（机械设计及理论专业论文）基于广义键合图法的机电一体化产品集成设计研究.pdf

南京理工大学硕士学位论文基于广义键合图法的机电一体化产品集成设计研究 本论文针对机电一体化产品的特点，在对常用的机电一体化产品建模和仿真工具 的特点进行分析、比较和综合的基础上，提出了一种适于机电一体化产品集成设计的 新方法一广义键合图法。该方法以能量流作为各个子系统之间的纽带，将分属于不 同学科领域的物理量统一归纳成广义键合图元件，并采用相同的图形描述形式对不同 领域的系统进行建模。采用广义键合图法，根据一定的规则就可以方便地建立包含任 意学科领域的物理量，且能被计算机识别的机电一体化系统综合模型。论文并通过一 个典型的机电一体化产品的系统建模，对广义键合图法应用于机电一体化产品的设计 步骤及注意事项进行了阐述。论文借助于通用的机电系统仿真软件，对建立的机电一 体化系统的广义键合图模型中的各个参数进行了分析和修正，以使整个系统得到良好 的综合性能，并最终输出了系统模型的状态描述方程，并对所建系统的性能进行了动 态仿真。论文研究的结果证明广义键合图法是适用于机电一体化产品集成设计的一种 方便而可行的方法，具有一定的理论价值和实际应用价值。 关键词：机电一体化广义键合图建模和仿真能量流集成设计 第1 页 硕士论文 a b s t r a c t m e e h a t r o n i c sd e s i g nr e q u i r e st h a tam e c h a n i c a ls y s t e ma n da ne l e c t r o n i e a ls y s t e mb e d e s i g n e da sa l li n t e g r a t e ds y s t e m t h i sp a p e rs t a r t sw i 血a l lo v e r v i e wo ft h em e t h o d sa n d t o o l sf o rm o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o no fm e c h a t r o n i c ss y s t e m s ，w i t hp a r a m e t e r st h a ta l e d i r e c t l y r e l a t e dt ot h er e a l - w o r l ds y s t e m c o m m o nb l o c k - d i a g r a mo r e q u a t i o n - b a s e d s i m u l a t i o n p a c k a g e sc a nh a r d l ys u p p o r ts o m ef e a t u r e s o fm e c h a t r o n i c s t h i sp a p e r e x p l o r e san e wd e s i g nm e t h o dw h i c hc a ne f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e m t h ee n e r g y - b a s e d a p p r o a c ht o w a r d sm o d e l l i n go fp h y s i c a ls y s t e m sa l l o w st h ec o n s t r u c t i o no fr e s u a b l ea n d e a s i l ye x t e n d i b l em o d e l s o n eo ft h em a i na n d m o s t c h a l l e n g i n gs t e p s i nt h e d e s i g na n da n a l y s i s o fa m e c h a t r o n i c ss y s t e mi st og e n e r a t eac o m p u t e rm o d e l t h i sp a p e re x p l o r e st h eg e n e r a l i z e d b o n dg r a p ht e c h n i q u ea sam o d e l l i n gt o o lt og e n e r a t eat y p i c a lm e c h a t r o u i cm o d e l i t d e d u c em a n ys u b j e c t s p h y s i c a le l e m e n t si n t os e v e r a lb o n dg r a p he l e m e n t sb ym e a n so f e n e r g yf l o w , f l l r t h e rs y n t h e s i z et h e s eb o n dg r a p he l e m e n t sw ec a l lg a i ng e n e r a l i z e db o n d g r a p he l e m e n t