機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法-Chapter01匯編

1、1機(jī)電專業(yè)研究生課程劉今越劉今越河北工業(yè)大學(xué)河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院2014.9機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論與方法機(jī)械電子工程系機(jī)械電子工程系機(jī)電研究生課程2機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT教材教材參考教材：參考教材：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（英文版），機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)（英文版），/ /（美）謝提（美）謝提（ShettyShetty. D.). D.)等著。等著。 機(jī)械工業(yè)出版社。機(jī)械工業(yè)出版社。機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，機(jī)電一體化系

2、統(tǒng)設(shè)計(jì)，/ /（美）謝提（美）謝提（ShettyShetty. . D.)D.)等著等著; ; 張樹生等譯，張樹生等譯， 機(jī)械工業(yè)出版社。機(jī)械工業(yè)出版社。 參考書目：參考書目：機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，張建民，北京理工大學(xué)出機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，張建民，北京理工大學(xué)出版社。版社。機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊，劉機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)用手冊，劉力，力， 世圖音像電子出版社。世圖音像電子出版社。3機(jī)設(shè)專業(yè)本科生課程第一章第一章 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 什么是機(jī)電一體化？什么是機(jī)電一體化？ 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素

3、機(jī)電一體化關(guān)鍵要素1.4 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)過程機(jī)電一體化設(shè)計(jì)過程1.5 機(jī)電一體化中的高級方法機(jī)電一體化中的高級方法1.6 小結(jié)小結(jié)機(jī)電研究生課程4機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT概念：是概念：是微電子技術(shù)微電子技術(shù)向向機(jī)械工業(yè)機(jī)械工業(yè)滲透過程中滲透過程中逐漸形成逐漸形成的一個新概念。的一個新概念。是精密機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等各種相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一是精密機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等各種相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種新形式。種新形式。Mecha

4、tronicsMechatronics由由MechaMechanicsnics和和ElecElectronicstronics組合而成。組合而成。（機(jī)械電子學(xué)）（機(jī)械電子學(xué)）日本日本“機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所”提出的解釋：提出的解釋：在機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)。并將機(jī)械裝置和電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的系統(tǒng)總稱。 可以說機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技可以說機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)及信息技術(shù)術(shù)、微電子技術(shù)及信息技術(shù)相互相互交叉融合交叉融合的產(chǎn)物。的產(chǎn)物。1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMe

5、chatronics) )？機(jī)電研究生課程5機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT機(jī)電一體化技術(shù)機(jī)電一體化技術(shù)具有技術(shù)和產(chǎn)品兩方面內(nèi)容具有技術(shù)和產(chǎn)品兩方面內(nèi)容 技術(shù)方面：技術(shù)方面：包括使機(jī)電一體化系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術(shù)技術(shù)。產(chǎn)品方面：產(chǎn)品方面：機(jī)械系統(tǒng)與微電子系統(tǒng)（部件和軟件）相互置換或有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成的新系統(tǒng)。且賦予其新的功能和性能的新一代產(chǎn)品新一代產(chǎn)品。實(shí)例：數(shù)控機(jī)床電主軸。以電氣執(zhí)行元件替代傳統(tǒng)的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)；其本身也體現(xiàn)了機(jī)電融為一體的有機(jī)

6、結(jié)合，從而具有新的性能。機(jī)電一體化技術(shù)融機(jī)械、電子、信息、控制等多種技術(shù)為一體，打破機(jī)電一體化技術(shù)融機(jī)械、電子、信息、控制等多種技術(shù)為一體，打破舊的各學(xué)科的分類，是舊的各學(xué)科的分類，是從系統(tǒng)角度從系統(tǒng)角度分析與解決問題的一門新興的分析與解決問題的一門新興的交叉交叉學(xué)科學(xué)科。 1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？機(jī)電研究生課程6機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么

7、是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？系統(tǒng)的目的功能系統(tǒng)的目的功能 系統(tǒng)的目的功能：系統(tǒng)的目的功能：滿足人們使用要求的功能。使用要求：使用要求：要能對輸入的物質(zhì)、能量和信息（工業(yè)三大要素）進(jìn)行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。要用系統(tǒng)科學(xué)的方法設(shè)計(jì)。要用系統(tǒng)科學(xué)的方法設(shè)計(jì)。1978年，錢學(xué)森就曾指出：“系統(tǒng)科學(xué)是組織管理系統(tǒng)的規(guī)劃、研究、設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)和使用的科學(xué)方法，是一種對所有系統(tǒng)都具有普遍意義的科學(xué)方法”。 機(jī)電研究生課程7機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of

