機電一體化系統(tǒng)設(shè)計第2章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和分析方法

1、第第2章章 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和分析方法機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和分析方法n2.12.1 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述n2.22.2 性能指標及分配方法性能指標及分配方法n2.3 2.3 機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真n2.42.4 系統(tǒng)的分析方法系統(tǒng)的分析方法n2.52.5 知識擴展知識擴展n機電一體化機電一體化設(shè)計是一個自上而下的過程設(shè)計是一個自上而下的過程，系統(tǒng)的功能和性能指標在各子系統(tǒng)中的合系統(tǒng)的功能和性能指標在各子系統(tǒng)中的合理分配是機電系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)；理分配是機電系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)；n機電一體化機電一體化系統(tǒng)分析則是自下而上的過程系統(tǒng)分析則是自下而上的過程

2、，是以系統(tǒng)動態(tài)分析理論為基礎(chǔ)對系統(tǒng)的穩(wěn)是以系統(tǒng)動態(tài)分析理論為基礎(chǔ)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應能力等進行驗證的過程，定性和動態(tài)響應能力等進行驗證的過程，形式上有理論分析和仿真分析等；形式上有理論分析和仿真分析等；n設(shè)計和分析的基礎(chǔ)條件是系統(tǒng)的理論模型設(shè)計和分析的基礎(chǔ)條件是系統(tǒng)的理論模型的建立的建立 。性能指標性能指標產(chǎn)品（模型）產(chǎn)品（模型）性能指標性能指標設(shè)計分析產(chǎn)品（模型）產(chǎn)品（模型）2.1 系統(tǒng)設(shè)計概述系統(tǒng)設(shè)計概述2.1.1系統(tǒng)設(shè)計的描述（什么是設(shè)計？）系統(tǒng)設(shè)計的描述（什么是設(shè)計？）n從現(xiàn)代設(shè)計方法的觀念看，從現(xiàn)代設(shè)計方法的觀念看，“設(shè)計設(shè)計”就是就是一個信息系統(tǒng)，輸入的是一個信息系統(tǒng)，輸入的是

3、需求需求，輸出是，輸出是設(shè)設(shè)計的結(jié)果計的結(jié)果。 n從系統(tǒng)工程的觀點分析，設(shè)計是一個由從系統(tǒng)工程的觀點分析，設(shè)計是一個由時時間、邏輯間、邏輯和和方法方法組成的三維系統(tǒng)。設(shè)計過組成的三維系統(tǒng)。設(shè)計過程中的每一個行為可以反映為此三維空間程中的每一個行為可以反映為此三維空間中的一個點。中的一個點。 時間維，描述按時間排列的設(shè)計目標流程； 邏輯維，是解決問題的邏輯步驟，是在設(shè)計的工作流程中的每一個階段內(nèi)所要進行的工作內(nèi)容和遵循的思維程序； 方法維，是設(shè)計過程的各種思維方法、工作方法和涉及的相關(guān)領(lǐng)域知識 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的類型機電一體化系統(tǒng)設(shè)計的類型n開發(fā)性設(shè)計（全新設(shè)計）;n適應性設(shè)計（原理方案不變，

4、僅對功能及結(jié)構(gòu)進行重新設(shè)計）;n變參數(shù)設(shè)計（僅改變部分結(jié)構(gòu)尺寸而形成系列產(chǎn)品） 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計原則機電一體化系統(tǒng)設(shè)計原則n機電一體化設(shè)計要遵循產(chǎn)品的一般設(shè)計原則（在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低成本），以計算機為輔助手段，充分利用現(xiàn)代設(shè)計方法，以多功能化，節(jié)能化，高效化滿足市場要求。n注意：產(chǎn)品的功能往往與操作有著直接關(guān)系，功能越多，操作越復雜。因此，在機電一體化產(chǎn)品向多功能化發(fā)展的同時，通過軟件來改善產(chǎn)品的操作性能。使產(chǎn)品向智能化發(fā)展。2.1.2設(shè)計工作流程設(shè)計工作流程 一個全新的機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計和詳細設(shè)計三個階段。 產(chǎn)品規(guī)

