CN111814375A - 基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法 - Google Patents

基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法 Download PDF

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CN111814375A CN202010651105.9A CN202010651105A CN111814375A CN 111814375 A CN111814375 A CN 111814375A CN 202010651105 A CN202010651105 A CN 202010651105A CN 111814375 A CN111814375 A CN 111814375A
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祝博
王大为
王磊
白海龙
李云
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Abstract

本发明公开了一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，属于优化设计领域。本发明通过建立天线机械结构的参数化几何模型，并在动力学软件中建立刚柔耦合模型，实现了联合动力学仿真和控制仿真。本方法中，在构建机电一体化结构控制多学科集成优化时，先对天线结构进行优化，之后将优化结构作为控制***的结构输入，对控制***进行优化。本发明在基于机电联合一体化仿真的同时还考虑了机械***与控制闭环子***的优化，有效避免了传统设计在后期集成测试时各方面***不匹配等问题，缩短了天线产品开发周期，降低了样机试制成本。

Description

基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法
技术领域
本发明涉及通信装置***优化设计技术领域，尤其涉及一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法。
背景技术
天线是一种用来进行电磁波发射与接受的精密机械结构，其目的在于对电磁信号实现精确、实时、可靠的传输，伺服***是用来控制天线，使之准确地自动跟踪空中目标的方向。
过去的天线设计并非是一种机电一体化的设计，在进行设计的时候人们往往把机械结构设计和控制***设计分开来进行，在后期***集成测试时可能会发现各方面***不匹配，***鲁棒性差等问题。机电一体化设计将两种***中互相关联、互相制约、互相作用的部分组成某种功能的总体，运用机电联合仿真分析的方法，对整个天线结构这一个模型进行设计、调试和试验，获得优化的机电一体化***。然而目前在天线***机电一体化和联合仿真领域，国内研究者主要还是集中在理论研究和实验室模型探索阶段，在具体型号中应用相对较少。
发明内容
本发明公开了一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，该方法运用了刚柔耦合建模方法，能较精准模拟天线***的运动过程，此外，该方法还对机械***与控制闭环子***进行了优化，能够缩短天线产品的开发周期，降低样机试制成本。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，包括如下步骤：
(1)选取决定天线结构几何特征的相关参数，构建天线机械结构的参数化几何模型；
(2)将参数化几何模型导入有限元分析软件中，获取天线机械结构的质量M；
(3)选取参数化几何模型中要考虑为柔性结构的天线结构，导入有限元分析软件中，生成模态中性文件；
(4)基于模态中性文件，在动力学仿真软件Adams中构建天线结构的刚柔耦合动力学仿真模型；
(5)基于刚柔耦合动力学仿真模型，对天线结构进行振动分析，得到天线结构的基频ω0及振动特性；
(6)设置联合仿真数据交互的状态变量，其中，天线结构的角度和角速度作为输出变量，由Adams输出到Simulink，天线结构的力矩作为输入变量，由Simulink输入到Adams；通过动力学仿真软件Adams与控制软件Simulink的接口生成联合仿真接口文件；
(7)基于联合仿真接口文件，在控制软件Simulink中建立控制***；动力学仿真软件Adams中的天线结构与控制软件Simulink中的控制***共同构成机电联合一体化仿真；
(8)运行机电联合一体化仿真，得到控制曲线，获得控制过程的性能指标：稳态精度ε，调节时间ts，超调量σ和控制能量J；
(9)基于多学科优化平台，对天线结构或控制***进行单独优化，或者对天线结构和控制***进行联合优化。
进一步的，所述多学科优化平台为Isight软件，所述步骤(9)中对天线结构和控制***进行联合优化的具体方式为，首先对天线结构进行优化，然后将优化后的结构作为控制方案的结构输入，再对控制***进行优化。
进一步的，所述步骤(2)～(8)通过批处理文件自动化完成，具体方式为，对各软件用户界面的操作过程用宏录制的方式生成宏文件，然后采用批处理方式运行宏文件，从而实现自动化。
进一步的，所述控制***为PID控制***，其满足公式：