8、Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？機(jī)電一體化是一種用于機(jī)電產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法學(xué)機(jī)電一體化是一種用于機(jī)電產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法學(xué)方法學(xué)（方法學(xué)（Methodology)Methodology)是從事某個知識領(lǐng)域的特定分支或?qū)W科的專業(yè)人員是從事某個知識領(lǐng)域的特定分支或?qū)W科的專業(yè)人員所運(yùn)用的實(shí)踐、程序和規(guī)則的一個集合。所運(yùn)用的實(shí)踐、程序和規(guī)則的一個集合。多學(xué)科系統(tǒng)（多學(xué)科系統(tǒng)（Multi-disciplinaryMulti-disciplinary）例如機(jī)電系

9、統(tǒng)（例如機(jī)電系統(tǒng)（electromechanical electromechanical system)system)，使用按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的方法。使用按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的方法。機(jī)電一體化（機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )系統(tǒng)是多學(xué)科的系統(tǒng)是多學(xué)科的電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)和信息技電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)。并行的學(xué)科設(shè)計(jì)方法。術(shù)。并行的學(xué)科設(shè)計(jì)方法。 F-22戰(zhàn)斗機(jī)（洛克希德和波音研制）是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的一個實(shí)例。戰(zhàn)斗機(jī)（洛克希德和波音研制）是機(jī)電一體化技術(shù)應(yīng)用的一個實(shí)例。機(jī)電一體化系統(tǒng)和多學(xué)科系統(tǒng)之間的區(qū)別機(jī)電一體化系統(tǒng)和多學(xué)科系統(tǒng)之間的區(qū)別：不在于他們的構(gòu)成要

10、素，而是對：不在于他們的構(gòu)成要素，而是對這些要素設(shè)計(jì)的次序。這些要素設(shè)計(jì)的次序。 例如機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)例如機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)：機(jī)械設(shè)計(jì)電源和微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)電源和微電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制算法控制算法 按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)：對各個點(diǎn)的固定設(shè)計(jì)導(dǎo)致新的限制，沿學(xué)科傳按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)：對各個點(diǎn)的固定設(shè)計(jì)導(dǎo)致新的限制，沿學(xué)科傳遞。遞。機(jī)電研究生課程8機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMe

11、chatronics) )？“設(shè)計(jì)并制造機(jī)械系統(tǒng)。然后叫來油漆匠進(jìn)行油設(shè)計(jì)并制造機(jī)械系統(tǒng)。然后叫來油漆匠進(jìn)行油漆，叫來控制系統(tǒng)工程師安裝控制器。漆，叫來控制系統(tǒng)工程師安裝控制器?！笨刂破鞯脑O(shè)計(jì)常常因?yàn)檫@些控制器的設(shè)計(jì)常常因?yàn)檫@些附加的限制附加的限制而失敗。而失敗。比如，比如，降低成本降低成本在許多系統(tǒng)中是一個主要的因素。在許多系統(tǒng)中是一個主要的因素。在機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)階段的折中往往會涉及傳感器和在機(jī)械和電氣設(shè)計(jì)階段的折中往往會涉及傳感器和執(zhí)行器。減少傳感器和執(zhí)行器的數(shù)目以及使用低精執(zhí)行器。減少傳感器和執(zhí)行器的數(shù)目以及使用低精度傳感器和低能耗執(zhí)行器是一些節(jié)約成本的標(biāo)準(zhǔn)方度傳感器和低能耗執(zhí)行器是一些

12、節(jié)約成本的標(biāo)準(zhǔn)方法。這些影響對控制系統(tǒng)是附加的，有時會法。這些影響對控制系統(tǒng)是附加的，有時會帶來沖帶來沖突性限制突性限制。機(jī)電研究生課程9機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論基于一種機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法論基于一種并行而不是串并行而不是串行行的學(xué)科設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品更具協(xié)同性。的學(xué)科設(shè)計(jì)，導(dǎo)致產(chǎn)品更具協(xié)同性。- -Synerg