sw h i c hi sl e s st h a nb e f o r e c o n n e c tt h e s eg e n e r a l i z e db o n dg r a p he l e m e n t s i n t oa ni n t e g a lm o d e lb ys p e c i a lr u l e ，c a l lf o r ma n yi n t e r d i s c i p l i n a r ym o d e l s t h et h e o r y w i l lb ei l l u s t r a t e d 、析t l la ne x a m p l eo ft y p i c a lm e c h a t r o n i c ss y s t e m - am o b i l er o b o t s e v e r a ia s p e c t so f m o b i l er o b o td e s i g nh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di no r d e rt os h o wt h a tt h e g e n e r a l i z e db o n dg r a p hm o d e l i n gt e c h n i q u ec a nh e l pu s e r si n t h ep r o c e s so fc r e a t i n g m e c h a t r o n i c ss y s t e m s n o w , s e v e r a lt o o l sa r ea l r e a d ya v a i l a b l eb u tt h e r ea r es t i l ls u b s t a n t i a ls h o r t c o m i n g s t h ep a p e rg i v e sp r o s p e c t sa b o u tt h ed e v e l o p m e n t sn e e d e dt oc o m et ob e t t e rd e s i g nt o o l si n t h ef u t u r e w i t l lt h ea i do fm o d e l l i n ga n ds i m u l a t i o ns o t h v a r e2 0 - s i m 3 6 t h ee s t a b l i s h e d m e c h a t r o n i c sm o d e lc a nb ec h e c k e de a s i l ya n de x a c t l y t h i sp a p e r m a n a g e st oo u t p u tm a n y s i m u l a t i o no u t c o m e so f t h eb e h a v i o r so f t h em o b i l er o b o t w em a n a g et om a k eh i g hl e v e l i n p u to f m o d e l si nm a n yf o r m si n c l u d i n gg e n e r a l i z e db o n dg r a p h sa n ds u p p o r t se f f i c i e n t s y m b o l i ca n dn u m e r i c a la n a l y s i sa sw e l la ss i m u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o nt ob er e a l m u c h m o r ei m p o r t a n t ，w i t hf e w e r j o b s ，w ec a no b t a i ne q u a t i o n so f t h em e c h a t r o n i c ss y s t e m r e a l m e c h a t r o n i cd e s i g n , i n v o l v i n gi n p u tf r o ms p e c i a l i s t sf r o mv a r y i n gd i s c i p l i n e s ，r e q u i r e st h a t t h es y s t e mc a nb er e p r e s e n t e di nm u l t i p l ev i e w s s o ，a na u t o m a t e dp e r f o r m a n c ea s s e s s m e n t o f m e c h a l m n i cm o t i o ns y s t e m sd u r i n gt h ec o n c e p t u a ld e s i g ns t a g ei sd i s c u s s e d ， k e y w o r d s ：m e c h a t r o n i c sm o d e l l i n ga n d s i m u l a t i o ng e n e r a l i z e db o n dg r a p h s e n e r g y - b a s e dm o d e l l i n g 第2 页 爹7 6 3 3 1 2 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：罢垄i 杰射岁年，月多。