第2章機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析方法2.1

機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2.2

性能指標(biāo)及分配方法2.3

機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模和仿真2.4

系統(tǒng)的分析方法2.5

知識擴(kuò)展1整理課件機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是一個(gè)自上而下的過程，系統(tǒng)的功能和性能指標(biāo)在各子系統(tǒng)中的合理分配是機(jī)電系統(tǒng)集成的根底；機(jī)電一體化系統(tǒng)分析那么是自下而上的過程，是以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析理論為根底對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力等進(jìn)行驗(yàn)證的過程，形式上有理論分析和仿真分析等；設(shè)計(jì)和分析的根底條件是系統(tǒng)的理論模型的建立。2整理課件性能指標(biāo)產(chǎn)品〔模型〕性能指標(biāo)設(shè)計(jì)分析產(chǎn)品〔模型〕3整理課件2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述2.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的描述〔什么是設(shè)計(jì)？〕從現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的觀念看，“設(shè)計(jì)〞就是一個(gè)信息系統(tǒng)，輸入的是需求，輸出是設(shè)計(jì)的結(jié)果。從系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)分析，設(shè)計(jì)是一個(gè)由時(shí)間、邏輯和方法組成的三維系統(tǒng)。設(shè)計(jì)過程中的每一個(gè)行為可以反映為此三維空間中的一個(gè)點(diǎn)。4整理課件時(shí)間維，描述按時(shí)間排列的設(shè)計(jì)目標(biāo)流程；邏輯維，是解決問題的邏輯步驟，是在設(shè)計(jì)的工作流程中的每一個(gè)階段內(nèi)所要進(jìn)行的工作內(nèi)容和遵循的思維程序；方法維，是設(shè)計(jì)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5整理課件機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的類型開發(fā)性設(shè)計(jì)〔全新設(shè)計(jì)〕;適應(yīng)性設(shè)計(jì)〔原理方案不變，僅對功能及結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)〕;變參數(shù)設(shè)計(jì)〔僅改變局部結(jié)構(gòu)尺寸而形成系列產(chǎn)品〕6整理課件機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原那么機(jī)電一體化設(shè)計(jì)要遵循產(chǎn)品的一般設(shè)計(jì)原那么〔在保證產(chǎn)品目的功能、性能和使用壽命的前提下，盡量降低本錢〕，以計(jì)算機(jī)為輔助手段，充分利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，以多功能化，節(jié)能化，高效化滿足市場要求。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(fù)雜。因此，在機(jī)電一體化產(chǎn)品向多功能化開展的同時(shí)，通過軟件來改善產(chǎn)品的操作性能。使產(chǎn)品向智能化開展。7整理課件2.1.2設(shè)計(jì)工作流程

一個(gè)全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)三個(gè)階段。

8整理課件產(chǎn)品規(guī)劃階段

包括需求分析、市場預(yù)測、技術(shù)可行性分析，最后確定設(shè)計(jì)參數(shù)及設(shè)計(jì)制約條件，提出設(shè)計(jì)要求，作為設(shè)計(jì)、評價(jià)和決策的依據(jù)。需求分析：認(rèn)識需求是一種創(chuàng)造性工作，設(shè)計(jì)師應(yīng)深入實(shí)際、細(xì)致觀察、敏銳捕捉市場的需求，并及時(shí)完成產(chǎn)品的開發(fā)和試制工作

市場預(yù)測：產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容可分為三個(gè)方面：面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研；面向產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)調(diào)研；面向產(chǎn)品生命周期的社會(huì)環(huán)境調(diào)研。9整理課件技術(shù)可行性分析內(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(biāo)及技術(shù)規(guī)格的可行性；4〕主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；5〕本錢分析；6〕結(jié)論及產(chǎn)品建議。10整理課件技術(shù)可行性分析根據(jù)產(chǎn)品的本錢分析和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)分析，對產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)和市場定位等參數(shù)提出修改建議，確定產(chǎn)品是否立項(xiàng)。產(chǎn)品立項(xiàng)應(yīng)給出生產(chǎn)設(shè)計(jì)要求表，表中所列要求分為特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)和尋常指標(biāo)，即包括新產(chǎn)品的功能要求、技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)、本錢控制目標(biāo)等。11整理課件概念設(shè)計(jì)階段