13、ySynergy是系統(tǒng)工程學(xué)方法的延伸，但是它是系統(tǒng)工程學(xué)方法的延伸，但是它補(bǔ)充了信息系統(tǒng)以補(bǔ)充了信息系統(tǒng)以指導(dǎo)設(shè)計(jì)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。在將機(jī)械、電氣及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進(jìn)行集成以在將機(jī)械、電氣及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進(jìn)行集成以設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品過程時，需要進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品過程時，需要進(jìn)行協(xié)同協(xié)同。這種協(xié)同是通過這種協(xié)同是通過合理組合參數(shù)合理組合參數(shù)實(shí)現(xiàn)的，也就是說，最實(shí)現(xiàn)的，也就是說，最終產(chǎn)品的功能應(yīng)大于各部件功能之和。終產(chǎn)品的功能應(yīng)大于各部件功能之和。一般工程問題的研究方法一般工程問題的研究方法: :物理對象物理對象-物理模型物理模型數(shù)數(shù)學(xué)模型學(xué)模型求解。求解。機(jī)電研究生課程10機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)

14、電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？機(jī)電一體化的組成機(jī)電一體化的組成機(jī)電研究生課程11機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics)

15、)？機(jī)電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵要素機(jī)電一體化系統(tǒng)關(guān)鍵要素 有些文獻(xiàn)講虛線框中內(nèi)容稱為機(jī)電系統(tǒng)有些文獻(xiàn)講虛線框中內(nèi)容稱為機(jī)電系統(tǒng)機(jī)電研究生課程12機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.1 1.1 什么是機(jī)電一體化（什么是機(jī)電一體化（MechatronicsMechatronics) )？機(jī)電一體化系統(tǒng)不是一個機(jī)電系統(tǒng)，而更象一個控制系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)不是一個機(jī)電系統(tǒng)，而更象一個控制系統(tǒng)機(jī)電一體化系統(tǒng)是在物理系統(tǒng)中使用信息系統(tǒng)的結(jié)果。物理系統(tǒng)見圖機(jī)電一體化系統(tǒng)是

16、在物理系統(tǒng)中使用信息系統(tǒng)的結(jié)果。物理系統(tǒng)見圖虛線框。虛線框。定義定義未統(tǒng)一未統(tǒng)一較能為大多數(shù)人所接受的涵義是日本較能為大多數(shù)人所接受的涵義是日本“機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所機(jī)械振興協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所”于于19811981年提出的解釋：年提出的解釋：“機(jī)電一體化乃是機(jī)械的主功能、動力功能、信機(jī)電一體化乃是機(jī)械的主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱。”機(jī)電一體化是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個機(jī)電一體化是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械

17、工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個新概念。是融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)于一體的新概念。是融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)于一體的一門新型的交叉學(xué)科。一門新型的交叉學(xué)科。 機(jī)電一體化技術(shù)越來越深入機(jī)電一體化技術(shù)越來越深入, ,越來越廣泛越來越廣泛. .機(jī)電研究生課程13機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.2 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化方法的并行性非常依賴建模和仿真機(jī)電一體化方法的并行性非常依賴建

18、模和仿真模型將由來自多學(xué)科的模型將由來自多學(xué)科的 工程師們使用和修改。工程師們使用和修改。需要一個可視化的編程環(huán)境，這個環(huán)境應(yīng)該包括框圖、流程圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)需要一個可視化的編程環(huán)境，這個環(huán)境應(yīng)該包括框圖、流程圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波德圖等。換圖和波德圖等。常用的建模仿真軟件：常用的建模仿真軟件：Matrix, Easy5,Matrix, Easy5, SimulinkSimulink（MatlabMatlab中中) ), , VisSimVisSim, , LabVIEWLabVIEW支持并行工程的概念支持并行工程的概念有必要在不同的專家組之間協(xié)調(diào)知識和需要的信息。有必要在不同的專家組之間協(xié)調(diào)知識和需要

