《機電一體化系統(tǒng)設計》4-5機電一體化系統(tǒng)設計和分析方法.ppt

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第2章機電一體化系統(tǒng)設計和分析方法,2.1機電一體化系統(tǒng)設計概述2.2性能指標及分配方法2.3機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真2.4系統(tǒng)的分析方法2.5知識擴展2.6課外作業(yè),機電一體化設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)中的合理分配是機電系統(tǒng)集成的基礎；機電一體化系統(tǒng)分析則是自下而上的過程，是以系統(tǒng)動態(tài)分析理論為基礎對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應能力等進行驗證的過程，形式上有理論分析和仿真分析等；設計和分析的基礎條件是系統(tǒng)的理論模型的建立。,2.1系統(tǒng)設計概述,系統(tǒng)設計的描述（什么是設計？）從現(xiàn)代設計方法的觀念看，“設計”就是一個信息系統(tǒng)，輸入的是需求，輸出是設計的結果。從系統(tǒng)工程的觀點分析，設計是一個由時間、邏輯和方法組成的三維系統(tǒng)。設計過程中的每一個行為可以反映為此三維空間中的一個點。,,時間維，描述按時間排列的設計目標流程；,邏輯維，是解決問題的邏輯步驟，是在設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，是設計過程的各種思維方法、工作方法和涉及的相關領域知識,設計工作流程,,一個全新的機電一體化產(chǎn)品的正向設計和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設計和詳細設計三個階。,產(chǎn)品規(guī)劃階段,包括需求分析、市場預測、技術可行性分析，最后確定設計參數(shù)及設計制約條件，提出設計要求，作為設計、評價和決策的依據(jù)。需求分析：認識需求是一種創(chuàng)造性工作，設計師應深入實際、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)和試制工作市場預測：產(chǎn)品的前期調(diào)研工作。調(diào)研內(nèi)容可分為三個方面：面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研；面向產(chǎn)品設計的技術調(diào)研；面向產(chǎn)品生命周期的社會環(huán)境調(diào)研。,技術可行性分析的內(nèi)容包括：1）關鍵技術和技術路線；2）可選技術方案；3）主要性能指標及技術規(guī)格的可行性；4）主要技術風險；5）成本分析；6）結論及產(chǎn)品建議。根據(jù)產(chǎn)品的成本分析和技術風險分析，對產(chǎn)品的技術規(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、技術規(guī)格、性能指標、成本控制目標等。,概念設計階段,輸入的是產(chǎn)品規(guī)劃的結果—設計要求表，輸出總體方案。機電一體化系統(tǒng)總體方案包括產(chǎn)品外觀和結構布置方案、產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分及設計目標、各部件或子系統(tǒng)的接口設計等三個方面，并給出詳細設計任務書、驗收規(guī)范及進度計劃。,1）產(chǎn)品外觀和結構布置方案；2）產(chǎn)品部件或子系統(tǒng)劃分及設計目標；3）各部件或子系統(tǒng)的接口設計；4）制定詳細設計任務書、驗收規(guī)范及進度計劃。,詳細設計,根據(jù)詳細設計任務書，對各零部件進行詳細設計，確定各零部件的形狀、尺寸、材料等參數(shù)，設計控制軟件、設計電子、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，編寫詳細的設計技術資料。詳細設計還包括制定產(chǎn)品制造工藝和質量檢驗等內(nèi)容。詳細設計必須按照總體的要求進行，在設計過程中還可能伴隨著許多的實驗研究和零部件的試制，以確定相關參數(shù)。,課外拓展——作業(yè),以小組為單位，討論設計某一新型產(chǎn)品，并給出一個設計方案,2.2性能指標及分配方法,1、使用要求與性能指標從產(chǎn)品的使用要求的角度看，性能指標可劃分為功能性指標、經(jīng)濟性指標和安全性指標等三類。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。,經(jīng)濟性指標：反映用戶獲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。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。,2、優(yōu)化設計與性能指標從設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，它們在設計中的限定作用不同。特征指標：決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標，是設計中必須滿足的指標，構成機電系統(tǒng)優(yōu)化模型的約束。,優(yōu)化指標：又稱為評價指標，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。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)化設計模型中，只需用常規(guī)設計方法進行保證。,3、性能指標分配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。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：相關設計參數(shù)、設計參數(shù)受到的特征指標約束、設計參數(shù)對優(yōu)化指標的影響等三個方面。,2.3機電一體化系統(tǒng)的建模和仿真,機電系統(tǒng)既是一個交叉、綜合的復雜系統(tǒng)，又是一個動態(tài)的系統(tǒng)。對于該動態(tài)系統(tǒng)，可以從機電系統(tǒng)動力學的角度出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)行為描述進行建模（即建立系統(tǒng)的動力學方程或動態(tài)模型）。