（机械电子工程专业论文）平面机构结构和控制的并行设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第上亟摘机电设备在当今工业中得到广泛地应用，它有效地加快了工业生产自动化的进程，影响着各行各业的发展，而其中设计方法直接决定着机电产品性能的好坏。如何通过改进机电系统的设计方法来提高产品的性能已成为现今众所关注的热点领域。以前的机电系统设计是分开处理机构部分与控制部分，先设计机构部分，再设计控制部分。这样，控制部分受到机构部分的制约，即使先进的控制器也不能有效地消除由于机构设计不合理引起的振动、栌宦不高等问题。所以关于如何高效地把机构设计与控制器设计结合起来的研究具有重要的理论和实际意义。论文主要研究的内容是：对机电系统中机构与控制并行设计的方法( 即如何把机构设计与控制设计相结合) 进行了理论上的探讨，指出通过改善机构的构型和对机构进行质量平衡能有效地简化控制部分的设计、减小系统的速度波动、提高综合性能。通过分析机器人手的演化来揭示机构的构型与控制设计之间的关系。在电机驱动的平面四秆机构设计中，首先对机构进行质量平衡，这不但减小了速度波动，而且也简化了状态方程；再针对系统的状态方程非线性、时变特性选用单神经元自适应p i d 控制器的方法，有效的消除了系统的速度波动。论文利用m a t l a b 对电机驱动平面四杆机构的运动性能进行了模拟，对相关结论进行了验证。关键词：平面四杆机构；机构结构与控制的并行设计；质量平衡；单神经元自适应p i d 控制；m a t l a b+ 国家自然科学基金资助项目( 批准号5 0 1 7 5 0 9 3 )西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页a b s t r a c l i m e c h a t r o n i c ss y s t e mi su s e dw i d e l yi nm o d e r ni n d u s t r y i tc a nf a c i l i t a t et h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o na n di n f l u e n c ee v e r yf i e l dw i t h i nt h em e c h a t r o c i s t h ed e s i g nm e t h o d o l o g yd e t e r m i n e st h eq u a l i t yo fp r o d u c t s h o wt oi m p r o v et h ed e s i g nm e t h o d o l o g yt ob e t t e rt h eq u a l i t yo fp r o d u c t si sc o n c e r n e di n t e n s i v e l y i nt h ep a s t ，m e c h a n i c a lp a r ta n dc o n t r o lp a r ta r ed i v i d e ds e q u e n t l y ，f i r s t l yt h em e c h a n i c a lp a r t ，t h e nt h ec o n t r o l l e r s o m e t i m e st h ec o n t r o ld e s i g ni sr e s t r i c t e db ym e c h a n i c a ld e s i g n e v e nt h ea d v a n c e dc o n t r o ls y s t e mc a n n o te l i m i n a t et h ep r o b l e m sb e c a u s eo ft h e b a dm e c h a n i c a ld e s i g n ，s u c ha sv i b r a t i o na n dl o wp r e c i s i o r , t h er e s e a r c ha b o u th o wt oc o m b i n em e c h a n i c a ld e s i g na n dc o n t r o ld e s i g ni sm e a n i n g f u li np r a c t i c e t h i st h e s i sc o n s i s t so ft h r e ep a r t s f i r s t l y ，i tt h e o r e t i c a l l yd i s c u s s e st h ec o n c u r r e n td e s i g nb e t w e e nm e c h a n i c a la n dc o n t r o ls y s t e m ，s h o w i n gi t ss i g n i f i c a n c e a n dw ec a ni m p r o v et h em e c h a n i c a ld e s i g ns u c ha sm o r p h o l o g ya n dm a s s d i s t r i b u t i o nt os i m p l i f yt h ec o n t r o ld e s i g n 、r e d