單元六機電一體化設(shè)計

1、Mechatronics 單元五單元五 機電一體化控制及接口技術(shù)機電一體化控制及接口技術(shù) 6. 1機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法 6. 2機電一體化系統(tǒng)的建模與仿真機電一體化系統(tǒng)的建模與仿真 6. 3機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)本單元的學習內(nèi)容：本單元的學習內(nèi)容：學習目標學習目標 1.熟悉機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法熟悉機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法 2.熟悉機電一體化系統(tǒng)建模與仿真方熟悉機電一體化系統(tǒng)建模與仿真方法法 3.掌握機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)掌握機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 科學技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品性能要求的不斷提高科學技術(shù)的發(fā)展及產(chǎn)品性能要求的不斷提高，使得設(shè)計新理論、

2、新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。，使得設(shè)計新理論、新方法、新技術(shù)不斷涌現(xiàn)?，F(xiàn)代設(shè)計方法與用經(jīng)驗公式、圖表和手冊為設(shè)計現(xiàn)代設(shè)計方法與用經(jīng)驗公式、圖表和手冊為設(shè)計依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計方法不同，設(shè)計人員必須根據(jù)用依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計方法不同，設(shè)計人員必須根據(jù)用戶需求和市場狀況進行分析，以計算機作為輔助戶需求和市場狀況進行分析，以計算機作為輔助手段，并著眼于產(chǎn)品全壽命周期的設(shè)計，從其通手段，并著眼于產(chǎn)品全壽命周期的設(shè)計，從其通用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟性的觀點進行綜用性、耐環(huán)境性、可靠性、經(jīng)濟性的觀點進行綜合分析，使設(shè)計的機電系產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體合分析，使設(shè)計的機電系產(chǎn)品充分發(fā)揮機電一體化的功能?；墓δ堋C電一體化

3、系統(tǒng)設(shè)計概述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述 評價與標準評價與標準性能指標性能指標社會經(jīng)濟社會經(jīng)濟系統(tǒng)功能系統(tǒng)功能使用條件使用條件1 .設(shè)計依據(jù)與評價標準設(shè)計依據(jù)與評價標準機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的評價標準體現(xiàn)在以下幾個方面：機電一體化產(chǎn)品設(shè)計的評價標準體現(xiàn)在以下幾個方面：u技術(shù)評價指標技術(shù)評價指標 如機械系統(tǒng)的傳動精度、控制原理、傳感器的線性度等。如機械系統(tǒng)的傳動精度、控制原理、傳感器的線性度等。u性能評價指標性能評價指標 自動化程度、承載能力、可靠性等。自動化程度、承載能力、可靠性等。u經(jīng)濟性評價指標經(jīng)濟性評價指標 如制造的難易程度、性價比等。如制造的難易程度

4、、性價比等。u社會性評價指標社會性評價指標 如資源的利用、環(huán)保？如資源的利用、環(huán)保？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 2.機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計思想機電一體化系統(tǒng)的設(shè)計思想l替代機械系統(tǒng)替代機械系統(tǒng)l簡化機械系統(tǒng)簡化機械系統(tǒng)l增強機械系統(tǒng)增強機械系統(tǒng)l綜合機械系統(tǒng)綜合機械系統(tǒng)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 將機電一體化產(chǎn)品看成是一個完整的系統(tǒng)。從將機電一體化產(chǎn)品看成是一個完整的系統(tǒng)。從系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，分析各個部分的相互聯(lián)系及整系統(tǒng)論的觀點出發(fā)，分析各個部分的相互聯(lián)系及整個與界的關(guān)系。個與界的關(guān)系。機電一體化系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)（1）并行設(shè)計）并行設(shè)計（2） 按系統(tǒng)工程的

5、理論按系統(tǒng)工程的理論和方法去分析處理問題和方法去分析處理問題 （3）多學科交叉進行設(shè)計）多學科交叉進行設(shè)計（4） 掌握有關(guān)各領(lǐng)域信息掌握有關(guān)各領(lǐng)域信息資料資料（5） 以達到客戶滿意的設(shè)計以達到客戶滿意的設(shè)計目標和評價標準為系統(tǒng)設(shè)計的目標和評價標準為系統(tǒng)設(shè)計的最終目的最終目的3.注重創(chuàng)新的設(shè)計思想注重創(chuàng)新的設(shè)計思想工作原理的創(chuàng)新工作原理的創(chuàng)新技術(shù)方案的創(chuàng)新技術(shù)方案的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新用材和制造工藝上的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新用材和制造工藝上的創(chuàng)新控制方面的創(chuàng)新驅(qū)動和傳動方面的創(chuàng)新控制方面的創(chuàng)新驅(qū)動和傳動方面的創(chuàng)新其它方面的創(chuàng)新其它方面的創(chuàng)新機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述 一個全新的機電一體化產(chǎn)品

