《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

第二章机电一体化系统的设计与分析方法，2.1机电一体化系统设计概述，2.2性能指标与分配方法，2.3机电一体化系统的建模与仿真，2.4系统分析方法，2.5知识扩展，机电一体化设计是一个自上而下的过程，各子系统系统功能和性能指标的合理分配是机电系统集成的基础。机电一体化系统分析是一个自下而上的过程。它是基于系统动力学分析理论来验证系统稳定性和动态响应能力的过程。它以理论分析和仿真分析的形式出现。设计和分析的基本条件是建立系统的理论模型。2.1、系统设计概述、系统设计说明(什么是设计？根据现代设计方法的概念，“设计”是一个信息系统，输入是需求，输出是设计的结果。从系统工程的角度来看，设计是一个由时间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过程中的每个行为都可以在这个3D空间中反映为一个点。时间维度，描述按时间排列的设计目标过程；逻辑维度，是解决问题的逻辑步骤，是在设计工作流的各个阶段的工作内容和遵循的思维过程；方法维度是指设计过程中的各种思维方法、工作方法和相关领域知识，以及设计工作流程。全新机电产品的正向设计和开发过程大致可分为三个阶段：产品规划、概念设计和详细设计。产品规划阶段，包括需求分析、市场预测、技术可行性分析，最后确定设计参数和设计约束，提出设计要求，作为设计、评价和决策的依据。需求分析：理解需求是一种创造性的工作。设计师应深入实际，仔细观察，敏锐捕捉市场需求，及时完成产品开发和试生产。产品的初步研究工作。研究内容可分为三个方面：面向客户的产品市场研究；产品设计的技术研究；面向产品生命周期的社会环境研究。技术可行性分析包括：1)关键技术和技术路线；2)可选技术方案；3)主要性能指标和技术规范的可行性；4)主要技术风险；5)成本分析；6)结论和产品建议。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参数提出修改建议，以确定产品是否被认可。应给出产品设计要求表，以供产品批准。表中列出的要求分为特性指标、优化指标和通用指标，即功能要求、技术规格、性能指标、成本控制目标等。新产品。在概念设计阶段，输入是产品规划的结果设计需求表，而总体规划是输出。机电一体化系统的总体方案包括产品外观和结构布局方案，产品组件或子系统的划分和设计目标，以及每个组件或子系统的接口设计。给出了详细的设计规范、验收规范和进度计划。1)产品外观和结构布局图；2)产品组件或子系统的划分和设计目标；3)每个组件或子系统的接口设计；4)制定详细的设计任务书、验收规范和进度计划。详细设计，根据详细设计任务书，对所有零件进行详细设计，确定所有零件的形状、尺寸、材料等参数，设计控制软件，设计电子和电气系统电路，选择合适的元件，绘制详细的零件图、装配图等工程图，并编制详细的设计技术资料。详细设计还包括产品制造过程的制定和质量检验。必须根据总体要求进行详细设计。在设计过程中，许多实验研究和零件的试生产可能伴随着相关参数的确定。2.2绩效指标和分配方法，1。功能指标：定义产品在预定的使用寿命内能够有效实现所有预期的功能要求，包括功能范围、精度指标、可靠性指标和维修性指标等。经济指数：反映具有所需功能和性能的产品的成本。对生产者来说，这是完成产品生产和制造的成本。对于生产者和使用者来说，成本/费用越低越好。对于用户来说，成本包括购买和使用成本。安全指标：需要根据产品的特点来确定。它不仅指操作过程中对操作人员和产品周围其他人员的人身安全的损害程度，还指由于其他原因对产品本身造成损害的可能性。2.最佳设计和性能指标从设计角度划分性能指标。绩效指标有三种类型：特征指标、最优指标和一般指标。它们在设计中有不同的限制功能。特性指标：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。优化指标：也称为评价指标，用于方案比较。其限制作用弱于特征指标，可作为机电系统优化模型的优化目标。普通指标：作为常规要求的指标，一般不进行定量描述，也不出现在优化设计模型中，只需要用常规设计方法来保证。