浅谈基于机电耦合的数控系统的解耦控制与仿真分析

尹方

摘要：随着科技的发展，电子计算机技术、信息技术得到了迅速地发展，数控技术也广泛的应用到工业生产及设备制造中，已经成为一种关系到整个制造生产关键的技术类型，具有稳定、快速、准确的特性。本文通过传动系统中的机电耦合数控系统特性，对建模方法进行研究，对其中的解耦控制和仿真进行分析。利用大型的加工模型作为依据，分析了刚度和误差对整个伺服系统的影响，为整个的探究提供了有力的证据。

关键词：伺服系统;机电耦合;解耦;仿真

数控技术已经广泛应用到各个领域，技术发展得也越来越成熟，在整个的研究系统中占有很重要的位置，成为各种高科技设备的重要核心技术。对于耦合这种具有十分强大影响力的现象，是需要被尽快解决的，而且这并不是一件可以容易解决的事情，其中的相互关联性非常强。除去传统的方式，对于解耦的控制成为人们研究的重点，并且利用耦合的现象引发了仿真的研究，对耦合的具体表现做出了反应，验证了解耦的具体过程。

1.数控系统

数控系统是将多种先进机电设备整合为一体化的一种高科技产品，具有高精度、柔性化、多轴化、软件及硬件开放化、智能化等特性。在竞争激烈的市场中具有稳定的地位和超强的竞争力，受到越来越多人的重视和好评。

近些年，我国在数控系统方面虽然取得了迅猛的发展，但是仍然有许多系统是从国外引进，尤其是在一些重要设备的开发能力上还有着很大的不足，对性能和功能的研究等方面都有很大的提升空间，因此加快对数控系统的开发成了发展我国系统控制的重中之重，为此国家也出台了一些关于这方面发展的政策，提出了坚持自主开发系统，结合国外先进技术，做出具有符合我国生产条件的独特数控系统设备。在这之后，经过大力发展，一些系统的性能也已经一步步地的完善，国内生产的数控设备市场占有率有了较大的提升。

在机电系统中，两个及以上的电路中对于输出和输入之间会相互影响，这种现象被称为耦合。数控机床中以交流电作为动力源，更容易产生耦合现象，耦合现象对系统的稳定性和准确性有很大影响。所以说，研究耦合现象对机电系统发展的稳定和高准确率上都发挥着重要的意义。

2.数控系统中的机电耦合分析

在整个数控系统中，机电耦合常常存在于电磁转矩、谐波转矩、微变量控制耦合三种形式中。经系统的研究之后，将机电耦合数控系统和伺服系统作为研究对象，研究其特点，保证整个系统不失真的情况下，对部分系统进行独立建模，利用建模的方式，为系统的性能分析、解耦方法和仿真分析创造了基础条件。

3.解耦控制技术

为了消除这种相互影响，需要解耦。解耦问题的实质就是一种非线性的、多变的控制问题。通过对数学模型的研究，得出了多个变量的系统解耦理论，但是它在应用上是有局限性的。解耦的控制由于针对性较强，只能适应线性的控制系统和弱非线性的系统，而对其他较强的非线性系统则不能控制。还有一种通过一种微积分理论进行解耦的方法，但是在控制中需要大量抽象的计算，十分的复杂，一般在实际工作中很少用到。

退火遗传的算法和根据神经网络的快速适应方法在解耦控制中能够弥补过于复杂的解耦理论。对于未知的控制对象，适宜采用这种计算原理简单的控制手段，能够达到理想的控制效果。而对于非常复杂的系统，则适宜采用神经网快速自适应控制方法，以达到完全的解耦。

3.1退火遗传的输出反馈法解耦

根据退火方法解耦实际上就是开环的解耦方式，这种控制技术将精度进一步提升，但是对其他的性能控制不是很理想，尤其在进行非线性的系统控制中特别明显。耦合的输入输出是可以测量得到的，但是对于解耦对象的数学模型是未知的，输入和输出的内部状态关系也很难了解到，所以在耦合控制的方法中，首先选择的控制方式就是输出反馈的解耦控制法。

3.2神经网络的自适应解耦控制

在相同的输入情况下，解耦的控制系统中，实际输出以及目标输出是一致的。在通过训练后，整个解耦系统能够通过利用的目标系统进行表述，而且是解耦完全的输入和输出。这种方法在复杂系统控制的情况下经常被应用。

3.3复杂解耦控制举例

以数控机床为例，进行线性化的解耦控制。在大功率晶体管工作的时候，出现耦合现象，不能对转矩进行连续控制。所以通过对矢量的控制使交流永磁电机转换为直流电机进行有效控制。永磁电机将直轴电流控制在0，就可以控制转矩，在静态或者动态时都能保持解耦的状态。

由此可以得出，在解耦的控制下，交流和直流伺服系统一样，都具有优越性。

4.仿真分析

为了验证解耦控制系统的可应用性和可利用性，可以利用仿真软件对解耦的系统进行设计，从而将控制系统应用到耦合系统中，对机电耦合的数控系统进行控制解耦。

4.1动态特性仿真分析

应用系统对模型系统进行仿真，从模块窗口建立模型进行作图分析。将Step信号模块进行仿真模型的设置，从得到的曲线可以推断出动态的系统控制的特性好，响应快。通过对参数的修改，得到较为优良的系统性能，为伺服系统设计打好了基础。

4.2传动刚度的仿真分析

影响伺服系统的条件之一就是刚度，通过对刚度的修改来改变系统的特性。

4.3传动误差的仿真分析

当整个系统的传动中存在误差时，相当于在本身的系统中加上了干扰信号。通过构建关于传导模型，得出了正弦的曲线图，根据曲线的走向可知，误差控制在一定范围内是不会对系统的精度产生影响的，而过大时，就会通过各种回路显示出来，对系统的精度产生影响。

4.4对仿真分析的举例

为了能够正确认识仿真系统，通过利用仿真软件来设计解耦控制设备，将控制器应用到系统中，对数控系统根据实际情况进行仿真分析，通过对信号的辨认验证整个系统的解耦效果，进一步验证这种控制器在不同信号的情况下对机电耦合控制系统进行解耦。

5.结语

综上所述，机电系统中耦合现象的产生给生产带来了很多的弊端，但是由于技术的发展和对整个耦合现象的具体研究，我们得出了几种可解耦的控制系统方法。通过对复杂的机电系统进行分析以及仿真研究，得出传动刚度、传动误差在系统中的影响规律。

参考文献：

[1]董荣梅，孙伟，许焕卫.基于区间分析的非概率稳健优化设计[J].大连理工大学学报，2011（01）.

[2]赵帅.面向框架电机的交流伺服控制系统设计[D].哈尔滨工业大学，2012.

[3]王志杰，王广军，陈红.基于逆模型的火电机组自适应解耦控制[J].中国电机工程学报，2011（29）.