《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

1、第第2章章 机电一体化系统设计和分析方机电一体化系统设计和分析方 法法 2.1 机电一体化系统设计概述机电一体化系统设计概述 2.2 性能指标及分配方法性能指标及分配方法 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 2.4 系统的分析方法系统的分析方法 2.5 知识扩展知识扩展 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； 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， 是以系统动态分析理论为

2、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； 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 。 2.1 系统设计概述系统设计概述 系统设计的描述（什么是设计？）系统设计的描述（什么是设计？） 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，输入的是需求，输出是设一个信息系统，输入的是需求，输出是设 计的结果。计的结果。 从系统工程的观点分析，设计是一个由时从系统工程的观点分析，

3、设计是一个由时 间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过间、逻辑和方法组成的三维系统。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 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正向设计和开发过程大 体可以分为产品规划、概念设计和详细设计三个阶。 产品规划阶段产品规划阶段 包括包括需求分析需求分析、市场预测市场预

4、测、技术可行性分析技术可行性分析，最，最 后确定设计参数及设计制约条件，提出设计要求，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 。 需求分析需求分析：认识需求是一种创造性工作，设计师认识需求是一种创造性工作，设计师 应深入实际、细致观察、敏锐捕捉市场的需求，应深入实际、细致观察、敏锐捕捉市场的需求， 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 市场预测市场预测：产品的前期调研工作。调研内容可分产品的前期调研工作。调研内容可分 为三个方面：为三个方面：面向用户的产品市场调研面向用户的产品市场调研 ；面向产；面向产 品设计

5、的技术调研品设计的技术调研 ；面向产品生命周期的社会环；面向产品生命周期的社会环 境调研。境调研。 技术可行性分析技术可行性分析的内容包括 ： 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 。 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 输入的是产品规划的结

6、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。 1）产品外观和结构布置方案； 2）产品部件或子系统划分及设计目标 ； 3）各部件或子系统的接口设计 ； 4）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 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

7、品制造工艺和质量检验等内容。 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，性能指标可从产品的使用要求的角度看，性能指标可 划分为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安全性指 标标等三类。等三类。 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。 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

8、的费用高低；对于生产 者则是完成产品生产制造的成本。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。 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。 2、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。 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。 优化指标：又称为评价指标，用来进行方案 比较的指

9、标，其限定作用弱于特征指标， 可作为机电系统优化模型的优化目标。 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 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。 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。 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 机电系统既是一个交叉、综合的复杂系统，又是一 个动态的系统。对于该动态系统

10、，可以从机电系统 动力学的角度出发，根据系统行为描述进行建模 （即建立系统的动力学方程或动态模型）。建模后， 就可以按分析对象和目的的不同，采用合适的系统 分析方法对问题进行求解，以便对机电系统进行评 估或目标优化，从而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 机电产品设计开机电产品设计开 发交互过程模型发交互过程模型 系统仿真的类型和一般流程系统仿真的类型和一般流程 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

11、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

12、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。 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实时、亚实时亚实时和和超实时超实时仿真三种。仿真三种。 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

13、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。 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。 超实时仿真超实时仿真：即仿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

14、 真 的 一 般 步 骤 2.4 系统的分析方法系统的分析方法 建立机电系统数学模型后，便可以对系统性建立机电系统数学模型后，便可以对系统性 能进行分析。在经典的控制理论中，常用能进行分析。在经典的控制理论中，常用时时 域分析法域分析法、根轨迹法根轨迹法或或频域分析法频域分析法来分析线来分析线 性系统。这些方法有各自不同的特点和适用性系统。这些方法有各自不同的特点和适用 范围，但是比较而言，时域分析法是一种直范围，但是比较而言，时域分析法是一种直 接在时间域中对系统进行分析的方法，具有接在时间域中对系统进行分析的方法，具有 直观、准确的优点，并且可以提供系统时间直观、准确的优点，并且可以提供系

