基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，包括如下步骤：(1)根据机电伺服系统动态特性指标要求，依据需求与预期将指标归入联合仿真与设计优化的目标函数和约束条件；(2)建立负载对象模型、电机模型、传动机构模型和控制驱动器模型，形成机电伺服系统的高精度的动态特性仿真模型；(3)从上述模型中选择依然不确定或感兴趣的参数为动态特性性能优化的设计变量，给定设计空间，构建机电伺服系统动态特性的代理模型；(4)对代理模型展开设计空间搜索，直至获得满足动态性能指标要求的最优解。本发明专利技术解决了系统层级机电伺服系统动态特性仿真模型无法准确表征关键参数非线性的问题。

Multidisciplinary simulation and design optimization method of electromechanical servo system based on Agent Model

The invention discloses a multi-disciplinary simulation and design optimization method of electromechanical servo system based on agent model, which includes the following steps: (1) according to the dynamic characteristics of electromechanical servo system, according to the requirements and expectations, the indexes are classified into objective functions and constraints of joint simulation and design optimization; (2) establishing load object model, motor model, transmission mechanism model and control drive. Actuator model is used to form a high-precision dynamic characteristic simulation model of electromechanical servo system; (3) The parameters that are still uncertain or interesting are selected from the above model as design variables for dynamic performance optimization, and an agent model for dynamic characteristics of electromechanical servo system is constructed with given design space; (4) The design space search for the agent model is carried out until the dynamic performance index is satisfied. The optimal solution is obtained. The invention solves the problem that the dynamic characteristic simulation model of the system hierarchical electromechanical servo system can not accurately represent the nonlinearity of the key parameters.

【技术实现步骤摘要】
基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法
本专利技术属于机电伺服系统多学科联合仿真
，尤其涉及一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法。
技术介绍
机电伺服系统的动态特性分析是涉及机械、能源管理、电磁、电力电子和控制的多学科复杂耦合分析问题，设计难以通过参数解析表达产品性能指标，很难从空间和时间上加以分割，形成确定的设计边界和约束，致使现有的设计过程只能通过设计参数的反复迭代来优化产品性能。成熟的3D分析软件铸就了“仿真驱动设计”的繁荣，利用多款专业3D分析软件以多学科联合仿真的形式可以实现复杂产品综合性能的解算，而这种形式虽然可以表征模型关键参数的非线性，但是仿真耗时却是随精度要求的提高而成指数增长。如果仅利用简化的仿真模型，通过单学科或单性能预测的叠加是无法准确预测系统动态特性的，而且简化的模型往往忽略了很多非线性因素，无法满足现阶段高标准的机电伺服系统工程设计需求。因此提出一种可以实现多学科联合仿真同时能准确表征系统各元件关键参数非线性的机电伺服系统动态特性数字化预测方法十分必要。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，解决了现有机电伺服系统仿真技术无法兼顾关键参数非线性特性准确描述和多学科联合仿真耗时过大的问题。