19、的信息。觀點(diǎn)：觀點(diǎn)：制造階段的高額成本源于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段制造階段的高額成本源于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段。并行工程觀點(diǎn)并行工程觀點(diǎn)適合于團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目管理適合于團(tuán)隊(duì)的項(xiàng)目管理。如果機(jī)電一體化產(chǎn)品可以有效地如果機(jī)電一體化產(chǎn)品可以有效地整合并行工程整合并行工程的管理思想，所能達(dá)到的的管理思想，所能達(dá)到的效果將是令人振奮的。效果將是令人振奮的。機(jī)電研究生課程14機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.2 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題必須解決的共性關(guān)鍵技術(shù)

20、： 精密機(jī)械技術(shù)精密機(jī)械技術(shù) 伺服驅(qū)動技術(shù)伺服驅(qū)動技術(shù) 檢測傳感技術(shù)檢測傳感技術(shù) 信息處理技術(shù)信息處理技術(shù) 自動控制技術(shù)自動控制技術(shù) 系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)機(jī)電研究生課程15機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1 1）檢測傳感技術(shù)：）檢測傳感技術(shù)：涉及機(jī)電一體化系統(tǒng)的檢測傳感元件。涉及機(jī)電一體化系統(tǒng)的檢測傳感元件。檢測對象：檢測對象：溫度、流量、壓力、位移、速度、加速度、力和溫度、流量、壓力、位移、速度、加速度、力和力矩等力矩等物理量物理量及物品的及

21、物品的幾何參數(shù)幾何參數(shù)等。等。檢測精度直接影響機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能好壞。檢測精度直接影響機(jī)電一體化產(chǎn)品的性能好壞。工作原理涉及工作原理涉及機(jī)、光、電、磁、聲機(jī)、光、電、磁、聲等各種技術(shù)。等各種技術(shù)。2 2）信息處理技術(shù)：）信息處理技術(shù)：包括信息的包括信息的輸入、變換、運(yùn)算、存儲和輸出輸入、變換、運(yùn)算、存儲和輸出技術(shù)。技術(shù)。涉及硬件：涉及硬件：輸入輸入/ /輸出設(shè)備、顯示器、磁盤、計(jì)算機(jī)、輸出設(shè)備、顯示器、磁盤、計(jì)算機(jī)、PLCPLC和和數(shù)控裝置等。處理是否及時直接影響機(jī)電一體化產(chǎn)品的質(zhì)量、數(shù)控裝置等。處理是否及時直接影響機(jī)電一體化產(chǎn)品的質(zhì)量、效率。效率。存在問題：存在問題：減輕重量、提高處理速度

22、、提高可靠性、抗干擾、減輕重量、提高處理速度、提高可靠性、抗干擾、標(biāo)準(zhǔn)化、提高操作性及便于保養(yǎng)等。標(biāo)準(zhǔn)化、提高操作性及便于保養(yǎng)等。 1.2 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電研究生課程16機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT3 3）自動控制技術(shù)）自動控制技術(shù)包括：高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校包括：高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。正、補(bǔ)償、再現(xiàn)、檢索等。技術(shù)難點(diǎn)：技術(shù)難點(diǎn)：

23、現(xiàn)代控制理論的工程化與實(shí)用化以及優(yōu)化控制模型現(xiàn)代控制理論的工程化與實(shí)用化以及優(yōu)化控制模型的建立等。的建立等。 4 4）伺服驅(qū)動技術(shù)）伺服驅(qū)動技術(shù)包含執(zhí)行件的一些技術(shù)問題。（動力性能、精度、速度等）包含執(zhí)行件的一些技術(shù)問題。（動力性能、精度、速度等）要求：要求：精度更高、可靠性更好、響應(yīng)速度更快精度更高、可靠性更好、響應(yīng)速度更快。氣動和液壓系統(tǒng)中都存在提高性能、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、減重、氣動和液壓系統(tǒng)中都存在提高性能、可靠性、標(biāo)準(zhǔn)化、減重、小型化等方面的問題。小型化等方面的問題。希望執(zhí)行元件滿足希望執(zhí)行元件滿足小型、重量輕、功率大小型、重量輕、功率大三個方面的要求，以三個方面的要求，以及提高其對環(huán)境