u c et h ev i b r a t i o no fm e c h a t r o n i c ss y s t e ma n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e s e c o n d l y ，f o u r b a r1i n k a g e sd r i v e nb ym o t o ra n d t h er o b o th a n d sa r ep r o p o s e dt oa n a l y z et h ef e a s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fc o n c u r r e n td e s i g n t h ee v o l u t i o no fr o b o th a n d sp a r t l ys h o w sr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e g r e eo ff r e e d o ma n dc o n t r 0 1 i nt h ed e s i g no ff o u r b a rl i n k a g e sd r i v e nb ym o t o r ，t h em a s s d i s t r i b u t i o ni su s e dt oc o u n t e r a c tt h ef l u c t u a t i o no fs y s t e ma n di m p r o v et h ep e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e ra p p li e sa na d a p t i v en e u r o np i dc o n t r o l l e rf o rn o n l i n e a rt i m e - v a r i a b l es y s t e m i te f f i c i e n t l yl e s s e n st h ef l u c t u a t i o n ，a c c o m p a n y i n gw i t hm a s s r e d i s t r i b u t i o n a tl a s t ，t h i sp a p e rs i m u l a t e st h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo ff o u r b a r1 i n k a g e sd r i v e nb ym o t o ru n d e rt h eh e l po fm a t l a bs o f t w a r ep a c k a g et op r o v et h ec o n c l u s i o 口m e n t i o n e da b o v e k e y w o r d s ：f o u r b a r1i n k a g e s ：c o n c u r r e n td e s i g nb e t w e e nm e c h a n i s ma n dc o n t r o l ：m a s s d i s t r i b u t i o n ：a d a p t i v en e u r o np i dc o n t r o l l e r ：m a t l a bs p o n s o r e db yc h i n an a t u r a ls c i e n c ef u n d ( n o ：5 0 1 7 5 0 9 3 )西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 机构学的重要地位中国在2 0 0 1 年上半年加入世界贸易组织后，我国的机械工业将面临很大的冲击，这主要是由于机械设计机械工程以下的重要学科在近年来没有受到足够的重视。从过去多年的经验我们可以看出不加强机械设计及理论的研究就难以使我国机械工程整体水平和创新能力得到迅速发展，我国目前缺乏自主知识产权的机械产品就是明证。因此我们没有理由忽视机械设计及理论的研究，忽视对它的研究必然削弱机械工程的基础研究，对机械工程的发展会造成无法弥补的损失。而机构学是机械设计及理论中的重要分支，是机械设计理论中不可取代的基础研究内容。现今机构学广泛应用于航空航天、工业机器人、医疗等各个领域，它的发展直接制约着工业化、现代化发展的步伐。但近年来，许多企业、事业单位忽视它的重要性，盲目地引进国外的先进产品，许多先进的技术不能得到充分的消化和吸收，从而制约着工业水平的快速提高。所以了解现代机构学“的发展和前景，加强对它的重视已成为当务之急。1 2 现代机构学的发生，发展及特点传统的机构学形成于1 9 世纪，是指由刚性构件组成的，具有确定运动机构的结构学、运动学、动力学，它是以力学为基础发展而来的。传统机构学的特点是：主动构件作等速运动，输出运动仅与机构的结构尺寸有关。它对于推动当时蒸汽机的发展，纺织机械的创新和内燃机性能的改善均起着不可估计的作用。另一方面，在推动工业进程中机构学也得到不断的发展、完善与创新。2 0 世纪7 0 年代又是机构学发展历程中的一个里程碑。美国、日本相继提出现代机械系统和机械电子学，他们认为“机电一体化是在动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成的系统”。