6、的正向設(shè)計和開發(fā)過程大一個全新的機電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計和開發(fā)過程大體可以分為體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計概念設(shè)計和和詳細設(shè)計詳細設(shè)計三個階三個階段段。 4.設(shè)計過程設(shè)計過程機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述機電一體化系統(tǒng)設(shè)計概述 產(chǎn)品規(guī)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，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)，作為設(shè)計、評價和決策的依據(jù) 。 需求分析：需求分析：認識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計師認識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計師應(yīng)深入實際、細致觀察、敏銳捕捉市場的

7、需求，應(yīng)深入實際、細致觀察、敏銳捕捉市場的需求，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 市場預測：市場預測：產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容可分產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容可分為三個方面：為三個方面：面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研 ；面向產(chǎn)；面向產(chǎn)品設(shè)計的技術(shù)調(diào)研品設(shè)計的技術(shù)調(diào)研 ；面向產(chǎn)品生命周期的社會環(huán)；面向產(chǎn)品生命周期的社會環(huán)境調(diào)研。境調(diào)研。 技術(shù)可行性分析技術(shù)可行性分析的內(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 。 根據(jù)產(chǎn)品的成本分析和

8、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(yīng)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、成本控制目標等。 產(chǎn)品規(guī)劃階段產(chǎn)品規(guī)劃階段 返回返回u概念設(shè)計的內(nèi)涵概念設(shè)計的內(nèi)涵 在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)在確定任務(wù)之后，通過抽象化，擬定功能結(jié)構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基構(gòu)，尋求適當?shù)淖饔迷砑捌浣M合等，確定出基本求解途徑，得出求解方案。本求解途徑，得出求解方案。概念設(shè)計階段概念設(shè)計階段 概念設(shè)計的特征概念設(shè)計的特征（1）創(chuàng)新性：創(chuàng)新是概念設(shè)計的靈魂）創(chuàng)新

9、性：創(chuàng)新是概念設(shè)計的靈魂（2）約束性：限制和要求構(gòu)成了邊界條件，形）約束性：限制和要求構(gòu)成了邊界條件，形 成成“設(shè)計空間設(shè)計空間” （3）多解性：設(shè)計路徑的多樣化及設(shè)計結(jié)果的）多解性：設(shè)計路徑的多樣化及設(shè)計結(jié)果的 多樣化。多樣化。 （4）層次性：功能層及結(jié)構(gòu)層）層次性：功能層及結(jié)構(gòu)層 概念設(shè)計階段概念設(shè)計階段 概念設(shè)計階段概念設(shè)計階段 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(wù)書、驗收規(guī)范及進度計劃。1）產(chǎn)品外觀和結(jié)構(gòu)布置方案；2）產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分及

10、設(shè)計目標 ；3）各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計 ；4）制定詳細設(shè)計任務(wù)書、驗收規(guī)范及進度計劃 。概念設(shè)計階段概念設(shè)計階段 返回返回詳細設(shè)計詳細設(shè)計 根據(jù)詳細設(shè)計任務(wù)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，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。 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)。 返回返回機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法1 .機電一體化傳統(tǒng)設(shè)計方法機電一體化傳統(tǒng)設(shè)計方法機電一

11、體化機電一體化傳統(tǒng)設(shè)計方法傳統(tǒng)設(shè)計方法機電結(jié)合機電結(jié)合設(shè)計法設(shè)計法 反向反向設(shè)計法設(shè)計法機電互補機電互補設(shè)計法設(shè)計法 組合組合設(shè)計法設(shè)計法機電互補設(shè)計法機電互補設(shè)計法機電互補法又稱取代法。利用通用或?qū)Ｓ秒姍C電互補法又稱取代法。利用通用或?qū)Ｓ秒娮硬考〈鷤鹘y(tǒng)機械產(chǎn)品子部件取代傳統(tǒng)機械產(chǎn)品（系統(tǒng)）中的復雜系統(tǒng)）中的復雜機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。機械功能部件或功能子系統(tǒng)，以彌補其不足。機電結(jié)合設(shè)計法機電結(jié)合設(shè)計法 在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，為了實現(xiàn)單元部在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，為了實現(xiàn)單元部件的標準化、通用化、系列化，常把件的標準化、通用化、系列化，常把各組成各組成部件有機結(jié)合為一體構(gòu)成

12、專用或通用的功能部件有機結(jié)合為一體構(gòu)成專用或通用的功能單元系統(tǒng)，充分利用不同部件之間機電參數(shù)單元系統(tǒng)，充分利用不同部件之間機電參數(shù)的有機匹配。的有機匹配。 組合設(shè)計法組合設(shè)計法將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系將結(jié)合法制成的專用或通用功能部件（子系統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機統(tǒng)）、功能模塊，像積木那樣組合成各種機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱組合法。電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品），故稱組合法。反向設(shè)計法反向設(shè)計法 當確定要開發(fā)新產(chǎn)品后，選定市場上當前當確定要開發(fā)新產(chǎn)品后，選定市場上當前最流行的有代表意義的優(yōu)秀產(chǎn)品，進行解最流行的有代表意義的優(yōu)秀產(chǎn)品，進行解剖、測繪、分析、評估，最后提出設(shè)計分剖

