机电一体化系统方案生成及优选研究

发布时间：2020-05-27 13:22

【摘要】： 系统方案的生成具有较高的创新层次。现行的机电一体化系统方案设计基本上是依赖于设计者的经验,并没有形成科学的设计方法,因此,如何从依赖经验的设计进化为遵循科学理论和方法的设计是产生创新方案的关键。本文以实现工作机功能的机电一体化系统为研究对象,对机电一体化系统方案创新设计理论与方法进行了系统、深入的研究,主要就以下六个方面进行了研究: 1.构建了机电一体化系统功能结构不同技术系统对“功能”这个术语的理解和描述在物理效应、物质/能量/信息的变换以及数据运算间的逻辑关系等方面差异很大。构建了机电一体化系统的功能结构,提出、阐述了机电一体化系统的若干基本特性和诸特性间的关系,以及机电一体化系统设计的若干原理,从而为进一步提出系统设计模型和方法奠定了基础。 2.阐述了机电一体化系统逻辑结构,提出了基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型及三子系统设计方法认为机电一体化系统本质上是现代机械系统。从功能出发可将机电一体化系统划分为控制和执行两大功能模块。机电一体化系统具有单元级和系统级逻辑结构。提出基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型,以及三个子系统的设计方法。用单元化设计思想——控制功能分散和控制回路独立,来进行机电一体化系统设计,选用适当的配套部件加以实现,是快速、高效、可靠地开发机电一体化系统的有效途径。 3.提出了机电一体化系统方案生成推理进程模型及计算机辅助求解策略基于变换功能的层次性和目的功能(效应)的多元性,建立了变换功能和目的功能(效应)特征模型,提出了针对机电一体化系统创新方案生成的功能空间拓展及推理规律。提出了一种变换功能、技术、目的功能、作用原理解循环求解的计算机辅助方案生成进程模型,在此基础上提出了适用于计算机处理的方案生成与/或树形式化表达方法,探讨了相应的求解算法。 4.提出并阐述了机电一体化系统方案优选的信息量原理将公理设计的基本原理(尤其是信息公理)应用于机电一体化系统方案优选过程,对广泛存在于设计过程中的不确定性进行了深刻阐释。基于机电一体化系统功能、状态的定性、定量双重属性和时变本质,提出了基于信息量的功能需求、设计参数、机电一体化率、控制效率等概念,以及机电一体化系统方案优选的一系列原理:时域参数控制原理、信息量大优先原理、最大控制效率原理,从而为有效改善机电一体化系统的性能、选择较优设计方案提供了新的思路。 5.阐释了面向对象的机电一体化系统方案表达方法针对以往机电一体化设计文献过于强调系统物理结构和物理行为、忽视系统逻辑结构和逻辑行为的现状,本文用面向对象思想对机电一体化系统的结构、行为和原理方案解进行了阐释。机电一体化系统的逻辑结构可以由面向对象的参考模型或基于统一建模语言(UML,Unified Modeling Language)的类图来进行表达;为了描述对象(以及系统与环境)间的接口(通讯)行为,使交互可视化,应用消息序列图(MSC, Message Sequence Charts)来表达机电一体化系统逻辑行为。在此基础上,以CD播放机为实例,应用统一建模语言和消息序列图对机电一体化系统各主要子系统/组件的原理方案解进行了全面的表达。 6.应用实例深入研究了快速成型机(激光分层实体制造系统、熔融挤压成型系统)、激光影碟机等典型机电一体化系统的方案设计及优选,对提出及拓展的各种理论及方法进行了验证。
【图文】：

分布情况,机电一体化系统,设计模型

如录像机是一个技术（机电）系统，而录像带的播放是一个功能变换过程该变换过程的输入过程对象是储存于录像带上的磁信号，而输出过程对象是发送至显示屏的电信号。为完成录像带播放过程，操作者发送“播放”信号给录像机由录像机完成磁信号到电信号的变换。变换功能中的单一步骤称作操作。每个操作都改变了过程对象的若干性质和特征。为了获得所需的过程对象输出状态，通常需要更多的其他操作。这称为“水平因果链原理（设计原理 3）”。如图 2-3 所示。水平因果链原理揭示了变换功能结构。作为人机系统的性质，本文认为，变换功能域的总体结构特征是技术（“技术”可理解为某一变换过程中各子过程的种类和执行次序，以及过程对象和变换所需效应间在时间、空间上的交互）。即，变换功能域实际上是一个技术结构（设计原理 4）。在较为具体的层次上，，变换功能域模型包括变换过程输出模拟和操作序列模拟。这样的模型关注的是过程对象本身产生了什么，而不是什么效应引起了这些变换。一个医学工程公司在电脑上模拟大脑 X 线断层摄影设备上显示的图像，以便同医生探讨必需的影像信息复制质量，这就是一个过程输出模拟模型；另一相似的例子是在助听器生产企业中，设计者需要通过听力测试确定，如何使放大信号适应不同个体的听觉缺陷特征。作为总结，图 2-5 显示了机电一体化系统变换功能域中的不同设计模型在模型平面图中的分布情况。

分布情况,机电一体化系统,设计模型,目的

如录像机是一个技术（机电）系统，而录像带的播放是一个功能变换过程该变换过程的输入过程对象是储存于录像带上的磁信号，而输出过程对象是发送至显示屏的电信号。为完成录像带播放过程，操作者发送“播放”信号给录像机由录像机完成磁信号到电信号的变换。变换功能中的单一步骤称作操作。每个操作都改变了过程对象的若干性质和特征。为了获得所需的过程对象输出状态，通常需要更多的其他操作。这称为“水平因果链原理（设计原理 3）”。如图 2-3 所示。水平因果链原理揭示了变换功能结构。作为人机系统的性质，本文认为，变换功能域的总体结构特征是技术（“技术”可理解为某一变换过程中各子过程的种类和执行次序，以及过程对象和变换所需效应间在时间、空间上的交互）。即，变换功能域实际上是一个技术结构（设计原理 4）。在较为具体的层次上，变换功能域模型包括变换过程输出模拟和操作序列模拟。这样的模型关注的是过程对象本身产生了什么，而不是什么效应引起了这些变换。一个医学工程公司在电脑上模拟大脑 X 线断层摄影设备上显示的图像，以便同医生探讨必需的影像信息复制质量，这就是一个过程输出模拟模型；另一相似的例子是在助听器生产企业中，设计者需要通过听力测试确定，如何使放大信号适应不同个体的听觉缺陷特征。作为总结，图 2-5 显示了机电一体化系统变换功能域中的不同设计模型在模型平面图中的分布情况。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TH-39

【引证文献】