本专利技术目的通过以下技术方案予以实现：一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，所述方法包括如下步骤：(1)选取机电伺服系统联合仿真的目标函数、确定动态特性的约束条件，将目标函数和动态特性的约束条件分别转化为数学模型；(2)建立机电伺服系统的负载对象模型；(3)根据步骤(2)的负载对象模型中的负载力Tl得到电机允许通过的最大电流Imax，利用拉丁超方设计方法构造Nm个电流的样本点；(4)获取电机的非线性参数在步骤(3)得到的电流样本点对应的仿真结果，构建电机径向基代理模型；(5)建立机电伺服系统的电机模型；(6)根据步骤(2)中的负载力Tl和步骤(5)中的电机电磁转矩Te得到传动机构能承受的最大加载力Ft_max，利用拉丁超方设计方法构造Nt个加载力的样本点；(7)获取传动机构的非线性参数在步骤(6)得到的加载力样本点对应的仿真结果，构建传动机构径向基代理模型；(8)建立机电伺服系统的传动机构模型；(9)建立控制驱动器模型；(10)从步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型中选出对步骤(1)的目标函数造成影响的参数为机电伺服系统联合仿真与设计优化的设计变量，定义其设计空间，利用拉丁超方设计方法构造N＝60n个样本点；(11)利用步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型联合建立的高精度机电伺服系统模型，求解步骤(10)或步骤(13)产生的样本点集的仿真结果，形成机电伺服系统动态特性的径向基代理模型；(12)利用遗传算法对步骤(11)的系统动态特性的径向基代理模型展开设计空间搜索，获取当前最优解，判断是否满足收敛条件，若满足则输出当前最优解，若不满足则执行步骤(13)；(13)在步骤(10)的设计空间内，在避免重复采样的前提下，利用拉丁超方设计方法新增N＝10n个样本点，返回步骤(11)。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(1)中，将目标函数转化为数学模型为：其中，f(x)为系统动态性能指标的评价函数，x为设计变量，y为系统动态性能指标的仿真值，y*为系统动态性能指标的试验值。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(1)中，将动态特性的约束条件转化为数学模型为：其中，x为设计变量，gk(x)为不等式约束函数，k为不等式约束函数的索引，m为不等式约束函数的个数，hj(x)为等式约束函数，j为等式约束函数的索引，l为等式约束函数的个数。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(2)中，机电伺服系统的负载对象模型为：其中，Tm为机电伺服系统出力、Tl为负载力、Tlf为负载摩擦力、Jl为负载转动惯量，ωl为负载的角速度，sgn为正负号的判断符，t为时间。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(3)中，电流的样本点为Nm＝2×Imax个。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(5)中，机电伺服系统的电机模型为：其中，R为相电阻、Ld为d轴电感、Lq为q轴电感、Km为力矩系数、pm为级对数、Jm为转动惯量、Te为电机电磁转矩、Be为粘性摩擦系数、Tf为电机轴的静摩擦力矩、iq和id分别为q轴和d轴电流、uq和ud分别为q轴和d轴电压、ωm为转子角速度；其中，d轴电感Ld、q轴电感Lq和力矩系数Km均根据步骤(4)中的电机径向基代理模型得到。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(6)中，加载力的样本点为Nt＝4×Ft_max个。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(8)中，机电伺服系统的传动机构模型为：Ft＝(KΔx-Ff)＝Tl·r/i其中，K为综合刚度、i为减速比、Ff为摩擦力，Ft为传动机构承受的加载力，△x为传动机构的变形量，Tl为步骤(2)中的负载力，r为力臂；其中，综合刚度K根据步骤(7)中的传动机构径向基代理模型得到。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(9)中，控制驱动器模型包括直流电压U，电流环、速度环和位置环控制的PID参数，驱动器开关频率f。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(10)中，设计空间为其中，g＝1,2,…,n，n为设计变量的个数，为设计变量的取值下界，为设计变量的取值上界，xg为第g个设计变量，g为设计变量的个数。上述基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法中，在步骤(12)中，收敛条件为η＝f(x)<10％。本专利技术与现有技术相比具有如下有益效果：(1)本专利技术提出的机电伺服系统动态特性仿真方法实现了机电伺服系统机械、电磁、电力电子和控制学科的多学科联合仿真，提取了机电伺服系统动态特性仿真所需的关键非线性参数，给出了d轴电感、q轴电感、力矩系数和综合刚度的仿真提取方法；(2)本专利技术利用代理模型将关键参数的非线性准确地在机电伺服系统动态特性多学科联合仿真模型中表征，提高了仿真模型的精度；(3)本专利技术利用代理模型表征关键参数的非线性代替了直接用专业软件的在线解算非线性，变在线数据交换为离线数据交换，有效提高了动态特性仿真的计算效率。