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机电一体化(第6章 机电一体化系统建模与分析)

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第六章机电一体化

第六章机电一体化

第六章机电一体化机电一体化（Mechatronik）是由机械（Mechanik）和电子（Elektronik）构成的合成词。

其中，电子代表“硬件”和“软件”；机械是“机械”和“液压”方法的总称。

它不是简单的通过“电子化”替代机械装置，而是与全面的角度看问题和设计方法学有关。

其目标是对机械、电子硬件和软件进行整体优化，从而在低成本、低重量、小空间且高质量的情况下实现更多功能。

在解决问题的过程中，能否将如今已被分离的学科作为一个整体进行观察，对机电一体化方式是否成功起决定性作用。

第一节机电一体化系统及其组成部件1．1 应用如今机电一体化系统及其组成部件几乎布满在整个车辆系统中：从发动机管理、汽油机和柴油机电喷，到变速箱控制，电热能量管理，直到不同的制动-驱动力控制系统。

此外还有满足不同控制需求的通信和信息系统。

除系统及其组成部件层面外，机电一体化还在微机械领域中扮演着越来越重要的角色。

1．2系统级实例为了实现车辆全自动导向和转向，系统的进一步开发呈现出一个通用趋势：即机械系统在未来将越来越多地被线控（X by Wire）系统所代替。

“Drive by wire”（线控驱动），即电子油门，就是一个已经实际运用的例子。

“线控制动系统”省去了制动踏板和车轮制动器间的机械-液压连接。

传感器获取驾驶员刹车指令，并把这一信息传给电控单元。

控制单元通过相应的执行机构在车轮处产生所需的制动作用。

“线控制动系统”的一种可能实现形式为电动液压制动（SBC，测控一体化制动控制）。

在实施制动时或者在通过电子稳定程序ESP进行稳定性干预时，SBC控制器计算出每个车轮上期望的理想制动压力。

由于每个车轮所需的理想制动压力单独计算，且每个车轮的实际制动力独立获取，所以能通过轮压调节器对每个车轮的制动压力进行独立调节。

这四个压力调节器各由一个输入和输出阀组成，由控制器的驱动电路控制，相互配合，从而获得最佳的制动压力闭环调节。

在共轨系统中，压力生成和喷射是解耦的。

《机电一体化系统设计》第六章课件

《机电一体化系统设计》第六章课件

6.1 3D打印机
• 6.1.1 3D打印机技术认知 • 6.1.2 3D打印机组成及工作原理 • 6.1.3 3D打印的优势与面临的挑战 • 6.1.4 3D打印机的发展
6.1 3D打印机
• 3D打印的概念胚芽起源于18世纪西欧的雕塑艺 术，但是限于当时的科技手段，该技术一直没 能成功，直到20世纪随着计算机和网络的发展， 3D打印技术才真正得到实现与发展。英国 《The Economist》杂志《The Third Industrial Revolution》一文中，将3D打印技术作为第三 次工业革命的重要标志之一。随着智能制造的 进一步发展成熟，3D打印技术在打印材料、精 度、速度等方面都有了较大幅度的提高，新的 信息技术、控制技术、材料技术等被不断运用 于其中，使得3D打印技术在制造领域的应用越 来越广泛。
6.1.1 3D打印机技术认知
• 1.3D打印技术的概念及原理 • 3D打印(3D printing)是快速成型技术的一种。它是一种以
数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可黏合 材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。 • 传统数控制造主要是“去除型”，即在原材料基础上， 使用切割、磨削、腐蚀、熔融等办法，去除多余部分， 得到零部件，再以拼装，焊接等方法组合成最终产品， 面3D打印则颠覆了这一观念，无需原胚和模具，就能直 接根据计算机图形数据，通过层层增加材料的方法直接 造出任何形状的物体，这不仅缩短了产品研制周期，简 化了产品的制造程序，提高了效率，而且大大降低了成 本，因此被称为“增材制造”。
• (4)生成层面信息 层面信息包括轮廓信息和当前轮 廓的高度信息。通过求交点计算，把获取到的交点 按照顺序连接，就形成一个打印平面。轮廓信息中 包括外轮廓和内轮廓，轮廓中还应该进行光斑补偿 等。

