机电一体化系统的现代设计方法

机电一体化系统的现代设计方法
摘要：机电一体化系统的现代设计方法主要有可靠性设计、优化设计、反求设计、绿色设计、虚拟设计等。

本论文主要介绍了可靠性设计方法和优化设计方法。

可靠性设计包括了很广的内容，可以说在满足产品功能，成本等要求的前提下一切使产品可靠运行的设计都称之为可靠性设计。

优化设计是指将优化技术应用于设计过程，最终获得比较合理的设计参数，优化设计的方法目前已比较成熟，各种计算机程序能解决不同特点的工程问题。

关键词：机电一体化；现代设计方法；可靠性设计；优化设计。

一、引言
随着社会的发展和科学技术的进步，使人们对设计的要求发展到了一个新的阶段，具体表现为设计对象由单机走向系统、设计要求由单目标走向多目标、设计所涉及的领域由单一领域走向多个领域、承担设计的工作人员从单人走向小组甚至大的群体、产品设计由自由发展走向有计划的开展。

与人们对设计的要求相比现阶段的设计确实是落后的，主要表现为：对客观设计的研究不够，尚未很好的掌握设计中的客观规律；当前设计的优劣主要取决于设计者的经验；设计生产率较低；设计进度与质量不能很好控制；实际手段与设计方法有待改进；尚未形成能被大家接受，能有效指导设计实践的系统设计理论。

面对这种形势，唯一的解决方法就是设计必须科学化。

这就意味着要科学的阐述客观设计过程及本质，分析与设计有关的领域及其地位，在此基础上科学的安排设计进程，使用科学的方法和手段进行设计工作，同时也要求设计人员不仅有丰富的专业知识，而且要掌握先进的设计理论、设计方法及设计手段，科学地进行设计工作，这样才能及时得到符合要求的产品。

二、机电一体化系统的现代设计方法概述
机电一体化系统的现代设计方法是以设计产品为目标的一个总的知识群体的总称。

它运用了系统工程，实行人、机、环境系统一体化设计，使设计思想、设计进程、设计组织更合理化、现代化，大力采用许多动态分析方法，使问题分析动态化，实际进程、设计方案和数据的选择更为优化，计算、绘图等计算机化。

所以人们常用动态化、优化、计算机化概括其核心内容。

机电一体化系统的现代设计方法包括可靠性设计方法，优化设计方法，反求设计方法，绿色设计方法，虚拟设计方法等。

这里只介绍可靠性设计和优化设计两种方法。

三、可靠性设计
1．可靠性设计的主要内容
可靠性作为产品质量的主要指标之一，随产品所使用时间的延续在不断变化。

可靠性设计的任务就是确定产品质量指标的变化规律，并在其基础上确定如何以最少的费用来保证应有的工作寿命和可靠度，建立最优的设计方案，实现产品的设计要求。

因此可靠性设计的内容主要包括：故障机理和故障模型研究；可靠性实验技术研究；可靠性水平的确定等。

2．可靠性设计的常用指标
表示可靠性水平高低的指标体系如下图，主要包括五个方面：可靠性、维修性、有效性、耐久性和安全性。

3．可靠性设计常用方法
（1）冗余技术：
冗余技术又称为储存技术。

它是利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。

冗余有工作冗余
和后备冗余两类。

工作冗余：又称为工作储备和掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。

平时，由各个单元平均分担工作压力，因此工作能力有冗余。

只有当所有单元都失效时系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。

后备冗余：又称为非工作储备或待机储备。

平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。

这种系统必须设置失效检测装置和转换装置并保证绝对可靠，则后备冗余的可靠度比工作冗余法高。

如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高。

选择冗余法必须考虑产品性能上的要求，如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法。

产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，例如，如果多个工作单元同时工作，因每个单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。

又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。

决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的可靠原因。

当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用。

如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。

（2）诊断技术
从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。

它的任务有两个：一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。

诊断的过程是：首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）。

再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即征兆；最后将征兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障的位置。

测试：通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和故障的位置，对诊断对象进行试验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。

