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机电一体化的整体优化设计
摘要：现代机电一体化系统的设计是一项艰巨的任务。潜在的问题在于，几个不同的工程领域合并成一个产品，创建了集成问题。常用的设计方法是基于分别优化不同的域，从而创建一个次优的最终系统。本文有助于该领域的描述和讨论一个全面的方法来设计和优化机电一体化产品，特别是在早期设计阶段有用。具体而言，本文基于考虑到控制方面，以及使使用多个优化标准，扩展了以前发表的工作。所描述的设计方法是基于使用简化，静态模型，尺寸和描述的物理性质的结构和换能器组件，而传递函数模型用于控制设计和行为建模。为了使时间有效的优化，计算廉价的方法来评估结构和行为的性质。进化优化算法是用来评估组件模型，并通过这样做，得到一个最佳的解决方案。
关键词：伺服系统，机电一体化，集成设计，自动控制综合，计算机辅助系统设计，优化。
1介绍：
1.1动机：设计机电一体化系统是一个挑战。机电一体化设计涉及多个经典工程学科，其中一个最大的挑战是通过并行设计而实际利用协同设计。也就是说，所有涉及的技术领域应该在产品开发前很早就考虑。这一挑战也延伸和强调了人为因素。很明显，在机电一体化发展的工程师之间的工程背景有很大的差异，除此之外，他们也必须与对工程理解较少的人互动，如管理人员和销售代表。这促使研究的方法和工具，支持集成设计，通信和评价的设计理念。
以上是以作者和Malmquist等人提出更详细的案例研究为基础。（2012）。五个不同规模的工程公司进行了采访，关于他们的产品开发周期的执行，特别是早期阶段。在其他研究结果中，很明显，当涉及到早期的设计评估时，时间是本质。这似乎是出于成本的角度来看，但它也很重要，由于其他原因，比如有趣的声明，已经花了五分钟的时间去计算可能是太长的模型评估。这是由于工程师在这段时间内可能开始做别的事情，因此失去了他或她专注于手头的工作的事实。这项研究的主要发现是一个简单，快速而强大的，以及集成的工具将是非常有利于机电一体化发展的。
本研究的目的是开发这样一个集成的工具和相应的基于模型的整体设计方法，支持机电一体化设计，特别是在早期阶段。在这些里面，重点放在可行性上，而不是详细的分析上。因此，为了简化多域合成，并使概念评估更快，应尽量保持建模细节的水平。此外，正如上面指出的，机电一体化的跨学科性质的结果在于缺乏一个相当多样化的设计团队。因此，一个理想的支持工具，通过提供了一个解释援助并且让不同的人参与来帮助克服这种不均匀性。因此，该工具将简化设计人员之间的沟通设计思路，并促进他们的讨论。
从机电一体化的设计的角度来看，它是理想的前端加载一定的设计行动进入概念阶段。本文提出的设计方法支持前端加载，使真正的域集成在早期设计阶段。考虑到在未来，产品设计适应可持续的发展是非常重要的，新的设计方法应满足优化域边界和优化的多个标准，如重量，空间，成本，能源消耗和材料的使用。这里介绍的方法可以使设计集成和优化结构，传感器和控制子系统，总结如下。特别是，该方法在早期设计阶段，可以直接应用后，勾勒出一个概念系统。
结构与传感器。基于模型的方法可以处理一般开链机电一体化系统的基础上专门开发的组件模型相关的物理性能（如几何，材料）的性能特性（如扭矩传递能力）。组件模型是基于工作的原产地规则（2007）。
控制。显然，这里所遇到的问题与集成结构和控制设计的主题有着密切的关系。以前的工作在该地区的重点是控制性能，同时也有结构参数在控制设计过程中的自由变量。在这项工作中，控制性能被认为是一个规范，而不是优化相对于物理（和成本）的属性，如重量，能源和材料的使用。
优化.一个有利的设计行动，在早期阶段应该考虑的是系统优化。支持不同的设计概念的比较，如果一个特定的解决方案有潜力，可以在客观地评价的基础上试看优化过程的结果。所提出的方法和工具有利于所需的优化域边界。
本文的结构如下。首先（第1.2节）以前的工作所提出的方法和工具进行了总结，其次是第2节包含关系到他人的工作。第3节介绍了基于模型的设计方法和支持工具框架。最后4节包含讨论和结论。
1.2以前的工作：本文提出的工作建立在以前进行研究的作者上。利用Malmquist等人的论文。（2012）描述了机电一体化产品整体设计中存在的问题，并给出了在早期产品开发阶段优化设计评估的机电一体化系统的后续方法和支持软件框架。
该软件框架旨在弥合在不同的设计团队成员之间知识的差距。这样的团队通常由不同的领域专家组成，他们可能没有所需的知识来正确地评估一个概念，尽管他们在自己的领域非常有知识，也就是说知识的共同点可能不够。