日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部f 丁或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：羔垄遮岁年多月岁。日 南京理工大学硕士学位论文基于广义键合图法的机电一体化产品集成设计研究 1 绪论 1 1 机电一体化产品集成设计的国内外研究现状 随着科学技术的高速发展和生产力的不断提高，新兴的电子技术和计算机技术的 飞速发展，导致各学科纵向分化，横向综合，极大地提高了劳动生产率和产品质量。 机械技术、电子技术和信息技术的有机结合便形成了机电一体化技术，该技术使机械 工业的技术结构、产品结构、功能与构成、生产方式及管理体系均发生了巨大变化， 工业生产也由“机械电气化”迈入“机电一体化”阶段。美国的m e c h a n i c a l e n g i n e e r i n g ) ) 杂志也已正式启用m e c h a t r o n i c s 一词，表明机电一体化正越来越引 起人们的重视，而机电一体化产品集成开发的设计理论与方法研究也将成为一种发展 趋势。 因为机电一体化产品是一种复合产品，随着对产品性能要求的不断提高，功能不 断增加，从而使得产品更加复杂，设计这类产品时所涉及的学科领域更加广泛。由于 目前对机电一体化产品集成设计理论与方法的研究还处于初始阶段，所以，通常从集 机、电和控制于一体的简单产品出发，对集成设计的理论与方法进行研究。 1 1 1 国外机电一体化产品集成设计研究状况 机电一体化产品的集成设计的研究主要集中在欧洲、美国和日本。最早，p a h l 弄n b e i t z 从设计方法学的角度在 一书中提出概念设计的思想，接 着相继出现了公理化设计理论、t r i z 设计理论、q f d 理论等用于概念设计阶段的设 计理论。这些理论对工程领域的创新设计起到了巨大的推动作用，但它们多集中在一 般的机械工程领域，或者由多个学科简单组合的工程产品设计。由于机电一体化产品 的学科交叉性、集成性、融合性及复杂性等特点，现有的机械产品的概念设计理论不 适用于机电一体化产品的概念设计，必须结合机电一体化产品的自身特点，建立一套 系统的、完整的概念设计理论和方法，指导机电一体化产品的创新设计【l 】。 为此，丹麦理工大学的j a c o bb u r r 等人将机电一体化产品分为机械、电子、软件 三大功能模块；挪威科技大学的b a s s a ma h u s s e i n 2 】将机电一体化产品分为物理系统 与控制系统两大子系统；德国d a r m s t a d t 大学的r o l f i s e r m a n n 认为机电一体化产品是由 控制功能、动力功能、构造功能、传感检测功能和操作功能五大功能模块组成的l j j ， 他还s n h j h e r p e l ，m h e l d ，m g l e s n e r l 4 等人，在机电一体化产品的控制系统 的设计方法学上进行了较深入的研究，将控制系统按层次划分为管理层、监视层、控 制层和处理层四个层次，并提出了机电一体化系统的能量流和信息流模型【5 】。但他们 把机电一体化系统的驱动器、传感器及机械部分都视为控制系统设计的外界环境。在 他们的设计中，对机械部分的特性、传感器的特性及驱动器的特性考虑得较少，也没 第1 页 第一章绪论硕士论文 有考虑到几个部分之间的融合设计问题。因此该观点不能全面反映以实现运动执行功 能为主的机电一体化产品概念设计的实质。英国l a n c a s t e r 大学的工程设计中心用面向 功能模块的混合建模方法构建了用于对机电一体化产品进行模拟、仿真和检验的 s c h e m e b u i l d e r 虚拟开发平台 6 】 ”。通过系统模拟平台进行模拟、仿真、检验，从而在 没计的早期就能够验证、改善系统的性能。但该软件的设计偏重于控制部分，对执行 机构部分却不够深入，且目前还处于实验室水平。美国科学家认为，机械系统与电子 元器件的最佳融合是未来的浪潮。美国a n a l o g y 公司开发了s a b e r 软件来支持机电一体 化系统的智能化概念设计，但其实质至多是一个机电一体化仿真软件。它只具有对机 电一体化系统建模、性能仿真、灵敏度分析等功能，不具备产生方案的功能。就其建 模功能来讲，也基本上集中在信息系统或控制系统领域，而不能用于机械装置的建模 仿真。 1 1 2 国内机电一体化产品集成设计研究状况 我国的机电一体化设计技术的发展始于2 0 世纪8 0 年代，8 0 年代初国家科委先 后组织了“机电一体化预测与综合分析”、“我国机电一体化发展途径与对策”、“机电 一体化发展研究与产业化项目评价”等软科学课题的研究。