机电一体化(机电一体化系统建模与分析)

机电一体化(机电一体化系统建模与分析)
一、机电一体化系统的建模
（一）动态系统的经典数学模型及其分析
物理的动力学系统，动态过程；能量、信号的转换作用。 系统数学模型的建立方法：
1）分析法（解析法），得到解析模型（机理模型）； 2）系统辨识。 系统的非线性、时变性的处理
用解析法建立系统微分方程、传递函数的一般步骤（经典模型）
➢分析系统工作原理和系统中变量的关系，确定系统的输入量与输 出量 ➢选择合适的中间变量，根据基本的物理定律，列写出系统中每一 个元件的输入与输出的微分方程式 ➢消去其余的中间变量，求得系统输出与输入的微分方程式 ➢对非线性项加以线性化 ➢或做拉普拉斯变换，变代数方程消元或用方框图等效、梅逊公式 等方法形成传递函数。
电气网络
（a）R-C电路1
（b）R-C电路2 R、C换位
（c）Ｒ-L-C电路
（d）R-C滤波网络
以（d）为例说明
I1sUr sR1Uc1s,I2sUc1sR2Ucs Uc1sI1sC1SI2s ,UcsC12SI2s
负载效应
机械网络 (机械振动基础)
单自由度系统
c
md2 dyt2 (t)cdyd(tt)ky(t)F(t)
状态变量的个数一般等于系统所包含的独立储能元件 的数目。一个n阶系统有n个独立的状态变量，为状态的最 大线性无关组，或称最小变量组。选择不唯一，一般取系统 中易于测量观测的量作状态变量。
前述的M-C-K系统的状态空间表达式即为： R-L-C系统的状态空间表达式即为：
状态空间表达式为现代控制理论的基本模型！同时也是动力学系 统研究的一种重要模型。 现代控制理论与经典控制理论特性的比较：
三自由度系统及其固有模态振型
连续体振动系统 均匀简支梁：
简支梁的前三阶主振型可形如下图所示：

《机电一体化技术》教学大纲

《机电一体化技术》教学大纲

********************学院机电一体化专业《机电一体化技术》教学大纲制定人：机电系******一、课程的性质、任务《机电一体化技术》机电一体化专业的一门专业课，其任务是使学生获得利机电一体化技术解决各种实际工程问题所需的知识，结合生产实际为本专业的应用打下基础。

二、课程的基本要求1、了解机电一体化应用系统的基本原理和组成特点。

2、掌握机电一体化应用系统的机械技术3、掌握机电一体化应用系统的传感检测技术4、掌握机电一体化应用系统的伺服驱动技术5、掌握机电一体化应用系统的控制和接口技术6、掌握机电一体化应用系统的整体设计技术7、掌握机电一体化应用系统的机器人设计技术三、课程内容一、机电一体化概述教学要求教学内容：1. 1机电一体化的基本概念1. 2机电一体化系统的基本组成1. 3机电一体化技术的理论基础与关键技术1. 4机电一体化产品1. 5机电一体化的现状与发展前景基本要求：了解机电一体化技术的特点。

二、机电一体化机械技术教学要求教学内容：2. 1概述2. 2机械传动机构2. 3机械导向结构2. 4机械的支承结构2. 5机械执行机构基本要求：了解机电一体化机械技术的特点。

掌握与机电一体化相关的机械基础知识和设计要点三、机电一体化传感检测技术教学要求教学内容：3.1传感器组成与分类3. 2典型常用传感器3. 3传感器的选择方法3. 4传感器数据采集及其与计算机接口基本要求：了解机电一体化传感器技术的特点。

掌握与机电一体化相关的传感器知识和设计要点四、机电一体化伺服驱动技术教学要求教学内容：4. 1概述4. 2典型执行元件4. 3执行元件功率驱动接口基本要求：了解机电一体化执行器技术的特点。

掌握与机电一体化相关的执行器知识和设计要点五、机电一体化控制及接口技术教学要求教学内容：5. 1控制技术概述5. 2可编程序控制器技术5. 3人机接口技术5. 4机电接口技术基本要求：了解机电一体化接口技术的特点。