Figure BDA0002575013230000031
其中，比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td设为控制参数，该***根据定值与实际输出值的偏差e(t)进行控制，控制量为u(t)，t为时间变量。
进一步的，所述联合仿真接口文件包括**.m、**.cmd以及adams_plant.dll文件，其中，**.m用于在Simulink中对Adams模块环境和参数进行初始化，**.cmd是Adams模型定义文件，由它执行Adams仿真，adams_plant.dll用于实现Adams和Simulink联合仿真的调度和交互。
进一步的，所述步骤(9)中，对天线结构进行优化的模型为：
Figure BDA0002575013230000032
其中，Xg表示几何参数，M(Xg)表示结构在设计点Xg处的总重量，ω0(Xg)表示结构在设计点Xg处的基频，X g和
Figure BDA0002575013230000034
表示几何参数的下界和上界；
对控制***进行优化的模型为：
Figure BDA0002575013230000033
其中，Xc表示控制参数，J(Xc)表示***在设计点Xc处的控制能力的输入，ε(Xc)表示***在设计点Xc处的控制精度，ts(Xc)表示***在设计点Xc处的调节时间，σ(Xc)表示***在设计点Xc处的超调量，X c和
Figure BDA0002575013230000035
表示控制参数的下界和上界。
本发明的有益效果在于：
1、本发明方法将天线伺服***设计中的机械***和控制***同时进行考虑，对两种***中互相关联、互相制约、互相作用的部分进行协同优化设计，能有效避免传统设计在后期集成测试时各方面***不匹配等问题。
2、本发明方法运用了刚柔耦合建模方法，能较精准模拟天线***的运动过程。
3、本发明能够为快速进行预先评估、方案或技术决策提供支持，缩短了天线研发周期，降低了研发成本。
附图说明
图1为本发明实施例中天线的参数化几何结构。
图2为本发明实施例中天线的机电联合一体化仿真示意图。
图3为本发明实施例中天线机电联合仿真方位角PID控制方案示意图。
图4为本发明实施例中控制曲线性能指标示意图。
图5为本发明实施例中天线伺服***优化设计方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。
如图5所示，一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，包括如下步骤：
(1)选取决定天线结构几何特征的相关参数，构建天线机械结构的参数化几何模型；
(2)将参数化几何模型导入有限元分析软件中，获取天线机械结构的质量M；
(3)选取参数化几何模型中要考虑为柔性结构的天线结构，导入有限元分析软件中，生成模态中性文件；
(4)基于模态中性文件，在动力学仿真软件Adams中构建天线结构的刚柔耦合动力学仿真模型；
(5)基于刚柔耦合动力学仿真模型，对天线结构进行振动分析，得到天线结构的基频ω0及振动特性；
(6)设置联合仿真数据交互的状态变量，其中，天线结构的角度和角速度作为输出变量，由Adams输出到Simulink，天线结构的力矩作为输入变量，由Simulink输入到Adams；通过动力学仿真软件Adams与控制软件Simulink的接口生成联合仿真接口文件；
(7)基于联合仿真接口文件，在控制软件Simulink中建立控制***；动力学仿真软件Adams中的天线结构与控制软件Simulink中的控制***共同构成机电联合一体化仿真；
(8)运行机电联合一体化仿真，得到控制曲线，获得控制过程的性能指标：稳态精度ε，调节时间ts，超调量σ和控制能量J；
(9)基于多学科优化平台，对天线结构或控制***进行单独优化，或者对天线结构和控制***进行联合优化。
上述方法的具体实现方式为：
(1)天线机械结构的参数化几何模型的建立，选取决定天线结构几何特征的相关参数构建天线结构装配体模型，如图1所示。
(2)将步骤(1)中建立的天线机械结构的参数化模型导入有限元分析软件中，获取天线机械结构的质量M。
(3)选取步骤(1)中要考虑为柔性结构的天线结构，导入有限元分析软件中，生成模态中性文件**.mnf。
(4)基于步骤(3)生成的模态中性文件，在动力学仿真软件中构建天线结构刚柔耦合动力学仿真模型。
(5)基于步骤(4)中建立的天线结构刚柔耦合动力学仿真模型，对天线结构进行振动分析，得到天线结构的基频ω0及振动特性。
(6)在动力学仿真软件中，生成联合仿真中间文件。包括**.m，**.cmd和adams_plant.dll。
(7)基于步骤(6)中生成的联合仿真中间文件，在控制仿真软件平台matlab/Simulink中建立控制方案，如图3所示。
(8)运行机电联合(Admas-Simulink)一体化仿真，得到控制曲线，如图4所示。获得控制过程的性能指标：稳态精度ε，调节时间ts，超调量σ和控制能量J。
(9)建立天线机电一体化联合仿真各环节的自动化流程，各环节的自动化流程实现：修改输入文件，然后批处理运行，生成结果文件。
(10)分析***，建立结构/控制多学科优化策略和优化模型。优化策略选择分步优化，先对天线结构进行优化，优化结构作为控制***的结构输入，对控制***进行优化。