上海交通大学机械设计及 自动化所的亢金月在p a h l 和b e i t z 理论的基础上，根据机电一体化产品及其广义执行 机构的特点，将产品的设计过程分为产品规划、概念设计、详细设计和改进设计四个 阶段；又将其中的概念设计分为功能设计、原理设计、方案设计及初步结构设计四个 阶段。但这些设计工作需要通晓各相关学科领域知识的专家，借助各类知识库的建立 与运用才能实施，而且这些工作对计算机技术、a i 技术、相关软件的发展及现代机 构学自身的发展有着比较苛刻的要求，使得设计工作存在相当的难度。其它如浙江大 学 8 】、华中科技大学【9 j 等一些研究单位，在机械产品概念设计及计算机辅助创新设计 方面进行了研究，但对机电一体化产品概念设计方面的问题所作的研究还比较少。另 外，在目前的国内研究中，有些机构试着将相似工程、并行工程、遗传算法、神经网 络、模糊控制、专家系统等一些先进的理论不断地运用到设计中来，但因为有的方法 只能应用于一些简单的系统设计，对于更加复杂的机电产品，就会使工作量极大地增 加，甚至因为软、硬件性能的局限而导致整个系统的崩溃。由于当前的研究工作大多 停留在理论研究阶段，缺少相应的实验研究，所以对于方法的可行性、效率，和与传 统机电一体化产品设计方法相比较所具备的优越性等，都还有待时间和实践的检验。 1 2 研究机电一体化产品集成设计的意义 在传统的机电一体化产品设计方法中，通常的做法是：先将整个系统划分为诸如 机械系统、电子系统、液压系统、控制系统等各个子系统，在此基础上明确各个系统 的设计要求，然后对各个子系统分别设计。在设计的过程中，通常仅仅考虑设计参数 第2 页 南京理工大学硕士学位论文基于广义键合图法的机电一体化产品集成设计研究 对所在子系统的影响，而很少考虑与其它系统的匹配问题。由于缺乏彼此之间的交流， 各个子系统的设计工作完成后进行系统组装、调试或运行的时候，就会出现各个系统 之间参数不匹配的问题，从而导致整个系统不能发挥其正常作用，甚至整体崩溃。对 于一些简单的相似性很强的机电系统，基于相似性原理，可以通过机电系统之间的相 似性建立两者的共同模型。而实际上机电产品一般都比较复杂，且不同系统之间的相 似性比较难发现，而且即使发现，建立一个能体现不同的系统特性的公用模型会十分 繁琐、困难而且不太容易实现；另外，这些传统的设计方法需要设计者对机械、电子、 液压、控制等各个方面的知识都有比较深入的掌握，并对各个系统之间的相似性、差 异性等关系有较好的把握。这就加大了普通设计者对机电一体化产品的设计难度。 本研究针对机电一体化产品集成开发的理论与方法进行研究，即是针对机电一体 化产品设计中存在的问题，探讨适合机电一体化产品集成开发的理论和方法。其目的 是找到建立融机、电、控制于一体的系统统一模型的建立方法，寻求综合考虑机、电、 液、控制等子系统的系统综合性能的评价指标和参数的优化方法，并在此基础上利用 合适的软件对产品的系统性能进行仿真，从而形成对机电一体化产品集成设计比较完 整的理论与方法，并构成机电一体化产品集成开发的完整平台。因此，该平台的使用 必将惠及多个学科领域的使用者，使设计者可方便、高效地对各种机电产品进行系统 设计，并使所设计的产品具有最佳的工作性能。另外，借助于系统优越的仿真性能， 使用者可以省略大量、复杂的试验工作。这样不但节省了大量的设计时间和设计成本， 而且会向市场更早更快地推出性能更加优良的产品。因此，机电一体化产品集成设计 理论与方法的研究将极大地促进机电一体化产品设计概念、理论和方法的更新、完善 和发展，提高机电一体化产品的设计效率和设计质量，具有较大的理论价值和实际应 用价值。 1 3 研究内容和方法 论文的主要研究内容有：1 ) 确定研究的主要思路，即寻求机电一体化产品中机 械、电子及控制各个子系统之间的联系，并通过适当的方式建立起合适的系统模型。 其中，主要是对几种用于系统设计的理论( 系统图理论、方块图理论、键合图理论等) 进行探讨、对比和研究，寻求适合机电一体化产品系统建模的方法；2 ) 在各个系统 之间确立一个合适的介质。实际的机电一体化系统是极其复杂多样的，一个系统往往 是多种能量和信息范畴的耦合。如果没有能量和信息的参与，任何系统都不能工作。 因此我们可以以能量和信息的流动为介质，将各个系统贯穿起来，将它们的行为和状 态以和能量流动相关的形式统一地进行规划、分解和协调；3 ) 对常用的设计方法进 行深化、扩展，形成一种新的用于机电一体化产品建模的方法，用来绘制系统模型， 并对模型进行恰当的变换和化简，求出准确的系统状态方程；4 ) 将建立好的系统置 于合适的软件平台上进行仿真，合理分析仿真结果，使机电一体化系统获得良好的综 第3 面 第一章绪论硕士论文 合性能；5 ) 在此基础上，怎样将系统完善、优化，而且尽量使更多的学科领域的内 容融入到系统中，从而形成一个更加完善，更加实用的机电一体化设计系统，则可以 在进一步的工作中进行研究。 对于机电一体化产品的集成开发，其指导思想就是借助于现代设计理论与方法建 立能反映机电一体化产品综合性能的整体模型，其中建立系统中各个子系统之间的联 系与约束是十分重要的任务。因此，需要找到一个合适的参量，将不同子系统的静态 参数或动态参数转化为与该物理量相关的参量。