機電一體化產(chǎn)品控制系統概念設計方法研究

　　摘要 提出了機電一體化產(chǎn)品控制系統概念設計的一種方法：首先建立機電一體化產(chǎn)品用戶(hù)需求模型，然后通過(guò)分析產(chǎn)品的功能結構圖中的信號流，提出控制系統多種控制方案，最后利用目標評價(jià)樹(shù)的方法來(lái)選取最佳的控制方案．在全自動(dòng)滴丸機概念設計階段，利用該方法對控制系統進(jìn)行設計．
　　關(guān)鍵詞機電一體化；概念設計；用戶(hù)需求模型；功能結構圖：目標評價(jià)樹(shù)
　　O 引言
　　機電一體化系統設計過(guò)程中，概念設計是整個(gè)設計的關(guān)鍵，因為一旦概念設計被確定，產(chǎn)品設計的60％～70％也就確定了“1．機電一體化系統不同于一般的機械，機電一體化是在機械主功能、動(dòng)力功能、信息功能和控制功能上引進(jìn)微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結合而構成系統的總稱(chēng)嘲．它的設計比一般機械產(chǎn)品的設計更為復雜．在機電一體化產(chǎn)品的概念設計過(guò)程中，發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)、公理設計、Pahl及Beitz理論和質(zhì)量功能布置(quality function deployment，QFD)等產(chǎn)品設計理論同樣適用，但設計的過(guò)程更具復雜性、創(chuàng )新性，多目標性、多解性．機電一體化系統是“機”與“電”的有機融合，如何在概念設計階段體現出“電”的設計思想，是機電系統概念設計中一個(gè)很重要的方面．下面內容將闡述機電產(chǎn)品概念設計中如何進(jìn)行控制系統的設計．1機電一體化產(chǎn)品控制系統概念設計過(guò)程1．1用戶(hù)需求模型1．1．1用戶(hù)需求分解概念設計起始于用戶(hù)需求的獲取和需求分析后的階段，由設計者和用戶(hù)共同完成嘲．因此，概念設計不僅需要設計人員的設計經(jīng)驗、設計知識，而且要充分反映用戶(hù)的需求．用戶(hù)需求可以通過(guò)市場(chǎng)調查獲得，但是最初的用戶(hù)需求表達的是用戶(hù)自己的意愿，對于設計者來(lái)說(shuō)可操作性不強，像“效率高”，“故障率低”這樣的用戶(hù)需求是比較模糊和籠統的，很難使設計者完全把握用戶(hù)的需求，對此可以將用戶(hù)需求進(jìn)行細分．機電一體化系統用戶(hù)需求可分為機械域、控制域和其他域，控制域又可分為硬件域和軟件域．將最初的用戶(hù)需求(父需求)對應于所設計的產(chǎn)品向各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分解(圖1)，獲得最終的用戶(hù)需求(葉需求)．分解后的需求可以更具體的體現設計目標．用戶(hù)需求分解后，專(zhuān)家對每一個(gè)葉需求進(jìn)行重要度評估，用【0，5】進(jìn)行標定，“0”代表重要度最低，“5”代表重要度最高．用戶(hù)需求可進(jìn)一步分為希望需求和必須需求，重要度在【0，2】之間的需求為希望的用戶(hù)需求(希望需求)，重要度在[3，5】之間的用戶(hù)需求為必須的用戶(hù)需求(必須需求)．希望需求要進(jìn)一步用衡量的方法進(jìn)行分析．1．1．2衡量過(guò)程傳統的設計過(guò)程提倡在早期的設計階段區分用戶(hù)需求的優(yōu)先次序，比如要選擇一些關(guān)鍵的用戶(hù)需求作為設計中必須滿(mǎn)足的，但是需求分解過(guò)程會(huì )產(chǎn)生大量的葉需求，把所有的用戶(hù)需求都作為必須滿(mǎn)足的需求是非常困難的，這里可以利用衡量方法Ⅲ來(lái)獲得所有可能的必須滿(mǎn)足的用戶(hù)需求，文獻[4]給出了具體方法．