輸入的是產(chǎn)品規(guī)劃的結(jié)果—設(shè)計(jì)要求表，輸出總體方案。機(jī)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(jì)目標(biāo)、各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)等三個(gè)方面，并給出詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)度方案。12整理課件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)劃分及設(shè)計(jì)目標(biāo)；3〕各部件或子系統(tǒng)的接口設(shè)計(jì)；4〕制定詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)及進(jìn)度方案。13整理課件詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書，對各零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，確定各零部件的形狀、尺寸、材料等參數(shù)，設(shè)計(jì)控制軟件、設(shè)計(jì)電子、電氣系統(tǒng)的電路，選用適宜的元件，繪制詳細(xì)的零件圖、裝配圖等工程圖，編寫詳細(xì)的設(shè)計(jì)技術(shù)資料。詳細(xì)設(shè)計(jì)還包括制定產(chǎn)品制造工藝和質(zhì)量檢驗(yàn)等內(nèi)容。詳細(xì)設(shè)計(jì)必須按照總體的要求進(jìn)行，在設(shè)計(jì)過程中還可能伴隨著許多的實(shí)驗(yàn)研究和零部件的試制，以確定相關(guān)參數(shù)。14整理課件2.2性能指標(biāo)及分配方法1、使用要求與性能指標(biāo)從產(chǎn)品的使用要求的角度看，性能指標(biāo)可劃分為功能性指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)和平安性指標(biāo)等三類。功能性指標(biāo)：定義產(chǎn)品在預(yù)定的壽命期間有效地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的全部功能要求，包括功能范圍、精度指標(biāo)、可靠性指標(biāo)和維修性指標(biāo)等。15整理課件經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)：反映用戶獲得所需功能和性能的產(chǎn)品需要付出的費(fèi)用上下；對于生產(chǎn)者那么是完成產(chǎn)品生產(chǎn)制造的本錢。對于生產(chǎn)者和用戶都希望在獲得相同產(chǎn)品的同時(shí)本錢/費(fèi)用越低越好。對于用戶其本錢包括購置和使用費(fèi)用。平安性指標(biāo)：需要根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)確定，它既指產(chǎn)品在運(yùn)行過程中對操作者和周圍其他人員的人身平安的危害程度，又指產(chǎn)品本身因其它原因受損壞的可能性。16整理課件2、優(yōu)化設(shè)計(jì)與性能指標(biāo)從設(shè)計(jì)的角度劃分性能指標(biāo)，有特征指標(biāo)、優(yōu)化指標(biāo)和尋常指標(biāo)三類，它們在設(shè)計(jì)中的限定作用不同。特征指標(biāo)：決定產(chǎn)品功能和根本性能的指標(biāo)，是設(shè)計(jì)中必須滿足的指標(biāo)，構(gòu)成機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化模型的約束。17整理課件優(yōu)化指標(biāo)：又稱為評價(jià)指標(biāo)，用來進(jìn)行方案比較的指標(biāo)，其限定作用弱于特征指標(biāo)，可作為機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化模型的優(yōu)化目標(biāo)。

尋常指標(biāo)：作為常規(guī)要求的指標(biāo)，一般不定量描述且不出現(xiàn)在優(yōu)化設(shè)計(jì)模型中，只需用常規(guī)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行保證。18整理課件3、性能指標(biāo)分配分配的目的是合理限定各子系統(tǒng)對總體性能指標(biāo)的影響程度，是系統(tǒng)整體優(yōu)化的保障。由于機(jī)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(jì)參數(shù)、設(shè)計(jì)參數(shù)受到的特征指標(biāo)約束、設(shè)計(jì)參數(shù)對優(yōu)化指標(biāo)的影響等三個(gè)方面。19整理課件性能指標(biāo)分配20整理課件21整理課件根據(jù)表2-1列出局部可行性方案的總本錢表。22整理課件系統(tǒng)模型系統(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(rèn)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(xué)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(shí)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(xué)模型是一種用數(shù)學(xué)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(xué)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。系統(tǒng)仿真在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行前，也希望對工程的實(shí)施結(jié)果加以預(yù)測，以便選擇正確、高效的運(yùn)行策略或提前消除設(shè)計(jì)中的缺陷，最大限度地提高實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行水平，采用仿真技術(shù)可以省時(shí)省力省錢地到達(dá)上述目的。2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模和仿真23整理課件2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模和仿真機(jī)電一體化系統(tǒng)仿真是建立在其數(shù)學(xué)模型根底之上，因此需要首先用數(shù)學(xué)形式描述各類系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即建立它們的數(shù)學(xué)模型。模型確定之后，還必須尋求合理的求解數(shù)學(xué)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(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行評估或目標(biāo)優(yōu)化，保證機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理和完善。24整理課件機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的實(shí)際過程是一個(gè)交互過程，在概念設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過程中需要不斷地進(jìn)行驗(yàn)證和修改。

