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

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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(shí)擴(kuò)展2.6課外作業(yè),機(jī)電一體化設(shè)計(jì)是一個(gè)自上而下的過(guò)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)集成的基礎(chǔ)；機(jī)電一體化系統(tǒng)分析則是自下而上的過(guò)程，是以系統(tǒng)動(dòng)態(tài)分析理論為基礎(chǔ)對(duì)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(guò)程，形式上有理論分析和仿真分析等；設(shè)計(jì)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(jì)概述,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(guò)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)。,,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(wèn)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(guò)程的各種思維方法、工作方法和涉及的相關(guān)領(lǐng)域知識(shí),設(shè)計(jì)工作流程,,一個(gè)全新的機(jī)電一體化產(chǎn)品的正向設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)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。,產(chǎn)品規(guī)劃階段,包括需求分析、市場(chǎng)預(yù)測(cè)、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(píng)價(jià)和決策的依據(jù)。需求分析：認(rèn)識(shí)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(chǎng)的需求，并及時(shí)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和試制工作市場(chǎng)預(yù)測(cè)：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(chǎng)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。,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(biāo)及技術(shù)規(guī)格的可行性；4）主要技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)；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(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格、性能指標(biāo)和市場(chǎng)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)、成本控制目標(biāo)等。,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(shū)、驗(yàn)收規(guī)范及進(jìn)度計(jì)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(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(shū)、驗(yàn)收規(guī)范及進(jìn)度計(jì)劃。,詳細(xì)設(shè)計(jì),根據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)，對(duì)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，選用合適的元件，繪制詳細(xì)的零件圖、裝配圖等工程圖，編寫(xiě)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(guò)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)。,課外拓展——作業(yè),以小組為單位，討論設(shè)計(jì)某一新型產(chǎn)品，并給出一個(gè)設(shè)計(jì)方案,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)和安全性指標(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。,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)用高低；對(duì)于生產(chǎn)者則是完成產(chǎn)品生產(chǎn)制造的成本。對(duì)于生產(chǎn)者和用戶都希望在獲得相同產(chǎn)品的同時(shí)成本/費(fèi)用越低越好。對(duì)于用戶其成本包括購(gòu)置和使用費(fèi)用。安全性指標(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(guò)程中對(duì)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(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?cè)谠O(shè)計(jì)中的限定作用不同。特征指標(biāo)：決定產(chǎn)品功能和基本性能的指標(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。,優(yōu)化指標(biāo)：又稱為評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來(lái)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。,3、性能指標(biāo)分配分配的目的是合理限定各子系統(tǒng)對(duì)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(duì)優(yōu)化指標(biāo)的影響等三個(gè)方面。,2.3機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模和仿真,機(jī)電系統(tǒng)既是一個(gè)交叉、綜合的復(fù)雜系統(tǒng)，又是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。對(duì)于該動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，可以從機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的角度出發(fā)，根據(jù)系統(tǒng)行為描述進(jìn)行建模（即建立系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程或動(dòng)態(tài)模型）。建模后，就可以按分析對(duì)象和目的的不同，采用合適的系統(tǒng)分析方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行求解，以便對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估或目標(biāo)優(yōu)化，從而保證機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為合理和完善。,機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的實(shí)際過(guò)程是一個(gè)交互過(guò)程，在概念設(shè)計(jì)和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)過(guò)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(kāi)發(fā)交互過(guò)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(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(guò)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。,系統(tǒng)仿真的類型和一般流程,數(shù)學(xué)仿真：對(duì)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(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過(guò)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(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。,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。,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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析過(guò)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，則模型仿真的速度快于實(shí)際。,仿真的一般步驟,,2.4系統(tǒng)的分析方法,建立機(jī)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型后，便可以對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行分析。在經(jīng)典的控制理論中，常用時(shí)域分析法、根軌跡法或頻域分析法來(lái)分析線性系統(tǒng)。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(duì)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。,機(jī)電系統(tǒng)種類繁多，不同類型的系統(tǒng)對(duì)性能的要求各有不同，但無(wú)論哪一種系統(tǒng)，在已知系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)時(shí)，我們關(guān)注的是系統(tǒng)在某種典型輸入信號(hào)（？）下，其被控量變化的全過(guò)程。對(duì)全過(guò)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(zhǔn)確性。,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(hào)，從信號(hào)輸入開(kāi)始到系統(tǒng)輸出恢復(fù)穩(wěn)定結(jié)束的整個(gè)輸出變化的過(guò)程為考察對(duì)象，這個(gè)過(guò)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(biāo)，是系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程終了時(shí)，被調(diào)量偏離原值（或給定值）的偏差。靜差并不計(jì)元件死區(qū)、零點(diǎn)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(dòng)或給定值變化所引起的偏差。能把偏差消除為零的稱為無(wú)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。,2.4.3系統(tǒng)穩(wěn)定性等性能指標(biāo)的判定方法,從系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的極點(diǎn)和零點(diǎn)的性質(zhì)，我們可以分析出系統(tǒng)的時(shí)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(diǎn)影響對(duì)應(yīng)時(shí)域函數(shù)（單位脈沖響應(yīng)）的幅度和相位，而極點(diǎn)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(fù)實(shí)部；或者說(shuō)，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均嚴(yán)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(qǐng)利用網(wǎng)絡(luò)查找相關(guān)知識(shí),,2.5知識(shí)擴(kuò)展（先進(jìn)設(shè)計(jì)方法）,機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，系統(tǒng)設(shè)計(jì)所遇到的問(wèn)題復(fù)雜多變，全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，更要求我們?cè)跈C(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法，更快地開(kāi)發(fā)出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)電一體化產(chǎn)品。隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和理念也不斷推成出新，比如并行工程、綠色設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(qiáng)易制造性，縮短上市周期和增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力為目標(biāo)的，把產(chǎn)品(系統(tǒng))的設(shè)計(jì)、制造及其相關(guān)過(guò)程作為一個(gè)有機(jī)的整體進(jìn)行綜合（并行）協(xié)調(diào)的一種模式。并行工程的設(shè)計(jì)則強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的全生命周期相關(guān)部門(mén)的技術(shù)人員共同構(gòu)成設(shè)計(jì)組，研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)籌備有機(jī)的結(jié)合在一起，有利于換代快、批量不大的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。,在并行工程的基礎(chǔ)上發(fā)展出綠色設(shè)計(jì)，綠色設(shè)計(jì)就是在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)階段就考慮其整個(gè)生命周期內(nèi)對(duì)環(huán)境的影響，從而減少對(duì)環(huán)境的污染、資源的浪費(fèi)。虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)則是基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的新一代計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)者構(gòu)建了一個(gè)基于多媒體的、交互的滲入式或嵌入式的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)環(huán)境，簡(jiǎn)化和縮短產(chǎn)品模型的建立過(guò)程，提高設(shè)計(jì)的有效性。,反求技術(shù)是針對(duì)消化吸收先進(jìn)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(jì)反求、工藝反求、管理反求等各個(gè)方面。以先進(jìn)產(chǎn)品的實(shí)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(duì)象，應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)的理論方法，生產(chǎn)[程學(xué)、材料學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)地分析研究，探索掌握其關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類產(chǎn)品。,課外作業(yè),請(qǐng)您舉行談某一種設(shè)計(jì)方法。請(qǐng)您談一下你最喜歡的一種設(shè)計(jì)方法，并給出理由。,