13、、測繪、分析、評估，最后提出設(shè)計分析報告和建議，以確定自己的開發(fā)策略，析報告和建議，以確定自己的開發(fā)策略，這一整套工作就是通常所稱的反向設(shè)計法這一整套工作就是通常所稱的反向設(shè)計法。進行反向設(shè)計的目的是開發(fā)新的產(chǎn)品，。進行反向設(shè)計的目的是開發(fā)新的產(chǎn)品，機電一體化系統(tǒng)機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法 （1）科學）科學類比設(shè)計法類比設(shè)計法（2信號分析設(shè)計法信號分析設(shè)計法 （3）模塊化設(shè)）模塊化設(shè)計方法計方法（4）可靠性設(shè)計法）可靠性設(shè)計法（5） 動態(tài)設(shè)計法動態(tài)設(shè)計法機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)設(shè)計方法2 .機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法（7 ）計算機）計算機 輔助

14、設(shè)計法輔助設(shè)計法（6）優(yōu)化設(shè)計法）優(yōu)化設(shè)計法 (1)科學類比設(shè)計法。科學類比設(shè)計法。 它是利用同類事物間靜態(tài)與動態(tài)的相似性，利用量它是利用同類事物間靜態(tài)與動態(tài)的相似性，利用量綱分析，根據(jù)數(shù)學模擬和物理模擬等方法，求解出綱分析，根據(jù)數(shù)學模擬和物理模擬等方法，求解出設(shè)計系統(tǒng)之間的函數(shù)關(guān)系，再進行詳細設(shè)計。設(shè)計系統(tǒng)之間的函數(shù)關(guān)系，再進行詳細設(shè)計。2 .機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法(2)信號分析設(shè)計法。信號分析設(shè)計法。 它是建立在信息論基礎(chǔ)上的一種設(shè)計方法。一種是它是建立在信息論基礎(chǔ)上的一種設(shè)計方法。一種是根據(jù)市場信息、市場需求、生產(chǎn)批量、產(chǎn)品性能參根據(jù)市場信息、市場需求、生產(chǎn)

15、批量、產(chǎn)品性能參數(shù)、應(yīng)用功能等進行設(shè)計。另一種是設(shè)計的機電一數(shù)、應(yīng)用功能等進行設(shè)計。另一種是設(shè)計的機電一體化產(chǎn)品的動態(tài)性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等都需要經(jīng)試體化產(chǎn)品的動態(tài)性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)等都需要經(jīng)試驗測試得到，采用分析處理和識別，確定相應(yīng)各種驗測試得到，采用分析處理和識別，確定相應(yīng)各種要求的數(shù)據(jù)信息，是優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計的要求的數(shù)據(jù)信息，是優(yōu)化設(shè)計和計算機輔助設(shè)計的必要的計算基礎(chǔ)。必要的計算基礎(chǔ)。(3)模塊化設(shè)計方法。模塊化設(shè)計方法。 利用模塊化原理和利用模塊化原理和“相似原理相似原理”進行進行“變形變形”設(shè)計設(shè)計、通用性設(shè)計、系列化設(shè)計。作為機電一體化產(chǎn)品、通用性設(shè)計、系列化設(shè)計。作為機電一

16、體化產(chǎn)品或設(shè)備要素的電動機、傳感器和微型計算機等都是或設(shè)備要素的電動機、傳感器和微型計算機等都是功能模塊的實例。功能模塊的實例。2 .機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法 (4)可靠性設(shè)計法?？煽啃栽O(shè)計法。 在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，充分利用可靠性設(shè)計在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，充分利用可靠性設(shè)計理論，設(shè)計方法，對所設(shè)計產(chǎn)品進行可靠性分析及可理論，設(shè)計方法，對所設(shè)計產(chǎn)品進行可靠性分析及可靠性評估和預測，采用多種先進的設(shè)計手段提高產(chǎn)品靠性評估和預測，采用多種先進的設(shè)計手段提高產(chǎn)品可靠性?？煽啃?。(5)動態(tài)設(shè)計法。動態(tài)設(shè)計法。 它是建立在控制論基礎(chǔ)上的方法，在設(shè)計中要進行它是建立在控制論

17、基礎(chǔ)上的方法，在設(shè)計中要進行各種動態(tài)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析處理，提高設(shè)計各種動態(tài)試驗，根據(jù)試驗結(jié)果分析處理，提高設(shè)計的可靠性及安全性，環(huán)境條件的適應(yīng)性。的可靠性及安全性，環(huán)境條件的適應(yīng)性。2 .機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法 (6)優(yōu)化設(shè)計法。優(yōu)化設(shè)計法。 優(yōu)化設(shè)計法是利用計算機技術(shù)，按照優(yōu)化準則，優(yōu)化設(shè)計法是利用計算機技術(shù)，按照優(yōu)化準則，利用實物模型，數(shù)學規(guī)化論和計算機技術(shù)的綜合，經(jīng)利用實物模型，數(shù)學規(guī)化論和計算機技術(shù)的綜合，經(jīng)反復計算和分析后確定最佳設(shè)計方案，使工程設(shè)計最反復計算和分析后確定最佳設(shè)計方案，使工程設(shè)計最優(yōu)化。優(yōu)化。 (7)計算機輔助設(shè)計法。計算機輔助設(shè)計