机电一体化系统中的动力学建模与控制算法研究

机电一体化系统中的动力学建模与控制算法研究

机电一体化系统中的动力学建模与控制算法研究随着科技的不断进步和发展，机电一体化系统成为了现代工程领域中的一个重要研究方向。

机电一体化系统具有多学科的特点，融合了机械工程、电气工程、控制工程等多个学科的知识和理论。

其中，动力学建模与控制算法的研究是机电一体化系统中的一个关键问题。

动力学建模是机电一体化系统研究中的基础工作之一。

动力学建模的目标是描述系统在不同条件下的运动规律和响应特性。

通过建立系统的动力学模型，可以更好地理解系统的行为，并分析系统的性能。

对于机电一体化系统而言，动力学建模涉及到机械部分的运动学和动力学，以及电气部分的电路模型和电机特性等多个方面。

在动力学建模过程中，机械部分的运动学和动力学是关键因素之一。

运动学研究物体在空间中的运动规律，包括位置、速度和加速度等。

动力学则是研究物体受到外力作用时的运动规律，包括力学平衡、牛顿定律、能量守恒等。

在机械部分的动力学建模中，需要考虑杆件的运动、连接处的约束和关节的旋转等因素，以建立精确的动力学模型。

另一方面，电气部分的建模也是机电一体化系统中不可忽视的一部分。

电气部分的建模包括电路模型和电机特性的建立。

电路模型描述了电气元件之间的连接关系和电流电压之间的关系，它是动力学模型中电气部分的核心要素。

在机电一体化系统中，电机通常作为机械系统的驱动装置，因此必须对电机的特性进行建模，以描述电机的转速、转矩和功率等参数。

建立了机电一体化系统的动力学模型后，就需要设计相应的控制算法来调节和控制系统的运动。

控制算法是机电一体化系统中另一个重要的研究方向。

控制算法的目标是根据系统的运动规律和外部输入，调节系统的状态和输出，使系统达到所期望的性能和响应。

在机电一体化系统中，常用的控制算法包括PID控制、模糊控制、自适应控制等。

PID控制是一种广泛应用的经典控制算法，通过比较当前误差、误差的变化率和误差的积分，调节系统的输出。

模糊控制是一种基于模糊逻辑的控制算法，它通过建立模糊规则和模糊推理，实现对系统的控制。

机电一体化系统设计有机结合分析与设计

机电一体化系统设计有机结合分析与设计
标准化与互换性
推动模块的标准化和互换性，降低维护成本和提高系统灵活性。
结合实例分析
实例一
数控机床的机电一体化系统设计， 通过电子系统实现对机床运动的
精确控制，提高加工精度和效率。
实例二
智能机器人的机电一体化系统设计， 集成传感器、控制器和执行器，实 现机器人的自主导航、物体识别和 抓取等功能。
实例三
机床的性能和稳定性。
数控机床的应用范围广泛，可适用于各种复杂零件的 加工，为现代制造业的发展提供了重要的技术支持。
自动化生产线设计
自动化生产线是机电一体化系统设计 的又一重要应用，通过自动化技术实 现生产过程的连续性和高效性。
自动化生产线在汽车、电子产品、食 品等领域得到广泛应用，提高了生产 效率和产品质量，降低了生产成本。
结合原则
确保机电一体化系统的稳定性、可靠性、高效性 和低成本。
接口设计
合理设计机械与电子系统之间的接口，实现数据 和信号的有效传输。
结合策略与实现
策略
采用模块化设计方法，将机电一体化系统划分为若干个功能模块， 分别进行设计、优化和集成。
实现
利用现代计算机辅助设计工具进行建模、仿真和分析，确保各模块 之间的协调性和整体性能的最优化。
风力发电机的机电一体化系统设计， 将机械能转换为电能，同时考虑风 能利用率和系统稳定性。
04
机电一体化系统设计案例
数控机床设计
数控机床是机电一体化系统设计的典型案例，通过将 机械、电子、控制等技术有机结合，实现高精度、高
效率的加工能力。
数控机床设计过程中，需要考虑机床的整体布局、传 动系统、控制系统、冷却系统等方面的设计，以确保
机械系统设计是机电一体化系统 的核心部分，包括机械结构、传

