淺談基于機電耦合的數(shù)控系統(tǒng)的解耦控制與仿真分析

尹方

摘要：隨著科技的發(fā)展，電子計算機技術(shù)、信息技術(shù)得到了迅速地發(fā)展，數(shù)控技術(shù)也廣泛的應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)及設(shè)備制造中，已經(jīng)成為一種關(guān)系到整個制造生產(chǎn)關(guān)鍵的技術(shù)類型，具有穩(wěn)定、快速、準確的特性。本文通過傳動系統(tǒng)中的機電耦合數(shù)控系統(tǒng)特性，對建模方法進行研究，對其中的解耦控制和仿真進行分析。利用大型的加工模型作為依據(jù)，分析了剛度和誤差對整個伺服系統(tǒng)的影響，為整個的探究提供了有力的證據(jù)。

關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng);機電耦合;解耦;仿真

數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，技術(shù)發(fā)展得也越來越成熟，在整個的研究系統(tǒng)中占有很重要的位置，成為各種高科技設(shè)備的重要核心技術(shù)。對于耦合這種具有十分強大影響力的現(xiàn)象，是需要被盡快解決的，而且這并不是一件可以容易解決的事情，其中的相互關(guān)聯(lián)性非常強。除去傳統(tǒng)的方式，對于解耦的控制成為人們研究的重點，并且利用耦合的現(xiàn)象引發(fā)了仿真的研究，對耦合的具體表現(xiàn)做出了反應(yīng)，驗證了解耦的具體過程。

1.數(shù)控系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)是將多種先進機電設(shè)備整合為一體化的一種高科技產(chǎn)品，具有高精度、柔性化、多軸化、軟件及硬件開放化、智能化等特性。在競爭激烈的市場中具有穩(wěn)定的地位和超強的競爭力，受到越來越多人的重視和好評。

近些年，我國在數(shù)控系統(tǒng)方面雖然取得了迅猛的發(fā)展，但是仍然有許多系統(tǒng)是從國外引進，尤其是在一些重要設(shè)備的開發(fā)能力上還有著很大的不足，對性能和功能的研究等方面都有很大的提升空間，因此加快對數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)成了發(fā)展我國系統(tǒng)控制的重中之重，為此國家也出臺了一些關(guān)于這方面發(fā)展的政策，提出了堅持自主開發(fā)系統(tǒng)，結(jié)合國外先進技術(shù)，做出具有符合我國生產(chǎn)條件的獨特數(shù)控系統(tǒng)設(shè)備。在這之后，經(jīng)過大力發(fā)展，一些系統(tǒng)的性能也已經(jīng)一步步地的完善，國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控設(shè)備市場占有率有了較大的提升。

在機電系統(tǒng)中，兩個及以上的電路中對于輸出和輸入之間會相互影響，這種現(xiàn)象被稱為耦合。數(shù)控機床中以交流電作為動力源，更容易產(chǎn)生耦合現(xiàn)象，耦合現(xiàn)象對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性有很大影響。所以說，研究耦合現(xiàn)象對機電系統(tǒng)發(fā)展的穩(wěn)定和高準確率上都發(fā)揮著重要的意義。

2.數(shù)控系統(tǒng)中的機電耦合分析

在整個數(shù)控系統(tǒng)中，機電耦合常常存在于電磁轉(zhuǎn)矩、諧波轉(zhuǎn)矩、微變量控制耦合三種形式中。經(jīng)系統(tǒng)的研究之后，將機電耦合數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)作為研究對象，研究其特點，保證整個系統(tǒng)不失真的情況下，對部分系統(tǒng)進行獨立建模，利用建模的方式，為系統(tǒng)的性能分析、解耦方法和仿真分析創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

3.解耦控制技術(shù)

為了消除這種相互影響，需要解耦。解耦問題的實質(zhì)就是一種非線性的、多變的控制問題。通過對數(shù)學(xué)模型的研究，得出了多個變量的系統(tǒng)解耦理論，但是它在應(yīng)用上是有局限性的。解耦的控制由于針對性較強，只能適應(yīng)線性的控制系統(tǒng)和弱非線性的系統(tǒng)，而對其他較強的非線性系統(tǒng)則不能控制。還有一種通過一種微積分理論進行解耦的方法，但是在控制中需要大量抽象的計算，十分的復(fù)雜，一般在實際工作中很少用到。