然后即可以根据这些转化后的参量对 整个系统采取合适的方法建立合适的模型( 该模型要能够体现整个系统的总体特征， 且能涵盖机械、电子、控制等不同子系统的特性，同时还要能够在合适的软件平台上 仿真，并可以方便地进行后期的修改和完善) ，将建好的模型做适当的处理后放到合 适的软件平台上进行仿真，并通过合理的评价指标体系对仿真结果进行评判。所有这 些工作都必须以系统整体为研究对象，体现不同系统之间的交叉与融合特性。 在该思想指导之下，课题将采取如下方法展开对机电一体化产品的集成设计理论 与方法的研究：对于共同参量的寻求，通过观察、分析不同子系统之间的联系及彼此 之间的相似性，可以发现，任何机电一体化系统都可以以能量和信息为介质，将各子 系统的运行特性转化为与能量或信息流动相关的形式，并建立不同系统之间的因果和 约束关系；在系统整体建模方面，通过对各种常规建模方法( 等式模型、方块图模型、 信号流图模型、实体模型、键合图模型等) 的特点比较、分析与综合，确立以键合图 理论 1 0 1 1 1 1 为基础，综合其它各种常规方法的优点形成广义功率键合图法，使之适用 于复杂机电系统的整体建模。由于广义键合图理论具有较高的抽象性，在研究中可以 利用同一系统，建立简单直观的方块图模型作为参照和对比。对于模型参数的优化则 考虑采用全系统、全性能和全过程的广义优化方法；对模型的仿真，目前比较合适的 仿真系统有m a t l a b s i m u l i n k 、2 0 s i r e e l 2 和美国a n a l o g y 公司开发的s a b e r 软件。其 中2 0 s i m 支持多种建模方法，且仿真性能优越。所以本课题将选用2 0 s i r e 3 5 对系统 系统模型进行仿真。对于反映机电一体化产品的系统综合性能优劣的评价指标体系的 建立和评价方法采用分类分层综合评价法，对机电系统的综合性能指标进行评价。 对机电一体化系统集成设计的理论与方法，目前国内外的研究都还处于理论探索 阶段，因此，本课题的研究也以理论分析和研究为主，配以一定的系统仿真研究。 第4 页 南京理工大学硕士学位论文基于广义键合圈法的机电一体化产品集成设计研究 2 机电一体化产品设计理论与方法综述 2 1 机电一体化产品的功能分析 传统的机械产品主要是解决物质流和能量流的问题，而机电一体化产品除此之 外，还要解决信息流的问题。如图2 1 所示，机电一体化系统的主要功能就是对输入 的物质、能量与信息( 即所谓工业三大要素) 按照要求进行处理。输出具有所需特性 的物质、能量和信息。 图21机电一体化系统的主功能 机电一体化产品的主功能为：变换( 加工、处理) 功能；传输( 移动、输送) 功能；0 存储( 保持、积蓄、记录) 功能。主功能是系统的主要特征部分，是实现系 统目的功能直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传 输和存储。 为实现产品的主要功能，其内部必须有信息流程、能量流程、物质流程的关系， 流程的载体及各载体之间的接口，另外，还必须有输入输出要求。所以，机电一体化 产品的性质由那些能够体现其主要功能的特征参量进行描述。外部以变量或激励因素 的形式向系统输入物质、信息和能量，经过系统的作用，转变为一种新的变量或响应 向外部输出。因此，在机电一体化产品中必然存在着物质载体、能量载体和信息载体。 载体本身是一个融合体，同时又参与整个系统的集成与融合从而实现产品的主功能。 因为机械与电子两个都是能量载体系统，所以机电联系的途径可以通过“能量方程式： 拉格朗日一麦克斯韦方程”得到统一【l 3 1 。 机电一体化产品除了具备上述必需的主功能外，还应具备如图2 2 所示的其他内 部功能，即动力功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中动力功能是向系统提供 动力、让系统得以运转的功能；检测功能和控制功能是解决各种信息的获取、传输、 处理和利用，从而能够根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正 常运转，实施目的功能。构造功能则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时 间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入输出来看，除有主功能的输入， 输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入输出。此外，还有因外部环境引起 第5 页 第二章机电一体化产品设计理论与方法综述硕士论文 的干扰输入以及非目的性输出，这些都是系统设计时应当考虑的。 ( 原) 物质 能量 信息 输 入 干扰n八废弃物输出 构 造 功 能 主功能 【变换、传输、存储) 检测功能 动力功能卜 1 控制功能 动力输入 ( 能量) 图2 2 机电一体化产品的内部功能 2 2 机电一体化产品概念设计的内容、方法及要求 输 出 ( 新) 物质 能量 信息 根据p a h l 平l l b e i t z 在 ( e n g i n e e r i n gd e s i g n ) ) 中提出的概念设计的思想 14 1 ，我们将机 电一体化产品的设计分为明确任务、概念设计、技术设计、和施工设计四个阶段。