第二章 系统总体设计

第二章 系统总体设计 2.1 概述 2.2 设计思想 2.3 设计流程 2.4 功能性能分析 2.5 预选各环节结构 2.6 方案评价和优化 2.7 案例分析


第二章 系统总体设计
2.1 概述
系统总体技术是按照系统工程的观点和方 法，对系统的构成要素、组织结构、信息交换 和反馈控制等功能进行分析、设计和制造等， 以达到最优设计、最优控制和最优管理的目标。

2.1 概述
机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入/输 出联系为一个整体，它是机械、电子和信息等功能各异 的技术融合为一体的综合系统，从某种意义上讲，机电 一体化系统设计归根结底就是接口设计。

变换、调整接口 ‹ 零接口 ‹ 无源接口 ‹ 有源接口 ‹ 智能接口
输入、输出接口 ‹ 机械接口 ‹ 物理接口 ‹ 信息接口 ‹ 环境接口


2.1 概述
图1 系统各要素之间的接口连接


第二章 系统总体设计
2.2 设计思想
一、设计方法
一方面在设计机械系统时，要选择与控制系统的电气参数 相匹配的机械系统参数；另一方面在设计控制系统时，应 根据机械系统的固有结构参数来选择和确定电气参数。

2.2 设计思想
机电互补法
利用电子部件取代传统机械产品中的复杂机械功能部件。

融合法
将各组成要素有机结合为一体，构成专用或通用的功能部件，其要 素之间的机电参数进行有机匹配。

组合法
将融合法产生的功能部件像搭积木那样组成机电一体化系统。

2.2 设计思想 二、设计类型 开发性设计
没有类似产品做参照
适应性设计
方案原理基本不变
变异性设计
设计方案和功能结构不变


第二章 系统总体设计
2.3 设计流程
‡ 明确设计思想 ‡ 分析综合要求 ‡ 划分功能模块 ‡ 决定性能参数 ‡ 调研类似产品 ‡ 拟定总体方案 ‡ 方案对比定型 ‡ 编写总体设计论证书


2.3 设计流程 一、技术资料准备 ‹ 国内外有关技术资料 ‹ 所设计产品的使用要求 ‹ 生产单位的生产能力 二、性能指标确定 ‹ 功能性指标 ‹ 经济性指标 ‹ 安全性指标
运动参数、动力参数、尺寸参数 成本、工艺性、标准化、美学指标 可操作性、设备安全、人员安全 产品技术构成 产品技术指标 设备、工艺


2.3 设计流程 三、总体方案拟定 性能指标分析
分析各项性能指标的重要性及实现的难易程度。

预选各环节结构
初步选出多种实现各环节功能和性能要求的可行的结构方案。

整体评价和优化
选定评价指标，对上述选出的多个可行方案进行比较和评价。

第二章 系统总体设计
2.4 性能指标分析
一、功能性要求
z 功能范围 z 精度指标 z 可靠性指标 z 维修性指标
二、经济性要求
z 购置费用 z 使用费用
三、安全性要求
z 人身安全 z 产品安全


第二章 系统总体设计
2.5 预选各环节结构
等效性环节 互补性环节 可行方案的组合
机械结构、电子硬件和软件程序可在 某个层次上实现相同的功能。

机械结构、电子硬件和软件程序的各 个环节相互关联、相辅相成。

在产品的组成方式、各组成环节的可 选形式和品质等级均已确定的情况 下，可采用排列组合的方法列出所有 可行方案。

第二章 系统总体设计
2.6 方案评价和优化
机械部件 电子装置 软件模块 机械参数 电气参数 软件参数 多目标 成本 运行费用 维修费用 经济指标 技术指标
图2 机电一体化设计的多目标