5、劃階段產(chǎn)品規(guī)劃階段 包括包括需求分析需求分析、市場預測市場預測、技術(shù)可行性分析技術(shù)可行性分析，最后確定設(shè)計參數(shù)及設(shè)計制約條件，提出設(shè)計要最后確定設(shè)計參數(shù)及設(shè)計制約條件，提出設(shè)計要求，作為設(shè)計、評價和決策的依據(jù)求，作為設(shè)計、評價和決策的依據(jù) 。n需求分析：需求分析：認識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)認識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計師應深入實際、細致觀察、敏銳捕捉計師應深入實際、細致觀察、敏銳捕捉市場市場的需求的需求，并及時完成產(chǎn)品的開發(fā)和試制工作，并及時完成產(chǎn)品的開發(fā)和試制工作 n市場預測：市場預測：產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容可分為三個方面：可分為三個方面：面向用戶的產(chǎn)品市

6、場調(diào)面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研研 ；面向產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)調(diào)研；面向產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)調(diào)研 ；面向產(chǎn)品；面向產(chǎn)品生命周期的社會環(huán)境調(diào)研。生命周期的社會環(huán)境調(diào)研。 n技術(shù)可行性分析技術(shù)可行性分析n內(nèi)容包括 ： 1）關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)路線； 2）可選技術(shù)方案 ； 3）主要性能指標及技術(shù)規(guī)格的可行性 ； 4）主要技術(shù)風險 ； 5）成本分析 ； 6）結(jié)論及產(chǎn)品建議 。技術(shù)可行性分析技術(shù)可行性分析根據(jù)產(chǎn)品的成本分析和技術(shù)風險分析，對產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標和市場定位等參數(shù)提出修改建議，確定產(chǎn)品是否立項。產(chǎn)品立項應給出生產(chǎn)設(shè)計要求表，表中所列要求分為特征指標、優(yōu)化指標和尋常指標，即包括新產(chǎn)品的功能要求、技術(shù)規(guī)格、性能指標

7、、成本控制目標等。 概念設(shè)計階段概念設(shè)計階段 n輸入的是產(chǎn)品規(guī)劃的結(jié)果設(shè)計要求表，輸出總體方案。機電一體化系統(tǒng)總體方案包括產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)布置方案、產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分及設(shè)計目標、各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計等三個方面，并給出詳細設(shè)計任務書、驗收規(guī)范及進度計劃。n1）產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)布置方案；n2）產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分及設(shè)計目標 ；n3）各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計 ；n4）制定詳細設(shè)計任務書、驗收規(guī)范及進度計劃 。詳細設(shè)計詳細設(shè)計 n根據(jù)詳細設(shè)計任務書，對各零部件進行詳細設(shè)計，確定各零部件的形狀、尺寸、材料等參數(shù)，設(shè)計控制軟件、設(shè)計電子、電氣系統(tǒng)的電路，選用合適的元件，繪制詳細的零件圖、裝配圖等工程圖，

8、編寫詳細的設(shè)計技術(shù)資料。詳細設(shè)計還包括制定產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量檢驗等內(nèi)容。n詳細設(shè)計必須按照總體的要求進行，在設(shè)計過程中還可能伴隨著許多的實驗研究和零部件的試制，以確定相關(guān)參數(shù)。 2.2 性能指標及分配方法性能指標及分配方法1、使用要求與性能指標使用要求與性能指標 從產(chǎn)品的使用要求的角度看，性能指從產(chǎn)品的使用要求的角度看，性能指標可劃分為標可劃分為功能性指標功能性指標、經(jīng)濟性指標經(jīng)濟性指標和和安全性指標安全性指標等三類。等三類。n 功能性指標功能性指標 ：定義產(chǎn)品在預定的壽命期間有效地實現(xiàn)預期的全部功能要求，包括功能范圍、精度指標、可靠性指標和維修性指標等。 n經(jīng)濟性指標經(jīng)濟性指標 ：反映用戶獲

9、得所需功能和性能的產(chǎn)品需要付出的費用高低；對于生產(chǎn)者則是完成產(chǎn)品生產(chǎn)制造的成本。對于生產(chǎn)者和用戶都希望在獲得相同產(chǎn)品的同時成本/費用越低越好。對于用戶其成本包括購置和使用費用。n安全性指標安全性指標 ：需要根據(jù)產(chǎn)品特點確定，它既指產(chǎn)品在運行過程中對操作者和周圍其他人員的人身安全的危害程度，又指產(chǎn)品本身因其它原因受損壞的可能性。 n2、優(yōu)化設(shè)計與性能指標、優(yōu)化設(shè)計與性能指標 從設(shè)計的角度劃分性能指標，有特征指標、優(yōu)化指標和尋常指標三類，它們在設(shè)計中的限定作用不同。n特征指標：決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標，是設(shè)計中必須滿足的指標，構(gòu)成機電系統(tǒng)優(yōu)化模型的約束。 n優(yōu)化指標：優(yōu)化指標：又稱為評價指標，