指出了现代机械的主要特征是计算机协调与控制，代表着传统的机构学逐步向现代机构学( 广义机构学) 发展。现代机构学不是单纯以力学为基础，而是融合了电机技术、液压技术、光学、磁学、材料学、微电子学、生物技术等多种学科的一种新技术，它主要体现在机构的广义化和可控化。广义化是指引入弹性构件、挠性构件，驱动元件与机构系统集成等。可控化是指要求机构实现可控、可调、柔性输出。显然，传统机械装置不具有控制系统，很难达到现代机械对机构的性能要求。机械学从单一学科发展到与微电子技术、西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页控制技术紧密结合的综合性学科已成必然。二十世纪末出现的现代机构能有效地克服传统机构精度不高等缺点。现代机构是实现可控机构的驱动元件和由刚性、非刚性构件组成的运动链集成的系统。它可以根据功能需求变化，调节驱动元件的特性参数，实现可控输出。它与传统机构学比较有以下几个特点：( 1 ) 对机构的内涵有显著的发展。传统的刚性构件机构的输出主要取决于机构的类型和尺寸。等速驱动使机构输出缺乏柔性。现代机构将驱动元件和机构融合在一起，通过控制驱动元件使输入可变，机构的输出取决于可变的输入、机构类型和尺度，使输出具有可控性、柔性。( 2 ) 在机器的构成方面，融入了信息处理和控制的计算机。它将机械结构、电子计算机技术和传感技术等集成在一起形成新一代的现代机器。( 3 ) 现代机构学更注重考虑多种因素的动态分析和动态设计，力求提高机器的动态性能以及动态稳定性，使机械产品性能得以提高。现代机构区别于传统机构的突出特点是有源性，它强调驱动元件与机构类型的集成。1 3 现代机构学的研究状况现在机构学已渐渐向广义机构发展。在机构学的设计中，机构的设计必然要与控制等多种学科相结合，因为这能有效地改进系统的精度和运行综合性能。国内外的学者逐渐意识到现代机构的可控性与受控性的重要性，早在八十年代，程光蕴等就开始关注现代机构的可控受控性，对两自由度连杆机构精确实现平面轨迹进行研究。针对如何在机电系统设计时把机构和控制联系起来，国外已有许多学者进行了相应的研究，九十年代中期r a i 就着手对机电系统中常规的顺序设计方法进行改进，后来a s a d a 提出机电系统中可用迭代的方法来同时设计机构与控制，p i l 在1 9 9 6 年进一步改善迭代方法。但是，现在国内对此方面的研究还处于起步阶段。本论文主要是关于机电系统机构与控制的并行设计。首先从理论上阐述机电系统机构与控制的并行设计方法。再以机器人手和电机驱动的平面四杆机构为例，分别分析了机构自由度与控制的关系，以及机构质量分配对速度波动和控制器选取的影响。西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页第2 章现代机构及其应用传统机构是由单自由度闭链机构与多自由度开链机构组成。传统的常速电机驱动的闭环机构，输出运动仅与机构的结构尺寸有关，只能近似实现单一任务，实现轨迹上的少数有限点，不能精确实现任意给定运动。开链机构系统具有很好的柔性，但是系统的输出运动精度不高，运动速度不快，承载能力不强，控制复杂。传统的传动和执行机构系统的最大问题是缺乏可控性，这样可控受控机构应运而生。现代机构主要分为可控机构与受控机构，以下对它们进一步阐述。2 1 可控机构可控机构是指单自由度机构中的某些结构运动参数或机构的输入运动和多自由度闭链机构中的某些运动，这些运动可用微机进行实时控制或以人工手动方式进行多固定位置的控制，可以实现柔性输出，改善机构的运动和动力特性。它能有效克服传统机构的缺点，综合了单自由度闭链机构和开链机构的优点，只需适当调节驱动元件的控制参数，就能对功能需求的变化做出快速发应。可控机构具有闭链机构刚性好、运动速度快、承载能力强，以及开链机构柔性好的特点，从而有效地满足了现代产品的高性能、小批量、多品种的需求0 1 。2 1 1 可控机构的分类可控机构根据其驱动类型及驱动方式的不同，可分为以下几类：2 1 1 1 可调机构可调机构是指单自由度机构的某些机构尺寸连续调节或手动调节以实现输出多任务。可调机构的研究始于六十年代初，按其实现功能分为：1 、轨迹综合的可调机构2 、实现运动综合的可调机构3 、实现函数综合的可调机构2 1 1 2 变输入机构变输入机构是单自由度机构输入由微机控制，以改善机构系统的运动和动力性能。传统的输入大多是等速运动，这种传统机构存在缺乏输出柔性，机构的设计空间受限制；而且不能适应机构参数的变化和工作条件的变化等缺点。变输入机构可以根据机构的运动和动力性能要求，设计变速输入函数以及可以实现机构参数二维设计空间，从而实现机构的柔性输出，减小机构的振动，实现误差补偿。按变速单元的类型，变输入机构可分为：西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页1 、机械式变输入机构变速单元是一组具有变速比的机械装置，可将输入轴的匀速运动转化为要求的速度函数。2 、伺服式变输入机构用伺服电机作机构的动力输入，伺服电机可产生要求的速度函数用来直接驱动机构的输入构件。3 、混合输入机构混合输入机构是指多自由度机构的输入由常速电机和伺服电机驱动，以实现机构精确的多任务输出。4 、电子凸轮机构电子凸轮机构系统是由计算机实现凸轮机构的功能。系统是由硬件和软件两部分组成：硬件由微机、轴位置编码器、d a 转换器和执行机构组成，软件产生凸轮轮廓的算法。