

王 纯，陆源源

(连云港职业技术学院，江苏连云港，222000)

1 引言

在机电系统中，模块的参数协同是保证机电设备稳定运行，有效作业的基础条件之一。长期以来，参数不协同因素就一直存在于机电系统中，因为模块之间存在的参数误差，最终造成了设备无法高效作业，因为一直缺乏人员也一直缺乏有效的优化措施，导致模块间的参数问题得不到解决。为了维护设备运转，保证机电系统的正常运行，需要对系统模块的参数调校进行研究，从而总结出对应的优化措施，以提升模块间的参数协同性，加强系统的运转稳定程度和使用周期延长。

2 参数协同的重要性

机电设备是由机械系统和控制系统两大系统组成。这两个系统决定了机电设备的系统参数，而相对应的，系统参数也会决定机电设备的机械性能和控制性能，即系统参数和设备的动态性能呈互相影响状态，前者会作用于后者，导致后者发生改变，而后者的变化则会反作用于前者，促使前者性能发生对应的调整。所以，在机电系统设计过程中，同时考虑系统各模块的参数，并将这些参数进行协同优化有助于提升产品的性能[1]。

目前，大部分的参数优化研究文献都偏重于控制系统参数优化或机械系统参数优化，少有将各系统和模块之间进行联系，也缺乏对不同模块相互影响的研究。机电系统是由多个模块构成，想要提升机电设备的性能和效率，就需要从不同模块间的参数关联处出发，实现参数的协同优化，只有如此，才能保证机电设备性能的有效提升。

3 机电系统协同优化的策略

3.1 控制模型的降阶及优化

要实现对不同模块间的协同优化，首先需要建立仿真模型，机电设备的设计是以多体动力学为基础，所以机电系统的状态空间模型需以多体动力学软件制作并导出，然后在控制软件内仿真，控制模块是机电系统中较复杂的一部分，涉及的指令较多，优化程度高，往往需要进行几十到几百步的迭代才能完成对该模块的优化，这样必然会造成一个明显的时间问题，因为模块的迭代过多，设计师需要思考如何降低时间消耗，比较常用的方法是关键模态法。MATLAB作为一种商业数学软件，以语句、函数、数据结构构成，该软件的语言可移植性好，具有极强的可扩展性和包容性，能同时支持C语言，C++和JAVA等多种编程语言。

因此，可以利用C++或者Java配合Python编程语言建立起Python图像库，然后借助Python图像库构建起机电系统的数据模型，通过模型测算机电系统的模块参数。若设计师的编程语言能力不足，也可直接使用MATLAB自带的图像功能建立起测算用的机电数据模型，然后通过MATLAB的series串行系统连接，使之建立起三维环境，在使用MATLAB的c2dm指定方法变连续为离散系统，让联合拟真效果可以达到最佳状态，并应用minreal对模型实现最小化和零极点对消，modred命令对系统进行降阶[2]。

3.2 多体动力学模型的优化

多体动力学模型负责用于机电系统中和控制系统对应的机械系统的优化，该模型负责设备各组件的相对位置、阻尼系数等参数的计算和组合，使之形成协调性，机电参数的协同搭配会形成不同的动态性能指标值，这些动态性能指标值是系统的目标函数。通过对设计变量进行定义，明确其变化范围，然后借助动态性能指标值创建目标函数，根据变化范围和相互之间的关系创建约束条件，以便达成动力学优化的作用。

4 机电系统模块协同优化的实现

4.1 零件和控制模块的优化实现

控制系统和机械系统的各项数据进行数据采集和实时控制。参数采集包括音频信号相关参数、模块工作参数、电力参数和环境与安防检测系统参数，模块数据管理器采用的是精简指令集——RISC架构的采样高速数字处理器，通过采用多级流水线式处理来实现系统的参数协同性。在机械系统的内部，可内置USB接口、SPI接口、IIC接口等接口，提高数据采集的执行效率，便于参数的收集，控制系统的控制芯片可内嵌wince和linux等复杂的操作系统，以便于使用者管理和操作不同事件，实现多任务的实时处理。