退火遺傳的算法和根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的快速適應(yīng)方法在解耦控制中能夠彌補過于復(fù)雜的解耦理論。對于未知的控制對象，適宜采用這種計算原理簡單的控制手段，能夠達到理想的控制效果。而對于非常復(fù)雜的系統(tǒng)，則適宜采用神經(jīng)網(wǎng)快速自適應(yīng)控制方法，以達到完全的解耦。

3.1退火遺傳的輸出反饋法解耦

根據(jù)退火方法解耦實際上就是開環(huán)的解耦方式，這種控制技術(shù)將精度進一步提升，但是對其他的性能控制不是很理想，尤其在進行非線性的系統(tǒng)控制中特別明顯。耦合的輸入輸出是可以測量得到的，但是對于解耦對象的數(shù)學(xué)模型是未知的，輸入和輸出的內(nèi)部狀態(tài)關(guān)系也很難了解到，所以在耦合控制的方法中，首先選擇的控制方式就是輸出反饋的解耦控制法。

3.2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)解耦控制

在相同的輸入情況下，解耦的控制系統(tǒng)中，實際輸出以及目標輸出是一致的。在通過訓(xùn)練后，整個解耦系統(tǒng)能夠通過利用的目標系統(tǒng)進行表述，而且是解耦完全的輸入和輸出。這種方法在復(fù)雜系統(tǒng)控制的情況下經(jīng)常被應(yīng)用。

3.3復(fù)雜解耦控制舉例

以數(shù)控機床為例，進行線性化的解耦控制。在大功率晶體管工作的時候，出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，不能對轉(zhuǎn)矩進行連續(xù)控制。所以通過對矢量的控制使交流永磁電機轉(zhuǎn)換為直流電機進行有效控制。永磁電機將直軸電流控制在0，就可以控制轉(zhuǎn)矩，在靜態(tài)或者動態(tài)時都能保持解耦的狀態(tài)。

由此可以得出，在解耦的控制下，交流和直流伺服系統(tǒng)一樣，都具有優(yōu)越性。

4.仿真分析

為了驗證解耦控制系統(tǒng)的可應(yīng)用性和可利用性，可以利用仿真軟件對解耦的系統(tǒng)進行設(shè)計，從而將控制系統(tǒng)應(yīng)用到耦合系統(tǒng)中，對機電耦合的數(shù)控系統(tǒng)進行控制解耦。

4.1動態(tài)特性仿真分析

應(yīng)用系統(tǒng)對模型系統(tǒng)進行仿真，從模塊窗口建立模型進行作圖分析。將Step信號模塊進行仿真模型的設(shè)置，從得到的曲線可以推斷出動態(tài)的系統(tǒng)控制的特性好，響應(yīng)快。通過對參數(shù)的修改，得到較為優(yōu)良的系統(tǒng)性能，為伺服系統(tǒng)設(shè)計打好了基礎(chǔ)。

4.2傳動剛度的仿真分析

影響伺服系統(tǒng)的條件之一就是剛度，通過對剛度的修改來改變系統(tǒng)的特性。

4.3傳動誤差的仿真分析

當(dāng)整個系統(tǒng)的傳動中存在誤差時，相當(dāng)于在本身的系統(tǒng)中加上了干擾信號。通過構(gòu)建關(guān)于傳導(dǎo)模型，得出了正弦的曲線圖，根據(jù)曲線的走向可知，誤差控制在一定范圍內(nèi)是不會對系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響的，而過大時，就會通過各種回路顯示出來，對系統(tǒng)的精度產(chǎn)生影響。

4.4對仿真分析的舉例

為了能夠正確認識仿真系統(tǒng)，通過利用仿真軟件來設(shè)計解耦控制設(shè)備，將控制器應(yīng)用到系統(tǒng)中，對數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)實際情況進行仿真分析，通過對信號的辨認驗證整個系統(tǒng)的解耦效果，進一步驗證這種控制器在不同信號的情況下對機電耦合控制系統(tǒng)進行解耦。

5.結(jié)語

綜上所述，機電系統(tǒng)中耦合現(xiàn)象的產(chǎn)生給生產(chǎn)帶來了很多的弊端，但是由于技術(shù)的發(fā)展和對整個耦合現(xiàn)象的具體研究，我們得出了幾種可解耦的控制系統(tǒng)方法。通過對復(fù)雜的機電系統(tǒng)進行分析以及仿真研究，得出傳動剛度、傳動誤差在系統(tǒng)中的影響規(guī)律。

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