24、的適應(yīng)性和可靠性。及提高其對環(huán)境的適應(yīng)性和可靠性。 1.2 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電研究生課程17機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT5 5）精密機(jī)械技術(shù)）精密機(jī)械技術(shù)對精密機(jī)械提出的要求：對精密機(jī)械提出的要求：減輕重量、縮小體積、提高精度、減輕重量、縮小體積、提高精度、提高剛度、改善動態(tài)性提高剛度、改善動態(tài)性能等。另外還有能等。另外還有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)格化、和便于維修化、和便于維修。6 6）系統(tǒng)的

25、總體技術(shù)）系統(tǒng)的總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法系統(tǒng)的觀點(diǎn)和方法，將總體分解，將總體分解為若干功能單元，找出能完成各個功能的技術(shù)方案。再把功能為若干功能單元，找出能完成各個功能的技術(shù)方案。再把功能與技術(shù)方案組合成方案進(jìn)行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。與技術(shù)方案組合成方案進(jìn)行分析、評價和優(yōu)選的綜合應(yīng)用技術(shù)。即使各個部分的性能、可靠性都很好，如果整個系統(tǒng)不能很即使各個部分的性能、可靠性都很好，如果整個系統(tǒng)不能很好的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)與產(chǎn)品也很難保證正常運(yùn)行。好的協(xié)調(diào)，系統(tǒng)與產(chǎn)品也很難保證正常運(yùn)行。包括的技術(shù)：包括的技術(shù)：如如接插件、接口轉(zhuǎn)換、軟件開發(fā)、微機(jī)應(yīng)用、接

26、插件、接口轉(zhuǎn)換、軟件開發(fā)、微機(jī)應(yīng)用、控制系統(tǒng)的成套性和成套設(shè)備自動化技術(shù)等?？刂葡到y(tǒng)的成套性和成套設(shè)備自動化技術(shù)等。 1.2 1.2 機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電一體化集成設(shè)計(jì)問題機(jī)電研究生課程18機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素機(jī)電一體化關(guān)鍵要素機(jī)電研究生課程19機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation

27、(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)內(nèi)容信息系統(tǒng)內(nèi)容包括信號處理，控制系統(tǒng)，分析技術(shù)包括信號處理，控制系統(tǒng)，分析技術(shù)相關(guān)學(xué)科：通訊系統(tǒng)，信號處理，控制系統(tǒng)，數(shù)值計(jì)相關(guān)學(xué)科：通訊系統(tǒng)，信號處理，控制系統(tǒng)，數(shù)值計(jì)算算機(jī)電一體化應(yīng)用中：建模，仿真，自動控制，用于優(yōu)機(jī)電一體化應(yīng)用中：建模，仿真，自動控制，用于優(yōu)化的數(shù)字方法化的數(shù)字方法機(jī)電研究生課程20機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT

28、1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)建模和仿真建模和仿真建模建模是用一個數(shù)學(xué)方程和邏輯的集合來描述真實(shí)是用一個數(shù)學(xué)方程和邏輯的集合來描述真實(shí)系統(tǒng)行為的過程。系統(tǒng)行為的過程。靜態(tài)模型靜態(tài)模型靜態(tài)系統(tǒng)的模型。不存在能量的傳遞，靜態(tài)系統(tǒng)的模型。不存在能量的傳遞，不產(chǎn)生運(yùn)動，沒有熱量傳遞，沒有流體流動，沒有傳不產(chǎn)生運(yùn)動，沒有熱量傳遞，沒有流體流動，沒有傳播的波，任何會改變的東西都不存在播的波，任何會改變的東西都不存在動態(tài)模型動態(tài)模型有能量傳遞從而引起功率通量。有能量傳遞從而引起功率通量。仿真仿真是在計(jì)算機(jī)上獲得模型解的過程。是在計(jì)算機(jī)上獲得模型解的過程。機(jī)電研究

29、生課程21機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一信息系統(tǒng)信息系統(tǒng)自動控制自動控制機(jī)電一體化系統(tǒng)看上去只不過是控制系統(tǒng)工程學(xué)。它機(jī)電一體化系統(tǒng)看上去只不過是控制系統(tǒng)工程學(xué)。它們有何區(qū)別？們有何區(qū)別？ 區(qū)別就在于設(shè)計(jì)步驟的順序。機(jī)電控制應(yīng)用中首先建立的是區(qū)別就在于設(shè)計(jì)步驟的順序。機(jī)電控制應(yīng)用中首先建立的是機(jī)械系統(tǒng)，然后才是向控制系統(tǒng)提出要求和約束。而機(jī)電一機(jī)械系統(tǒng)，然后才是向控制系統(tǒng)提出要求和約束。

