机电产品设计方法及系统建模与仿真

1、机电产品设计方法及系统建模与仿真田志斌邹慧君摘要:随着机械电子技术不断向智能化, 网络化, 模糊化, 柔性化, 微型化方向发展, 对机电产品的设计手段也提出了新的要求。本文分析了机电产品的组成及特点, 从层次结构的组件集成和信息处理的角度介绍了机电产品的系统设计方法。对机电系统的建模与仿真进行了讨论。关键词:概念设计; 系统集成; 信息处理; 设计方法 收稿日期:1999-10-19Abstract :W ith the developm en t of m echatron 2ical techno logy in the directi on of in telligen tizati o

2、n , netw o rkn izati on , flex ib ility and m icrom ati on , the requ irem en t fo r the design app roach of the m echar 2ton ical p roduct is elevated . In th is pap er , the ponen t and the characteristics of p roduct are analyzed , m ethod are h structu re of the in com t and info r m ati on p ro

3、cessing po in of view . F inally , it covers the p rob lem of m odeling and si m u lati on of the m echa 2tron ical p roduct .Key words :concep tual design ; system atic in te 2grati on ; info r m ati on p rocess ; design environm en t中图分类号:TB 21文献标识码:B文章编号:1001-2557(2000 02-0032-030引言当进行机电产品设计时, 传统

4、的设计方法没有考虑机电产品的特点, 将机械与电子部分进行独立的设计, 缺少必要的信息交流与集成。而事实上, 机电产品设计中由于多学科、多技术的交叉使得信息在各种技术接口间的传递变得尤为关键, 因此对现代机电产品设计方法的研究提到了议事日程上来。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减少50%。下面就现代机电产品的设计方法进行了论述。1机电产品系统的组成结构机电系统是由机械与电子有机集成得到的, 这种集成是通过信息处理来实现的。机械与电子的有机结合形成了高性能的机电产品, 其所涉及的主要技术为:机械制造技术, 信息处理技术, 传感器技术, 伺服驱动技术, 接口技术, 及

5、自动控制技术等。机电:a . 、微处理器等组件。微型计算机可以和执行机构等, 组成具有一定智能功能的高组机电系统。由于总线技术的广泛应用, 为机电系统各组件部分间的通讯提供了可能性, 整个系统的集成度可以大大提高。b . 信息处理集成(软件集成 这种集成方法主要依赖于各种先进的控制算法。如图1所示。除了有一个基本反馈外, 还可以通过过程知识及相应的信息处理产生一个附加反馈。图1正如下面部分讨论的, 这将意味着可以在一个更高层次上进行信息处理, 并且其中包括了诸如最优化, 带故障诊断的监督, 系统管理等问题的解答。这些问题的解导致了与具体机械过程相对应的各种实时控制算法。通过这种方法, 机械组件

6、可以在不同23机械与电子2000(2 的高层信息处理作用下实现各种不同的目的。1. 1多层控制系统 第一层:低层控制(前馈, 反馈, 线形化等 第二层:高层控制(高级反馈控制策略第三层:带故障诊断的监查第四层:最优化, 系统协调第五层:总体管理策略一般机电系统都是在低层上进行信号处理。但随着数字信息处理技术的不断发展, 使自适控制, 学习控制, 维护决策, 经济优化等得到不同程度的发挥应用。1. 2特殊信号处理这种方法通过适当的数学建模可适用于非线形不可测量量的情况。1. 3基于模型的自适应系统这种信息处理模式至少在低层上是由简单的算法或在实时条件下的软件模块来实现。这些算法包含有自由可调的参

7、数, 同的动、静态而改变。参数估计来得到。1. 4智能系统 在机电系统中信息处理的范围界于简单控制和智能控制之间。一个智能化的控制系统是以在线专家系统的形式来组织的, 它包括:多重控制功能, 知识基, 推理机, 信息交流界面。其中知识包括定量知识和定性知识。定量部分用于分析处理建模、参数和状态估计、分析设计、定量最优化设计等方法。定性分析也可用于以上各方法。推理机是通过定量(如布尔值法 或定性推理(如概率方法 进行决策。一个智能机电系统可以根据控制对象的非线性性质进行控制器调整, 并且存储相应的控制参数, 监督所有变量。2机电产品的设计及建模与仿真2.1机电产品的设计机电产品的设计主要分为下面

