不猜测和检查您的机器设计

我们都有过这样的经历:凌晨1点，穿着兔子装大汗淋漓，被锁在一个寒冷干燥的干净房间里，只有一个目标:让一台生产机器启动并运行。这是一种众所周知的舞蹈，包括振动、欠阻尼控制振荡和糟糕的机制。当这些与任务关键控制相关的问题在机器建造后出现时，感到沮丧是合理的。这种情况经常发生。

在设计周期的后期用“猜测-检查”方法识别和解决问题的成本明显高于在设计阶段的早期发现问题，尽管它被公认为标准的机器设计过程。猜测和检查机器设计不仅昂贵，而且令人沮丧和不必要。系统仿真的进步和成本效益高的现成仿真工具的引入可以避免机器制造中这些代价高昂的错误。

控制工程师通常在机器制造的最后阶段第一次加入，以帮助“调整”一切。这种行为，以及它发生在设计周期后期的事实，几乎完全解释了猜测和检查机器制造的原因。可以说，调优是构建机器中最重要的步骤之一，因为它决定了多少机器性能得以实现。然而，为了达到预期的性能，机器的设计必须使机械共振不存在，或存在远高于期望的控制带宽。如果在最终的机器中存在共振，控制工程师必须通过改变调谐增益和实现数字滤波器的过程来“调谐它们”。

虽然滤波器可以稳定系统，但即使有滤波器，显著的共振仍然会限制系统的带宽。每个谐振器和相关滤波器都会带来性能成本，所有谐振器/滤波器组合的总成本通常在最终的机器性能中是显而易见的。如果在设计过程中更早地咨询控制工程师的意见，理想的情况是在机器的单个部件制造之前，可以消除许多降低性能的共振，从而提高机器性能。

习惯、成本、标准

不幸的是，控制问题对大多数人来说很难概念化。即使是最简单的系统，比如直接与轴相连的飞轮电机，也会产生共振(通常很大，但频率很高)。高频共振很容易解决，通常不会显著影响性能。插入皮带和系统将有较低的共振，可以改变，机器对机器。

这样的设计决策是出于各种原因做出的——习惯、成本和行业标准——但通常没有考虑到控制。仿真工具可以帮助机器设计人员在设计过程的早期识别控制问题，以防止昂贵的重新设计，并有助于降低在机器测试和调试中发现严重控制问题的风险。

集成到生产环境中的仿真工具已经存在很长时间了。然而，它们仍然被大多数机器设计师所忽视，取而代之的是通常的猜测和检查过程。最近，硬件在环(HIL)开始取得进展，这模糊了模拟和测试之间的界限。随着经济实惠且功能强大的仿真选项的引入，将仿真排除在机器设计过程之外的理由越来越少。

HIL是描述开发和测试策略的术语。在嵌入式系统开发中，它经常用于设计和测试在项目设计阶段可能不可用的单个组件。大多数项目都是分开的，这样多个团队(如机制、控制和软件)就可以独立工作。通过使用HIL，每个团队都可以在各自的组件上工作，同时使用模拟环境来模拟其他团队正在进行的工作。这使得实现更精简的开发过程和交叉验证成为可能，确保每个组件都能正常工作，同时在团队发现问题时添加设计反馈循环。通过在设计阶段发现问题，重新设计的成本是机器制造后发现问题的一小部分。这也使得设计人员可以在不用担心损坏昂贵机器的情况下进行实验。

循环中的硬件支持

许多公司都支持HIL。在设计过程的早期，可以在HIL系统中使用将部署在机器中的相同控制系统组件，以深入了解系统行为。例如，伺服驱动器可以生成运动轨迹并关闭伺服控制回路，而先进的工业控制器可以模拟工厂(在这种情况下，伺服驱动器以外的一切，包括电机和机械)。

伺服驱动器将生成运动轨迹，执行控制循环，并为在控制器上运行的工厂模拟提供当前命令。当前命令从伺服驱动器的模拟输出传输到控制器机箱中的模拟输入模块。控制器实时执行工厂模拟(包括力学、摩擦模型、反馈装置、延迟和噪声)。从工厂模拟中，在控制系统上产生反馈信号，该信号连接到伺服驱动器的反馈连接器，完成控制环路。

利用系统设计软件设计模型，取扭矩输入(通过模拟输入)，构造工厂模型。这可能是单积分系统或二重积分系统，这取决于所需的模拟。在伺服驱动器的情况下，将模拟一个二重积分系统，并将其位置发回驱动器。

更高级的用户可能会实现复杂的摩擦模型或其他非线性行为，以详细了解他们的控制性能。新用户会惊讶于构造一个简单的模型是多么容易。即使控件模型过于简单，以至于与控件的性能相比微不足道，系统设计的软件方面仍然有很大的好处。

配置、测试、使用

这样的设置使得设计师可以使用生产硬件并编写生产软件与生产硬件进行交流，即使物理机制还不存在。使用生产硬件运行模拟是确保系统满足期望的最佳方法。HIL还使使用现有硬件诊断工具成为可能。在这种情况下，可以使用软件来配置、测试和优化伺服驱动器。使用现有诊断软件的能力可以利用强大的工具来分析模拟。

如果用户应用软件对系统进行频响测量，就可以快速识别机械共振，然后调整驱动器。后续测量应量化电机的性能，以验证没有其他非线性，如摩擦影响系统。应用软件中强大的调优工具，用户可以在机器建造之前对调优解决方案进行微调和测试。

在设计过程中，必须花费时间来量化机器和应用程序所需的性能。首先，记住以前机器的历史性能。不要为了任意提高性能而设计;根据需要进行设计。其次，定义影响用户的真实性能参数，如伺服带宽和设置时间，以避免无目标地追求“更好的性能”。一旦确定了初始调优，用户就可以继续模拟运动，并在虚拟范围上查看数据。在设计阶段未解决的共鸣将开始显现。然而，当使用HIL实践时，用户可以在机器原型构建之前在模拟中回顾这些内容——这是一个很好的替代方案，可以在凌晨1点的一个干净的房间里等待一个迫近的截止日期。

仿真结果

仿真结果应该为用户提供机器将如何执行的良好想法，这也应该表明机器将满足性能要求。如果系统仍然没有达到性能目标，则可以在模拟环境中轻松地进行更改。

例如，是需要更强大的动力还是更强大的机制?试着在模拟环境中改变这些因素，了解什么对系统动力学是重要的。在模拟中更改系统的速度和便捷性使得不同的设计团队能够一起工作，以比测试需要实际更改时更快地理解问题并修复问题。模拟中变化的速度和经济性对任何在不符合规范的真实机器上工作过的人都非常有吸引力。

那么，HIL如何改变猜测和检查机器制造呢?这很简单:使用与实际系统相同的先进工具来分析这些模拟，将在机器建造之前发现控制问题，从而节省大量的成本和时间。

- Paul Streder是Kollmorgen工业自动化高级软件工程师，Nate Holmes是国家仪器公司运动控制产品经理。由CFE Media内容经理马克·t·霍斯克编辑，控制工程而且设备工程，mhoske@cfemedia.com．

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