機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)交互過程25整理課件圖示為電樞控制式直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖。圖中電機(jī)線圈的電流為i；L與R為線圈的電感與電阻；電機(jī)的輸入電壓為u；折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為JM；電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速分別為T和ω；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(xué)模型〕。2.3.4機(jī)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型舉例：圖直流電動(dòng)機(jī)的工作原理26整理課件解：由題可得：〔1〕當(dāng)激磁磁場不變時(shí)，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩T正比于電樞電流：T=KTi；〔2〕當(dāng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電樞中會(huì)感應(yīng)反電勢eb，其值正比于轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度：eb=KEω〔3〕電樞回路的微分方程為：〔4〕電機(jī)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)+KE(s)=U(s)輸出轉(zhuǎn)速與輸入電壓之間的傳遞函數(shù)：27整理課件2.3.5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：物理仿真、數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真。物理仿真：按照真實(shí)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為物理仿真。優(yōu)點(diǎn)：直觀、形象。缺點(diǎn)：模型改變困難，實(shí)驗(yàn)限制多，投資較大。

28整理課件數(shù)學(xué)仿真：對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行抽象，并將其特性用數(shù)學(xué)關(guān)系加以描述而得到系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程稱為數(shù)學(xué)仿真。優(yōu)點(diǎn)：方便、靈活、經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：受限于系統(tǒng)建模技術(shù)，即系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型不易建立。半實(shí)物仿真：將數(shù)學(xué)模型與物理模型甚至實(shí)物聯(lián)合起來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

29整理課件

系統(tǒng)仿真時(shí)模型所采用的時(shí)鐘稱為仿真時(shí)鐘，而實(shí)際動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的時(shí)鐘稱為實(shí)際時(shí)鐘。根據(jù)仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘的比例關(guān)系，仿真又分為實(shí)時(shí)、亞實(shí)時(shí)和超實(shí)時(shí)仿真三種。實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘與實(shí)際時(shí)鐘完全一致。模型仿真的速度與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度相同。當(dāng)被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或?qū)嵨飼r(shí)，必須進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真。

30整理課件亞實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘慢于實(shí)際時(shí)鐘。模型仿真的速度慢于實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的速度，也稱為離線仿真。在對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析過程中，多為亞實(shí)時(shí)仿真。超實(shí)時(shí)仿真：即仿真時(shí)鐘快于實(shí)際時(shí)鐘，那么模型仿真的速度快于實(shí)際。31整理課件仿真的一般步驟32整理課件2.4系統(tǒng)的分析方法什么是機(jī)電系統(tǒng)的分析？目的是什么？用自動(dòng)控制理論〔主要采用數(shù)學(xué)方法〕對系統(tǒng)的輸入〔主要是某種典型輸入信號〕與輸出的關(guān)系進(jìn)行分析的方法。目的是驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。注：典型信號好：如交流電機(jī)輸入電壓〔220V或380V〕.穩(wěn)定性是保證系統(tǒng)正常工作的先決條件。響應(yīng)能力主要指系統(tǒng)反響的快速性和準(zhǔn)確性。33整理課件2.4系統(tǒng)的分析方法分析的方法：在經(jīng)典的控制理論中，常用時(shí)域分析法、根軌跡法、頻域分析法這些方法有各自不同的特點(diǎn)和適用范圍，但是比較而言，時(shí)域分析法是一種直接在時(shí)間域中對系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法，具有直觀、準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，并且可以提供系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)的全部信息。34整理課件2.4.1時(shí)域的響應(yīng)函數(shù)分析在系統(tǒng)的輸入端給定標(biāo)準(zhǔn)信號，整個(gè)輸出從開始到穩(wěn)定隨時(shí)間變化的過程.以這個(gè)過程可用響應(yīng)曲線來表示。

過渡過程穩(wěn)態(tài)過程靜差+5%35整理課件靜差是反映系統(tǒng)靜態(tài)特性的重要指標(biāo)，是系統(tǒng)過渡過程終了時(shí)，被調(diào)量偏離原值〔或給定值〕的偏差。能把偏差消除為零的稱為無差系統(tǒng)。反之為有差系統(tǒng)。靜差可分為擾動(dòng)靜差和給定靜差。