18、法。 利用計算機系統(tǒng)對設(shè)計對象進行最佳設(shè)計的方法，利用計算機系統(tǒng)對設(shè)計對象進行最佳設(shè)計的方法，采用計算機輔助設(shè)計可快速地進行資料檢索、參數(shù)采用計算機輔助設(shè)計可快速地進行資料檢索、參數(shù)計算，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自動繪圖。計算，確定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，自動繪圖。2 .機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法機電一體化系統(tǒng)現(xiàn)代設(shè)計方法 (1)現(xiàn)代設(shè)計方法立現(xiàn)代設(shè)計方法立足于明確設(shè)計任務(wù)與設(shè)計目足于明確設(shè)計任務(wù)與設(shè)計目標標，全面、系統(tǒng)地確定設(shè)計過程的設(shè)計條件和最，全面、系統(tǒng)地確定設(shè)計過程的設(shè)計條件和最終設(shè)計結(jié)果，用現(xiàn)代設(shè)計原理和理論作指導。終設(shè)計結(jié)果，用現(xiàn)代設(shè)計原理和理論作指導。 (2)現(xiàn)代設(shè)計方法特別現(xiàn)代設(shè)計方法特別強調(diào)抽象的設(shè)

19、計構(gòu)思強調(diào)抽象的設(shè)計構(gòu)思，防，防止過早地進入某一已經(jīng)定型的實體結(jié)構(gòu)分析，以止過早地進入某一已經(jīng)定型的實體結(jié)構(gòu)分析，以便對系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)關(guān)系作本質(zhì)的和創(chuàng)新的設(shè)便對系統(tǒng)的原理和結(jié)構(gòu)關(guān)系作本質(zhì)的和創(chuàng)新的設(shè)計構(gòu)思。計構(gòu)思。 (3)現(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法經(jīng)常采用擴展性的設(shè)計思維經(jīng)常采用擴展性的設(shè)計思維，自始至終地尋求多種可行的方案構(gòu)思，以便從中自始至終地尋求多種可行的方案構(gòu)思，以便從中選擇確定令人滿意的最佳方案，改變傳統(tǒng)設(shè)計中選擇確定令人滿意的最佳方案，改變傳統(tǒng)設(shè)計中慣用的封閉式的設(shè)計思維和忽略方案搜索的現(xiàn)象慣用的封閉式的設(shè)計思維和忽略方案搜索的現(xiàn)象，能夠達到很高的滿意程度。，能夠達到很高的滿意程度

20、。 現(xiàn)代設(shè)計特征現(xiàn)代設(shè)計特征 (4)現(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法常采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法常采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，對，對所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性能進所設(shè)計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、技術(shù)參數(shù)和技術(shù)性能進行不同性質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計方法，以求得綜合設(shè)計優(yōu)行不同性質(zhì)的優(yōu)化設(shè)計方法，以求得綜合設(shè)計優(yōu)化的效果?；男Ч?(5)現(xiàn)代設(shè)計方法現(xiàn)代設(shè)計方法常采用計算機輔助設(shè)計常采用計算機輔助設(shè)計。無論。無論是圖形構(gòu)思、繪制，還是動、靜態(tài)參數(shù)計算，都是圖形構(gòu)思、繪制，還是動、靜態(tài)參數(shù)計算，都采用了計算機應(yīng)用設(shè)計技術(shù)，不僅使設(shè)計人員解采用了計算機應(yīng)用設(shè)計技術(shù)，不僅使設(shè)計人員解脫了繁重的設(shè)計工作，也提高了設(shè)計工作的質(zhì)量脫了繁

21、重的設(shè)計工作，也提高了設(shè)計工作的質(zhì)量和準確度，并可把主要精力集中于創(chuàng)造性設(shè)計工和準確度，并可把主要精力集中于創(chuàng)造性設(shè)計工作上。作上。 現(xiàn)代設(shè)計特征現(xiàn)代設(shè)計特征 機電一體化系統(tǒng)的建模機電一體化系統(tǒng)的建模研究與分析一個系統(tǒng)，首先要研究與分析一個系統(tǒng)，首先要定性定性地了解系統(tǒng)的地了解系統(tǒng)的工作原理及其特性。但是，如果想對系統(tǒng)進行控制，工作原理及其特性。但是，如果想對系統(tǒng)進行控制，或系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障，或者要進一步改善系或系統(tǒng)在運行過程中出現(xiàn)故障，或者要進一步改善系統(tǒng)的性能，那么，僅僅了解工作原理和特性是完全不統(tǒng)的性能，那么，僅僅了解工作原理和特性是完全不夠的。我們還要夠的。我們還要定量地描述系

