机电一体化系统设计第2章-机电一体化系统设计和分析方法

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1、第第2章章 机电一体化系统设计和分析方法机电一体化系统设计和分析方法n2.12.1 机机电一体化系统设计概述电一体化系统设计概述n2.22.2 性性能指标及分配方法能指标及分配方法n2.3 2.3 机机电一体化系统的建模和仿真电一体化系统的建模和仿真n2.42.4 系系统的分析方法统的分析方法n2.52.5 知识扩展知识扩展n机电一体化机电一体化设计是一个自上而下的过程设计是一个自上而下的过程，系统的功能和性能指标在各子系统中的合系统的功能和性能指标在各子系统中的合理分配是机电系统集成的基础；理分配是机电系统集成的基础；n机电一体化机电一体化系统分析则是自下而上的过程系统分析则是自下而上的过程

2、，是以系统动态分析理论为基础对系统的稳是以系统动态分析理论为基础对系统的稳定性和动态响应能力等进行验证的过程，定性和动态响应能力等进行验证的过程，形式上有理论分析和仿真分析等；形式上有理论分析和仿真分析等；n设计和分析的基础条件是系统的理论模型设计和分析的基础条件是系统的理论模型的建立的建立。性能指标性能指标产品（模型）产品（模型）性能指标性能指标设计分析产品（模型）产品（模型）2.1 系统设计概述系统设计概述2.1.1系统设计的描述（什么是设计？）系统设计的描述（什么是设计？）n从现代设计方法的观念看，从现代设计方法的观念看，“设计设计”就是就是一个信息系统，输入的是一个信息系统，输入的是需

3、求需求，输出是，输出是设设计的结果计的结果。n从系统工程的观点分析，设计是一个由从系统工程的观点分析，设计是一个由时时间、逻辑间、逻辑和和方法方法组成的三维系统。设计过组成的三维系统。设计过程中的每一个行为可以反映为此三维空间程中的每一个行为可以反映为此三维空间中的一个点。中的一个点。时间维，描述按时间排列的设计目标流程；逻辑维，是解决问题的逻辑步骤，是在设计的工作流程中的每一个阶段内所要进行的工作内容和遵循的思维程序；方法维，是设计过程的各种思维方法、工作方法和涉及的相关领域知识 机电一体化系统设计的类型机电一体化系统设计的类型n开发性设计（全新设计）;n适应性设计（原理方案不变，仅对功能及

4、结构进行重新设计）;n变参数设计（仅改变部分结构尺寸而形成系列产品）机电一体化系统设计原则机电一体化系统设计原则n机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则（在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段，充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化，高效化满足市场要求。n注意：产品的功能往往与操作有着直接关系，功能越多，操作越复杂。因此，在机电一体化产品向多功能化发展的同时，通过软件来改善产品的操作性能。使产品向智能化发展。2.1.2设计工作流程设计工作流程 一个全新的机电一体化产品的设计和开发过程大体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶段。产品规划阶段产品规划

5、阶段 包括包括需求分析需求分析、市场预测市场预测、技术可行性分析技术可行性分析，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，最后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，作为设计、评价和决策的依据作为设计、评价和决策的依据。n需求分析：需求分析：认识需求是一种创造性工作，设认识需求是一种创造性工作，设计师应深入实际、细致观察、敏锐捕捉计师应深入实际、细致观察、敏锐捕捉市场市场的需求的需求，并及时完成产品的开发和试制工作，并及时完成产品的开发和试制工作 n市场预测：市场预测：产品的前期调研工作。调研内容产品的前期调研工作。调研内容可分为三个方面：可分为三个方面：面向用户的产品市场调研面向用户的

6、产品市场调研；面向产品设计的技术调研；面向产品设计的技术调研；面向产品生命；面向产品生命周期的社会环境调研。周期的社会环境调研。n技术可行性分析技术可行性分析n内容包括：1）关键技术和技术路线；2）可选技术方案；3）主要性能指标及技术规格的可行性；4）主要技术风险；5）成本分析；6）结论及产品建议。技术可行性分析技术可行性分析根据产品的成本分析和技术风险分析，对产品的技术规格、性能指标和市场定位等参数提出修改建议，确定产品是否立项。产品立项应给出生产设计要求表，表中所列要求分为特征指标、优化指标和寻常指标，即包括新产品的功能要求、技术规格、性能指标、成本控制目标等。概念设计阶段概念设计阶段 n

7、输入的是产品规划的结果设计要求表，输出总体方案。机电一体化系统总体方案包括产品外观和结构布置方案、产品部件或子系统划分及设计目标、各部件或子系统的接口设计等三个方面，并给出详细设计任务书、验收规范及进度计划。n1）产品外观和结构布置方案；n2）产品部件或子系统划分及设计目标；n3）各部件或子系统的接口设计；n4）制定详细设计任务书、验收规范及进度计划。详细设计详细设计 n根据详细设计任务书，对各零部件进行详细设计，确定各零部件的形状、尺寸、材料等参数，设计控制软件、设计电子、电气系统的电路，选用合适的元件，绘制详细的零件图、装配图等工程图，编写详细的设计技术资料。详细设计还包括制定产品制造工艺

