应对机电系统设计的复杂性-modeFRONTIER-工程优化与性能优化-软服之家

公司：ABB

设计挑战：解决自动化行业的重大挑战

软件解决方案：modeFRONTIER

收益：

利用基于优化的开发来处理自动化和控制系统带来的复杂性
更大限度地提高机电产品性能，满足可靠性要求并减轻整体环境影响

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ABB集团是电力和自动化技术领域的全球领导者，其产品和系统几乎覆盖了发电和工业过程控制市场的所有领域。ABB研发部的8500名工程师和科学家每年投入14亿美元，致力于满足自动化行业对降低能耗、提高可靠性和性能不断增长的需求。本文展示的设计项目突出了ABB集团如何利用基于优化的开发来处理电子和软件组件所带来的复杂性。从最早的概念阶段开始审视系统的相互依赖性，对于旨在更大化产品性能、满足可靠性需求和满足产品环境影响的有效战略至关重要。

1.机器人系统设计

工业挑战

工业机器人是一种复杂的系统，包括硬件和越来越多的软件组件。必须仔细规划子系统设计（齿轮箱、电机、传感器和制动器）和机器接口、安全集成、现场总线、PCBA、电源和驱动模块等元件之间的相互作用，以确保更佳性能。多年来，成本压力使机器人在物理规格方面成为一种商品。在众多设计挑战中，对更轻部件的需求导致刚度降低，使控制问题更加复杂。此外，许多第三方接口需要集成，并且产品必须符合软件、电气和机械质量标准。

ABB经验

在ABB旗舰机器人之一的Twin Robot Xbar Press Tending 机器人系统中，工程师考虑了18个设计变量（代表齿轮扭矩、电机扭矩和电机速度），并在modeFRONTIER中管理目标和约束，仅通过改变软件组件，就可实现12%的节能。“我们对这个机器人进行了30年的‘手动’优化，它是最常用的机器人之一。借助modeFRONTIER，我们能够确定一种新的设计，无需实施成本，只需更改软件配置即可在不影响性能的情况下节省12%的能源。显然，这是手工无法完成的事情，你需要一个优化软件来完成。”ABB全球研发经理Wappling博士说。

机电一体化设计的复杂性演变历史

收益

“随着仿真包含越来越多的系统，而不仅仅是组件，管理机电一体化的能力变得越来越重要：机械、电子和软件的影响都需要考虑在内。”Wappling继续说。ESTECO technology紧跟不断发展的研发需求，为设计师提供灵活的环境，以处理复杂系统分析的每一个微妙步骤。如本机器人案例所示，在仿真框架中插入虚拟控制模型可使设计者应用优化方法，校准软件并确定零成本解决方案。

2.中压重合闸的多目标优化

挑战

中压重合闸现在是一种重要的电网保护装置，它连接不同的电网电源，提高网络/电网的可靠性，并使架空线路自愈和自动重新配置方案的实施成为可能。随着可再生能源的高度普及，中压电网正在向双向发展。因此，相关的开关设备必须确保对新型电力系统以及新型负载的保护。由于上述原因，中压重合闸的优化设计对于实现出色的开关能力非常重要。中压重合器的开关能力可能会受到各种参数的影响，例如负责打开和关闭装置的驱动能量。因此，为了更大限度地延长重合闸的使用寿命，必须建立优化控制，尤其是与驱动能量相关的控制。多目标优化的目标是确定关闭和打开操作的更佳驱动能量控制策略。

modeFRONTIER

工作流引导硬件在环（HIL）过程

解决方案

ABB研发团队建立了一个两步优化框架，包括最初在电磁致动器上工作的能效约束和直接优化有限元模型（FEM）。然后通过硬件在环（HIL）优化过程进行物理校准，完成数值仿真步骤，确保整个系统达到预期性能。在第一次迭代过程中，modeFRONTIER通过确定电磁系统的更佳配置帮助改进了有限元模型，同时满足了设计边界条件施加的约束。使用COMSOL Multiphysics创建的参数化有限元模型连接到Matlab LiveLink，以便利用modeFRONTIER中Matlab的直接集成节点，自动引导所有设计更改并顺序控制两个模型。在第二步中，研发团队选择对系统进行深入分析，将modeFRONTIER与仿真模型和硬件相结合，以进一步增强开关特性。HIL框架为整个重合闸系统提供了一个研究环境。

由于采用了这种方法，可以对使用CompactRIO/LabVIEW实现的控制方案进行优化：在运行一次完全的关闭-打开操作后，数据被传输到Matlab进行后处理，并重新返回到循环中，以进行下一次运行。由于减少超程和回程对产品寿命极为重要，modeFRONTIER对HIL系统进行了试点（1500次运行，DOE采用第一个优化步骤中选定的参数），研发科学家确定了一种新的控制方案，可显著延长产品寿命。ABB公司的高级科学家Octavian Craciun表示：“确定的控制方案可使超程和回程减少50%，从而显著提高寿命。”。

更大化重合闸寿命的更优控制方案对应行程

企业介绍

Business Introduction

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