凸轮的多个轮廓可同时存储在可编程存储器中，相应的凸轮轮廓能按命令送到执行机构中，当输出运动需要改变时，只要改变数值或设定，而且机构的输出柔性好。2 1 2 可控机构的研究和应用现状可控机构融合了机电一体化技术、现代控制技术、传感器技术、计算机技术、人工智能技术等多种现代科学技术，是现代机构学中的一个重要交叉领域。可控机构的内容还有待进一步的深入研究，例如，虽然可调机构的运动综合方法比较完善，但是对于可调机构的调节范围，可控结构对机构的运动性能和动力性能的影响的研究有待于进一步完善。另外，伺服输入机构系统的设计方法，以及伺服机构系统的机电耦合模型，混合输入机构的研究也不完善。而且可控机构的控制理论研究目前还比较少。为了能使可控机构得到广泛的应用，必须对其机电控制方案、控制策略作深入的研究，并编制出相应的仿真软件系统。这样可控机构系统将具备性能优越，可靠的特点。2 2 受控机构单自由度连杆机构不可能精确再现任意平面轨迹，所以多自由度受控机构的产生成为必然。受控机构是指一个或多个原动件受计算机控制，从而使机构可以精确实现任意给定运动并具有智能化的一类机构。它可克服传统单自由度机构不能精确到整条轨迹的缺点。例如图1 所示的两自由度连杆机构，电机带动构件1 运动，微机控制滑块4 的位置，通过优化设计各构件的尺寸，便可补偿误差，准确通过无限多个给定连杆点p 的位置。由此可见，一个两自由度连西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页杆机构，如果其中一个原动件做匀速运动，要求做补偿运动，这样在机构运动过程中，的单自由度连杆机构睁”1 。p而控制另一个原动件使其按给定的就相当于有无数多个几何参数不同图2 - 1 两自由度连杆机构受控五杆机构是目前受控机构学的研究重点。现以受控五杆机构为例对受控机构加以说明。应用受控五杆机构来精确实现任意给定的运动，由于研究方法不同，难易程度有很大的差别。当指定两个构件为受控原动件时，这样虽然可以精确实现给定的运动，但要控制两个原动件，系统复杂，成本高。当指定一个构件为受控原动件，即五杆两自由度机构的其中一个原动件作匀速运动，而控制另一个原动件使其按给定运动作补偿运动，这样在机构运转过程中，就相当于无数个几何参数不同的四杆机构。目前具有一个受控原动件的五杆机构精确实现给定运动，主要进行以下几方面的研究：图2 - 2 受控五杆机构的应用1 、精确实现给定的传动比由于机构的局限性，一般只能近似地实现给定任意传动比，而具有一个受控原西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页动件的五杆机构可以精确实现任意给定的传动比。2 、精确实现给定的函数四杆机构一般只能在5 个点位上精确实现给定函数，而在其他点位上只能近似实现给定函数。具有一个受控原动件的五杆机构不但能精确实现给定函数，而且还可以实现一些特殊函数。3 、精确实现给定的轨迹四杆机构最多只能在9 个点位上精确再现给定轨迹，而具有一个受控原动件的五杆机构可以精确实现给定轨迹。4 、精确实现给定的运动具有一个受控原动件的五杆机构是一种软可调机构，具有自动适应能力；能精确实现给定的运动。5 、在机构具有加工误差和弹性时精确实现给定的运动以下以实例来说明受控机构相对于传统机构能有效地提高机构的性能。具有一个受控原动件的五杆机构可以在机构安装好以后，按照机构实际的加工误差和弹性调整受控原动件的补偿运动，从而精确实现给定运动。当机构在高速运行时，在外力和惯性力的作用下，机构会发生不可忽略的弹性变形和振动，导致机构的实际输出与期望输出之间出现偏差。现以具有一个受控原动件的平面五杆机构对此加以说明。图2 3 具有变长度曲柄的受控机构上图所示为具有变长曲柄的受控机构，具有两个自由度。一个是由直流电机驱动的曲柄l 做匀速运动，另一个是安装在曲柄上的步进电机带动滚珠丝杠、螺母实现的滑快移动，这相当于曲柄长度在变化。下图显示出了传统的四杆机构与改进的变长度曲柄的四杆机构的运行轨迹结果。在设计变长度曲柄时做如下的假设：西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页1 、被跟踪的目标点位于连杆中点；2 、曲柄是刚性的，并且具有恒定的角速度。未优化时曲柄长9 0 r a m ，连杆长4 6 0 r a m ，宽1 5 r a m ，厚2 m ；摇杆长4 0 0 衄，宽1 5 m m ，厚2 m m ；机架长5 2 0 r a m 。各杆的弹性模量为1 1 7 g p a ，密度为7 8 0 0 k g m 3 。在销b 、c 两处各有集中质量f f i b = m c - o 0 2 7 k g 。曲柄转速为2 6 0 r m i n 。是遗漤q掣散，罨墨足投，x 方向的刚、弹性位移正m图2 - 4 曲柄长度微变化时连杆中点的刚、弹性轨迹上图为仿真结果。图中，曲线l ( 实线) 代表定曲柄长度时的弹性轨迹，曲线2 代表变曲柄长度时的弹性轨迹，曲线3 代表机构的刚性轨迹。通过改变曲柄长度，弹性连杆中点的轨迹偏差减小了6 0 左右。显然五杆闭链机构有很大的发展前景。与普通四杆机构相比，它可精确地而不是近似地实现任意轨迹；比开链机构具有更好的刚性；只需控制一个原动件，控制系统简单：原动件连续运动，可得光滑曲线。2 3 电机驱动型可控受控机构1由于机电产品的普遍使用，在此我们简单介绍一下电机驱动型可控受控机构。电机驱动型可控受控机构由各种类型的电机与各种类型的执行机构组合而成，电机是可控受控机构的一个重要组成模块。