[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于机电伺服系统多学科联合仿真技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明解决的技术问题是：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。

本发明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T_l得到电机允许通过的最大电流I_max，利用拉丁超方设计方法构造N_m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T_l和步骤(5)中的电机电磁转矩T_e得到传动机构能承受的最大加载力F_{t_max}，利用拉丁超方设计方法构造N_t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)。