22、統(tǒng)的動態(tài)性能定量地描述系統(tǒng)的動態(tài)性能，揭示系，揭示系統(tǒng)的統(tǒng)的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)、參數(shù)參數(shù)與與動態(tài)性能動態(tài)性能之間的關(guān)系。這就需要建之間的關(guān)系。這就需要建立系統(tǒng)的立系統(tǒng)的數(shù)學模型數(shù)學模型。 系統(tǒng)的數(shù)學模型是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學描述系統(tǒng)的數(shù)學模型是系統(tǒng)動態(tài)特性的數(shù)學描述。描述。描述系統(tǒng)輸系統(tǒng)輸入入、輸出量輸出量以及以及內(nèi)部各變量內(nèi)部各變量之間關(guān)系的之間關(guān)系的數(shù)學表達式數(shù)學表達式，它揭示了，它揭示了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與其性能之間的內(nèi)在的關(guān)系。對于同一系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其參數(shù)與其性能之間的內(nèi)在的關(guān)系。對于同一系統(tǒng)，可以建立多種形式的數(shù)學模型：可以建立多種形式的數(shù)學模型：l 微分方程微分方程l 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)l 時間

23、響應(yīng)函數(shù)時間響應(yīng)函數(shù)l 頻率特性頻率特性l 狀態(tài)空間模型狀態(tài)空間模型l 。 機電一體化系統(tǒng)的建模機電一體化系統(tǒng)的建模1.選擇數(shù)學模型選擇數(shù)學模型動態(tài)模型動態(tài)模型靜態(tài)模型靜態(tài)模型適用于控制適用于控制的模型的模型適用于系統(tǒng)適用于系統(tǒng)優(yōu)化和性能分析優(yōu)化和性能分析的模型的模型 機電一體化系統(tǒng)的建模機電一體化系統(tǒng)的建模計算分析法：計算分析法：根據(jù)系統(tǒng)和元件所遵循的定律推導數(shù)學表達式。根據(jù)系統(tǒng)和元件所遵循的定律推導數(shù)學表達式。實驗法：實驗法：人為地對系統(tǒng)施加某種測試信號，記錄其輸出響應(yīng)，通過數(shù)人為地對系統(tǒng)施加某種測試信號，記錄其輸出響應(yīng)，通過數(shù)據(jù)整理擬合出比較接近實際系統(tǒng)的數(shù)學表達式。據(jù)整理擬合出比較接近

24、實際系統(tǒng)的數(shù)學表達式。適用于解決輔助的控適用于解決輔助的控制系統(tǒng)。制系統(tǒng)。 實驗法模型建立起來的數(shù)學模型又稱辨識模型。實驗法模型建立起來的數(shù)學模型又稱辨識模型。建立辨識模型建立辨識模型的關(guān)鍵是測試方法及試驗信號的選擇。常用的方法有時域法、的關(guān)鍵是測試方法及試驗信號的選擇。常用的方法有時域法、頻率法和統(tǒng)計法三種。頻率法和統(tǒng)計法三種。分析法建立起來的數(shù)學模型又被稱為機理模型分析法建立起來的數(shù)學模型又被稱為機理模型。機理模型可反。機理模型可反映映被控對象的本質(zhì)被控對象的本質(zhì)，有較大范圍的，有較大范圍的適應(yīng)性適應(yīng)性，所以在建立數(shù)學模，所以在建立數(shù)學模型時，只要能借助于分析法得到機理模型即使是部分環(huán)節(jié)也

25、要型時，只要能借助于分析法得到機理模型即使是部分環(huán)節(jié)也要盡量考慮。分析法的不足之處是有時得到的模型過于復雜，難盡量考慮。分析法的不足之處是有時得到的模型過于復雜，難于解算，對于機理尚不清楚的對象無法使用。于解算，對于機理尚不清楚的對象無法使用。2.確立建模方法確立建模方法例如例如：牛頓運動定律、歐姆定律、克希霍夫定律；流體力學。：牛頓運動定律、歐姆定律、克?；舴蚨桑涣黧w力學。 機電一體化系統(tǒng)的建模機電一體化系統(tǒng)的建模3.確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)（1）機理模型）機理模型已知結(jié)構(gòu)、已知結(jié)構(gòu)、參數(shù)的參數(shù)的物理系統(tǒng)物理系統(tǒng)運用相應(yīng)物運用相應(yīng)物理定律或理定律或定理定理 機電一體化系統(tǒng)的

26、建模機電一體化系統(tǒng)的建模合理分析合理分析簡化簡化推理演繹推理演繹描述系統(tǒng)物理量描述系統(tǒng)物理量動、靜態(tài)變化動、靜態(tài)變化性能的數(shù)學模型性能的數(shù)學模型3.確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)確定模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)（2）辨識模型）辨識模型采用由特殊到一般的邏輯、采用由特殊到一般的邏輯、歸納方法，其主要依據(jù)來自系統(tǒng)的大量實歸納方法，其主要依據(jù)來自系統(tǒng)的大量實測數(shù)據(jù)測數(shù)據(jù)實測、觀察的實測、觀察的物理數(shù)據(jù)物理數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律、統(tǒng)計規(guī)律、系統(tǒng)辨識等系統(tǒng)辨識等理論理論 機電一體化系統(tǒng)的建模機電一體化系統(tǒng)的建模估計估計運用運用系統(tǒng)各物理量系統(tǒng)各物理量相互制約、依相互制約、依次關(guān)系的數(shù)學次關(guān)系的數(shù)學模型模型 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電