衡量方法的原理是：如果一個(gè)希望滿(mǎn)需求與一定數量的必須需求之間存在相關(guān)性，那么這個(gè)希望需求也應該“必須”滿(mǎn)足，作為額外的必須需求．衡量過(guò)程如下：1)建立衡量表格；2)如果希望需求與必須需求之間有很強的相關(guān)性，那么這兩者之間的關(guān)系記為l；3)如果希望需求與必須需求之間沒(méi)有相關(guān)性，那么這兩者之間的關(guān)系記為0；4)希望需求的綜合值在[3，5]之間或更高的作為額外的必須需求．1．2建立功能模型功能是系統輸入量和輸出量之間的關(guān)系．而這些輸入量和輸出量(或實(shí)體)被稱(chēng)為流，通常分為能量流、物料流和信息流．產(chǎn)品的總功能分解成若干功能元，將系統的各個(gè)功能元用流有機的組合起來(lái)就得到功能結構．功能結構是功能模型或功能分析結果的一種表達形式．使用功能基建立功能結構的步驟如下嘲：
　　1)確定系統的總功能及輸入、輸出流為每一個(gè)輸入流建立功能鏈．對每個(gè)輸入建立功能鏈．設想設計者變成流，考慮從輸入到輸出或到轉換處對流的每個(gè)操作．按操作發(fā)生的時(shí)間順序排列各功能基，并建立功能鏈．功能鏈按照時(shí)間順序可分為兩種，串行功能鏈和平行功能鏈．串行功能鏈是按時(shí)間先后發(fā)生的對流的一系列操作，如圖3所示．并行功能鏈是按時(shí)間同時(shí)發(fā)生的操作，所示．并行功能鏈由若干串行功能鏈組成，共享一個(gè)或多個(gè)公共流．在功能結構中由支流表示，3)連接各功能鏈得到功能結構． 控制的過(guò)程在一定程度可以說(shuō)是信號的檢測、處理和反饋的過(guò)程．功能結構圖建立之后，對其中所有的信號進(jìn)行分析．通過(guò)分析信號流，可以得出控制系統的復雜程度，各種信號的類(lèi)型，信號的數量等等，進(jìn)一步得到控制系統需要滿(mǎn)足的功能，然后在此基礎上提出若干控制方案．1．3目標評價(jià)樹(shù)與控制需求結合來(lái)選擇控制系統最佳方案目標評價(jià)樹(shù)，是系統設計各個(gè)方面的量化評價(jià)方法，為樹(shù)形結構，上層為下層的父樹(shù)，下層為上層的子樹(shù)，每一節點(diǎn)處兩個(gè)數字，左數字為該功能相對于其父樹(shù)功能的相對權重，由經(jīng)驗值給出，右數字為該功能的絕對權重，為根樹(shù)到這一功能分支的所有相對權重的乘積抵刀．控制系統需求的權重，要依據需求的重要程度來(lái)分配．采用10分制，為每一方案對需求的滿(mǎn)足程度打分，所得分數記為m，各方案的總價(jià)值為甩G，=Σwl×gf=l總價(jià)值最高的為最佳控制方案．2應用實(shí)例2．1用戶(hù)需求分析過(guò)程1)通過(guò)市場(chǎng)調查獲得用戶(hù)的最初需求對最初需求進(jìn)行分解.2．2功能結構的建立及選定控制方案圖6中，共存在9個(gè)信號，其中4個(gè)溫度信號(溫度信號1、2、3、4)和5個(gè)開(kāi)關(guān)量信號(信號5、6、7、8、9)．這就要求控制系統滿(mǎn)足以下的功能．由此可以看出滴丸機的控制系統不是很復雜，滿(mǎn)足以上功能的控制系統的方案有若干個(gè)，現選定3個(gè)方案.3結論本文提出了一種在機電一體化產(chǎn)品的概念設計過(guò)程中，如何設計控制系統的方法，并以全自動(dòng)滴丸機的控制系統設計為例來(lái)說(shuō)明該方法的應用過(guò)程．該方法可以使控制系統最大限度的滿(mǎn)足用戶(hù)需求，保證控制系統最合理．
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