机 电一体化产品的概念设计是在明确机电一体化产品的设计任务之后，将整个产品抽象 化，拟定产品的功能结构，寻求适当的工作原理，并确定基本求解途径，从而得出设 计方案。机电一体化产品的概念设计应包括以下主要内容：功能创新；功能分析 和功能结构图设计； 执行运动的构思与整个执行运动过程设计； 传感检测系统与 机电执行机构系统的融合； 信息检测系统与控制系统及机电执行系统的集成与融 合。机电一体化产品的概念设计主要具有以下特征： ( 1 ) 创新性( c r e a t i v e ) ：创新是概念设计的灵魂。这里的创新可以是多层次的， 包括任务、功能、原理、行为、结构和运动参数等方面的创新活动，如处于低层次的 结构修改、替换之类的创新到工作原理更换、功能增加或修改等高层次的创新。 ( 2 ) 多目标性( m u l t i - o b j e c t i v e ) ：设计是在多种因素的限制和约束下进行的， 如科学、技术、经济的发展水平，生产厂家提出的特殊要求及环境、社会等因素。这 些限制和要求变成了设计师进行谋划和构思的“设计空间”，只有满足了这些约束目 标，才可能得到可行解。 ( 3 ) - 多样性( c o m b i n a t o r i a l ) ：设计要求、设计路径和设计结果的多样性导致 了概念设计的多样化。不同的功能定义、功熊分解和工作原理会产生完全不同的设计 思路和设计方法，从而在功能载体的设计上产生完全不同的解决方案。 第6 页 坚一銎一 输控r 南京理工大学硕士学位论文基于广义键合图法的机电一体化产品集成设计研究 ( 4 ) 层次性( e m r c l l i c a l ) ：概念设计是一个从抽象到具体的信息进化过程。 一方面，概念设计分别作用于功能层和结构层，如功能定义、功能分解作用于功能层 上，而结构修改、结构变异则作用于结构层，两层之间的连接是通过映射关系达到的。 另一方面，在功能层和结构层中也有各自的层次关系。例如功能分解就是将功能逐层 推进，但结构的层次性由功能的层次性决定。 ( 5 ) 不良结构性( s t r u c t u r e d ) ：概念设计信息的不完整、不一致、不精确甚 至是模糊的特性，使得难以对该阶段进行准确、定量的描述和检验，导致了从问题空 间到解空间映射求解的过程变成了不良结构问题。 ( 6 ) 反复迭代性( i t e r a t i v e ) ：在方案求解的每个过程中都是由多个子循环、综 合、分析和评价组成，各个子循环多次迭代的结果得到一个全局满意解。 机电一体化产品概念设计的方法如图2 4 所示。它的三个分系统对应着三部分的 功能分柝与设计：1 ) 执行机构可采用机械式或非机械式机构，包括机械系统中的传 动与执行机构；2 ) 根据检测信息的需要选用合适的测量传感器；3 ) 信息处理及控制 系统一般需要编制软件，通过处理器进行信息集中、存贮和处理，然后发出程序和动 作指令给输入输出设备。在机电一体化产品中，三个分系统之间是相辅相成、紧密 相连的，因而在其机电一体化产品的概念设计中将三者有机地集成是十分关键和重要 的。 图2 4 机电一体化产品概念设计方法 机电一体化产品的的设计是一项集多功能、多单元的系统工程，它集发散思维和 创新设计于一身，使得产品的概念设计与传统机械的概念设计有所不同。在进行机电 一体化产品设计过程中，要特别强调技术融合与学科交叉，吸收各学科之长并加以综 合利用而取得整体优化的效果。一个有效的设计方法在满足功能要求的前提下可以将 整个的产品设计周期大为减少。 移动机器人平台的设计必须使用机电一体化技术，设计这样一个产品单纯地使用 机械技术或电子技术都难以实现。同时由于多学科融合的特点也给移动平台的设计提 出了更高的要求，因而产品设计问题较传统机械更为突出，使得设计在产品的整个生 命周期中占据越来越大的比重，并从根本上决定了产品的内在和外在的品质。机电一 体化产品的概念设计也成为设计过程中的关键环节”】【1 6 1 。 第7 页 第二章机电一体化产品设计理论与方法综述硕士论文 有信息参与的移动平台比般的平台具有更高的感知和识别能力，从而系统的可 靠性、鲁棒性、适应能力及智能水平都得到了极大的提高。利用多传感器集成与融合 技术( 传感器的集成是系统为完成一定的任务而对多个传感器提供的各种信息加以综 合运用，融合是将来自不同信息源的传感器信号在各个阶段上处理( 融合) 成系统所 需的实际信剧。口) ，将来自不同传感器的信息综合处理，以获取对周围环境的正确理 解和判断，可以为系统决策提供准确无误的依据。在对整个机电一体化产品进行设计 的过程中，还必须满足以下三个要求： ( 1 ) 整体性：也就是说要把整个机电一体化产品当作一个整体，不能只见树木 不见森林。希腊哲学家亚里士多德曾提出过：“整体大于它的各部分的总和”的思想， 就准确的反映了整体性要求的本质。 ( 2 ) 综合性：任何系统都是具有多方面的属性，涉及到多方面的因素。综合性 原则就是把这些属性、因素综合起来加以研究，不能顾此失彼，因小失大。 ( 3 ) 科学性：在处理问题时应按照科学的顺序和步骤进行，环环相扣，并不断 通过信息反馈加以检查改进，且尽量使用定量方法，建立模型和进行优化是按科学性 原则处理系统问题的主要工作。 2 3 机电一体化产品设计的常用方法及其特点 传统的机械设计，包括理论设计、经验设计、模型试验设计等方法。