30、而機(jī)電一體化系統(tǒng)是并行設(shè)計(jì)。體化系統(tǒng)是并行設(shè)計(jì)。自動控制基本概念（略，見控制工程基礎(chǔ)）自動控制基本概念（略，見控制工程基礎(chǔ)）機(jī)電研究生課程22機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)械系統(tǒng)機(jī)械系統(tǒng) 牛頓力學(xué)是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含牛頓力學(xué)是大多數(shù)機(jī)械系統(tǒng)的基礎(chǔ)，包含3 3個獨(dú)立的絕對概念：空間，個獨(dú)立的絕對概念：空間，時間和質(zhì)量時間和質(zhì)量 對于涉及高速運(yùn)動粒子的系統(tǒng)，牛頓力學(xué)不適用，要用相對

31、論力學(xué)。對于涉及高速運(yùn)動粒子的系統(tǒng)，牛頓力學(xué)不適用，要用相對論力學(xué)。在這樣的系統(tǒng)中，上述的在這樣的系統(tǒng)中，上述的3 3個概念就不再獨(dú)立（粒子的質(zhì)量是其速度的個概念就不再獨(dú)立（粒子的質(zhì)量是其速度的函數(shù)）函數(shù)） 大多機(jī)電一體化系統(tǒng)涉及剛體力學(xué)，依賴大多機(jī)電一體化系統(tǒng)涉及剛體力學(xué)，依賴6 6個基本定律：個基本定律：牛頓第一定律牛頓第一定律牛頓第二定律牛頓第二定律牛頓第三定律牛頓第三定律牛頓萬有引力定律牛頓萬有引力定律力疊加的平行四邊形法則力疊加的平行四邊形法則傳遞原理傳遞原理機(jī)電研究生課程23機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of

32、Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一機(jī)電一體化關(guān)鍵要素之一電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)電氣系統(tǒng)關(guān)注電氣系統(tǒng)關(guān)注3 3個基本量的特征：個基本量的特征：電荷，電流和電壓電荷，電流和電壓電氣系統(tǒng)兩個分支：電氣系統(tǒng)兩個分支：電源系統(tǒng)（強(qiáng)電，能量傳遞），通信電源系統(tǒng)（強(qiáng)電，能量傳遞），通信系統(tǒng)（弱電，電子學(xué)）系統(tǒng)（弱電，電子學(xué)）交直流電路分析交直流電路分析基爾霍夫電流定律基爾霍夫電流定律基爾霍夫電壓定律基爾霍夫電壓定律功率功率瞬時功率瞬時功率時間平均功率時間平均功率半導(dǎo)體器件（二極管，晶體管）半導(dǎo)體器件（二極管，晶體管）機(jī)電研究生課程24機(jī)電

33、系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素機(jī)電一體化關(guān)鍵要素計(jì)算機(jī)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路（見微型計(jì)算機(jī)原理）數(shù)字邏輯電路（見微型計(jì)算機(jī)原理）傳感器執(zhí)行器系統(tǒng)傳感器執(zhí)行器系統(tǒng)檢測、驅(qū)動（電液氣）檢測、驅(qū)動（電液氣）實(shí)時接口實(shí)時接口A/D,D/AA/D,D/A頻率變換頻率變換機(jī)電研究生課程25機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法機(jī)電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)方法&建模與仿真建模與仿真 Research Institute of Robotics and Automation(RIRA), HEBUT五個子系統(tǒng)： 機(jī)械系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))； 電子信息處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))； 動力系統(tǒng)(動力源)； 傳感檢測系統(tǒng)(傳感器)； 執(zhí)行元件系統(tǒng)(如電動機(jī))。 全閉環(huán)系統(tǒng)：傳感器直接檢測目標(biāo)運(yùn)動并進(jìn)行反饋控制。1.3 1.3 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素機(jī)電一體化關(guān)鍵要