各种电机的共同特点是：输入接口是电源，输出接口是非线性的变速运动。执行机构的输入接口是输入运动，输出接口是输出运动。电机的非线性变速运动作为执行机构的输入速度函数，构成了电机驱动型的可控受控机构。它的运动特性和动态特性分析与综合不仅西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页与执行机构本身的结构参数有关，而且与电机产生的可控的变速度函数有关。换句话说，电机驱动型可控受控机构的设计空间是二维空间。因此，可更好地改善机构的运动特性与动态特性，有效满足现代机构柔性输出的需求。执融广义演化i 丑程图2 5 电机驱动机构的演变当现代机器中驱动元件带动的机构由传统的机构变为广义执行机构时，机电一体化产品中的执行部分产生了变化，其过程如上图所示。电机驱动的可控受控机构能有效地克服传统机构的不足，提高机构的运行精度。以可控电机为驱动元件的具有可控受控性的广义执行机构，不同的电机与不同的执行机构相匹配，得到不同的动态特性。2 4 本章小节首先通过对比传统机构与现代机构，指出现代机构具有可控性和受控性等特点。再分别对可控机构与受控机构加以说明，同时用实例证明具有有源性特点的现代机构能有效地提高机构的运动精度。最后对应用广泛的电机驱动的可控受控机构进行相应地阐述。西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页第3 章现代常用的控制方法早期的机械由于用途单一和功能简单，一般只有原动件、传动件和作业装置三部分组成。进入7 0 年代以来，机电一体化机械开始取代传统机械。机电一体化机械装置是由原动件、传动件、控制与调节机构、作业装置、和检监测与显示五部分组成，其中控制与调节机构对确保机电一体化机械装置的工作性能起着至关重要的作用。机电控制工程是研究如何设计控制器并合理构造控制系统使机电系统达到性能要求的- - i 3 科学，它是自动控制、机械工程和信息科学相结合的产物，在机电一体化技术中占有重要的地位。按所采用的控制理论不同，可将机电控制工程分为经典机电控制工程和现代机电控制工程。经典机电控制工程采用经典控制理论( c l a s s i c a lc o n t r o lt h e o r y ) ，其特点是单输入单输出、频域法和列线图法，它在2 0 世纪4 0 年代初建立，到5 0年代已非常完善。现代机电控制工程采用现代控制理论( m o d e r nc o n t r o lt h e o r y )或智能控制理论( i n t e l l i g e n tc o n t r o lt h e o r y ) ，是2 0 世纪6 0 年代初诞生，更适宜于处理具有多输入多输出、非线性、变参数的复杂时变机电系统。现代控制理论是由经典控制理论随着工业生产和科学技术的不断发展而逐渐过渡过来的，二者各具长短，可以说现代控制理论是经典控制理论的补充与发展，在解决实际问题时，应根据不同的对象决定取舍。3 1 经典控制理论概括而言，经典控制理论多半是用来解决单输入一单输出的课题，所牵涉到的系统一般来说是线性定常系统，即使在非线性系统中的相平面法一般也不超过两个变量。过去用经典控制理论处理系统时，都是把这些系统当作单输入一单输出、线性定常系统对待的，如果稍微精确一些，把干扰考虑在内，也不过是把它们做线性迭加处理。解决以上这类问题时，常采用频率法，根轨迹法等，这些都属于经典控制理论范畴。所得出的结果在精确度要求不是极高的情况下是完全可用的。以下简单介绍一下工业中常用的p i d 控制器。3 1 1p i d 控制器原理h 3 1比例、积分与微分( p i d ) 控制是建立在经典控制理论基础上的一种控制。由于p i d 控制器的结构简单，又可以满足系统大多数特性参数的要求，因此在工业控制中仍广泛采用。p i d 控制器分为模拟和数字两种，前者主要用于连续系统，后者用于离散系西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页统和采样控制系统。以下是模拟p i d 控制器系统原理框图。图3 - 1p i d 控制器原理简图常规p i d 控制器是一种线性控制器。系统的偏差信号为p ( f ) = ，( f ) 一y 0 )( 3 1 )控制器将偏差信号e ( t ) 进行比例放大( p ) 、积分( i ) 和微分( d ) 的线性组合，构成控制量u ( t ) 对被控对象进行控制，故称p i d 控制器。p i d 控制器的数学描述为：吣) = 耻m 刍k ) 乃警】2 )式中，世，为比例系数，正为积分时间常数，乃为微分时间常数。p i d 控制器各校正环节的主要作用如下：1 、比例环节：置。增大等价于系统的开环增益增加，会引起系统响应速度增加，稳定误差减少，超调量增加。当世过大，会使闭环系统不稳定。2 、积分环节：相当于增加系统积分，主要作用是消除系统的稳定误差。积分环节作用的强弱取决于积分时间常数z 。z 增大，系统超调量变小，响应速度变慢。3 、微分环节：主要作用是提高系统的响应速度，同时减少系统超调量，抵消系统惯性环节相位滞后的不良影响，使系统稳定性明显改善。乃偏大或偏小，都会使超调量增大，调整时间加长。由于该环节所产生的控制量与信号变化速度有关，故对于信号无变化或变化缓慢的系统积分不起作用。p i d 控制器的传递函数为：西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页= 鬻咆叶币1 坪)或写成：( 3 3 )刚加巧根。