(11)基于多学科优化平台，搭建多学科优化流程。选择优化算法进行多学科优化。
步骤(1)中天线几何模型的参数化建模。如图1所示，建模结构包括天线面1、天线平台支座2、天线转动支架3、天线传动齿轮4、天线左支臂5、天线右支臂6、天线底座7等。选择的几何参数包括形状参数、尺寸参数和装配参数，表示为向量Xg。
步骤(2)通过有限元分析软件如Ansys获取各零件部分的体积Vi，给定各零件部分的密度ρi，通过如下公式计算结构总质量：
Figure BDA0002575013230000061
步骤(3)中，将结构体导入有限元软件中，设置单元和属性，对结构进行网格划分。将构件离散成有限元网格的时候，对于那些需要关联运动副的位置和需要与相邻刚体或柔性体进行连接的位置设置节点，并指定为模态中性文件的外联点。设置好后直接在有限元软件中导出模态中性文件。
步骤(4)中，将动力学仿真软件中的刚体模型转换为相应的柔性体，即模态中性文件。利用柔性体的外联点将柔性体与相邻部分进行连接，对需要定义运动副的柔性体定义运动副。刚柔耦合动力学仿真模型的其它设置包括：单位设置、重量设置、材料设置、运动副设置和约束设置等。
步骤(6)中，分析天线机电联合仿真的数据交互过程，如图2所示。设置联合仿真数据交互相关的状态变量，天线结构的角度和角速度作为输出变量，由Adams输出到Simulink；天线结构的力矩作为输入变量，由Simulink输入到Adams。通过动力学仿真软件Adams与控制软件的接口生成联合仿真接口文件。
**.m用于在Simulink中对Adams/control模块环境和一些参数进行初始化；**.cmd是Adams模型定义文件，由它执行Adams仿真；adams_plant.dll是Adams子***的核心，用于Adams和Simulink联合仿真的调度和交互。
步骤(7)中，控制方案采用PID控制，将比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td设为控制参数。根据定值与实际输出值的偏差e(t)进行控制。理想算法为：
Figure BDA0002575013230000071
初始设计需要对控制参数进行调参：首先调节比例增益，将比例参数由小变大，并观察相应的***响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线；然后调节积分常数，从大到小改变积分常数，使得***在保持良好动态性能的情况下，消除静态误差；最后调节微分常数，逐渐增加微分常数，改善***的动态性能。
步骤(8)中从控制曲线得到控制过程的性能指标的具体计算方法。由控制曲线得到时间向量t＝[t1,t2,...,tn]和相对应的控制状态向量y(t)＝[y(t1),y(t2),...,y(tn)]；设tf表示终止时间，y′表示期望输出，T(t)为控制力矩。性能指标计算式如下：
Figure BDA0002575013230000072
Figure BDA0002575013230000073
计算调节时间的伪代码为：
L＝n
while 0.98·y′＜y(tL)＜1.02·y′
L＝L-1
end
ts＝tL
控制能量J计算式如下：
Figure BDA0002575013230000081
其中，R为能量惩罚正定矩阵。
步骤(9)中各环节建立自动化流程，对各软件用户界面操作形式用宏录制的方式生成宏文件，采用批处理运行宏文件实现自动化。其中主要流程实现的功能如下：
天线结构几何参数化模型的自动化实现的功能为：改变结构几何参数文件，运行批处理，生成更新的天线结构参数化几何模型。
生成模态中性文件的自动化实现的功能为：输入天线结构文件，运行批处理，生成更新的模态中性文件**.mnf。
生成刚柔耦合模型的自动化实现的功能为：输入天线刚体结构文件和天线柔性体模态中性文件，运行批处理，生成更新的天线刚柔耦合模型和天线结构的基频ω0。
生成联合仿真中间文件的自动化实现的功能为：输入天线刚柔耦合模型，运行批处理，生成联合仿真中间文件**.m，**.cmd和adams_plant.dll。
联合仿真的自动化实现的功能为：输入联合仿真中间文件，运行批处理，得到控制曲线并得到控制性能指标。
步骤(10)中，结构优化的模型如下：
Figure BDA0002575013230000082
其中Xg表示几何参数，M(Xg)表示结构在设计点Xg处的总重量，ω0(Xg)表示结构在设计点Xg处的基频，X g和
Figure BDA0002575013230000083
表示几何参数的下界和上界。
控制优化的模型如下：
Figure BDA0002575013230000091
其中Xc表示控制参数，J(Xc)表示***在设计点Xc处的控制能力的输入，ε(Xc)表示***在设计点Xc处的控制精度，ts(Xc)表示***在设计点Xc处的调节时间，σ(Xc)表示***在设计点Xc处的超调量，X c和
Figure BDA0002575013230000092
表示控制参数的下界和上界。
总之，本发明方法建立了天线机械结构的参数化几何模型，并在动力学软件中建立了刚柔耦合模型，从而实现了联合动力学仿真和控制仿真。本发明基于机电联合一体化仿真的同时还考虑了机械***与控制闭环子***的优化，有效避免了传统设计在后期集成测试时各方面***不匹配的问题，缩短了天线产品开发周期，降低了样机试制成本。

