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摘要：长期以来，机电系统的结构和控制模块都是独立建模分别设计的。这种设计模式使得结构和控制设计人员在各自所涉及的专业领域考虑问题和解决问题，我们最常见的是先完成结构设计，在此基础上添加构成控制系统，并对控制参数进行优化。为了提高整个系统性能，结构和控制设计必需以某种方式综合起来。从而达到伺服系统机械结构与控制的集成优化设计的目的。为此，笔者就伺服系统机械结构与控制的集成优化设计问题进行了浅要探讨。
关键词：伺服系统；结构集成；优化设计
中图分类号：TM921.541
引言
本文的主要目的是探讨结构与控制集成设计的实用方法，为伺服系统的设计提供一种新的途径。对于集成优化的研究，目前大多是对方法的理论研究，而对具体对象的实际研究很少。所以对于一个系统的设计，采用集成优化方法是一种比较前沿的研究方法，传统的设计方法通常未考虑到机械系统性能和控制系统性能之间的平衡问题，因此它不是一种全局最优设计，为得到一个系统的优越性能，采用一种综合考虑机械结构和控制结构的全局优化设计的方法是十分必要的。
1结构与控制优化技术的理论分析
1.1常用现代控制方法
随着各个阶段的工业和科学技术的飞速发展、各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性以及适应能力的要求愈来愈高，如何合理构造控制系统并设计控制器使机电系统达到性能要求是机电控制工程研究的学科范围，根据所运用的控制理论不同进行划分，机电控制工程被大致分为了经典机电控制工程和现代机电控制工程两类。
建立于20世纪40年代初的经典机电控制工程采用的是经典控制理论，它的方法包括单输入/输出、频域法和列线图法。现代的机电控制工程应用的是现代控制理论，又叫做智能控制理论，它更适合于解决具有多输入/输出、非线性、变参数的复杂时变机电系统。经典的控制理论伴随着工业的快速发展和科学理论的不断先进、发展，逐渐产生了现代控制理论。经典控制理论与现代控制理论各自有各自的优点，我们可以说现代控制理论是经典控制理论的发展与补充，应根据不同的对象决定取舍去解决实际问题。
经典控制理论的分析方法也有它的局限性，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，通过反复的试探我们才能得到较满意的控制方案。因此，现代控制理论的产生是必然的。现代控制理论的发展虽然解决了不少经典控制理论难以解决的问题，但它在较大的程度或部分程度上，依赖的是被控对象模型的建立，某种程度上它的应用也受到了一定限制。因此，智能控制理论肯定应运而生。智能控制是模仿人和动物如何根据外部环境调整自身并使之适应，并构造控制器完成那些难以建模或模型具有严重的不确定性复杂系统的控制。
1.2机械优化设计理论
机械优化设计，对机械产品的性态、几何尺寸关系或其它因素的限制（约束）范围内，选取设计变量，建立目标函数以使其优化的方法设计，在给定的载荷或环境条件下，机械优化设计应用非常广泛，常被应用于工程技术、科学计算以及社会经济生活的各个方面，融合了计算机技术与最优化的原理。机械优化设计主要内容的两个方面是优化方法的选择和机械优化设计数学模型的建立。优化设计过程中最关键部分是模型的建立，因为只有建立正确的数学模型，才有正确求解的可能。
2伺服系统数学建模
2.1求解函数建模
描述系统中各元件的特性以及各种信号（变量）的传递和转换关系的数学表达式是控制系统的数学模型。我们可以典型的机电位置伺服系统为对象，利用微分方程加以确定性的描述，由系统的基本物理定律就可以得出研究变量之间的特定关系，然后再建立其相应的动力学方程，对函数建模求解。
2.2伺服系统的PID控制
PID控制是生产过程中的一种普遍采用的控制方法，PID控制是控制器最常用的控制规律，这样根据环境特性和被控对象，采用PID控制器，运用状态空间法解求出系统开环传递函数，再对伺服系统应用控制仿真功能，进而就可以在闭环系统中求解出传递函数。
3合成优化设计模型
3.1顺序优化设计模型的建立