该框架采用简化模型的基础上代数方程来描述系统组件的物理特性。这允许对特定系统的属性进行非常快速的评估。该框架允许用户简单地描述一个机电一体化系统的组件拓扑结构，然后在个别组件模型的帮助下优化系统参数。系统上的负载由应用于特定部件的转矩和位置分布来定义。目前的优化是基于遗传算法进行的，但最有可能的是基于任何非梯度优化方法。然而，这没有进行进一步调查。
Malmquist指数等。（2012年）描述了一个框架及其应用到伺服电机的机电系统，由行星齿轮的模数转换器（ADC），和负载应用到行星齿轮。
2相关工作/状态的RTA
2.1一般情况：本部分概述了相关研究。由于提出的整体设计方法集成了控制设计，重点是把握这个主题。涉及的方面是集成的设计和优化；控制器和机器自动化控制器合成减少。
2.2集成设计和优化：如上所述，目前的机电一体化系统设计方法，同时考虑促进结构和控制。这方面的第一个贡献可以追溯到20世纪90年代初，科学家在航空和机器人领域的研究方法。
PIL与浅田（1996）指出用准确恰当的结构系统的动态模型来设计合适的控制器的必要性。他们开发了一个基于实验优化的方法，参数设计事先未知，因此未建模，可以纳入控制设计。然而，这种方法已不再完全适用于今天的快速发展周期进行早期的产品开发过程中的实验往往被视为一个过于昂贵的延迟整体产品开发。
在学者和浅田（1999）讨论了如何将结构和控制对模型的有效性和鲁棒性的控制器设计裕度。后者在设计阶段早期是通过选择结构设计参数。为了满足设计的控制器的实时性的要求，它是必要的保持控制器的顺序低。这是通过模型降阶的方法完成，特别是通过截断阶。然而，在机电一体化等截断必须小心行使自非建模模式往往是稳定性问题的原因。控制器降阶的主题在第2.4节-控制器降阶处理。
在骨架（1996），另一种方法解决上述结构与控制的综合问题的建议，称为被动和主动控制的最优组合（OMPAC）。它既可以找到结构相关参数（被动控制），如刚度和阻尼比的最优值，也控制相关参数（主动控制），以获得一个稳定的状态反馈控制器。然而，这种迭代算法的解决方案在一个地方的感觉只有最优，为OMPAC问题非凸本身。
尽管针对振动控制问题，通过该amp;冯蕾方法（1999），当他们将结构和控制设计的性能和稳定性的考虑下是很有趣的。在他们的工作中的灵敏度分析应用的控制器的设计，这是所需的可控性和稳定性是通过放置结构的开环极点和零点适当。作为一个结果，频率响应满足所需的相位特性。这是类似于自然modestion优化控制，控制的目的是消除相关的结构共振PE。在vibraaks具体应用案例。
以设计为导向的文章。（2001）提出了一种通用的机电一体化系统并行设计模型。这种方法称为面向控制的设计（DFC）是基于任何设计过程的一般描述为一个从需求空间结构的空间映射。黎等。扩展的想法，分裂的需求空间到实时和非实时的要求，以及分裂的系统参数相应的实时（或可控）和非实时（不可控）参数。本文建立在一个事实上，即非实时参数（结构）的配置确定非实时（例如工作区）和实时（例如带宽）属性。与此相反，修改实时参数（例如控制器增益）只影响实时行为。DFC方法旨在以这样一种方式，产生一个动态模型，便于控制器设计的机械结构设计。一个面向过程的结果是某方面考虑结构及其控制系统动态性能的优化。类似前面提到的作品，并行设计问题的解决与结构和控制设计之间的迭代耗时的方式。
作为最近的研究并发机电一体化系统设计的例子，达席尔瓦等人的工作。（2008，2009）应提及。在那里，它指出，对于一个最佳的机电一体化设计，除了结构和控制参数，还需要考虑在不同领域的设计规范。随着采摘和放置机器人的例子，机电系统设计方法与配置相关的动态系统的建立。该方法建立在一个直接的设计方法，即它同时考虑控制和结构使用数值方法，如遗传算法。
2.3自动控制系统：控制设计是设计机电一体化系统的重要组成部分。最完善的方法依赖于有实际经验的控制工程师，因此将难以实现一个自动化的框架。正因为如此，需要使用更非传统的方法。给定正式的方式定义的控制目标和控制器的健身，参数调整和控制器拓扑选择的自动化方法已被提出。作者已经确定了以下三种不同的方法，可能自动控制合成潜在的利益。
遗传算法在自然界中广泛应用于控制器设计中，它模仿自然界的进化过程。然而，这些方法主要用于优化控制参数，很少用于优化控制器结构。控制器的参数将被描述成一组特定的基因，它们一起描述一个个体。许多个体形成一个种群并随机生成，例如遗传交叉或遗传变异。人口中的个人进行评估，并选择最好的交叉产生下一代。这是在一定数量的世代或直到一个特定的结束标准满足。