建模后，就可以按分析對象和目的的不同，采用合適的系統(tǒng)分析方法對問題進行求解，以便對機電系統(tǒng)進行評估或目標優(yōu)化，從而保證機電系統(tǒng)的設計更為合理和完善。,機電產(chǎn)品設計和開發(fā)的實際過程是一個交互過程，在概念設計和細節(jié)設計過程中需要不斷地進行驗證和修改,,機電產(chǎn)品設計開發(fā)交互過程模型,根據(jù)模型的物理屬性，系統(tǒng)仿真有：物理仿真、數(shù)學仿真和半實物仿真。物理仿真：按照真實系統(tǒng)的物理性質構造系統(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。優(yōu)點：直觀、形象。缺點：模型改變困難，實驗限制多，投資較大。,系統(tǒng)仿真的類型和一般流程,數(shù)學仿真：對實際系統(tǒng)進行抽象，并將其特性用數(shù)學關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)學仿真。優(yōu)點：方便、靈活、經(jīng)濟。缺點：受限于系統(tǒng)建模技術，即系統(tǒng)數(shù)學模型不易建立。半實物仿真：將數(shù)學模型與物理模型甚至實物聯(lián)合起來進行實驗。,系統(tǒng)仿真時模型所采用的時鐘稱為仿真時鐘，而實際動態(tài)系統(tǒng)的時鐘稱為實際時鐘。根據(jù)仿真時鐘與實際時鐘的比例關系，仿真又分為實時、亞實時和超實時仿真三種。實時仿真：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)運行的速度相同。當被仿真的系統(tǒng)中存在物理模型或實物時，必須進行實時仿真。,亞實時仿真：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，也稱為離線仿真。在對系統(tǒng)進行設計分析過程中，多為亞實時仿真。超實時仿真：即仿真時鐘快于實際時鐘，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,建立機電系統(tǒng)數(shù)學模型后，便可以對系統(tǒng)性能進行分析。在經(jīng)典的控制理論中，常用時域分析法、根軌跡法或頻域分析法來分析線性系統(tǒng)。這些方法有各自不同的特點和適用范圍，但是比較而言，時域分析法是一種直接在時間域中對系統(tǒng)進行分析的方法，具有直觀、準確的優(yōu)點，并且可以提供系統(tǒng)時間響應的全部信息。,機電系統(tǒng)種類繁多，不同類型的系統(tǒng)對性能的要求各有不同，但無論哪一種系統(tǒng)，在已知系統(tǒng)的結構和參數(shù)時，我們關注的是系統(tǒng)在某種典型輸入信號（？）下，其被控量變化的全過程。對全過程的共同基本要求是一致的，可歸納為穩(wěn)定性、快速性和準確性。,2.4.1時域的響應函數(shù)分析,在系統(tǒng)的輸入端給定標準信號，從信號輸入開始到系統(tǒng)輸出恢復穩(wěn)定結束的整個輸出變化的過程為考察對象，這個過程稱為響應曲線。,,2.4.2傳遞函數(shù)法,靜差是反映系統(tǒng)靜態(tài)特性的重要指標，是系統(tǒng)過渡過程終了時，被調(diào)量偏離原值（或給定值）的偏差。靜差并不計元件死區(qū)、零點漂移、老化等原因造成的永久性偏差，僅指系統(tǒng)工作原理上由擾動或給定值變化所引起的偏差。能把偏差消除為零的稱為無差系統(tǒng)。反之為有差系統(tǒng)。靜差可分為擾動靜差和給定靜差。,2.4.3系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能指標的判定方法,從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的極點和零點的性質，我們可以分析出系統(tǒng)的時域特性，并從中研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的零點影響對應時域函數(shù)（單位脈沖響應）的幅度和相位，而極點則影響其函數(shù)形式或波形。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負實部；或者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點均嚴格位于左半s平面。,常用穩(wěn)定性判據(jù)判據(jù),胡爾維茨穩(wěn)定判據(jù)勞斯穩(wěn)定判據(jù)奈奎斯特穩(wěn)定性判據(jù)請利用網(wǎng)絡查找相關知識,,2.5知識擴展（先進設計方法）,機電一體化系統(tǒng)應用領域廣泛，系統(tǒng)設計所遇到的問題復雜多變，全球化市場競爭，更要求我們在機電一體化系統(tǒng)設計中掌握先進的設計方法，更快地開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的機電一體化產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代設計方法和理念也不斷推成出新，比如并行工程、綠色設計、虛擬產(chǎn)品設計和反求技術等。,并行工程是一種以降低產(chǎn)品全生命周期成本，增強易制造性，縮短上市周期和增強市場競爭能力為目標的，把產(chǎn)品(系統(tǒng))的設計、制造及其相關過程作為一個有機的整體進行綜合（并行）協(xié)調(diào)的一種模式。并行工程的設計則強調(diào)產(chǎn)品的全生命周期相關部門的技術人員共同構成設計組，研發(fā)設計和生產(chǎn)籌備有機的結合在一起，有利于換代快、批量不大的產(chǎn)品開發(fā)。,在并行工程的基礎上發(fā)展出綠色設計，綠色設計就是在新產(chǎn)品的開發(fā)階段就考慮其整個生命周期內(nèi)對環(huán)境的影響，從而減少對環(huán)境的污染、資源的浪費。虛擬產(chǎn)品設計則是基于虛擬現(xiàn)實技術的新一代計算機輔助設計，為設計者構建了一個基于多媒體的、交互的滲入式或嵌入式的三維計算機輔助設計環(huán)境，簡化和縮短產(chǎn)品模型的建立過程，提高設計的有效性。,反求技術是針對消化吸收先進技術的系列分析方法和應用技術的組合。反求技術包括設計反求、工藝反求、管理反求等各個方面。以先進產(chǎn)品的實物、軟件(圖樣、程序；技術文件等)或影象(圖片、照片等)作為研究對象，應用現(xiàn)代設計的理論方法，生產(chǎn)[程學、材料學和有關專業(yè)知識，進行系統(tǒng)地分析研究，探索掌握其關鍵技術，進而開發(fā)出同類產(chǎn)品。,課外作業(yè),請您舉行談某一種設計方法。請您談一下你最喜歡的一種設計方法，并給出理由。,