机电一体化系统的建模与仿真技术研究

机电一体化系统的建模与仿真技术研究

机电一体化系统的建模与仿真技术研究机电一体化系统是由机械、电子、控制、软件等多个领域组成的智能系统，在现代工业领域中得到了越来越广泛的应用。

机电一体化系统具有高度的智能化、机动化和自动化特点，使现代机械设备不断地朝着高速度、高精度、高质量和高效能的方向发展，成为生产力的重要支撑。

机电一体化系统的建模与仿真技术是现代化机械设计的重要手段之一，其目的是通过计算机仿真来验证机械系统的设计和功能，从而提高机械系统的可靠性和性能。

机电一体化系统的建模与仿真技术涉及到机械、电子、控制、软件等多个领域，需要采用多学科的知识和技术来解决问题。

机电一体化系统的建模方法主要有物理建模、系统建模和行为建模三种。

物理建模主要是通过解析方法或模型法来描述、建立机械系统的物理模型，即将系统模型化为组成其系统的基本部件，通过连接及约束关系组成完整的系统模型。

系统建模是将机械系统分解为各个部件，建立系统的框图，并通过框图来描述各个部件之间的关系和信号传递。

行为建模是通过对系统的运动规律、逻辑关系和控制策略等进行描述来建立系统的行为模型。

机电一体化系统的仿真方法主要有数学仿真、逻辑仿真和动态仿真三种。

数学仿真是运用计算机数值计算的方法，用算法对模型进行数学求解，从而得出系统的运行情况。

逻辑仿真是根据系统的逻辑关系和控制策略建立系统的逻辑模型，通过模拟系统的控制过程来验证系统的控制能力。

动态仿真是将机械系统的动态运动、工作过程进行全过程的仿真模拟，通过动态仿真来验证系统的性能。

在机电一体化系统的建模与仿真技术中，多学科的知识和技术是不可或缺的。

机械设计工程师需要在设计机械系统时掌握机械、材料、力学等相关知识，通过物理建模建立机械系统的物理模型，并通过计算机进行数学仿真和动态仿真。

电子工程师需要掌握电子、电路、信号等知识，通过逻辑建模建立系统的逻辑模型，并通过逻辑仿真验证系统的控制策略和控制能力。

控制工程师需要掌握控制算法、控制方法等知识，通过行为建模建立系统的行为模型，并通过数学仿真和动态仿真验证系统的运行效果。

机电一体化系统设计第6章：机电有机结合的分析与设计

机电一体化系统设计第6章：机电有机结合的分析与设计

若选择步进电机，则为满足电机在带负载
时能正常启动和定位停止，要求：
‘ 电机的启动力矩 q T T
• 电机的启动力矩与最大静态转矩之间具有 下列关系：
M q / M j max
步进 相数 电机 拍数 3
3 6 4
4
8 5
5
10
0.5
0.866 0.707 0.707
0.809
0.951
m——齿轮模数 Z——齿轮齿数 n——齿轮转速
（2）等效力矩的计算 [T]的计算 上述系统在时间t内克服负载作的功的总和为：
W Ti i t F j v j t
i 1 j 1 n m
折算到电机轴的功 为：
Wk T k t
W W k
ni 1 T Ti nk 2 i 1
第六章
机电有机结合的分析与设计
6.1 概述
6.2 机电有机结合之一----机电一体化系统
的稳态设计考虑方法 6.3 机电有机结合之二----机电一体化系统 的动态设计考虑方法 6.3 可靠性、安全性设计
6-1 概 述
• 机电一体化系统设计过程是机电有机结 合即机电参数相互匹配的过程。 设计步骤： 1、了解被控对象的特点和对系统的具体要 求，通过调查研究制定出系统的控制方 案； • 包括系统主要元部件的种类、各部分之 间的联接方式、系统的控制方式、所需 能源形式、校正补偿方法，以及信号转 换的方式等。
验算 （1）过热验算 当负载力矩为变量时，应用等效法求其等 效转矩Tdx,在电机激磁磁通近似不变时：
T .t 1 T .t 2 ...... Tdx ( N .m ) t 1 t 2 .....
2 1 2 2