10、用來進行方案比較的指標，其限定作用弱于特征指標，可作為機電系統(tǒng)優(yōu)化模型的優(yōu)化目標。 n尋常指標：尋常指標：作為常規(guī)要求的指標，一般不定量描述且不出現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計模型中，只需用常規(guī)設(shè)計方法進行保證。 3、性能指標分配、性能指標分配n分配的目的是合理限定各子系統(tǒng)對總體性能指標的影響程度，是系統(tǒng)整體優(yōu)化的保障。n由于機電系統(tǒng)方案的多樣性，各子系統(tǒng)的形式不同，因此必須逐一列出它們的作用形式。這些內(nèi)容包括：相關(guān)設(shè)計參數(shù)、設(shè)計參數(shù)受到的特征指標約束、設(shè)計參數(shù)對優(yōu)化指標的影響等三個方面。 性能指標分配性能指標分配根據(jù)表根據(jù)表2-1列出部分可行性方案的總成本表。列出部分可行性方案的總成本表。n系統(tǒng)模型系統(tǒng)模型

11、系統(tǒng)模型是對系統(tǒng)的特征與變化規(guī)律的一種定量抽象，是人們用以認識事物的一種手段或工具，系統(tǒng)模型一般包括物理模型、數(shù)學模型和描述模型三種類型。 物理模型就是根據(jù)相似原理，把真實系統(tǒng)按比例放大或縮小制成的模型，其狀態(tài)變量與原系統(tǒng)完全相同。 數(shù)學模型是一種用數(shù)學方程或信號流程圖、結(jié)構(gòu)圖等來描述系統(tǒng)性能的模型，描述模型是一種抽象的。不能或很難用數(shù)學方法描述的，只能用自然語言或程序語言描述的系統(tǒng)模型。n系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真 在系統(tǒng)實際運行前，也希望對項目的實施結(jié)果加以預測，以便選擇正確、高效的運行策略或提前消除設(shè)計中的缺陷，最大限度地提高實際系統(tǒng)的運行水平，采用仿真技術(shù)可以省時省力省錢地達到上述目的。2.3

12、機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真2.3 機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真n機電一體化系統(tǒng)仿真是建立在其數(shù)學模型基礎(chǔ)之上，因此需要首先用數(shù)學形式描述各類系統(tǒng)的運動規(guī)律，即建立它們的數(shù)學模型。模型確定之后，還必須尋求合理的求解數(shù)學模型的方法，即數(shù)值算法，才能得到正確的仿真結(jié)果。從而對機電系統(tǒng)進行評估或目標優(yōu)化，保證機電系統(tǒng)的設(shè)計更為合理和完善。 機電產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)的實際過程是一個交互過程，在概念設(shè)計和細節(jié)設(shè)計過程中需要不斷地進行驗證和修改驗證和修改。 機電產(chǎn)品設(shè)計開機電產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)交互過程發(fā)交互過程n圖示為電樞控制式直流電動機的工作原理圖。圖中電機線圈的電流

13、為i；L與R為線圈的電感與電阻；電機的輸入電壓為u；折算到電機轉(zhuǎn)子軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為JM；電機輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為T和；KE和KT分別為電樞的電勢常數(shù)和轉(zhuǎn)矩常數(shù)，試求輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)（數(shù)學模型）。 2.3.4機電系統(tǒng)的數(shù)學模型舉例：機電系統(tǒng)的數(shù)學模型舉例：MJiu圖 直流電動機的工作原理解：由題可得： （1）當激磁磁場不變時，電機輸出轉(zhuǎn)矩T正比于電樞電流： T=KTi； （2）當電樞轉(zhuǎn)動時，電樞中會感應反電勢eb，其值正比于轉(zhuǎn)動的角速度：eb=KE （3）電樞回路的微分方程為： （4）電機軸上的轉(zhuǎn)矩平衡方程為：T=JM, （5）求拉氏變換及聯(lián)立求解得：（Ls+R）I(s)