2.6 方案评价和优化
降维法
选择一个最重要指标为目标函数，其他指标转化为约束条件。

顺序单目标法
用单目标优化方法求出每个指标的最优解，然后进行折中处理。

评价函数法
将所有指标按照一定关系构造出一个单目标的评价函数。

2.6 方案评价和优化 评价函数法 评价函数的构造方法 ‹ 平方加权法 ‹ 线性加权法 ‹ 虚拟目标法 无量纲相对化
设某个产品共有m个可行的方案，每个方案都选定n个评 价指标；Kij为第i个方案中第j 项评价指标值，Kmaxj是第j 项指标在各方案中的最大值；Wj是第j项指标的加权值， 它反映了这项指标在该产品中相对于其它各项指标的重 要程度，且满足


2.6 方案评价和优化
(1)
采用线性加权法所构造的第i个方案的综合评价指 标(即评价函数)为
(2)
上式中通过Kij与Kmaxj的比值实现了各评价指标的 无量纲相对化。

2.6 方案评价和优化
采用优化方法求取式(2)的最大值
(3)
式中，D是由约束条件限定的指标集合。

注意：这里是以评价指标Hi最大为优化目标的， 如果期望某项优化指标Kij取得较小的值，则应将 其负值带入式(2)和式(3)。

2.6 方案评价和优化
表1 方案评价举例
H 1 = 0 .5 × (
− 120 −7 0.5 ) + 0.3 × ( ) + 0.2 × ( ) = −0.46 210 7 0.8


第二章 系统总体设计
2.7 案例分析


2.7 案例分析 定量电子秤是一种用于自动配料和自动包装的 工业设备。

称量精度 工作节拍 称量范围 可靠性 成本
图3 用于生产过程的定量电子秤


2.7 案例分析
‡ 收集资料，分析市场，制定产品属性 ‡ 确定产品的功能需求和性能指标 ‡ 预选各环节(控制、传感器等)的结构 ‡ 功能分解和性能指标分配 ‡ 整体方案的确定和优化


2.7 案例分析
图4 组合秤的工作原理


2.7 案例分析
‹ 秤量范围1～10kg； ‹ 秤量精度0.2％； ‹ 工作节拍7s ； ‹ 具有远程控制功能； ‹ 销售价格低于5500元；


2.7 案例分析
表2 控制方式与性能指标


2.7 案例分析
图5 定量电子秤功能框图


2.7 案例分析 0.2% 外部环境干扰
0.05%
内部各构件非理想特性
0.13%
‡ 机械隔振
‡ 模拟滤波
‡ 数字滤波


2.7 案例分析
α1≤-40dB Tc/T1≤5.5 7s 0.05%
图6 滤波环节的设计指标


2.7 案例分析
Tc/T1≤5.5
表3 滤波器特性
α1≤-40dB
注：Tc/T1是允许的滞后时间与频率为ω1的干扰信号周期之比


2.7 案例分析
表4 滤波器可行方案


2.7 案例分析
机电统筹 合理分配
内部各构件非理想特性
0.13%
优化指标
机电互补性
特征指标
精度
失效率 成本


2.7 案例分析
表5 影响称量精度的内部环节
35＝243种方案


2.7 案例分析
权重系数均为0.5
表6 定量电子秤最佳总体结构方案


2.7 案例分析
‹ 送料部分采用步进电动机驱动的叶片式送料，给料精度 优于0.85g，给料速度高于2kg/s。

‹ 机座部分应有机械隔振装置，对5Hz以上的机械振动具 有优于-20dB的衰减能力。

‹ 秤斗部分可称量1～10kg、密度大于0.5kg/cm3的散状物 料，物料排出时间少于1s。

2.7 案例分析
‹ 传感器精度优于0.03％。

‹ 放大器精度优于0.01％。

‹ 数字滤波器对5Hz以上的波动信号具有优于-20dB的衰 减能力。

‹ 控制器运算过程中的截尾误差、舍去误差等运算误差 小于0.005％。

‹ 系统的软、硬件支持远程控制功能。

第二章 系统总体设计
产品属性决策 性能指标分析 功能分解 可行方案选择
功能分配 性能指标分配 总体方案优化


第二章 系统总体设计
思考题：
1. 针对表5，以精度为特征指标，以失效率和成本 为优化指标，两个优化指标的权重均为0.5，先 设计一个程序流程图，再采用C/C++语言编写 代码，找出可行方案和最优方案。

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