机电一体化系统的建模与仿真

机电一体化系统的建模与仿真
3．确定模型的结构和参数
（1）机理模型 由于实际的对象通常都比较复杂，难以用数学方法予以精
确地描述，因此在确定机理模型的结构和参数时，首先需提出 一系列合理的假定，这些假定应不致于造成模型与实际对象的 严重误差，且有利于简化所得到的模型。然后，基于所提出的 假设条件，通过分析，列出被控对象运动规律方程式。最后， 建立方程的边界条件，将边界条件与方程结合起来，构成被控 对象的基本模型。
仿真系统可以采用面向对象的程序设计语言自建，也可以 购买商业仿真工作包。
利用商业工具包中的标准库模型可以很快地进行简单群体 系统的仿真。本小节就以SIMULINK仿真软件为例。
(1) SIMULINK仿真软件简介 SIMULINK是MATLAB里的工具箱之一，主要功能是实现动 态系统建模、仿真与分析；SIMULINK提供了一种图形化的 交互环境，只需用鼠标拖动的方法，便能迅速地建立起系统框 图模型，并在此基础上对系统进行仿真分析和改进设计。 创建模型及进行仿真运行。
为便于用户使用，SIMULINK可提供9类基本模块库和 许多专业模块子集。考虑到一般机电一体化主要分析连续控制 系统，这里仅介绍其中的连续系统模块库(Continuous)、系 统输入模块库(Sourses)和系统输出模块库（Sinks）。
①连续系统模块库(Continuous) 连续系统模块库(Continuous)以及其中各模块的功能如图74及表7-1所示。
另一种方法是实验法，即采用某些检测仪器，在现场对控 制系统加入某种特定信号，对输出响应进行测量和分析，得到 实验数据，列出输入量和输出量之间的离散关系，采用适当的 数值分析方法建立系统的数学模型，此方法常用于解决复杂的 控制系统。
分析法建立起来的数学模型又被称为机理模型。机理模型 可反映被控对像的本质，有较大范围的适应性，所以在建立数 学模型时，