s + 等众所周知，工业控制系统的目的是消除由于摩擦力、系统内部非线性因素以及建模过程中的不确定因素等引起的偏差。由于p i d 控制器能有效地的减少偏差，提高系统的抗干扰性，从而改善系统的内部动力学和运动学性能。3 1 - 2p i d 控制器的分类p i d 控制器有多种应用形式：纯p 、p i 、p d 和p i d 等。纯p 作用是最基本的控制作用，它只能满足闭环系统的一个性能指标，例如，衰减比、幅值稳定裕度等；p i 作用主要用于消除稳定误差，但同时使系统的超调量增大；p d 作用是增大衰减：而p i d 控制能适应工业生产过程控制的大多数应用要求，它主要用于线性系统。在常规p i d 控制器中对比例、微分和积分系数的确定方法已成熟化。3 2 现代控制理论h 7 1在二次世界大战期间及其以后一段时间内，建立在传递函数和频率法基础上的经典控制理论得到了迅速的发展。然而随着时代的发展，控制系统日渐复杂，其精度要求日益提高，经典控制理论分析方法日益暴露出它的局限性：其一，它只适用于线性定常系统，对非线性系统或线性时变系统无能为力：其二，它只适用于单输入一单输出系统；其三，严格来说，经典控制理论只是系统的一类分析方法，为了能用它实现系统的综合与设计，通常采用半经验的方法，通过反复试探才能得到较满意的控制方案。因此，当系统很复杂，精度要求很高时不易得到较好的结果。这样，现代控制理论就应运而生了。简单说来，现代控制理论主要是用来解决多输入一多输出系统的问题，系统可以是线性或非线性的、定常和时变的。在描述系统的运动状态时，经典控制法是用一个高阶微分方程式来表示，而现代控制法则是用状态方程来描述。由于经典控制是基于对系统频率特性的描述而建立起来的，因而被称为频率法；而现代控制法所采用的则是时域法，即系统中的各个变量皆取为时间t 的函数。这样做的优点：其一，一阶微分方程组便于利用计算机运算，当所取变量的数目增多时实际上并不太多地增加运算的复杂性：二是，利用时域法容易给人以时间上的清晰概念，这一点用于离散一时间系统时特别明显。以上就是经典法和西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页现代法的区别。以下简单介绍常用的几种常见的现代控制方法。3 2 1 系统的最优控制最优控制的想法早在5 0 年代时就诞生了，5 0 年代美国学者贝尔曼( b e l l m a n )所提出的“动态规划”和苏联学者庞特里雅金( p o n t r y a g i nl ) 所提出的“最大值原理”为解决最优控制提供了有利的数学工具。计算机的飞速发展使得在线实现最优控制系统成为了可能。最优控制问题核心是选择控制函数u ( t ) ，使得某一性能指标达到最小。任何一个系统都有其最优的运行指标，这一指标在复杂的系统里往往被表示成泛函的形式，因而常被称为系统的性能指标泛函或系统的目标泛函以及价值泛函等等。所谓系统的最优控制，就是在实现系统的性能指标为最小的情况下，如何改变系统的控制作用，使系统能沿着一个最优的运行方式工作的问题。构成一个最优控制问题必须具备四个基础条件：1 、被控对象的数学模型最优控制是建立在被控对象的数学模型的基础上的。2 、初态和终态系统的初态和终态实际上是方程的边界条件。一个动态过程，从数学的观点来看，是状态空间中从个状态到另一个状态的转移过程。在最优控制中，通常初态是已知的，终态视问题而异。3 、容许控制集合由于物理条件的限制，控制u ( t ) 通常都有一个取值范围。这个取值范围是对应于控制空间的集合，称为容许控制集合。4 、性能指标性能指标是衡量系统“控制效果”的准则。为了比较系统在各种控制作用下工作的好坏，就得规定一个我们称为性能指标的技术经济指标，来判定相应控制系统的好坏。3 2 2 系统的自适应控制“1自适应控制有许多不同的定义，到目前为止尚未统一，争论也比较多。通常我们所理解的自适应控制系统是指，当周围环境条件在大范围内急剧变化时，一般反馈控制系统已不能工作，而所设计的系统却能利用改变系统参数或控制作用的方法，使系统仍然能按某一性能指标运行在最优状态。这类系统所具有的这种适应环境的能力，称为系统的自适应性，有如上所述自适应性的系统就叫做自适应系统。显然可见，一个自适应系统是有其运行上的性能指标的。要使系统按最优西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页方式运行，它必须能够：l 、按最优性能指标确定出系统的最优工作点。2 、当周围环境条件变化时，通过连续测量得出系统工作状态和最优性能指标间的差值。3 、自动地、连续地调节系统本身的参数或改变控制作用，以减小系统的实际输出和期望输出之间的偏差。因此，构成自适应系统的主要环节应包括：l 、系统的识别2 、自适应器：用以改变系统参数或控制作用。从以上定义中可以看出，在自适应系统里包括了自寻最优控制作用在内。也就是说，当周围环境条件有较大的改变时，系统本身能通过改变自身的结构或利用不同方式来改变控制作用以保持它运行在最优状态。当然，有时候也可以将自适应控制系统看作是最优控制系统之一种，即为了实现某一最优性能指标，系统可以采用自适应控制。由于近代科学的发展，对自控系统的控制能力要求也越来越高。一方面不仅要求系统能在环境条件有大范围变化时仍能保证系统运行在最优状态：而且希望系统能在环境条件变化并不确知的情况下，也能实现最优控制，这就是自适应控制中所要解决的问题。前者即通常所说的确定性自适应控制系统，后者被称为不确定性自适应控制系统。