27、一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 在機電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的在機電一體化系統(tǒng)的工作環(huán)境中，存在大量的電磁信號，如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高電磁信號，如電網(wǎng)的波動、強電設(shè)備的啟停、高壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，若系統(tǒng)抵御不住干壓設(shè)備和開關(guān)的電磁輻射等，若系統(tǒng)抵御不住干擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進行正常的工擾的沖擊，各電氣功能模塊將不能進行正常的工作，微機系統(tǒng)往往會因干擾產(chǎn)生程序作，微機系統(tǒng)往往會因干擾產(chǎn)生程序“跑飛跑飛”，傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會傳感器模塊將會輸出偽信號，功率驅(qū)動模塊將會輸出畸變的驅(qū)動信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作失常，最輸出畸變的驅(qū)動信號，使執(zhí)行機構(gòu)動作失常，最

28、終導致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。機電一體化系終導致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，甚至癱瘓。機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中，既要避免被外界干擾，也要考慮系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計中，既要避免被外界干擾，也要考慮系統(tǒng)自身的內(nèi)部相互干擾，同時還要防止對環(huán)境的干自身的內(nèi)部相互干擾，同時還要防止對環(huán)境的干擾污染。擾污染。 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 1.1.干擾的定義干擾的定義干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良干擾是指對系統(tǒng)的正常工作產(chǎn)生不良影響的內(nèi)部或外部因素。影響的內(nèi)部或外部因素。從廣義上講，從廣義上講，機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括機電一體化系統(tǒng)的干擾因素包括電磁干電磁干擾擾、溫度干擾、濕度干擾、聲波干擾和、溫度干擾、濕度

29、干擾、聲波干擾和振動干擾等等。振動干擾等等。 電磁干擾的兩種傳輸途徑：電磁干擾的兩種傳輸途徑：輻射耦合途徑，傳導耦合途徑。輻射耦合途徑，傳導耦合途徑。 電磁干擾的存在必須具備三個條件：電磁干擾的存在必須具備三個條件：(1)(1)電磁干擾源；電磁干擾源；(2)(2)電磁干擾傳播途徑；電磁干擾傳播途徑； (3)(3)電磁干擾敏感體。電磁干擾敏感體。 電磁干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一電磁干擾是指在工作過程中受環(huán)境因素的影響，出現(xiàn)的一些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的些與有用信號無關(guān)的，并且對系統(tǒng)性能或信號傳輸有害的電氣變化現(xiàn)象。電氣變化現(xiàn)象。 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技

30、術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)2.形成干擾的三個要素干擾源接收載體傳播途徑 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)產(chǎn)生干擾性好的設(shè)備，產(chǎn)生干擾性好的設(shè)備，如變壓器、繼電器、微如變壓器、繼電器、微波設(shè)備、電機等波設(shè)備、電機等輻射式傳播輻射式傳播傳導方式式傳播傳導方式式傳播指受影響設(shè)備的某個環(huán)指受影響設(shè)備的某個環(huán)節(jié)吸收了干擾信號，并節(jié)吸收了干擾信號，并轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響轉(zhuǎn)化為對系統(tǒng)造成影響的電器參數(shù)。的電器參數(shù)。3. 干擾源干擾源 為了提高機電一體此系統(tǒng)抗干擾性能，首先須弄清干為了提高機電一體此系統(tǒng)抗干擾性能，首先須弄清干擾源。從干擾竄入系統(tǒng)的渠道來看，系統(tǒng)所受到的干擾源擾源。從干擾竄入系

31、統(tǒng)的渠道來看，系統(tǒng)所受到的干擾源分為供電干擾、過程通道干擾、場干擾等。分為供電干擾、過程通道干擾、場干擾等。 圖圖 機電一體化系統(tǒng)的干擾源機電一體化系統(tǒng)的干擾源 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)（1 1）供電干擾）供電干擾 大功率設(shè)備大功率設(shè)備( (特別是大感性負載的啟停特別是大感性負載的啟停) )會造成電網(wǎng)會造成電網(wǎng)的嚴重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，電網(wǎng)電的嚴重污染，使得電網(wǎng)電壓大幅度地漲落、浪涌，電網(wǎng)電壓的欠壓或過壓常常超過額定電壓的壓的欠壓或過壓常常超過額定電壓的15%15%以上，這種狀以上，這種狀況有時長達幾分鐘、幾小時、甚至幾天。由于大功率開關(guān)況有時長達幾分