这些方法往 往都是静态的，半经验半理论的。而且在设计过程中，大都只考虑了产品本身的结构 及结构工艺性、强度、刚度、稳定性、安全系数、使用寿命、经济性要求等方面，而 对于产品生产过程中的质量、设计周期、生产成本、售后服务、对环境保护及可持续 发展等方面的因素则考虑的较少。于是传统的机械设计方法越来越难以适应市场竞争 和社会发展的需要，这就要求我们以一种更加合理的设计方法对机电一体化产品进行 综合设计。 2 3 1 机电一体化产品中机械系统与电予系统的藕合 因为机电产品是机、电、液等介质的综合体，其维数高，单元数量大，系统间的 耦合错综复杂，使产品在结构、功能、行为等方面都与简单的机械系统或电子系统有 着本质的区别。而机械系统和电子系统的性能和运行规律截然不同，因而存在许多的 问题，比如：匹配问题；相互干扰甚至耦合的问题；系统的可靠性问题；产品的小型 化、精密化导致状态监测与维修的困难加大的问题；系统的高速性所引起的振动与噪 声问题以及功能多样化造成诊断技术多样化等问题。这些问题在进行系统设计时都必 须充分考虑到。机电一体化产品在运行的过程中，其电参数主要来源于驱动与控制两 个子系统，通过予系统间的关联、集成而与机械系统的力学参数构成电耦合，从而影 响系统的动态特性和响应性能口”。机电一体化产品内的机电耦合主要有以下两个方 篇8 页 南京理工大学硕士学位论文基于广义键舍图法的机电一体化产品集成设计研究 面： ( 1 ) 驱动源电磁场与传动系统耦合 如果产品由电机驱动，电磁场的磁电参数就会与传动系统的力学参数相互影响， 构成耦合。这种耦合常有两种表现方式：一是电磁场产生谐波分量，对传动系统的振 动构成直接激励。这种激励在电机驱动的机电设备中普通存在，并随电机功率的增大 而激励作用增强。谐波分量的频率成分由电机的驱动形式决定，交流电机以5 0 h z 为 主，整流驱动的直流电机的频率成分则由整流装置决定，如三相全桥整流的频率分量 为5 0 h z 的6 、1 2 、1 8 等倍频。另一种耦合就是电机的电磁参数与机械系统的动力参数 构成参数耦合，从而影响整个系统的动力学性能，降低系统稳定性，产生参数激振等 自激振动。这种强耦合只有在电机容量大到一定程度后才表现突出，此时电机转子、 定子的间隙较大，转子轴心位置的变化影响着电磁场，电磁场的变化又影响转子的运 动与振动形态，两者交互作用。 ( 2 ) 控制系统调控微变量与机械系统主体运动耦合： 复杂的机电产品中，常以液压伺服、光电跟踪、射线、激光等技术对系统的工作 载荷、运动状态、工作精度等主体功能与工艺目标进行多重网络式控制。控制微变量 对于主体运动又是一种干扰，与主体运动的力学参数构成参数弱耦合。由于计算机控 制系统的特点，使得这种弱耦合具有离散变量与连续变量交互共存的特点，同时控制 环境常受到噪声的干扰，耦合过程常表现为非有理谱密度的随机动态过程。 2 3 2 建立机电一体化产品系统模壅的常用方法及其特点 为了有效地解决上述问题，需要利用一种有效的工具来完成设计工作。在对整个 机电系统进行设计的过程中，关键是以合理的方式，建立一个合适的、能体现系统主 要性能参数的系统模型。即建立合适的物理模型、数学模型或结构模型。 物理模型是根据相似挂原理，把真实系统按e e 铡放大或缩小制成的模型。其状态 变量与系统完全相同。它适用于不同性质系统间的相互模拟，其建立的依据是物理性 能相同或十分相似于原系统，但比原系统更简单和便于研究。物理模型是解决工程问 题的有效方法，但它周期长，费用高。 结构模型是借助于符号约定，表示系统信息或功率传递中参变量数据结构关系的 一种图形。该模型具有很强的抽象性，不能或很难用数学方法描述，而只能用自然语 言或程序语言来描述，但它能清楚地描述系统参数和变量之间的结构关系，是建立复 杂数学模型的过渡手段。在众多机电一体化产品设计中，有多种描述系统模型的方法， 如：传递函数方块图、信号流图、键合图等。 数学模型是一种用数学方程( 或信号流程图、结构图等) 来描述系统的信息或能 量传递规律的模型。因为数学模型具有可解性、抽象性、方便性和经济性等优点，而 且其具体形式灵活多样，_ 如代数方程、微分方程、偏微分方程、差分方程和状态方程 第9 页 第二章机电一体化产品设计理论与方法综述硕士论文 等，所以适合于在计算机上应用。建立数学模型常用人工的方法，按相应的物理定律 进行，不仅要求建模人员对建模系统有深刻的理解，而且要能熟练地应用数学、物理、 力学及电工电子学等基础知识。实践中工程人员要花费很多的时间才能完成一些系统 的数学建模。 在研究中，一个合适的能反映机电产品主要功能、具有合理的结构参数的模型可 以对设计工作起到很大的辅助作用。采用各种建模方法建立机电一体化产品的结构模 型的最终目的是把结构模型转化成计算机能够直接求解的数学模型一状态变量方程。 下面对几种常用的建模方法及其特点进行介绍和分析： ( 1 ) 面向对象的建模方法 h i l d i n ge l m q v i s t 于7 0 年代后期提出了用微分方程式和代数方程式描述不同物理 系统的面向对象( o b j e c to r i e n t e d ) 的建模方法1 9 】 2 0 】。面向对象的建模方法对不同领 域的对象分别建模，并存放在不同数据库中的不同目录下。这种建模方法具有数据封 装、继承和层次化等特征，很容易实现模型的重用，减少错误的发生。 