征兆：征兆是有利于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆两类。

直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件输出参数时，取得的异常性诊断信号。

例如，产品的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。

间接征兆是从那些与产品有关工作能力存在函数关系的间接参数中取得的异常性诊断信号。

例如，产品的音响信号、温度变化、润滑油中磨损产物、系统动态参数（幅频特性），都可作为取得间接征兆的信号。

采用间接征兆进行诊断的主要优点是，可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。

其缺点是，间接征兆与产品输出信号之间往往存在某种随即关系，此外，一些干扰因素也会影响间接征兆的有效性。

尽管如此，间接征兆在诊断技术中还是得到了广泛的应用。

诊断：诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。

标准数据是根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。

征兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真试验来建立，这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表。

四、优化设计
1．优化设计的内容和目的
机电一体化系统优化设计就是要把优化设计应用到机电一体化系统的设计中去，通过对零件、机构、元器件和电路、部件、子系统乃至机电一体化系统进行优化设计，确定出最佳设计参数和系统结构，提高机电产品及技术装备的设计水平，从而增强其市场竞争力和生命力。

2．机电一体化优化设计的条件
机电一体化设计比单一门类的设计有更多的可选择性和设计灵活性，因为某些功能既可以采用机械方案来实现，也可以采用电子硬件或软件方案来实现，如机械计时器可由电子计时器代替，汽车上的机械式点火机构可由微机控制的电子点火系统替代，步进电机的硬件环形分配器可由软件环形分配替代等。

实际上，这些可以互相替代的机械、电子硬件或软件方案必然在某个层次上可实现相同的功能，因而称这些方案在实现某种功能上具有等效性，这种等效性是可以进行机电一体化设计的充分条件之一。

另外，从一般的控制系统方框图中可以看出，各个组成环节的特性是相互关联的，而且共同影响系统的性能。

控制系统的机电一体化设计不是只改变控制装置的性能，而是把包括控制对象在内的大部分组成环节都作为可改变的设计内容，使设计工作比只改变控制装置有更大的灵活性，可以优化出更合理的结构组织形式，获得更理想的产品性能。

这种机电环节互相关联、相辅相成的互补特性，是机电一体化设计的另一充分条件。

如果在所设计产品中具备等效性环节或互补性环节，那么该产品的设计就应该采用机电一体化设计方法，否则只需采用常规设计方法。

3．优化设计的方法
（1）实验法：由实验直接找到目标函数的最优解及相应的最优点，求出最优设计方案。

（2）图解法：根据目标函数和约束函数，画出其图形，找出最优解，虽然此方法只适应于求解极简单的优化问题，但对于理解优化问题中的基本概念，目标函数与约束函数之间的关系，掌握最优解的存在规律及求解范围都有很大的帮助。

（3）数学规划法：优化问题的求解主要是用数学规划法，因此数学规划法是整个优化设计方法的核心，该方法是根据所建立的数学模型，从求解函数极值问题的数学原理出发，运用优化设计中一系列数学分析及计算方法，求出最优解。

数学规划法又有许多类型：
①根据目标函数的个数分为单目标优化问题和多目标优化问题。

②根据目标函数及约束函数的线性性质分为线性规划问题和非线性规划问题，线性规划问题求解主要用单纯行优化法。

③非线性规划问题又分为单变量和多变量问题。

单变量问题主要用于唯一变量法。

多变量问题则分为无约束优化和有约束优化。

无约束优化又分为导数优化法和模式优化法，有约束优化法则分为直接优化法和间接法。

4．优化设计的步骤：（1）设计对象分析（2）设计变量和设计约束条件的确定（3）目标函数的建立（4）合适的优化计算方法选择（5）优化结果分析。

结语：机电一体化的设计方法要遵循产品的一般性设计原则，即在保证产品目的、功能、性能和使用寿命前提下尽量降低成本，机电一体化的现代设计方法并不是盲目追求“高、精、尖”，而是在充分满足用户要求的基础上努力以最新的技术手段，最廉价材料或元器件，最简单的结构，最低的消耗向用户提供最满意的产品。

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