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

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第2章機電一體化系統(tǒng)設(shè)計和分析方法,2.1機電一體化系統(tǒng)設(shè)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(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)中的合理分配是機電系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)；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(chǔ)對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)響應(yīng)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(shè)計和分析的基礎(chǔ)條件是系統(tǒng)的理論模型的建立。,2.1系統(tǒng)設(shè)計概述,系統(tǒng)設(shè)計的描述（什么是設(shè)計？）從現(xiàn)代設(shè)計方法的觀念看，“設(shè)計”就是一個信息系統(tǒng)，輸入的是需求，輸出是設(shè)計的結(jié)果。從系統(tǒng)工程的觀點分析，設(shè)計是一個由時間、邏輯和方法組成的三維系統(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,設(shè)計工作流程,一個全新的機電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計和開發(fā)過程大體可以分為產(chǎn)品規(guī)劃、概念設(shè)計和詳細設(shè)計三個階。,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)。需求分析：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、敏銳捕捉市場的需求，并及時完成產(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)容可分為三個方面：面向用戶的產(chǎn)品市場調(diào)研；面向產(chǎn)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)境調(diào)研。,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。,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。,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)。,課外拓展作業(yè),以小組為單位，討論設(shè)計某一新型產(chǎn)品，并給出一個設(shè)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(yù)定的壽命期間有效地實現(xiàn)預(yù)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(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。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。,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(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(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。,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(fù)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(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,機電產(chǎn)品設(shè)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(zhì)構(gòu)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(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)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(shù)，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(guān)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?qū)嵨飼r，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(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)和參數(shù)時，我們關(guān)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(yīng)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(fù)穩(wěn)定結(jié)束的整個輸出變化的過程為考察對象，這個過程稱為響應(yīng)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(zhì)，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(yīng)時域函數(shù)（單位脈沖響應(yīng)）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(luò)查找相關(guān)知識,2.5知識擴展（先進設(shè)計方法）,機電一體化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)設(shè)計所遇到的問題復(fù)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(shè)計中掌握先進的設(shè)計方法，更快地開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的機電一體化產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計方法和理念也不斷推成出新，比如并行工程、綠色設(shè)計、虛擬產(chǎn)品設(shè)計和反求技術(shù)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(shè)計、制造及其相關(guān)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(shè)計則強調(diào)產(chǎn)品的全生命周期相關(guān)部門的技術(shù)人員共同構(gòu)成設(shè)計組，研發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)籌備有機的結(jié)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(chǔ)上發(fā)展出綠色設(shè)計，綠色設(shè)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(shè)計則是基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新一代計算機輔助設(shè)計，為設(shè)計者構(gòu)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(shè)計環(huán)境，簡化和縮短產(chǎn)品模型的建立過程，提高設(shè)計的有效性。,反求技術(shù)是針對消化吸收先進技術(shù)的系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。反求技術(shù)包括設(shè)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(shù)文件等)或影象(圖片、照片等)作為研究對象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計的理論方法，生產(chǎn)程學、材料學和有關(guān)專業(yè)知識，進行系統(tǒng)地分析研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，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(shè)計方法。請您談一下你最喜歡的一種設(shè)計方法，并給出理由。,