14、+KE(s)=U(s)輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)：sJRLsKKKsUsMETT)()()(ueRidtdiLbn2.3.5系統(tǒng)仿真的類型和一般流程系統(tǒng)仿真的類型和一般流程 根據(jù)模型的物理屬性，系統(tǒng)仿真有：根據(jù)模型的物理屬性，系統(tǒng)仿真有：物理仿物理仿真真、數(shù)學仿真數(shù)學仿真和和半實物仿真半實物仿真。物理仿真：物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系按照真實系統(tǒng)的物理性質(zhì)構(gòu)造系統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進行實驗統(tǒng)的物理模型，并在物理模型上進行實驗的過程稱為物理仿真。的過程稱為物理仿真。 優(yōu)點：優(yōu)點：直觀、形象。直觀、形象。缺點：缺點：模型改變困難，模型改變困難，實驗限制多，投資較大實驗限制多

15、，投資較大。 數(shù)學仿真：數(shù)學仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學性用數(shù)學關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學模型，對數(shù)學模型進行實驗的過程稱為數(shù)模型，對數(shù)學模型進行實驗的過程稱為數(shù)學仿真。學仿真。 優(yōu)點：方便、靈活、經(jīng)濟方便、靈活、經(jīng)濟。缺點：受限于系受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學模型不易建立統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學模型不易建立。 半實物仿真：半實物仿真：將數(shù)學模型與物理模型甚至實將數(shù)學模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行實驗。物聯(lián)合起來進行實驗。 n 系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真仿真時鐘，時鐘，而實際動態(tài)系

16、統(tǒng)的時鐘稱為而實際動態(tài)系統(tǒng)的時鐘稱為實際時實際時鐘鐘。根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系，。根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關(guān)系，仿真又分為仿真又分為實時、亞實時實時、亞實時和和超實時超實時仿真三仿真三種。種。n實時仿真：實時仿真：即仿真時鐘與實際時鐘完全一即仿真時鐘與實際時鐘完全一致。模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速致。模型仿真的速度與實際系統(tǒng)運行的速度相同。當被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型度相同。當被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真。或?qū)嵨飼r，必須進行實時仿真。 n亞實時仿真：亞實時仿真：即仿真時鐘慢于實際時鐘。即仿真時鐘慢于實際時鐘。模型仿真的速度慢于實際系統(tǒng)運行的速度，模型仿真

17、的速度慢于實際系統(tǒng)運行的速度，也稱為也稱為離線仿真離線仿真。在對系統(tǒng)進行設(shè)計分析。在對系統(tǒng)進行設(shè)計分析過程中，多為亞實時仿真。過程中，多為亞實時仿真。n超實時仿真：超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘，即仿真時鐘快于實際時鐘，則模型仿真的速度快于實際。則模型仿真的速度快于實際。 仿真的一般步驟2.4 系統(tǒng)的分析方法系統(tǒng)的分析方法n什么是機電系統(tǒng)的分析？目的是什么？什么是機電系統(tǒng)的分析？目的是什么？ 用自動控制理論（主要采用用自動控制理論（主要采用數(shù)學方法數(shù)學方法）對系統(tǒng)）對系統(tǒng)的的輸入（輸入（主要是某種典型輸入信號主要是某種典型輸入信號）與輸出的）與輸出的關(guān)系關(guān)系進行分析的方法。目的是驗證系統(tǒng)的

18、進行分析的方法。目的是驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定穩(wěn)定性和動態(tài)響應能力性和動態(tài)響應能力。注：注：典型信號好：如交流電機輸入電壓（典型信號好：如交流電機輸入電壓（220V或或380V）. 穩(wěn)定性穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。響應能力主是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。響應能力主要指系統(tǒng)反應的要指系統(tǒng)反應的快速性快速性和和準確性準確性。2.4 系統(tǒng)的分析方法系統(tǒng)的分析方法n分析的方法：在經(jīng)典的控制理論中，常用分析的方法：在經(jīng)典的控制理論中，常用 時域分析法時域分析法、 根軌跡法根軌跡法、 頻域分析法頻域分析法 這些方法有各自不同的特點和適用范圍，這些方法有各自不同的特點和適用范圍，但是比較而言，但是比較而言，時域分析法時域分析法是一種直接在時間是一種直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，具有域中對系統(tǒng)進行分析的方法，具有直觀、準確直觀、準確的優(yōu)點，并且可以提供系統(tǒng)時間響應的全部信的優(yōu)點，并且可以提供系統(tǒng)時間響應的全部信息。息。2.4.1 時域的響應函數(shù)分析時域的響應函數(shù)分