一个相关的方法是遗传编程，这是在一个特殊的情况下，遗传算法的人口个体描述的变量结构，而不是一个固定数量的数值。bruijnen等人。（2004）描述一个使用遗传程序设计一个简单的机电一体化运动系统控制器的装置。个人描述控制器的拓扑结构以及参数和它们的健身评价通过生成和运行相应的Simulink模型。该方法允许设计者指定时间和频率域的要求，但需要有意义的计算时间，因为每个生成的个人需要进行模拟。
自动控制器的设计另一种方法是基于定量反馈理论，量子场论，这是一种频率域控制器的设计方法，首先由霍洛维茨介绍（1963）。该方法的一个部分是在塑造的尼克尔斯图中看到的，整形传统上已经完成了手的循环。通过使用所谓的自动回路成形，ALS，控制器的设计可以自动化。一个不同的方法是在现有的ALS帕蒂尔和Nataraj实施（2012）。大多数ALS方法可以分为两个主要群体：那些是基于优化和计算大量的解决方案，然后选择最好的一个。在一般情况下，这些方法是计算密集型，在发达国家的框架利这是不一致的想法。
2.4控制器复位：所提出的框架的想法从整体的角度来看能够快速评估概念。因此，建议使用简单，低阶控制器。此外，由于这种控制器的简单化设计，在设计中的故障概率减轻，但是，在成本上欠缺准确性。这个概念找到一个不太复杂的控制器被称为控制器减少。然而，这是不被混淆的问题，模型的减少，只针对开环行为。控制器减少，相反，旨在在闭环性能，如稳定性，鲁棒性，带宽和性能指标值。
安德森和刘（1989）给出一个简洁的概述控制器减少，尽管他的出版在1989，仍然是适用的，并建议快速介绍的主题。正如指出的那样，有两种通用的方法来实现一个简化控制器存在：直接和间接的方法。前者是基于派生的低阶控制参数直接通过优化或类似的方法。通常的二次性能指数最小化的基础上的代数方程组描述的性能指数的最低值的必要条件。对于间接的方法，首先是一个高阶控制器导出，然后降低到所需的一个低阶。高阶控制器的推导是覆盖，例如线性二次高斯控制（例如gattami（2010））和控制（例如赞姆斯（1981），多伊尔等人。（1989）。同样重要的一步，减少控制器的顺序，但不太发达。在一些值得注意的方法是加权频率近似的基础上的推理，降阶控制器不能预期具有相同的性能的全阶控制器。作为一个结果，控制器应该近似这样的接近的完整控制器实现的频带的重要性的实际操作方案。安德森和刘（1989）给出了一个全面的概述三状态空间为基础的模型降阶技术，可以应用到控制器降阶的问题。这些都是平衡近似，Pernebo amp; Silverman（1982），Hankel Norm逼近，公与林（1981），和重盖近似，yousuff与骨架（1984）。作为一般的建议，对于不同的问题，建议检查各种方法，而不是总是依赖于一个相同的方法。
Visioli（2006）比较了四种常见的方法用于合成高阶系统的PID控制器。即，（1）PID与Skogestad的半规则调整，（2）伊萨克松和Graebe的分析PID设计，（3）阶跃响应数据模型近似，和（4）PID的麦克劳林级数的调谐装置。他发现，从一个性能点，它是更好地合成一个全阶控制器，然后减少它，而不是开发一个控制器的简化模型。然而，后者的方法通常可以被认为是对计算要求不高。
3建议模型的方法
3.1整体系统：所提出的方法，从方法和支持工具角度结合不同类型的简化模型：描述的物理性质，如重量的静态模型和动态模型，体积和成本在计算效率的方式下进行评估，即不模拟，描述行为。用静态模型的类型被鲁斯（2007）将简要地在下一节中解释。鲁斯还介绍了一种利用这些模型，基于模型的设计方法。然而，这种方法仅限于一个固定的系统配置（即机电一体化伺服电机驱动，电机和齿轮连接在非常秩序）。
本文提出的基于模型的方法可以处理一般开链机电一体化系统在任何配置。该方法是一种精致的Malmquist等人提出的版本之一。（2012）增加行为方面的整合控制设计，同时考虑到多个目标优化。基于MATLAB的软件设计与优化方法的软件框架。如SysML Modelica语言，可以用于此，他们却被视为不必要的复杂的原型工具，功能远远超过我们所需要的。未来的工具当然可以使用这些语言之一与其他工具的兼容。
用户定义了一个具有特定XML格式的系统，描述了哪些组件被使用，以及它们是如何连接的，以及它们的设计变量是什么。这使得用户可以很容易地指定一个设计概念，通过配置不同的组件在任何特定的顺序。组件本身定义在单独的XML文件中，描述哪些基本模型可用，以及需要哪些输入和输出。该模型可以是基于MATLAB的函数或外部例程。
基于MATLAB的设计框架，有利于
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