传统意义上机电系统的设计，我们采用顺序优化设计模型，通过优化理论来设计系统的机械结构参数，然后采用一种控制策略来设计控制器，分为结构优化模型和控制优化模型来建立。结构优化模型是选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种设计方法，我们可以通过演算推理，基于我们所得出的优化设计模型的设计变量以及目标函数，确定约束条件的选取与获得。这就是结构优化模型的建立。采用适当的优化算法对上述结构优化模型进行优化后得出结构参数结果，作为己知常量，选用前面绍过的PID为控制器，选取设计变量的控制器参数。目标函数则应该满足的是受控對象的结构参数选许应该是尽可能易于生产加工，易于减小体积质量以及易于原材料的节约等，系统的性能具有稳定性，尽可能小的控制能量。以上三个方面，有时可能相互矛盾，我们可以选取任意其中的限定量进行组合，然后得出多种目标函数和约束条件，从而也就得出了各种不同的优化设计问题。
3.2集成优化设计模型的建立
传统的设计方法往往存在着其弊端，其中最终的一方面就是没有考虑到机械系统性能和控制系统性能之间的平衡问题，因此它并不是一种全局最优设计，如果想得到一个系统的优越性能，选取一种综合考虑机械结构和控制结构以得到全局优化设计方法是十分必要的。设计变量在设计时，必须考虑机械结构和控制结构这二者之间的关系，从中以求得全局最优参数。通过机电伺服系统集成设计建模，将结构优化和控制设计进行系统融合，使得目标函数应该在选取时综合考虑系统机械性能和控制性能。根据伺服系统的性能要求，比如超调量、伺服带宽、对外扰的响应、振型及阻尼等来选取约束条件，最后建立结构与控制的集成优化模型。经过演算求解，我们可以得出，与顺序优化相比，集成优化显著的提高了系统的平稳性和快速响应性，且更能保证系统整体性能达到最优化。
结语
综上所述，本文主要介绍以典型的三惯量位置伺服系统为对象，建立系统的开环模型，并引用PID控制规律的方法去推导闭环系统的传递函数，并且分别建立了先结构后控制的顺序优化模型和结构与控制的集成优化模型。最终得出对于提高系统的平稳性和快速响应性问题上，集成优化相比顺序优化更为显著使系统整体性能更优的结论。通过对伺服系统的机械结构与控制系统集成优化设计，掌握优化设计方法和控制方法，从而为伺服控制系统的优化设计在以后的应用中提供了一种新的途径。
参考文献：
[1] 张兴军， 韩龙义， 王志民. HVM600卧式加工中心伺服系统故障分析与维修[J]. 机电产品市场， 2006， （6）： 77-78.
[2] 李丹. 机械结构弹性变形对伺服系统性能的影响及解决措施[J]. 重型机械科技， 2003， （3）： 17-21.
[3] 王跟回. 数控机床伺服系统故障分析与维修[J]. 机电新产品导报， 2005， （10）： 96-98.
[4] 高娜， 李鸣， 彭大海， 等. 数字伺服系统的多目标优化设计[J]. 四川兵工学报， 2009， 30（2）： 60-61.
关键词：伺服系统；结构集成；优化设计
中图分类号：TM921.541
引言
本文的主要目的是探讨结构与控制集成设计的实用方法，为伺服系统的设计提供一种新的途径。对于集成优化的研究，目前大多是对方法的理论研究，而对具体对象的实际研究很少。所以对于一个系统的设计，采用集成优化方法是一种比较前沿的研究方法，传统的设计方法通常未考虑到机械系统性能和控制系统性能之间的平衡问题，因此它不是一种全局最优设计，为得到一个系统的优越性能，采用一种综合考虑机械结构和控制结构的全局优化设计的方法是十分必要的。
1结构与控制优化技术的理论分析
1.1常用现代控制方法
随着各个阶段的工业和科学技术的飞速发展、各个领域中自动控制系统对控制精度、响应速度、系统稳定性以及适应能力的要求愈来愈高，如何合理构造控制系统并设计控制器使机电系统达到性能要求是机电控制工程研究的学科范围，根据所运用的控制理论不同进行划分，机电控制工程被大致分为了经典机电控制工程和现代机电控制工程两类。
建立于20世纪40年代初的经典机电控制工程采用的是经典控制理论，它的方法包括单输入/输出、频域法和列线图法。现代的机电控制工程应用的是现代控制理论，又叫做智能控制理论，它更适合于解决具有多输入/输出、非线性、变参数的复杂时变机电系统。经典的控制理论伴随着工业的快速发展和科学理论的不断先进、发展，逐渐产生了现代控制理论。经典控制理论与现代控制理论各自有各自的优点，我们可以说现代控制理论是经典控制理论的发展与补充，应根据不同的对象决定取舍去解决实际问题。
经典控制理论的分析方法也有它的局限性，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，通过反复的试探我们才能得到较满意的控制方案。因此，现代控制理论的产生是必然的。现代控制理论的发展虽然解决了不少经典控制理论难以解决的问题，但它在较大的程度或部分程度上，依赖的是被控对象模型的建立，某种程度上它的应用也受到了一定限制。因此，智能控制理论肯定应运而生。智能控制是模仿人和动物如何根据外部环境调整自身并使之适应，并构造控制器完成那些难以建模或模型具有严重的不确定性复杂系统的控制。