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术涉及的基于代理模型的机电伺服系统多学科联合仿真与设计优化方法流程图；图2为本专利技术涉及的机电伺服系统与负载连接的几何关系图；图3为本专利技术涉及永磁同步电机力矩系数随相电流变化曲线图；图4为本专利技术涉及永磁同步电机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)选取机电伺服系统联合仿真的目标函数、确定动态特性的约束条件，将目标函数和动态特性的约束条件分别转化为数学模型；(2)建立机电伺服系统的负载对象模型；(3)根据步骤(2)的负载对象模型中的负载力Tl得到电机允许通过的最大电流Imax，利用拉丁超方设计方法构造Nm个电流的样本点；(4)获取电机的非线性参数在步骤(3)得到的电流样本点对应的仿真结果，构建电机径向基代理模型；(5)建立机电伺服系统的电机模型；(6)根据步骤(2)中的负载力Tl和步骤(5)中的电机电磁转矩Te得到传动机构能承受的最大加载力Ft_max，利用拉丁超方设计方法构造Nt个加载力的样本点；(7)获取传动机构的非线性参数在步骤(6)得到的加载力样本点对应的仿真结果，构建传动机构径向基代理模型；(8)建立机电伺服系统的传动机构模型；(9)建立控制驱动器模型；(10)从步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型中选出对步骤(1)的目标函数造成影响的参数为机电伺服系统联合仿真与设计优化的设计变量，定义其设计空间，利用拉丁超方设计方法构造N＝60n个样本点；(11)利用步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型联合建立的高精度机电伺服系统模型，求解步骤(10)或步骤(13)产生的样本点集的仿真结果，形成机电伺服系统动态特性的径向基代理模型；(12)利用遗传算法对步骤(11)的系统动态特性的径向基代理模型展开设计空间搜索，获取当前最优解，判断是否满足收敛条件，若满足则输出当前最优解，若不满足则执行步骤(13)；(13)在步骤(10)的设计空间内，在避免重复采样的前提下，利用拉丁超方设计方法新增N＝10n个样本点，返回步骤(11)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)选取机电伺服系统联合仿真的目标函数、确定动态特性的约束条件，将目标函数和动态特性的约束条件分别转化为数学模型；(2)建立机电伺服系统的负载对象模型；(3)根据步骤(2)的负载对象模型中的负载力Tl得到电机允许通过的最大电流Imax，利用拉丁超方设计方法构造Nm个电流的样本点；(4)获取电机的非线性参数在步骤(3)得到的电流样本点对应的仿真结果，构建电机径向基代理模型；(5)建立机电伺服系统的电机模型；(6)根据步骤(2)中的负载力Tl和步骤(5)中的电机电磁转矩Te得到传动机构能承受的最大加载力Ft_max，利用拉丁超方设计方法构造Nt个加载力的样本点；(7)获取传动机构的非线性参数在步骤(6)得到的加载力样本点对应的仿真结果，构建传动机构径向基代理模型；(8)建立机电伺服系统的传动机构模型；(9)建立控制驱动器模型；(10)从步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型中选出对步骤(1)的目标函数造成影响的参数为机电伺服系统联合仿真与设计优化的设计变量，定义其设计空间，利用拉丁超方设计方法构造N＝60n个样本点；(11)利用步骤(2)的负载对象模型、步骤(5)的电机模型、步骤(8)的传动机构模型和步骤(9)的控制驱动器模型联合建立的高精度机电伺服系统模型，求解步骤(10)或步骤(13)产生的样本点集的仿真结果，形成机电伺服系统动态特性的径向基代理模型；(12)利用遗传算法对步骤(11)的系统动态特性的径向基代理模型展开设计空间搜索，获取当前最优解，判断是否满足收敛条件，若满足则输出当前最优解，若不满足则执行步骤(13)；(13)在步骤(10)的设计空间内，在避免重复采样的前提下，利用拉丁超方设计方法新增N＝10n个样本点，返回步骤(11)。2.根据权利要求1所述的基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，其特征在于：在步骤(1)中，将目标函数转化为数学模型为：其中，f(x)为系统动态性能指标的评价函数，x为设计变量，y为系统动态性能指标的仿真值，y*为系统动态性能指标的试验值。3.根据权利要求2所述的基于代理模型的机电伺服系统多学科联仿与设计优化方法，其特征在于：在步骤(1)中，将动态特性的约束条件转化为数学模型为：其中，x为设计变量，gk(x)为不等式约束函数，k为不等式约束函数的索引...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋孟龙，安林雪，于志远，朱阳贞，黄玉平，
申请(专利权)人：北京精密机电控制设备研究所，中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京,11