32、鐘、幾小時、甚至幾天。由于大功率開關(guān)的通斷，電動機的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏、的通斷，電動機的啟停等原因，電網(wǎng)上常常出現(xiàn)幾百伏、甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。由于我國采用高壓甚至幾千伏的尖峰脈沖干擾。由于我國采用高壓(220V)(220V)高高內(nèi)阻電網(wǎng)，電網(wǎng)污染嚴重，盡管系統(tǒng)采用了穩(wěn)壓措施。但內(nèi)阻電網(wǎng)，電網(wǎng)污染嚴重，盡管系統(tǒng)采用了穩(wěn)壓措施。但電網(wǎng)噪聲仍會通過整流電路串入微機系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，電源電網(wǎng)噪聲仍會通過整流電路串入微機系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，電源的投入、瞬時短路、久壓、過壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起的投入、瞬時短路、久壓、過壓、電網(wǎng)竄入的噪聲引起CPUCPU誤動作及數(shù)據(jù)丟失誤動作及數(shù)據(jù)丟失占各種干擾的

33、占各種干擾的90%90%以上以上。3. 干擾源干擾源 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)（2 2）過程通道干擾）過程通道干擾 通道干擾主要來源于長線傳輸通道干擾主要來源于長線傳輸( (傳輸線長短的定義是傳輸線長短的定義是相對于相對于CPUCPU的晶振頻率而定的，當頻率為的晶振頻率而定的，當頻率為lMHzlMHz時，傳輸線長時，傳輸線長度大于度大于0.5m0.5m，頻率為，頻率為4MHz4MHz時，傳輸線長度大于時，傳輸線長度大于0.3m0.3m時。視時。視其為長傳輸線其為長傳輸線) )。 當系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳當系統(tǒng)中有電氣設(shè)備漏電，接地系統(tǒng)不完善，或者傳

34、感器測量部件絕緣不好等，都會在通道中直接串入很高的共感器測量部件絕緣不好等，都會在通道中直接串入很高的共模電壓或差模電壓；模電壓或差模電壓； 各通道的傳輸線如果處于同一根電纜中或捆扎在一起，各通道的傳輸線如果處于同一根電纜中或捆扎在一起，各路間會通過分布電感或分布電容產(chǎn)生相互間的干擾。尤其各路間會通過分布電感或分布電容產(chǎn)生相互間的干擾。尤其是將是將0 015V15V的信號線與交流的信號線與交流220V220V的電源線同處于一根長達的電源線同處于一根長達幾百米的管道內(nèi)，其干擾相當嚴重。幾百米的管道內(nèi)，其干擾相當嚴重。3. 干擾源干擾源 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)（3 3）場

35、干擾）場干擾 系統(tǒng)周圍的空間總存在著磁場、電磁場、電場，如太陽系統(tǒng)周圍的空間總存在著磁場、電磁場、電場，如太陽及天體輻射電磁波；廣播、電話、通訊發(fā)射臺的電磁波；周及天體輻射電磁波；廣播、電話、通訊發(fā)射臺的電磁波；周圍中頻設(shè)備圍中頻設(shè)備( (如中頻爐。晶閘管變送電源、微波爐等如中頻爐。晶閘管變送電源、微波爐等) )發(fā)出的發(fā)出的電磁輻射等。這些場干擾會通過電源或傳輸線影響各功能模電磁輻射等。這些場干擾會通過電源或傳輸線影響各功能模塊的正常工作，使其中的電平發(fā)生變化或產(chǎn)生脈沖干擾信號。塊的正常工作，使其中的電平發(fā)生變化或產(chǎn)生脈沖干擾信號。3. 干擾源干擾源 機電一體化系統(tǒng)抗干擾技術(shù)機電一體化系統(tǒng)抗干

36、擾技術(shù)4. 抗抗供供電干擾的措施電干擾的措施（1 1）配電方案中的抗干擾措施）配電方案中的抗干擾措施 抑制電源干擾首先從配電系統(tǒng)的設(shè)計上采取措施。抑制電源干擾首先從配電系統(tǒng)的設(shè)計上采取措施。圖中的交流穩(wěn)壓器用來保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，阻止電圖中的交流穩(wěn)壓器用來保證系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，阻止電網(wǎng)供電的過壓或欠壓。網(wǎng)供電的過壓或欠壓。 （2 2）利用電源監(jiān)視電路抗電源干擾）利用電源監(jiān)視電路抗電源干擾 在系統(tǒng)配電方案中實施抗干擾措施是必不可少的，但這在系統(tǒng)配電方案中實施抗干擾措施是必不可少的，但這些措施仍難抵御微秒級的干擾脈沖及瞬態(tài)掉電，特別是后者些措施仍難抵御微秒級的干擾脈沖及瞬態(tài)掉電，特別是后者屬于惡

37、性干擾，可能產(chǎn)生嚴重的事故。電源監(jiān)視電路的設(shè)計屬于惡性干擾，可能產(chǎn)生嚴重的事故。電源監(jiān)視電路的設(shè)計是抗電源干擾的一個有效方法。目前市場提供的電源監(jiān)視集是抗電源干擾的一個有效方法。目前市場提供的電源監(jiān)視集成電路，一般具有如下的功能成電路，一般具有如下的功能: :(1) (1) 監(jiān)視電源電壓瞬時短路、瞬間降壓和微秒級干擾脈沖監(jiān)視電源電壓瞬時短路、瞬間降壓和微秒級干擾脈沖及掉電；及掉電；(2) (2) 及時輸出供及時輸出供CPUCPU接受的復位信號及中斷信號；接受的復位信號及中斷信號；4. 抗抗供供電干擾的措施電干擾的措施抑制傳輸線干擾措施：光電隔離、雙絞線傳輸、阻抗匹配。抑制傳輸線干擾措施：光電隔