Claims (6)

1.一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)选取决定天线结构几何特征的相关参数，构建天线机械结构的参数化几何模型；
(2)将参数化几何模型导入有限元分析软件中，获取天线机械结构的质量M；
(3)选取参数化几何模型中要考虑为柔性结构的天线结构，导入有限元分析软件中，生成模态中性文件；
(4)基于模态中性文件，在动力学仿真软件Adams中构建天线结构的刚柔耦合动力学仿真模型；
(5)基于刚柔耦合动力学仿真模型，对天线结构进行振动分析，得到天线结构的基频ω0及振动特性；
(6)设置联合仿真数据交互的状态变量，其中，天线结构的角度和角速度作为输出变量，由Adams输出到Simulink，天线结构的力矩作为输入变量，由Simulink输入到Adams；通过动力学仿真软件Adams与控制软件Simulink的接口生成联合仿真接口文件；
(7)基于联合仿真接口文件，在控制软件Simulink中建立控制***；动力学仿真软件Adams中的天线结构与控制软件Simulink中的控制***共同构成机电联合一体化仿真；
(8)运行机电联合一体化仿真，得到控制曲线，获得控制过程的性能指标：稳态精度ε，调节时间ts，超调量σ和控制能量J；
(9)基于多学科优化平台，对天线结构或控制***进行单独优化，或者对天线结构和控制***进行联合优化。
2.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，所述多学科优化平台为Isight 软件，所述步骤(9)中对天线结构和控制***进行联合优化的具体方式为，首先对天线结构进行优化，然后将优化后的结构作为控制方案的结构输入，再对控制***进行优化。
3.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，所述步骤(2)～(8)通过批处理文件自动化完成，具体方式为，对各软件用户界面的操作过程用宏录制的方式生成宏文件，然后采用批处理方式运行宏文件，从而实现自动化。
4.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，所述控制***为PID控制***，其满足公式：
Figure FDA0002575013220000021
其中，比例增益Kp、积分时间Ti和微分时间Td设为控制参数，该***根据定值与实际输出值的偏差e(t)进行控制，控制量为u(t)，t为时间变量。
5.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，所述联合仿真接口文件包括**.m、**.cmd以及adams_plant.dll文件，其中，**.m用于在Simulink中对Adams模块环境和参数进行初始化，**.cmd是Adams模型定义文件，由它执行Adams仿真，adams_plant.dll用于实现Adams和Simulink联合仿真的调度和交互。
6.根据权利要求1所述的一种基于机电一体化联合仿真的天线伺服***优化设计方法，其特征在于，所述步骤(9)中，对天线结构进行优化的模型为：
Figure FDA0002575013220000031
其中，Xg表示几何参数，M(Xg)表示结构在设计点Xg处的总重量，ω0(Xg)表示结构在设计点Xg处的基频，X g和
Figure FDA0002575013220000032
表示几何参数的下界和上界；
对控制***进行优化的模型为：
Figure FDA0002575013220000033
其中，Xc表示控制参数，J(Xc)表示***在设计点Xc处的控制能力的输入，ε(Xc)表示***在设计点Xc处的控制精度，ts(Xc)表示***在设计点Xc处的调节时间，σ(Xc)表示***在设计点Xc处的超调量，X c和
Figure FDA0002575013220000034
表示控制参数的下界和上界。
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