性能指标分配的目的是合理限制各子系统对整体性能指标的影响程度，这是系统整体优化的保证。由于机电系统方案的多样性和子系统的不同形式，它们的作用形式必须一一列出。这些内容包括三个方面：相关设计参数、特征指标对设计参数的约束以及设计参数对优化指标的影响。2.3机电系统的建模与仿真，机电系统不仅是一个交叉的、综合的复杂系统，而且是一个动态系统。动态系统可以从机电系统动力学的角度根据系统行为描述来建模(即建立系统的动态方程或动态模型)。建模后，可以根据不同的分析对象和目的，采用合适的系统分析方法来解决问题，从而对机电系统进行评估或优化，从而保证机电系统的设计更加合理和完善。机电产品设计开发的实际过程是一个互动的过程，需要在概念设计和细节设计过程中不断验证和修改。机电产品设计开发的交互过程模型、系统仿真的类型和一般过程都是基于模型的物理属性。系统仿真包括：物理仿真、数学仿真和半物理仿真。物理模拟：根据真实系统的物理特性构建其物理模型并对其进行实验的过程称为物理模拟。优点：直观、直观。缺点：模型修改困难，实验有限，投资大。数学模拟：抽象实际系统，用数学关系描述其特征，得到系统的数学模型。对数学模型进行实验的过程称为数学模拟。优点：方便、灵活、经济。缺点：受系统建模技术的限制，即系统数学模型不易建立。半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至真实物体结合起来进行实验。系统仿真中使用的时钟称为仿真时钟，而实际动态系统的时钟称为实际时钟。根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿真可分为三种类型：实时、亚实时和超实时仿真。实时模拟：即模拟时钟与实际时钟完全相同。模型仿真的速度与实际系统相同。当系统中存在要模拟的物理模型或对象时，必须进行实时模拟。次真实在经典控制理论中，时域分析、根轨迹法或频域分析常用于分析线性系统。这些方法有各自不同的特点和适用范围，但相比之下，时域分析是一种直接在时域分析系统的方法，具有直观和准确的优点，可以提供系统时间响应的所有信息。机电系统有很多种，不同类型的系统有不同的性能要求。然而，无论哪种类型的系统，当系统的结构和参数已知时，我们关心的是系统在典型输入信号(？)，控制量变化的全过程。整个过程的共同基本要求是一致的，可以概括为稳定性、快速性和准确性。2.4.1时域响应函数分析，给定系统输入端的标准信号，从信号输入到系统输出端恢复稳定的整个输出变化过程是研究的对象，这个过程称为响应曲线。在传递函数法中，静态差是反映系统静态特性的一个重要指标，是在系统过渡过程结束时调节量与初始值(或给定值)的偏差。静态误差不考虑元件死区、零点漂移、老化等原因引起的永久性偏差，而仅指系统工作原理中给定值的扰动或变化引起的偏差。一个可以消除零偏差的系统叫做无差系统。相反，它是一个微分系统。静态差可分为扰动静态差和给定静态差。2.4.3系统稳定性等性能指标的确定方法，从系统的极点和零点的传递函数，我们可以分析系统的时域特性，并研究系统的稳定性。系统传递函数的零点影响相应时域函数(单位脉冲响应)的幅度和相位，而极点影响其函数形式或波形。线性系统稳定的充要条件是闭环系统特征方程的所有根都有负实部；换句话说，闭环传递函数的极点严格地位于左半个S平面。常用的稳定性标准、Hurwitz稳定性标准、Rouse稳定性标准、Nyquist稳定性标准、2.5知识扩展(高级设计方法)、机电系统的广泛应用、系统设计中遇到的复杂多样的问题以及全球市场竞争都要求我们更快地掌握机电系统设计中的高级设计方法，开发具有独立知识产权的机电产品。随着科学技术的发展，现代设计方法和理念不断被推出，如并行工程、绿色设计、虚拟产品设计和逆向工程等。并行工程是一种模式，旨在降低产品整个生命周期的成本，提高其可制造性，缩短其营销周期，增强其市场竞争力。它将产品(系统)的设计、制造和相关过程作为一个有机整体来进行综合(并行)协调。并行工程设计强调在产品的整个生命周期中，相关部门的技术人员共同组成一个设计团队，研发设计与生产准备相结合有利于产品的快速替换和小批量开发。绿色设计是在并行工程基础上发展起来的。绿色设计是考虑新产品在开发阶段的整个生命周期对环境的影响，从而减少环境