38、離、雙絞線傳輸、阻抗匹配。1 1）光電隔離的長線浮置措施）光電隔離的長線浮置措施 利用光電耦合器的電流傳輸特性，在長線傳輸時可以將利用光電耦合器的電流傳輸特性，在長線傳輸時可以將模塊間兩個光電耦合器件用連線模塊間兩個光電耦合器件用連線“浮置浮置”起來。這種方法不起來。這種方法不僅有效地消除了各電氣功能模塊間的電流流經(jīng)公共地線時所僅有效地消除了各電氣功能模塊間的電流流經(jīng)公共地線時所產(chǎn)生的噪聲電壓互相竄擾，而且有效地解決了長線驅(qū)動和阻產(chǎn)生的噪聲電壓互相竄擾，而且有效地解決了長線驅(qū)動和阻抗匹配問題?？蛊ヅ鋯栴}。 長線傳輸?shù)墓怦罡≈锰幚黹L線傳輸?shù)墓怦罡≈锰幚恚?）過程通道抗干擾措施）過程通道抗干擾措施

39、2 2）雙絞線傳輸措施）雙絞線傳輸措施 在長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種傳輸線，與同在長線傳輸中，雙絞線是較常用的一種傳輸線，與同軸電纜相比，雖然頻帶較窄，但阻抗高。降低了共模干擾。軸電纜相比，雖然頻帶較窄，但阻抗高。降低了共模干擾。由于雙絞線構(gòu)成的各個環(huán)路，改變了線間電磁感應(yīng)的方向。由于雙絞線構(gòu)成的各個環(huán)路，改變了線間電磁感應(yīng)的方向。使其相互抵消，因而對電磁場的干擾有一定的抑制效果。使其相互抵消，因而對電磁場的干擾有一定的抑制效果。光電耦合器與雙絞線聯(lián)合使用光電耦合器與雙絞線聯(lián)合使用3 3）長線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ洌╅L線傳輸?shù)淖杩蛊ヅ?長線傳輸時，若收發(fā)長線傳輸時，若收發(fā)兩端的阻抗不匹配，則會兩

40、端的阻抗不匹配，則會產(chǎn)生信號反射，使信號失產(chǎn)生信號反射，使信號失真，其危害程度與傳輸?shù)恼妫湮：Τ潭扰c傳輸?shù)念l率及傳輸線長度有關(guān)。頻率及傳輸線長度有關(guān)。為了對傳輸線進行阻抗匹為了對傳輸線進行阻抗匹配，首先要估算出它的特配，首先要估算出它的特性阻抗性阻抗RpRp。a) a) 終端并聯(lián)阻抗匹配終端并聯(lián)阻抗匹配 b) b) 始端串聯(lián)阻抗匹配始端串聯(lián)阻抗匹配 c) c) 終端并聯(lián)隔直流匹配終端并聯(lián)隔直流匹配 d) d) 終端接鉗位二終端接鉗位二極管匹配極管匹配傳輸線的阻抗匹配形式傳輸線的阻抗匹配形式4 4）長線的電流傳輸）長線的電流傳輸 長線傳輸時，用電流傳輸代替電壓傳輸，可獲得較長線傳輸時，用電流傳

41、輸代替電壓傳輸，可獲得較好的抗干擾能力。例如，以傳感器直接輸出好的抗干擾能力。例如，以傳感器直接輸出0 020mA20mA電流電流在長線上傳輸，在接收端可并上在長線上傳輸，在接收端可并上500(500(或或1k)1k)的精密金的精密金屬膜電阻，將此電流轉(zhuǎn)換為屬膜電阻，將此電流轉(zhuǎn)換為0 05V(5V(或或0 010V)10V)電壓，然后電壓，然后送入送入A/DA/D轉(zhuǎn)換通道。轉(zhuǎn)換通道。傳感器的長線電流傳輸傳感器的長線電流傳輸5 5）傳輸線的合理布局）傳輸線的合理布局強電饋線必須單獨走線，不能與信號線混扎在一起；強電饋線必須單獨走線，不能與信號線混扎在一起；強信號線與弱信號線應(yīng)盡量避免平行走向，有條件的場合下，強信號線與弱信號線應(yīng)盡量避免平行走向，有條件的場合下，應(yīng)努力使二者正交；應(yīng)努力使二者正交；強弱信號平行走線時，線間距離應(yīng)為干擾線內(nèi)徑的強弱信號平行走線時，線間距離應(yīng)為干擾線內(nèi)徑的4040倍。倍。 1）軟件濾波）軟件濾波 用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號的用軟件來識別有用信號和干擾信號，并濾除干擾信號的方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有三種。方法，稱為軟件濾波。識別信號的原則有三種。u時間原則時間原則:如果掌握了有用信號和干