机电一体化系统的建模与仿真

机电一体化系统的建模与仿真

机电一体化系统的建模与仿真机电一体化系统是近年来工业自动化发展的一个重要方向，它将机械、电气、电子、计算机等多个学科有机结合，实现了产品的智能化和高效化。

在机电一体化系统的设计和开发过程中，建模与仿真是非常关键的一环。

本文将探讨机电一体化系统的建模与仿真的重要性、方法和应用。

一、机电一体化系统建模的重要性1. 减少开发成本和时间：通过建模与仿真，可以在产品实际制造之前发现问题和缺陷，减少开发过程中的试错成本和时间。

同时，可以在虚拟环境中对系统进行优化，提高产品的性能和质量。

2. 提高系统可靠性：通过建模与仿真，可以深入分析系统的运行过程，预测出潜在的故障和问题，并进行针对性的优化。

这样可以提高系统的可靠性和稳定性，减少故障率和维修成本。

3. 优化系统性能：建模与仿真可以帮助工程师在设计阶段进行多种方案的比较和评估，找出最优解决方案。

通过对系统进行仿真和测试，可以预测系统在不同工况下的性能，并进行优化调整，以实现更好的工作效果。

二、机电一体化系统建模与仿真的方法1. 建模方法（1）物理模型：通过对机电一体化系统的结构、元件和工作原理进行建模，可以快速构建一个具有物理实际意义的模型。

采用物理模型可以更好地反映系统的实际情况，但是建模过程相对较复杂。

（2）数据驱动模型：通过收集和分析大量的实验数据，利用统计学和机器学习等方法建立数学模型。

数据驱动模型可以根据实际数据自动调整和更新，适用于一些复杂的非线性系统。

2. 仿真方法（1）数学仿真：利用计算机进行大规模的数值计算，对系统进行仿真模拟。

数学仿真可以基于系统的物理模型和数学模型，通过输入不同的参数和条件，模拟系统在不同工况下的运行状态，预测系统的性能指标。

（2）软件仿真：通过专门的软件工具，如MATLAB、Simulink等进行系统建模和仿真。

这些软件提供了丰富的模型库和仿真环境，可以方便地进行建模和仿真分析。

同时，软件仿真还可以与物理实验相结合，进行混合仿真，提高仿真的准确性。

《机电一体化》课件

《机电一体化》课件

认识机电一体化与工业自动化的关系 与人工智能、大数 据和云计算等技术相结合，推动 智能制造的发展。
自动化仓储
机电一体化在仓储和物流领域的 应用将实现更高效的货物管理和 分发。
智能城市
机电一体化将在智能城市建设中 发挥重要作用，提供高效的能源 管理和智能化的城市基础设施。
课程总结和收获
了解机电一体化的定义和发展历程 掌握机电一体化的优势和应用领域 拓宽视野，为未来的职业发展做好准备
2
第二阶段：集成时代
20世纪80年代，随着计算机技术的发展，机电一体化进入了集成时代，涉及更 多领域的应用。
3
第三阶段：智能化时代
21世纪初，随着人工智能、机器学习和物联网等技术的发展，机电一体化进入 了智能化时代。
机电一体化与工业自动化的关系
互为基石
机电一体化和工业自动化相互依存，共同构建了现代工业生产的基础。
紧密合作
机电一体化技术为工业自动化提供了更大的灵活性和效率。
相辅相成
工业自动化推动了机电一体化的发展，而机电一体化则为工业自动化带来了更高的标准。
机电一体化的优势和应用领域
优势
• 提高生产效率 • 降低人工成本 • 优化产品质量
应用领域
• 制造业 • 能源行业 • 交通运输 • 农业和食品加工
机电一体化的未来发展趋势
2 提升生产效率
3 推动创新与发展
通过整合不同领域的技术， 机电一体化能够提高生产 效率、降低成本并改善产 品质量。
机电一体化在工业领域的 广泛应用推动了技术和工 程领域的创新与发展。
机电一体化的发展历程
1
第一阶段：起步时期
20世纪60年代初，机电一体化开始萌芽，主要应用于机床、车床和自动化生产 线。

机电一体化技术基础 第6章 可靠性和抗干扰技术

机电一体化技术基础 第6章 可靠性和抗干扰技术

第6章 可靠性和抗干扰技术
整改方案： 将地线与接地桩的连接改为汇流排连接； 将40 kA避雷器的地线改为25 mm以上地线； 将ONU和SDH的地线用25 mm以上的短线先连到配
线架，再通过45 mm以上的地线连接到接地桩。经长时间 的运转后情况正常。
这是一起典型的因接地技术干扰引起的机电系统可 靠性故障。
空调设备故障基本上都是渐变型的，通过检查、保 养和部件更新，大多数故障是预防的。
第6章 可靠性和抗干扰技术
中央空调系统故障分析结果见表6-1和表6-2。 得出结论：
设备质量问题占37%；维护问题占27%；更新问题 占22%；安装和验收问题占9%；操作问题占4%；设计 问题占1%。
设备质量、维护和更新问题是造成空调系统故障的 主要原因。
工作可靠性又可分为固有可靠性和使用可靠性。
（1）固有可靠性：是产品设计制造者必须确立的可靠 性，即按照可靠性规划，从原材料和零部件的选用， 经过设计、制造、试验，直到产品出产的各个阶段所 确立的可靠性。
（2）使用可靠性：是指已生产的产品，经过包装、运 输、储存、安装、使用、维修等因素影响后的可靠性。
首先是电子产品的复杂程度在不断增加，导致可靠性 问题的日显重要。
其次，电子设备的使用环境日益严酷，导致产品失效 的可能性增大。
最后，电子设备的装置密度不断增加，而电子元器件 将随环境温度的增高，其可靠性降低。
第6章 可靠性和抗干扰技术
6.2 认识抗干扰技术
（1）干扰定义 干扰：是指对系统的正常工作产生不良影响的内部或外部因素。 干扰( Interference)问题是机电一体化系统设计和使用过程中必须考
上述案例告诉我们，产品设备首先必须稳定、可 靠地工作。可靠性( Reliability)是系统和产品的主要属 性之一。

