机电一体化产品控制系统概念设计方法研究

机电一体化产品控制系统概念设计方法研究

　　摘要 提出了机电一体化产品控制系统概念设计的一种方法：首先建立机电一体化产品用户需求模型，然后通过分析产品的功能结构图中的信号流，提出控制系统多种控制方案，最后利用目标评价树的方法来选取最佳的控制方案．在全自动滴丸机概念设计阶段，利用该方法对控制系统进行设计．
　　关键词机电一体化；概念设计；用户需求模型；功能结构图：目标评价树
　　O 引言
　　机电一体化系统设计过程中，概念设计是整个设计的关键，因为一旦概念设计被确定，产品设计的60％～70％也就确定了“1．机电一体化系统不同于一般的机械，机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称嘲．它的设计比一般机械产品的设计更为复杂．在机电一体化产品的概念设计过程中，发明问题解决理论(TRIZ)、公理设计、Pahl及Beitz理论和质量功能布置(quality function deployment，QFD)等产品设计理论同样适用，但设计的过程更具复杂性、创新性，多目标性、多解性．机电一体化系统是“机”与“电”的有机融合，如何在概念设计阶段体现出“电”的设计思想，是机电系统概念设计中一个很重要的方面．下面内容将阐述机电产品概念设计中如何进行控制系统的设计．1机电一体化产品控制系统概念设计过程1．1用户需求模型1．1．1用户需求分解概念设计起始于用户需求的获取和需求分析后的阶段，由设计者和用户共同完成嘲．因此，概念设计不仅需要设计人员的设计经验、设计知识，而且要充分反映用户的需求．用户需求可以通过市场调查获得，但是最初的用户需求表达的是用户自己的意愿，对于设计者来说可操作性不强，像“效率高”，“故障率低”这样的用户需求是比较模糊和笼统的，很难使设计者完全把握用户的需求，对此可以将用户需求进行细分．机电一体化系统用户需求可分为机械域、控制域和其他域，控制域又可分为硬件域和软件域．将最初的用户需求(父需求)对应于所设计的产品向各个领域进行分解(图1)，获得最终的用户需求(叶需求)．分解后的需求可以更具体的体现设计目标．用户需求分解后，专家对每一个叶需求进行重要度评估，用【0，5】进行标定，“0”代表重要度最低，“5”代表重要度最高．用户需求可进一步分为希望需求和必须需求，重要度在【0，2】之间的需求为希望的用户需求(希望需求)，重要度在[3，5】之间的用户需求为必须的用户需求(必须需求)．希望需求要进一步用衡量的方法进行分析．1．1．2衡量过程传统的设计过程提倡在早期的设计阶段区分用户需求的优先次序，比如要选择一些关键的用户需求作为设计中必须满足的，但是需求分解过程会产生大量的叶需求，把所有的用户需求都作为必须满足的需求是非常困难的，这里可以利用衡量方法Ⅲ来获得所有可能的必须满足的用户需求，文献[4]给出了具体方法．衡量方法的原理是：如果一个希望满需求与一定数量的必须需求之间存在相关性，那么这个希望需求也应该“必须”满足，作为额外的必须需求．衡量过程如下：1)建立衡量表格；2)如果希望需求与必须需求之间有很强的相关性，那么这两者之间的关系记为l；3)如果希望需求与必须需求之间没有相关性，那么这两者之间的关系记为0；4)希望需求的综合值在[3，5]之间或更高的作为额外的必须需求．1．2建立功能模型功能是系统输入量和输出量之间的关系．而这些输入量和输出量(或实体)被称为流，通常分为能量流、物料流和信息流．产品的总功能分解成若干功能元，将系统的各个功能元用流有机的组合起来就得到功能结构．功能结构是功能模型或功能分析结果的一种表达形式．使用功能基建立功能结构的步骤如下嘲：
　　1)确定系统的总功能及输入、输出流为每一个输入流建立功能链．对每个输入建立功能链．设想设计者变成流，考虑从输入到输出或到转换处对流的每个操作．按操作发生的时间顺序排列各功能基，并建立功能链．功能链按照时间顺序可分为两种，串行功能链和平行功能链．串行功能链是按时间先后发生的对流的一系列操作，如图3所示．并行功能链是按时间同时发生的操作，所示．并行功能链由若干串行功能链组成，共享一个或多个公共流．在功能结构中由支流表示，3)连接各功能链得到功能结构． 控制的过程在一定程度可以说是信号的检测、处理和反馈的过程．功能结构图建立之后，对其中所有的信号进行分析．通过分析信号流，可以得出控制系统的复杂程度，各种信号的类型，信号的数量等等，进一步得到控制系统需要满足的功能，然后在此基础上提出若干控制方案．1．3目标评价树与控制需求结合来选择控制系统最佳方案目标评价树，是系统设计各个方面的量化评价方法，为树形结构，上层为下层的父树，下层为上层的子树，每一节点处两个数字，左数字为该功能相对于其父树功能的相对权重，由经验值给出，右数字为该功能的绝对权重，为根树到这一功能分支的所有相对权重的乘积抵刀．控制系统需求的权重，要依据需求的重要程度来分配．采用10分制，为每一方案对需求的满足程度打分，所得分数记为m，各方案的总价值为甩G，=Σwl×gf=l总价值最高的为最佳控制方案．2应用实例2．1用户需求分析过程1)通过市场调查获得用户的最初需求对最初需求进行分解.2．2功能结构的建立及选定控制方案图6中，共存在9个信号，其中4个温度信号(温度信号1、2、3、4)和5个开关量信号(信号5、6、7、8、9)．这就要求控制系统满足以下的功能．由此可以看出滴丸机的控制系统不是很复杂，满足以上功能的控制系统的方案有若干个，现选定3个方案.3结论本文提出了一种在机电一体化产品的概念设计过程中，如何设计控制系统的方法，并以全自动滴丸机的控制系统设计为例来说明该方法的应用过程．该方法可以使控制系统最大限度的满足用户需求，保证控制系统最合理．
　　参考文献：
　　【1】李瑞琴，邹慧君．机电一体化产品概念设计理论研究现状与发展展望[J]．机械设计与研究，2003(3)：10．13．
　　【2】李建勇．机电一体化技术【M]．北京：科学出版社，2004．
　　【3】王钟祥，郭宝恩．面向用户需求的机械产品概念设计【J】．机械设计，2005，z(1)：19．21．
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　　【5】檀润华．发明问题解决理论【M】．北京：科学出版社，2004．
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