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機(jī)電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)方法研究
摘要 提出了機(jī)電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)的一種方法：首先建立機(jī)電一體化產(chǎn)品用戶需求模型，然后通過(guò)分析產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)圖中的信號(hào)流，提出控制系統(tǒng)多種控制方案，最后利用目標(biāo)評(píng)價(jià)樹的方法來(lái)選取最佳的控制方案．在全自動(dòng)滴丸機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，利用該方法對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)．
關(guān)鍵詞機(jī)電一體化；概念設(shè)計(jì)；用戶需求模型；功能結(jié)構(gòu)圖：目標(biāo)評(píng)價(jià)樹
O 引言
機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，概念設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，因?yàn)橐坏└拍钤O(shè)計(jì)被確定，產(chǎn)品設(shè)計(jì)的60％～70％也就確定了“1．機(jī)電一體化系統(tǒng)不同于一般的機(jī)械，機(jī)電一體化是在機(jī)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(jī)械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機(jī)結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱嘲．它的設(shè)計(jì)比一般機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更為復(fù)雜．在機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)明問(wèn)題解決理論(TRIZ)、公理設(shè)計(jì)、Pahl及Beitz理論和質(zhì)量功能布置(quality function deployment，QFD)等產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論同樣適用，但設(shè)計(jì)的過(guò)程更具復(fù)雜性、創(chuàng)新性，多目標(biāo)性、多解性．機(jī)電一體化系統(tǒng)是“機(jī)”與“電”的有機(jī)融合，如何在概念設(shè)計(jì)階段體現(xiàn)出“電”的設(shè)計(jì)思想，是機(jī)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)中一個(gè)很重要的方面．下面內(nèi)容將闡述機(jī)電產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)中如何進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)．1機(jī)電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)過(guò)程1．1用戶需求模型1．1．1用戶需求分解概念設(shè)計(jì)起始于用戶需求的獲取和需求分析后的階段，由設(shè)計(jì)者和用戶共同完成嘲．因此，概念設(shè)計(jì)不僅需要設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、設(shè)計(jì)知識(shí)，而且要充分反映用戶的需求．用戶需求可以通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查獲得，但是最初的用戶需求表達(dá)的是用戶自己的意愿，對(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)可操作性不強(qiáng)，像“效率高”，“故障率低”這樣的用戶需求是比較模糊和籠統(tǒng)的，很難使設(shè)計(jì)者完全把握用戶的需求，對(duì)此可以將用戶需求進(jìn)行細(xì)分．機(jī)電一體化系統(tǒng)用戶需求可分為機(jī)械域、控制域和其他域，控制域又可分為硬件域和軟件域．將最初的用戶需求(父需求)對(duì)應(yīng)于所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品向各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行分解(圖1)，獲得最終的用戶需求(葉需求)．分解后的需求可以更具體的體現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)．用戶需求分解后，專家對(duì)每一個(gè)葉需求進(jìn)行重要度評(píng)估，用【0，5】進(jìn)行標(biāo)定，“0”代表重要度最低，“5”代表重要度最高．用戶需求可進(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需求(希望需求)，重要度在[3，5】之間的用戶需求為必須的用戶需求(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(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程提倡在早期的設(shè)計(jì)階段區(qū)分用戶需求的優(yōu)先次序，比如要選擇一些關(guān)鍵的用戶需求作為設(shè)計(jì)中必須滿足的，但是需求分解過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的葉需求，把所有的用戶需求都作為必須滿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足的用戶需求，文獻(xiàn)[4]給出了具體方法．衡量方法的原理是：如果一個(gè)希望滿需求與一定數(shù)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(yīng)該“必須”滿足，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(qiáng)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(tǒng)輸入量和輸出量之間的關(guān)系．而這些輸入量和輸出量(或?qū)嶓w)被稱為流，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(tǒng)的各個(gè)功能元用流有機(jī)的組合起來(lái)就得到功能結(jié)構(gòu)．功能結(jié)構(gòu)是功能模型或功能分析結(jié)果的一種表達(dá)形式．使用功能基建立功能結(jié)構(gòu)的步驟如下嘲：
1)確定系統(tǒng)的總功能及輸入、輸出流為每一個(gè)輸入流建立功能鏈．對(duì)每個(gè)輸入建立功能鏈．設(shè)想設(shè)計(jì)者變成流，考慮從輸入到輸出或到轉(zhuǎn)換處對(duì)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?zhǔn)前磿r(shí)間先后發(fā)生的對(duì)流的一系列操作，如圖3所示．并行功能鏈?zhǔn)前磿r(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(jié)構(gòu)中由支流表示，3)連接各功能鏈得到功能結(jié)構(gòu)． 控制的過(guò)程在一定程度可以說(shuō)是信號(hào)的檢測(cè)、處理和反饋的過(guò)程．功能結(jié)構(gòu)圖建立之后，對(duì)其中所有的信號(hào)進(jìn)行分析．通過(guò)分析信號(hào)流，可以得出控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，各種信號(hào)的類型，信號(hào)的數(shù)量等等，進(jìn)一步得到控制系統(tǒng)需要滿足的功能，然后在此基礎(chǔ)上提出若干控制方案．1．3目標(biāo)評(píng)價(jià)樹與控制需求結(jié)合來(lái)選擇控制系統(tǒng)最佳方案目標(biāo)評(píng)價(jià)樹，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)各個(gè)方面的量化評(píng)價(jià)方法，為樹形結(jié)構(gòu)，上層為下層的父樹，下層為上層的子樹，每一節(jié)點(diǎn)處兩個(gè)數(shù)字，左數(shù)字為該功能相對(duì)于其父樹功能的相對(duì)權(quán)重，由經(jīng)驗(yàn)值給出，右數(shù)字為該功能的絕對(duì)權(quán)重，為根樹到這一功能分支的所有相對(duì)權(quán)重的乘積抵刀．控制系統(tǒng)需求的權(quán)重，要依據(jù)需求的重要程度來(lái)分配．采用10分制，為每一方案對(duì)需求的滿足程度打分，所得分?jǐn)?shù)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(yīng)用實(shí)例2．1用戶需求分析過(guò)程1)通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查獲得用戶的最初需求對(duì)最初需求進(jìn)行分解.2．2功能結(jié)構(gòu)的建立及選定控制方案圖6中，共存在9個(gè)信號(hào)，其中4個(gè)溫度信號(hào)(溫度信號(hào)1、2、3、4)和5個(gè)開關(guān)量信號(hào)(信號(hào)5、6、7、8、9)．這就要求控制系統(tǒng)滿足以下的功能．由此可以看出滴丸機(jī)的控制系統(tǒng)不是很復(fù)雜，滿足以上功能的控制系統(tǒng)的方案有若干個(gè)，現(xiàn)選定3個(gè)方案.3結(jié)論本文提出了一種在機(jī)電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)過(guò)程中，如何設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的方法，并以全自動(dòng)滴丸機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為例來(lái)說(shuō)明該方法的應(yīng)用過(guò)程．該方法可以使控制系統(tǒng)最大限度的滿足用戶需求，保證控制系統(tǒng)最合理．
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