机电系统的机械结构为曲柄滑块，该滑块的输入为曲柄转动角速度，输出为曲柄上所受力矩，滑块上所施加的外力和运动方向呈现为相反状态，曲柄和滑块属于刚体零件，而连杆属性柔性零件。要实现对控制模块的参数协同优化，需要根据设备的材料弹性模量、泊松比和密度，ANSYS需以三维二十节点结构实体单元对连杆进行离散。连杆和机电系统的外部各零件连接处为接口节点，该接口节点负责加载所有的力和运动副[5]。当直流伺服电机和曲柄连接时，系统会得到动力，并开始作业。因此，电机的电枢输入电压以Ua(s)表示，转矩系数以Kt表示，电枢电感以La表示，电枢电阻以Ra表示，电机转动惯量以J表示，感应电动势常数以Ke表示，运动过程中伺服电动机施加在曲柄上的转矩TL，电机输出转角以θ(s)表示，得到下列公式(1)：

(1)

根据上述公式计算出机电设备的电机输出转角，然后将该转角的负载转矩输入到MATLAB软件的模型中，进行三维环境下的拟真演算，最后根据该结果对机电系统的控制模块参数进行优化。

4.2 动力学模型优化实现

协同优化过程中多体动力学模型必须和控制模块参数保持一致性，如果动力学模型和控制模块参数发生偏差，则柔性零件的载荷历程也会出现不同，所引发的结果便是拓扑优化完成后，机电设备的柔性零件形状出现差异设备的使用周期会缩减。故而设计师需要注意动力学模型和控制模块参数的平衡性，首先使用微分进化算法，随机从机电系统中选取初始种群，使系统可以达成一致覆盖全部参数空间的目的，以NP为种群数，i表示第i个个体，随机变量以X表示，电机输出转角以获得公式(2)：

(2)

4.3 系统参数测试

要实现机械系统的模块优化，需要处理好机电系统的设计变量，根据协同优化的过程，设计师需要以控制模块的PID参数为基础，使用MATLAB对多体动力学模型进行联合仿真，得到机械系统在优化前和优化后的所受力矩，将优化后机械系统所受力矩的最大值和优化前的受力矩比较，确定减小幅度。设计师可使用Java、C++等编程软件设计与终端、电表通信相关联的测点参数，校核与参数配置等模块，对机械系统的模块参数进行调节，使之和控制系统模块随时匹配，保证模块参数的协同性。

完成参数调节后，需要测定机电系统的运行参数是否一致，机电系统的测试内容有电流、电压、功率和功率因数等多个内容，采用三表法或者两表法进行，具体情况视机电设备的线路构成而定，三表法主要用于三相四线制电路的测量，其总功率为各相功率相加、各相电流、各相电压相加，以PA、PB、PC代表各相功率，iA、iB、iC代表各相电流，UA、UB、UC代表各相电压，那么三表法的测量公式(3)为：

P总=PA+PB+PC=UAiA+UBiB+UCiC

(3)

两表法则用于三相三线制电路，公式为：

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)

不难发现，两表法的测出总功率与三表法的测试结果一致，都是三相负载所吸收的总功率。要明确机电系统正式运转后的工作效能以及参数协同情况，通过对电压偏差进行计算从而来衡量机电系统场运行之后的情况，因此系统来判断其有没有正常运行以及各模块参数是否实现了协同化。

5 结语

提升机电设备的各模块参数协同性，让不同系统和组件的数值达到最优，对于机电系统的工作效率提升以及使用寿命的延长有很大的帮助。长期以来，相关研究一直关注于单个模块或者系统的参数调整，缺乏统一性，难以从整体上为机电系统的优化提供帮助，本文以MATLAB、ANSYS等软件作为系统模型的建立和导出模块参数的媒介，并通过分析实现方法总结出机电系统各参数协同优化的步骤和实现框架，在机电系统的设计过程中，可通过对应的思路和步骤实现机电系统的模块参数协同优化，提高机电系统的运行效率。