机电一体化系统设计(最终版)ppt课件

机电一体化系统设计(最终版)ppt课件

2020/4/11
电力拖动
22
第三节 机电一体化的相关技术
机械技术（精密机械技术）
是机电一体化的基础。机电一体化的机械产 品与传统的机械产品的区别在于：机械结构 更简单、机械功能更强、性能更优越。
机械技术的出发点在于如何与机电一体化技 术相适应，利用其他高新技术来更新概念， 实现结构、材料、性能以及功能上的变更。
现代机械：以力学、电子学、计算机学、控制 论、信息论等为理论基础，以经验、机、电、 计算机、传感与测试等技术为实践基础。
机械：强度高、输出功率大、承载大载荷；实 现微小复杂运动难。
电子：可实现复杂的检测和控制；但无法实现 重载运动。
202的定义
机电一体化是在以机械、电子技术和计算 机科学为主的多门学科相互渗透、相互结 合过程中逐渐形成和发展起来的一门新兴 边缘技术学科。
2020/4/11
电力拖动
39
第四节 机电一体化系统的 基本功能要素
接口
将各要素或子系统连接成为一个有机整体， 使各个功能环节有目的地协调一致运动， 从而形成机电一体化的系统工程。
其基本功能主要有三个：变换、放大、传 递
2020/4/11
电力拖动
40
第五节 本课程的目的和要求
本课程的目的和要求
第三节 机电一体化的相关技术
自动控制技术
自动控制技术的目的在于实现机电一体化 系统的目标最佳化。 机电一体化系统中的自动控制技术主要包 括位置控制、速度控制、最优控制、自适 应控制、模糊控制、神经网络控制等。
2020/4/11
电力拖动
26
第三节 机电一体化的相关技术
伺服驱动技术
伺服驱动技术就是在控制指令的指挥下， 控制驱动元件，使机械的运动部件按照指 令要求运动，并具有良好的动态性能。 常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液 压伺服。

机电一体化系统设计教学大纲张建民版第四版

机电一体化系统设计教学大纲张建民版第四版

机电⼀体化系统设计教学⼤纲张建民版第四版《机电⼀体化系统设计》教学⼤纲⼀、课程名称1、中⽂名称：机电⼀体化系统设计2、英⽂名称：Mechatronics System Design⼆、学时总学时：90学时，其中，理论学时：72学时，实践学时：18学时学分：4学分三、开课学期第7学期四、课程考核要求考查，平时成绩占总成绩的30％，实验成绩占总成绩的20％，考试成绩占总成绩的50％。

五、课程概述本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课。

本课程从系统的观点出发，利⽤机械技术和电⼦技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。

课程性质：机械电⼦⼯程专业必修课。

六、适⽤专业机械电⼦⼯程、机械制造及其⾃动化等。

先⾏、后续课程情况：先⾏课：机械原理，机械设计，电⼯学，数字电⼦技术，模拟电⼦技术，控制⼯程基础，微机原理，电⽓控制技术，数控技术；后续课：⽆。

七、课程的⽬的与任务1、课程⽬的本课程是机械电⼦⼯程专业的专业必修课，通过本课程的学习，使学⽣建⽴机电产品的⼀体化设计思想，把电⼦技术、传感器技术，⾃动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接⼝关系，能运⽤所学知识对机电⼀体化产品进⾏分析或设计，使学⽣具备解决⽣产过程中机电设备的运⾏、管理、维护和改造等实际问题的初步能⼒。

培养学⽣综合运⽤所学基础理论和专业知识进⾏创新设计的能⼒。

2、课程的基本要求1）学习机电⼀体化基本概念，理解机电⼀体化系统中各结构要素在系统中的作⽤和相互关系，初步建⽴机电产品的系统化设计思想。

2）了解机电⼀体化系统中常⽤传感器、传动机构、动⼒驱动装置和计算机控制系统种类和特点。

3）熟悉机电⼀体化产品的设计⽅法和⼯程路线，能够针对具体的机电⼀体化产品确定产品开发技术路线。

4）掌握机电⼀体化系统中机械、传感检测、动⼒、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使⽤⽅法。