面向对象的建模，其实质是将对象分解为可以用数学形式描述的最小对象，然后 将其封装，以图标图的形式作为一个对象保存。所有物理对象通过一定的方式组合起 来封装，就形成该物理对象的物理模型。已建立的对象图可以在别的物理对象建模需 要时被引用。在面向对象的d y m o l a 建模软件中，对象的底层可以用基于面向对象建 模的能够自动转化为计算机代码语言m o d e l i c a 来描述。该建模方法既可以实现机械 系统的建模，也可以实现控制系统的建模。另外，d y m o l a 也实现了键合图与方块图 相结合的机电一体化建模环境。 目前最常用的面向对象的建模语言是m o d e l i c a ，描述键合图模型的s i d o p s 语言 也可以转化为m o d e l i c a 语言【2 ”。因此，面向对象的建模方法也可以间接对键合图模 型进行建模。但它是一种非因果关系的建模，用这种方法建立的机电一体化产品的系 统模型由许多彼此独立的部分组成，因而很难体现元件之间或子系统之间的联系，也 就很难体现机电一体化产品的主要特征。另外，面向对象的建模方法的底层数学描述 形式是一系列无序的微分一代数方程式，使得计算机需要花很长的时间才能将它们转 化成计算机仿真码。而且转化后的计算机仿真码也呈现为无序状态，导致计算机在仿 真的过程中，常常因为仿真码的无序而中断，而这对于复杂度较高的机电一体化产品 的设计无疑是不利的。 ( 2 ) 系统图建模方法 系统图建模方法( s y s t e mg r a p h ) 的研究主要集中在卡内基梅隆大学。系统图描 述方法的基础是线性图理论，线性图理论是研究图拓扑结构的代数和拓扑特性的数学 分支。系统图是一种表示系统能量流拓扑结构的线性图，a n t o n i od i a z c a l d e m n 等人 将线性图与方块图结合起来 2 2 1 1 2 3 ，使系统图也可描述包括信号流在内的系统结构， 实现了联合的系统图描述方法。系统图方法与键合图方法相似，都是用一组最少的在 第1 0 页 南京理工大学硕士学位论文基于广义键合图法的机电体化产品集成设计研究 整个能量域上可以对系统进行建模的通用元件来对系统建模。元件之间用能量键连接 表示系统的能量流方向。它把不同的雏量域分为t h r o l j 【g h 和a c r c e s 两种变量，从而 可以直观、清晰的得到系统的拓扑结构。系统图建模方法主要用于体现系统拓扑关系 为主的系统的建模中。 ( 3 ) 方块图建模方法 方块图( b l o c kd i a g r a m ) 起始于控制理论学科，可以对信号流的输入、输出进 行建模。它由大量的基本控制模块组成，如比例、积分、微分、比例积分、比例微分、 相位延迟、相位提前等模块。每个基本模块都是由表达输入、输出关系的传递函数组 成，并通过线段联接起来。方块图建模方法的优点是可以用前馈模块和反馈模块两种 模块来表达任何的控制系统【2 4 。 但到目前为止，方块图建模方法运用最广泛的领域还是控制系统建模。用这种方 法建立的模型直观而简单，但它的输入输出数学模型非常复杂，而且同一个系统可以 有不同形式的方块图及不同的输入、输出关系，另外用这种方法建立的模型很难直接 体现机械零部件的特征。本文中，对于典型的机电系统，运用方块图建模方法建立系 统模型是一个比较新的尝试。 ( 4 ) 键合图建模方法 键合图理论是在2 0 世纪5 0 年代末由h e n r yp a y n t e r 创立的，他是在运用方块图 和信号流图深入研究伺服控制和仿真问题时，感到这些图形表示存在一些不足之处， 因而提出了一种崭新的键合图表示法，用来研究多个工程领域的系统动态性能。后来 该理论由加利福尼亚大学的d k a m o p p 教授和密歇根大学的r r o s e n b e r g 教授以及瑞 士的j t h o m a 教授等人多方面应用，并进一步深化。它最初用在汽车液压系统的建模 中，本文中，我们将键合图方法用来对由多种能量领域组成的机电一体化产品进行设 计，因为它是一种混合系统建模工具，可以采用相同的匿形描述形式对不同领域的系 统进行建模。与传递函数方块图及信号流图相比，键合图更接近物理系统。由标准元 件组成的键合图，可方便地表示具有不同能量形式的系统或子系统，工程人员也比较 容易掌握从物理模型到键合图的转变。 键合图用状态方程作为数学模型的形式，而且方程的获得比推理法来得容易，并 且根据一定的规则，只要能画出键图，即可方便地得到系统的状态方程。尽管键图法 用状态方程表示数学模型，但它与现代控制工程里各种方法求得的状态方程有所不 同。现代控制工程的状态方程一般表现的是某单一变量的不同形式，如位移、速度、 加速度等，当研究的参数超出这一范围时，就难以表达。如同时具有电压、电流、力、 速度、流量、压力、扭矩、角速度的系统，现代控制工程比较难以将它们组合在一起， 而键图法就特别适合描述这样的系统，它能够较方便地囊括上述各种不相干的参数， 这也是这种方法的一大特点。 这几种方法中，键合图建模是一种包含系统因果关系的建模( 因为它主要对系统 第1 l 页 第二章机电一体化产品设计理论与方法综述 硕士论文 的能量流进行建模，所以包含有能量的源头和流量关系) 。因此，在支持键合图建模 的物理环境如2 0