任何一个实际系统都具有不同程度的不确定性，这些不确定性有时表现在系统的内部，有时表现在系统的外部。从系统的内部来讲，模型的参数不一定确定或精确。作为外部环境对系统的影响，有些外力或扰动不一定确定。而自适应控制器能有效地克服系统中的这些不确定因素的影响，可以根据对象的输入输出数据，不断地在线调节控制参数。因此这种控制器具有一定的适应能力。自适应控制系统有两类，一类是模型参考自适应控制系统；另一类是自校正控制系统，这类自适应系统的一个主要特点是在线辨识对象数学模型的参数，进而修改控制器的参数。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页1 、模型参考自适应控制系统试验图3 - 2 模型参考自适应控制系统的结构模型参考自适应控制系统的典型结构如上图所示。在这个系统中，采用一个称为参考模型的辅助系统。加到可调系统的参考输入r 同时也加到这个参考模型输入端，参考模型的输出或状态可以用规定的或期望的性能指标设计。为了比较规定的性能指标和可调系统实测的性能指标，可用减法器将参考模型和可调系统的输出或状态直接相减，得到广义误差信号。自适应机构按一定的标准利用广义的误差信号来修改可调系统的调节器参数，或产生一个辅助输入信号，使广义误差的某个泛指标达到极小。当可调系统特性与参考模型特性渐近逼近，广义误差就趋于极小或下降为零，调节过程结束。2 、自校正控制系统这类系统的特点是必须对过程或被控对象进行在线辨识，然后用过程参数估计值和事先规定的性能指标，在线地综合出调节器的控制参数，并根据此控制参数产生的控制作用对被控对象进行控制。经过多次的辩识和综合调节参数，使系统的性能指标渐近地趋于最优。西南交遥大学硕士研究生学位论文第1 5 页图3 - 3 自校正控制系统的结构3 2 3 系统的智能控制“踟控制系统常常存在着不确定性、高度非线性、时变、时滞和分布式等特性，因此要建立精确的数学模型很困难，有时甚至不可能，智能控制就应运而生。智能控制是针对系统及其控制环境和任务的不确定性而提出的，因此智能控制过程含有复杂性、不确定性、模糊性。在智能控制过程中，是以知识信息为基础进行推理和学习，用启发式方法来引导求解过程，从而得以在大范围内实现快速自组织的目的。一个较完善的智能控制系统，它的一个明显特点就是其内部具有适应或应变外界环境和任务不确定性的功能，具有学习和自组织能力的灵活的推理决策机制，即系统存在着智能单元，它能在学习基础上进行推理和决策。在目前的技术条件下，智能控制是控制科学发展的最前沿，它代表着控制科学发展的新阶段。基于规则的智能控制是智能控制的一个十分重要的方面，其中较成熟而行之有效的是模糊控制。所谓模糊控制就是在控制方法中应用模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理的原理实现系统的智能控制。这种方法摆脱对控制对象、输入输出等物理量的精确描述，把专家控制策略用自然语言来描述并转化为计算机能够接受的算法语言，达到以机器模拟人的模糊思维对系统实现有效控制的目的。模糊控制系统的原理如下图，这是一个模糊控制系统。模糊控制器输入是系统输出误差e 和误差变化e c ，输出量是系统控制量u ，这里e ，e c ，u 是精确连续量。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页图3 - 4 模糊控制系统组成3 3 本章小节机电系统的控制部分设计时，首先对系统进行建模，再根据模型来决定控制部分的设计方法。在控制系统设计中，主要分为两种设计方法：经典设计与现代设计。经典设计方法多用于线性非时变，且单输入一单输出系统，这种设计方法己发展得较为完善。但是，这种控制方法不适用于非线性、多输入一多输出、时变系统，相应发展起来的现代控制方法能有效地用状态方程来处理多变量的非线性系统。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页第4 章机电系统设计中机构与控制的并行设计用传统设计方法设计机械系统时，我们首先考虑机构设计，然后考虑控制设计。但机电系统的机构部分和控制部分相互制约，把机构设计与控制设计分开不利于系统性能提高，所以在机电系统中，机构的设计与控制的设计之间的先后顺序设计方式直接影响着系统的性能，对机构设计和控制器设计分开进行优化不能使机电系统整体设计得到优化。有的研究人员提出用迭代来把机构设计与控制设计联系起来：先优化机构设计，再优化控制器设计，然后分析在此控制设计下机构的运行情况，再有针对性的对机构的设计进行改进；同时有人提出应同时优化机构设计参数和控制参数。怎样把机构设计与控制设计有效地综合起来成为机电产品设计所关注的问题。4 1 机电系统的发展概况4 1 1 机电系统定义图4 一l 机电系统的结构简图机械系统是用来产生运动或传递力、力矩。控制器用于控制机构的位置、速度或力。下图显示驱动器以及传感器产生的信息对能量流的影响。这说明机电系统是由机械系统、驱动器、传感器以及微电子系统组成的；由非机械部分确技一一息z9西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页与机械部分之间相互作用。因此机电系统是机械、电子与信息技术的合成体；也是包括实现可控机器的灵活运动的所有知识和技术。4 1 2 机电系统的历史与发展早期，机器的运动学和动力学是决定机器部件运动的唯一理论基础。在第一次工业革命时期，一些新发明的机器如蒸汽机、打印设备等对机器的综合、协调运动提出了新的要求，促进了系统方法的产生。这时的机器一个共同点是运动都是由马达带动不同的机构来实现的。