1.2机械优化设计理论
机械优化设计，对机械产品的性态、几何尺寸关系或其它因素的限制（约束）范围内，选取设计变量，建立目标函数以使其优化的方法设计，在给定的载荷或环境条件下，机械优化设计应用非常广泛，常被应用于工程技术、科学计算以及社会经济生活的各个方面，融合了计算机技术与最优化的原理。机械优化设计主要内容的两个方面是优化方法的选择和机械优化设计数学模型的建立。优化设计过程中最关键部分是模型的建立，因为只有建立正确的数学模型，才有正确求解的可能。
2伺服系统数学建模
2.1求解函数建模
描述系统中各元件的特性以及各种信号（变量）的传递和转换关系的数学表达式是控制系统的数学模型。我们可以典型的机电位置伺服系统为对象，利用微分方程加以确定性的描述，由系统的基本物理定律就可以得出研究变量之间的特定关系，然后再建立其相应的动力学方程，对函数建模求解。
2.2伺服系统的PID控制
PID控制是生产过程中的一种普遍采用的控制方法，PID控制是控制器最常用的控制规律，这样根据环境特性和被控对象，采用PID控制器，运用状态空间法解求出系统开环传递函数，再对伺服系统应用控制仿真功能，进而就可以在闭环系统中求解出传递函数。
3合成优化设计模型
3.1顺序优化设计模型的建立
传统意义上机电系统的设计，我们采用顺序优化设计模型，通过优化理论来设计系统的机械结构参数，然后采用一种控制策略来设计控制器，分为结构优化模型和控制优化模型来建立。结构优化模型是选取设计变量，建立目标函数并使其获得最优值的一种设计方法，我们可以通过演算推理，基于我们所得出的优化设计模型的设计变量以及目标函数，确定约束条件的选取与获得。这就是结构优化模型的建立。采用适当的优化算法对上述结构优化模型进行优化后得出结构参数结果，作为己知常量，选用前面绍过的PID为控制器，选取设计变量的控制器参数。目标函数则应该满足的是受控對象的结构参数选许应该是尽可能易于生产加工，易于减小体积质量以及易于原材料的节约等，系统的性能具有稳定性，尽可能小的控制能量。以上三个方面，有时可能相互矛盾，我们可以选取任意其中的限定量进行组合，然后得出多种目标函数和约束条件，从而也就得出了各种不同的优化设计问题。
3.2集成优化设计模型的建立
传统的设计方法往往存在着其弊端，其中最终的一方面就是没有考虑到机械系统性能和控制系统性能之间的平衡问题，因此它并不是一种全局最优设计，如果想得到一个系统的优越性能，选取一种综合考虑机械结构和控制结构以得到全局优化设计方法是十分必要的。设计变量在设计时，必须考虑机械结构和控制结构这二者之间的关系，从中以求得全局最优参数。通过机电伺服系统集成设计建模，将结构优化和控制设计进行系统融合，使得目标函数应该在选取时综合考虑系统机械性能和控制性能。根据伺服系统的性能要求，比如超调量、伺服带宽、对外扰的响应、振型及阻尼等来选取约束条件，最后建立结构与控制的集成优化模型。经过演算求解，我们可以得出，与顺序优化相比，集成优化显著的提高了系统的平稳性和快速响应性，且更能保证系统整体性能达到最优化。
结语
综上所述，本文主要介绍以典型的三惯量位置伺服系统为对象，建立系统的开环模型，并引用PID控制规律的方法去推导闭环系统的传递函数，并且分别建立了先结构后控制的顺序优化模型和结构与控制的集成优化模型。最终得出对于提高系统的平稳性和快速响应性问题上，集成优化相比顺序优化更为显著使系统整体性能更优的结论。通过对伺服系统的机械结构与控制系统集成优化设计，掌握优化设计方法和控制方法，从而为伺服控制系统的优化设计在以后的应用中提供了一种新的途径。
参考文献：
[1] 张兴军， 韩龙义， 王志民. HVM600卧式加工中心伺服系统故障分析与维修[J]. 机电产品市场， 2006， （6）： 77-78.
[2] 李丹. 机械结构弹性变形对伺服系统性能的影响及解决措施[J]. 重型机械科技， 2003， （3）： 17-21.
[3] 王跟回. 数控机床伺服系统故障分析与维修[J]. 机电新产品导报， 2005， （10）： 96-98.
[4] 高娜， 李鸣， 彭大海， 等. 数字伺服系统的多目标优化设计[J]. 四川兵工学报， 2009， 30（2）： 60-61.