15、统时间 响应的全部信息。响应的全部信息。 机电系统种类繁多，不同类型的系统对性机电系统种类繁多，不同类型的系统对性 能的要求各有不同，但无论哪一种系统，能的要求各有不同，但无论哪一种系统， 在已知系统的结构和参数时，我们关注的在已知系统的结构和参数时，我们关注的 是系统在是系统在某种典型输入信号（？）某种典型输入信号（？）下，其下，其 被控量变化的全过程。对全过程的共同基被控量变化的全过程。对全过程的共同基 本要求是一致的，可归纳为本要求是一致的，可归纳为稳定性、快速稳定性、快速 性和准确性性和准确性。 2.4.1 时域的响应函数分析时域的响应函数分析 在系统的输入端给定标准信号，从信号输入开

16、始在系统的输入端给定标准信号，从信号输入开始 到系统输出恢复稳定结束的整个输出变化的过程到系统输出恢复稳定结束的整个输出变化的过程 为考察对象，这个过程称为为考察对象，这个过程称为响应曲线响应曲线。 2.4.2 传递函数法传递函数法 静差是反映系统静态特性的重要指标，是系静差是反映系统静态特性的重要指标，是系 统过渡过程终了时，被调量偏离原值（或给统过渡过程终了时，被调量偏离原值（或给 定值）的偏差。静差并不计元件死区、零点定值）的偏差。静差并不计元件死区、零点 漂移、老化等原因造成的永久性偏差，仅指漂移、老化等原因造成的永久性偏差，仅指 系统工作原理上系统工作原理上由扰动或给定值变化由扰动或

17、给定值变化所引起所引起 的偏差。能把偏差消除为零的称为无差系统。的偏差。能把偏差消除为零的称为无差系统。 反之为有差系统。反之为有差系统。 静差可分为静差可分为扰动静差扰动静差和和给定静差给定静差。 2.4.3 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 从系统的传递函数的极点和零点的性质，我从系统的传递函数的极点和零点的性质，我 们可以分析出系统的时域特性，并从中研究们可以分析出系统的时域特性，并从中研究 系统的稳定性。系统的稳定性。系统的传递函数的零点影响系统的传递函数的零点影响 对应时域函数（单位脉冲响应）的幅度和相对应时域函数（单位脉冲响应）的幅度和相 位，而极点则影

18、响其函数形式或波形。位，而极点则影响其函数形式或波形。 线性系统稳定的充分必要条件是：线性系统稳定的充分必要条件是：闭环系统闭环系统 特征方程的所有根均具有负实部；或者说，特征方程的所有根均具有负实部；或者说， 闭环传递函数的极点均严格位于左半闭环传递函数的极点均严格位于左半s平面。平面。 常用稳定性判据判据常用稳定性判据判据 胡尔维茨稳定判据胡尔维茨稳定判据 劳斯稳定判据劳斯稳定判据 奈奎斯特稳定性判据奈奎斯特稳定性判据 2.5 知识扩展（先进设计方法）知识扩展（先进设计方法） 机电一体化系统应用领域广泛，系统设计所机电一体化系统应用领域广泛，系统设计所 遇到的问题复杂多变，全球化市场竞争，

19、更遇到的问题复杂多变，全球化市场竞争，更 要求我们在机电一体化系统设计中掌握先进要求我们在机电一体化系统设计中掌握先进 的设计方法，更快地开发出具有自主知识产的设计方法，更快地开发出具有自主知识产 权的机电一体化产品。随着科技的发展，现权的机电一体化产品。随着科技的发展，现 代设计方法和理念也不断推成出新，比如代设计方法和理念也不断推成出新，比如并并 行工程行工程、绿色设计绿色设计、虚拟产品设计虚拟产品设计和和反求技反求技 术术等。等。 并行工程并行工程是一种以降低产品全生命周期成本，是一种以降低产品全生命周期成本， 增强易制造性，缩短上市周期和增强市场竞增强易制造性，缩短上市周期和增强市场竞 争能力为目标的，把产品争能力为目标的，把产品(系统系统)的设计、制的设计、制 造及其相关过程作为一个有机的整体进行综造及其相关过程作为一个有机的整体进行综 合（并行）协调的一种模式。并行工程的设合（并行）协调的一种模式。并行工程的设 计则强调产品的全生命周期相关部门的技术计则强调产品的全生命周期相关部门的技术 人员共同构成设计组，研发设计和生产筹备人员共同构成设计组，研发设计和生产筹备 有机的结合在一起，有利于换代快、批量不有机的结合在一起，有利于换代快、批量不