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第2章机电一体化系统设计和分析方法2.1机电一体化系统设计概述2.2性能指标及分配方法2.3机电一体化系统的建模和仿真2.4系统的分析方法2.5知识扩展机电一体化设计是一个自上而下的过程，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；机电一体化系统分析则是自下而上的过程，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，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的建立。2.1系统设计概述系统设计的描述（什么是设计？）从现代设计方法的观念看，“设计”就是一个信息系统，输入的是需求，输出是设计的结果。从系统工程的观点分析，设计是一个由时间、逻辑和方法组成的三维系统。设计过程中的每一个行为可以反映为此三维空间中的一个点。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时间维逻辑维产品规划概念设计详细设计分析综合评价决策形态学矩阵模糊理论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段。产品规划过程概念设计详细设计生产设计要求表（需求规格说明）概念产品方案工程图与技术文档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。需求分析：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，并及时完成产品的开发和试制工作市场预测：产品的前期调研工作。调研内容可分为三个方面：面向用户的产品市场调研；面向产品设计的技术调研；面向产品生命周期的社会环境调研。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。概念设计阶段输入的是产品规划的结果—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1、使用要求与性能指标从产品的使用要求的角度看，性能指标可划分为功能性指标、经济性指标和安全性指标等三类。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：反映用户获得所需功能和性能的产品需要付出的费用高低；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：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。特征指标和优化指标的划分应视其在设计中的限定强度来定。3、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。车床刀架进给系统设计实例数控驱动电动机减速丝杠刀架位置指令开环控制车床刀架进给系统框图刀架进给系统各组成环节误差及对应成本部分可行方案和总成本通过以上分析和计算，我们就确定了机床性能指标的具体分配方法。2.3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，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发交互过程模型需求原型、实验和验证实现概念设计细节设计有效性产品开发维护回收设计原型循环新产品想法在设计过程中将采用仿真分析，仿真的基础是机电系统的执行（仿真）模型。仿真模型的建立过程如图。建模过程可分为概念模型和执行模型的建立两个阶段。第一阶段：定义模型的应用范围，在系统分析的基础上建立概念模型，并采用谓词、方程、关系或自然规律等形式表达。第二阶段：建立执行模型，包括一系列指令，用以描述系统对外部激励的响应。可由人工或计算机处理这些指令，计算机处理则称为计算机仿真。通过计算机处理可解决大数据量、大规模的复杂问题。机电系统设计分析验证过程模型概念模型执行模型机电系统实现一致性数学模型数学模型属于概念模型。机电系统数学模型的建立与设计过程相反，是一个自下而上的过程。系统数学模型通常由输入和输出满足的一种运算法则或一组运算法则组成，表述系统的输入和输出关系。yi=Li(x1,x2,…,xr),i=1,2,…,mLi为在给定输入条件下计算输出的法则，称为系统算子。在给定输入的条件下，可以通过这些算子运算得到相应的系统输出。虽然机电系统的物理特性和形式多种多样，但不同的类型的物理系统可以抽象出有相同特性的算子（参见基本元件模型）。有关系统的定义时不变系统和时变系统动态系统和静态系统集中参数系统和分布参数系统线性系统和非线性系统机电系统建模举例他励直流电动机结构他励直流电动机方框图他励直流电动机各环节方框图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：物理仿真、数学仿真和半实物仿真。物理仿真：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的过程称为物理仿真。优点：直观、形象。缺点：模型改变困难，实验限制多，投资较大。数学仿真：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模型，对数学模型进行实验的过程称为数学仿真。优点：方便、灵活、经济。缺点：受限于系统建模技术，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实物联合起来进行实验。系统仿真时模型所采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，仿真又分为实时、亚实时和超实时仿真三种。实时仿真：即仿真时钟与实际时钟完全一致。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或实物时，必须进行实时仿真。亚实时仿真：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，也称为离线仿真。在对系统进行设计分析过程中，多为亚实时仿真。超实时仿真：即仿真时钟快于实际时钟，则模型仿真的速度快于实际。仿真的一般步骤实际系统建模与形式化可信否？仿真建模程序设计仿真模型校验正确否？仿真运行仿真结果分析正确否？结束形式模型否否否是是是相关步骤内容：建模与形式化：确定模型边界，对模型进行形式化处理仿真建模：选择合适的算法，确定算法的稳定性、计算精度和计算速度。程序设计：讲仿真模型用计算机能执行的程序来描述，程序中要包括仿真实验的要求、仿真运行参数、控制参数和输出要求。仿真模型校验：程序调试，检验所选仿真算法是否合理，检验模型计算的正确性。仿真运行：对模型进行实验。仿真结果分析：对系统性能进行评价，进行模型可行性校验，只有可信性的模型才能作为仿真的基础。小结机电系统的数学形式不是唯一的。对于线性系统既可采用微分方程，也可以采用频域的表达式——传递函数。采用传递函数的形式更容易生成系统框图，对系统的理解更直观。不同的研究目的，所得到的微分方程形式也不一样。如本节的例子中，根据不同的研究目的分别得到了直流电动机的调速方程和电流方程。系统建模过程是描述一个系统特性方程的推导和表达过程，在系统建模时，要求使用相关工程学科中的基本定律来推导方程。2.4系统的分析方法建立机电系统数学模型后，便可以对系统性能进行分析。在经典的控制理论中，常用时域分析法、根轨迹法或频域分析法来分析线性系统。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响应的全部信息。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，在已知系统的结构和参数时，我们关注的是系统在某种典型输入信号下，其被控量变化的全过程。对全过程的共同基本要求是一致的，可归纳为稳定性、快速性和准确性。2.4.1时域的响应函数分析在系统的输入端给定标准信号，从信号输入开始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，这个过程称为响应曲线。()h()ht0.9()h0.5()h0.1()h调节时间误差带峰值时间超调量上升时间延迟时间rtdtptst0000dtptrtst2.4.2传递函数法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，仅指系统工作原理上由扰动或给定值变化所引起的偏差。能把偏差消除为零的称为无差系统。反之为有差系统。静差可分为扰动静差(描述恒值系统)和给定静差(描述随动系统)。扰动系统动态框图给定静差的系统动态框图2.4.3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：闭环系统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s平面。常用稳定性判据判据胡尔维茨稳定判据劳斯稳定判据奈奎斯特稳定性判据2.5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，现代设计方法和理念也不断推成出新，比如并行工程、绿色设计、虚拟产品设计和反求技术等。并行工程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争能力为目标的，把产品(系统)的设计、制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。并行工程的设计则强调产品的全生命周期相