8、4个阶段:a . 明确任务阶段在该阶段所有的专家组应该一起讨论, 界定产品功能;b . 概念设计阶段产品的总体概念应该在此阶段形成; (如图2所示c . 具体化设计阶段;图2d . 细节化设计阶段。在, , 而不要推迟到具体的设。在设计的初始阶段, 应适应强调各自领域的侧重点。只有存在不同的观点和各自的侧重点才可能经过各方协调得到最优解。在此阶段, 专家组成员应该充分发挥其想象力、创造力。其构思流程如图3所示。为了得到系统的全局最优解, 必须将整个设计图3过程看成是一个动态过程而非一个静态过程。在这个过程中, 信息流是始终在不断流动的, 且随着不断的学习过程, 信息量在不断的增加, 从而得到最

9、优解的可能性也随之也增加。对于机电系统的设计而言现已出现了多种设计方法。例如在系统设计的整个过程中应用较为广泛的Q FD 法(Q ualityFuncti on D ep loym en t 。在阶段设计中应用的, 如设计对话框法, 失效树法等。在具体设计阶段, 专家设计方法使用于某一特定问题, 如逻辑设计, 伺服设计, 机械组件设计等, 如图4所示。33机械与电子2000(2 图4每种方法都采用了不同的工具。有效而成功的产品设计需要根据设计者的能力选择不同方法或工具的组合, 以适应不同的产品设计。对产品的可行性应在早期设计阶段给予评价, 以减少在后期阶段由于条件变更而造成的重大损失。 机电产

10、品的研制将是一个集体协作的过程。在这个过程中, 设计工程师, 制造工程师, 市场营销人员将在一起通力协作。这种方法的主要优点:a . 考虑更加全面, 附加信息方面;b . , c . 其本身是一个巡回迭代的过程。设计方案在这个过程中得到逐步细化、具体化。2. 2机电产品的建模与仿真在机电产品设计中的建模与仿真可以分为3个层次:系统级、子系统级和组件组, 如图5所示。在每一层上对建模与仿具的目的和要求都是不同的。图5系统级的描述被用来产品的定义。结构分析是一个高度抽象的工具, 用以保证实现所有要求的功能。高层的行为描述用来加快系统的仿具。在行为层描述了以下系统所有的组件:功能, 时期, 输入、输

11、出要求, 要求的性能等。组件按规定的要求进行运作, 对组件的内部操作或子系统一般并不一定进行建模与仿真。3结束语机械电子的系统集成可以通过两种方法进行, 即通过组件集成和信息处理集成得到。机电系统信息处理结构的主要特点是从低层控制到监督到全过程管理的多层控制结构。在该结构中广泛得采用了基于模型的自适应控制方法。经过多年的发展, 机电系统已从单纯的工业控制应用到各种定制产品。微电子, 机械设计和软件工程等的有机结合决定了这类产品设计的鲜明特点。以往的很多设计模型大都。即从产品的分析这种流水式设计方, 从系统的角度, 讨论了现代机电系统的方。参考文献1冯正式. 机电一体化技术展望. 机电一体化,

12、1999, (3 :43442D insdale J , Yam azak i K . M echatronics and A S I C s ,keyno te paper . ANN . C I R P 1989, 38:6276343Yam azak i K . T rends of A S I C techno logies fo r m echar 2tonics contro l and som e result obtained in the develop 2nent w o rk . Second Internati onal Summ er Sem inar on In 2

13、telligent M anufacturing System s , D ubrovink , Yugo slavi 2a . E lsevier , N ew Yo rk , 1988:24294Pasi V iittanen , et al . . M odelling and si m ulati on ofm echatronical decives. M echatronics , 25Berardinist L A . M echatronics :a new design strategy .M ach . D es. 1990, 62(8 :50586Suh N P . T he P rinci p les of D dsign . O xfo rd U niversityP ress . N ew Yo rk , 1992(3 :2312387Sal m inen V , V