8、和质量检验等内容。n详细设计必须按照总体的要求进行，在设计过程中还可能伴随着许多的实验研究和零部件的试制，以确定相关参数。2.2 性能指标及分配方法性能指标及分配方法1、使用要求与性能指标使用要求与性能指标 从产品的使用要求的角度看，性能指从产品的使用要求的角度看，性能指标可划分为标可划分为功能性指标功能性指标、经济性指标经济性指标和和安全性指标安全性指标等三类。等三类。n 功能性指标功能性指标：定义产品在预定的寿命期间有效地实现预期的全部功能要求，包括功能范围、精度指标、可靠性指标和维修性指标等。n经济性指标经济性指标：反映用户获得所需功能和性能的产品需要付出的费用高低；对于生产者则是完成产

9、品生产制造的成本。对于生产者和用户都希望在获得相同产品的同时成本/费用越低越好。对于用户其成本包括购置和使用费用。n安全性指标安全性指标：需要根据产品特点确定，它既指产品在运行过程中对操作者和周围其他人员的人身安全的危害程度，又指产品本身因其它原因受损坏的可能性。n2、优化设计与性能指标、优化设计与性能指标 从设计的角度划分性能指标，有特征指标、优化指标和寻常指标三类，它们在设计中的限定作用不同。n特征指标：决定产品功能和基本性能的指标，是设计中必须满足的指标，构成机电系统优化模型的约束。n优化指标：优化指标：又称为评价指标，用来进行方案比较的指标，其限定作用弱于特征指标，可作为机电系统优化模

10、型的优化目标。n寻常指标：寻常指标：作为常规要求的指标，一般不定量描述且不出现在优化设计模型中，只需用常规设计方法进行保证。3、性能指标分配、性能指标分配n分配的目的是合理限定各子系统对总体性能指标的影响程度，是系统整体优化的保障。n由于机电系统方案的多样性，各子系统的形式不同，因此必须逐一列出它们的作用形式。这些内容包括：相关设计参数、设计参数受到的特征指标约束、设计参数对优化指标的影响等三个方面。性能指标分配性能指标分配根据表根据表2-1列出部分可行性方案的总成本表。列出部分可行性方案的总成本表。n系统模型系统模型 系统模型是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象，是人们用以认识事物的一种手

11、段或工具，系统模型一般包括物理模型、数学模型和描述模型三种类型。物理模型就是根据相似原理，把真实系统按比例放大或缩小制成的模型，其状态变量与原系统完全相同。数学模型是一种用数学方程或信号流程图、结构图等来描述系统性能的模型，描述模型是一种抽象的。不能或很难用数学方法描述的，只能用自然语言或程序语言描述的系统模型。n系统仿真系统仿真 在系统实际运行前，也希望对项目的实施结果加以预测，以便选择正确、高效的运行策略或提前消除设计中的缺陷，最大限度地提高实际系统的运行水平，采用仿真技术可以省时省力省钱地达到上述目的。2.3 机电一体化系统的建模和仿真机电一体化系统的建模和仿真2.3 机电一体化系统的建

12、模和仿真机电一体化系统的建模和仿真n机电一体化系统仿真是建立在其数学模型基础之上，因此需要首先用数学形式描述各类系统的运动规律，即建立它们的数学模型。模型确定之后，还必须寻求合理的求解数学模型的方法，即数值算法，才能得到正确的仿真结果。从而对机电系统进行评估或目标优化，保证机电系统的设计更为合理和完善。机电产品设计和开发的实际过程是一个交互过程，在概念设计和细节设计过程中需要不断地进行验证和修改验证和修改。机电产品设计开机电产品设计开发交互过程发交互过程n图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电流为i；L与R为线圈的电感与电阻；电机的输入电压为u；折算到电机转子轴上的等效负载转

13、动惯量为JM；电机输出转矩和转速分别为T和；KE和KT分别为电枢的电势常数和转矩常数，试求输出转速与输入电压之间的传递函数（数学模型）。2.3.4机电系统的数学模型举例：机电系统的数学模型举例：图 直流电动机的工作原理解：由题可得：（1）当激磁磁场不变时，电机输出转矩T正比于电枢电流：T=KTi；（2）当电枢转动时，电枢中会感应反电势eb，其值正比于转动的角速度：eb=KE（3）电枢回路的微分方程为：（4）电机轴上的转矩平衡方程为：T=JM,（5）求拉氏变换及联立求解得：（Ls+R）I(s)+KE(s)=U(s)输出转速与输入电压之间的传递函数：n2.3.5系统仿真的类型和一般流程系统仿真的类