纯粹的机械系统由于摩擦、后冲、扭转误差、尺寸误差等引起的运动精度偏低，为了满足科学技术不断提高的要求，现代机械通过减轻机构中驱动件和被驱动件之间的“刚性运动”可以改善运动精度。进一步，现代机械中每一个被动件都由一个驱动马达和一个位置控制器来控制，位置控制器可以实现不同被动件之间所要求的运动关系。从而，部件之间的同步运动就不再有传统的易出错的硬件性系统控制，变为由柔性的软件性控制器控制。通过运用机电设计方法，即使部件之间距离较远，也可实现同步运动关系，这就满足了每一个运动机构都由一个驱动件和一个位置控制器控制的要求。典型的例子是跟踪式电报机的同步运动，即便部件相距遥远，但是都可实现同步运动，形成了所谓的“超级电报机”。同时在外界条件影响下，许多因素如振动、噪音都可以对机器设备和部件产生负面作用，被动的阻尼措施如集中参数式( 声音阻尼器) 和分布式( 阻尼板) 很早就出现了，但是实际应用局限不少。机电方法可以提供更多的解决方案。基于振动和噪音的状态信息，振动可以被驱动器吸收，进而均匀分布于整个系统中，机器部件就变的更具柔性，更智能化：当不需改变机器的结构而可以实现部件的任意运动时，就产生了所谓的“适应性机构”，为此机电系统控制性能得以提高。但是一直以来机电产品和机器的设计几乎完全都是机械工程师的分内之事，只有当机器和产品被设计出来后，再由控制和软件工程师解决相关的控制和编程问题。这种顺序工程设计方法不可避免地导致了次优化设计结果。最近，微电子工程、控制工程和计算机科学对机器的设计产生了重大的影响。由于对这些新设计方法大肆宣传，人们认为机械不再重要，相信任何由于不适当的机械设计引起的机械问题都可通过简单的智能控制或软件设计来解决，但是不论控制工程和通讯的威力有多强大，仍不能解决由于机构设计不合理引起的问题。因此在机电系统中，应综合考虑包括机械工程、控制工程、微电子工程和计算机工程等多方面工程学科的协同作用：即机电设计的并行工程。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页分开设计并行设计图4 - 2 机电系统的不同设计方法4 。2 机电系统中机构与控制的设计方法阻卜2 6 1机电系统的性能好坏取决于机构与控制器的设计。不了解这两部分的内部关系，单纯地求取各部分的最优参数无疑不是好的设计方法。通常而言，系统的性能由机构和控制器的设计以及这两部分之间的关系来决定。在传统的机电系统设计中，系统的参数常根据是否可控分为两部分：实时参数和非实时参数。非实时参数多是指与机构设计有关的参数，它们不随时间变化；而实时参数一般是与控制器设计相关的参数，它们可随时间变化而变化。设计时，这两部分总不被同时考虑，而是分开依次处理。如下图( a ) 所示，首先根据机构的运行要求确定机构各构件的尺寸；然后再由运动动力特性等要求来设计控制器。例如，在设计传统的可控机构时，为满足机构的运动轨迹要求，机构的不随时间变化的非实时参数，例如杆件的质量、长度以及各节点的位置首先被设计；再根据运动动力综合性质要求来设计控制器。与控制器有关的参数一般是实时参数，这些参数在不同的任务中是可变的。甚至在同一任务中也随时间变化。在传统的机电系统中，一旦设备设计出来，所有与机构有关的非实时参数很难改变。虽然控制部分的实时参数可根据不同的要求做相应的变化，但机电系统的综合性能很大程度上受到机构的非实时参数的影响。通常机电系统的时变运行性能和非时变运行性能直接与系统的实时参数和非实时参数密切相关。至西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页4 2 1 设计方法的分类关于机电系统机构和控制器的系统设计，传统上把这两部分分开相继设计；即先设计机构再设计控制器。然而这两部分设计是相互制约的，例如，在一般的机器中为了减少传递误差而增加机构的刚性，但结构的刚性增加会降低控制系统的鲁棒性，对控制系统提出更高的要求；刚性化机构会由于微小的输入偏差或建模误差使系统不稳定，正是因为设计中的机构设计与控制器设计前后分开直接影响着设计的效果。近期，把机构设计与控制器的设计结合起来已成为大家关注的领域，只对单方面进行优化无疑并没真正地把这两方面结合起来，最直接的方法是对多目标多约束进行优化，从而改善系统的总体性能，即同时优化机构和控制系统的设计变量。少鸯斟顺序迭代并行图4 - 4 机构与控制设计方法的分类1 、顺序设计方法顺序设计是指通过设计机构的参数使控制器简化。它的基本思想与传统的设计思想相同，把机构设计与控制器的设计分成前后依次完成。这种设计的不足之处是没有考虑机构与控制器之间的内部联系直接影响着系统的运行性能。1 9 9 5年，r a i 对顺序设计做了一定的改进，他的主要目的就是改善系统的最优运行时间，但还纯粹是一个优化机构性能的问题，没有有效地把控制器的设计联系起来。2 、迭代设计方法机构与控制综合设计中的主要难点就是它是一个复杂的非线性的非凸形最优问题。闭环形式的解决方法甚至数学方法都很难解决这种问题，为此产生了迭代地解决机构与控制设计的最优问题。在1 9 9 4 年a s a d a 通过在改进顺序设计时对控制最优化使设计过程可迭代：p i l 在1 9 9 6 年对此进一步改善，在每个迭代过程西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页中改变机构的刚度和阻尼性能，对确定机构先优化p i 控制器增益，再改变机构的结构参数，从而使控制性能得以提高。因此迭代设计方法比并行设计方法的计算