第2章_机电一体化系统设计和分析方法(机电一体化系统设计-冯浩)

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。
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。
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。
新产品想法
概念设计 需求
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
设 计 细节设计 有效性 实现 回收 开 发 产品
原型循环
原型 、 实验和验证
维护
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。
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) 。
机电系统建模举例
他励直流电动机结构
他励直流电动机各环节方框图
他励直流电动机方框图
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。
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。
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
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。
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
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。
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 (t )
tp
0
超调量 误差带 延迟时间 峰值时间 上升时间 调节时间

0
0
0
h ( ) 0.9 h ( )
0.5 h ( )
td
td tp tr ts
0.1h ( )
tr ts

2.4.2 传递函数法

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 。
一致性
概念模型
实现
执行模型
机电系统 机电系统设计分析验证过程模型
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, …,m Li为在给定输入条件下计算输出的法则，称为 系统算子。
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
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 详细设计 概念设计 产品规划 形态学矩阵 模糊理论
时间维，描述按时间 排列的设计目标流程；
分 析
综 合
评 决 价 策
逻辑维 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
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。
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
否
否
正确否？ 是 结束
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。
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。
实际系统
仿真建模
仿 真 的 一 般 步 骤
建模与形式化
程序设计
形式模型 否
仿真模型校验
可信பைடு நூலகம்？
是
正确否？
是 仿真运行 仿真结果分析
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。
机电产品设计开 发交互过程模型
车床刀架进给系统设计实例
指 令
数 控
驱 动
电动 机
减 速
丝 杠
刀 架
位 置
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
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 概念产品方案 （需求规格说明 ）
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。
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，
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。