14、型和一般流程 根据模型的物理属性，系统仿真有：根据模型的物理属性，系统仿真有：物理仿物理仿真真、数学仿真数学仿真和和半实物仿真半实物仿真。物理仿真：物理仿真：按照真实系统的物理性质构造系按照真实系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行实验统的物理模型，并在物理模型上进行实验的过程称为物理仿真。的过程称为物理仿真。优点：优点：直观、形象。直观、形象。缺点：缺点：模型改变困难，模型改变困难，实验限制多，投资较大实验限制多，投资较大。数学仿真：数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特对实际系统进行抽象，并将其特性用数学关系加以描述而得到系统的数学性用数学关系加以描述而得到系统的数学模型，对

15、数学模型进行实验的过程称为数模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。学仿真。优点：方便、灵活、经济方便、灵活、经济。缺点：受限于系受限于系统建模技术，即系统数学模型不易建立统建模技术，即系统数学模型不易建立。半实物仿真：半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至实将数学模型与物理模型甚至实物联合起来进行实验。物联合起来进行实验。n 系统仿真时模型所采用的时钟称为系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时仿真时钟，钟，而实际动态系统的时钟称为而实际动态系统的时钟称为实际时钟实际时钟。根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿真又分为真又分为实时、亚实时实时、亚实时和和超实时

16、超实时仿真三种。仿真三种。n实时仿真：实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一即仿真时钟与实际时钟完全一致。模型仿真的速度与实际系统运行的速致。模型仿真的速度与实际系统运行的速度相同。当被仿真的系统中存在物理模型度相同。当被仿真的系统中存在物理模型或实物时，必须进行实时仿真。或实物时，必须进行实时仿真。n亚实时仿真：亚实时仿真：即仿真时钟慢于实际时钟。即仿真时钟慢于实际时钟。模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，模型仿真的速度慢于实际系统运行的速度，也称为也称为离线仿真离线仿真。在对系统进行设计分析。在对系统进行设计分析过程中，多为亚实时仿真。过程中，多为亚实时仿真。n超实时仿真：超实时仿真：即仿

17、真时钟快于实际时钟，即仿真时钟快于实际时钟，则模型仿真的速度快于实际。则模型仿真的速度快于实际。仿真的一般步骤2.4 系统的分析方法系统的分析方法n什么是机电系统的分析？目的是什么？什么是机电系统的分析？目的是什么？用自动控制理论（主要采用用自动控制理论（主要采用数学方法数学方法）对系统）对系统的的输入（输入（主要是某种典型输入信号主要是某种典型输入信号）与输出的）与输出的关系关系进行分析的方法。目的是验证系统的进行分析的方法。目的是验证系统的稳定稳定性和动态响应能力性和动态响应能力。注：注：典型信号好：如交流电机输入电压（典型信号好：如交流电机输入电压（220V或或380V）.稳定性稳定性是

18、保证系统正常工作的先决条件。响应能力主是保证系统正常工作的先决条件。响应能力主要指系统反应的要指系统反应的快速性快速性和和准确性准确性。2.4 系统的分析方法系统的分析方法n分析的方法：在经典的控制理论中，常用分析的方法：在经典的控制理论中，常用 时域分析法时域分析法、根轨迹法根轨迹法、频域分析法频域分析法 这些方法有各自不同的特点和适用范围，这些方法有各自不同的特点和适用范围，但是比较而言，但是比较而言，时域分析法时域分析法是一种直接在时间是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，具有域中对系统进行分析的方法，具有直观、准确直观、准确的优点，并且可以提供系统时间响应的全部信的优点，并且可以提

19、供系统时间响应的全部信息。息。2.4.1 时域的响应函数分析时域的响应函数分析n在系统的输入端给定在系统的输入端给定标准信号，标准信号，整个输出从开始到稳定随整个输出从开始到稳定随时间变化的过程时间变化的过程.以这个过程可用以这个过程可用响应曲线来表示响应曲线来表示。过渡过程过渡过程稳态过程稳态过程静差+5%n静差静差是反映系统静态特性的重要指标，是反映系统静态特性的重要指标，是系统过渡过程终了时，被调量偏离原是系统过渡过程终了时，被调量偏离原值（或给定值）的偏差。值（或给定值）的偏差。n能把偏差消除为零的称为能把偏差消除为零的称为无差系统。无差系统。反反之为之为有差系统。有差系统。n静差可分

20、为静差可分为扰动静差扰动静差和和给定静差给定静差。2.4.2 传递函数法传递函数法n传递函数：传递函数：系统输出信号的拉氏变换与输入信号系统输出信号的拉氏变换与输入信号的拉氏变换之比。记为的拉氏变换之比。记为H(s)从传递函数角度讨论系统静差，可分为扰动静差和给定静差。常用稳定性判据判据常用稳定性判据判据n胡尔维茨稳定判据胡尔维茨稳定判据 n劳斯稳定判据劳斯稳定判据 n奈奎斯特稳定性判据奈奎斯特稳定性判据 2.4.3 系统稳定性等性能指标的判定方法系统稳定性等性能指标的判定方法 2.5 知识扩展（先进设计方法）知识扩展（先进设计方法）n现代设计方法和理念。现代设计方法和理念。n并行工程并行工程、n绿色设计绿色设计、n虚拟产品设计虚拟产品设计n反求技术反求技术等。等。