5）了解典型机电⼀体化产品的构成、特点和设计⽅法，学会设计简单的机电⼀体化产品。

机电一体化系统的建模与优化设计

机电一体化系统的建模与优化设计

机电一体化系统的建模与优化设计随着科技的不断发展，机电一体化系统在现代工程领域中发挥着越来越重要的作用。

机电一体化系统是将机械、电气和电子等多个学科融合在一起，通过协同运作实现更加高效、智能化的工程系统。

在建模与优化设计方面，机电一体化系统具有许多挑战和机遇。

在机电一体化系统建模的过程中，首先需要对系统的结构和功能进行详细的分析和理解。

通过对各个子系统的功能需求和性能指标进行明确，可以为建模提供指导。

同时，还需要考虑系统中各个部分之间的相互影响和耦合关系，以保证系统能够正常运行。

建模的过程中需要采用合适的数学模型和仿真工具，例如有限元分析、多体动力学等，以对系统的行为进行准确的描述和预测。

机电一体化系统的优化设计是一个复杂而繁琐的任务。

在优化设计中，需要考虑多个因素和约束条件，以找到一个最优的解决方案。

首先，需要针对不同的性能指标进行权衡和优化。

例如，在能效方面，可以通过设计高效的电机和传动装置来提高系统的能效；在可靠性方面，可以通过增加备件和优化控制策略来提高系统的可靠性。

其次，需要考虑系统在不同工况下的性能，并进行综合优化。

例如，在机器人领域，需要考虑机器人在不同环境下的行走速度、稳定性和能耗等指标，以满足实际应用的需求。

最后，还需要考虑优化设计的经济性和可制造性。

设计中需要综合考虑成本、材料和加工等因素，以确定最佳的解决方案。

为了实现机电一体化系统的建模和优化设计，需要运用到多个学科的知识和技术。

机械工程、电气工程、控制工程等学科共同协作，为系统的设计和优化提供支持。

同时，还需要与新兴技术和方法进行结合。

例如，人工智能和大数据分析等技术的应用，可以提供更为精确和高效的建模和优化手段。

此外，还需要关注工程实践中的创新和应用。

通过与实际工程项目的合作和实验验证，可以提高机电一体化系统设计的可行性和实用性。

总而言之，机电一体化系统的建模与优化设计是一个复杂而关键的任务。

在建模过程中，需要全面理解和分析系统的结构和功能，并采用适当的数学模型和仿真工具进行描述和预测。

第6章 机电一体化技术系统设计

第6章 机电一体化技术系统设计

第六章 机电一体化系统设计
23

设计过程包括以下活动：功能建模、行为建模、结 构建模及评价和决策。


功能建模 确定某个抽象层次的功能，分解功能， 建立功能结构图和功能结构。 行为建模 寻找实现功能的物理效应、化学效应或 生物效应，构思实现功能的行为，即进行功能→行 为的映射。 结构建模 指定能产生所要求行为、完成预定功能 的系统结构，即进行行为→结构的映射。 评价和决策 测试和评价设计方案，检验功能域、 行为域和结构域上变量的一致性、完备性，决定是 接收、改进或是放弃该设计方案，并决定是继续进 行概念设计循环还是返回到需求分析或进入详细设 计。
2
第六章 机电一体化系统设计
目录



6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6
概 述 机电系统的产品规划 机电系统的概念设计 机电系统的造型与环境设计 机电系统的评价与决策 机电系统的现代设计方法
第六章 机电一体化系统设计
3
6.1 概 述

一、 机电一体统设化 系计流程

主要设计过程分为 五个阶段：产品规 划、概念设计、详 细设计、设计实施 和设计定型阶段。
第六章 机电一体化系统设计
25

能量流、物料流和信息流：机电一体化系统与其它 系统一样，都存在着能量流、物料流和信息流的传 递与变换。
第六章 机电一体化系统设计
26


能量流是机电一体化系统中存在于能量变换与传递 的整个过程中，系统完成特定工作过程所需的能量 形态变化和实现动作过程所需的动力。 物料流是机电一体化系统完成特定工作过程中工作 的对象和载体，物料的形式有固体、液体和气体。

第六章 机电一体化系统设计

机电一体化系统设计机电一体化系统设计和分析方法

机电一体化系统设计机电一体化系统设计和分析方法

详细设计
概念设计
产品规划
形态学矩阵 模糊理论 知识方法维
方法维，是设计过程 的各种思维方法、工 作方法和涉及的相关 领域知识
时间维
时间维，描述按时间 排列的设计目标流程；
分 综评 决 析 合价 策
逻辑维
逻辑维，是解决问题的逻 辑步骤，是在设计的工作 流程中的每一个阶段内所 要进行的工作内容和遵循 的思维程序；
统的设计更为合理和完善。
机电产品设计开 发交互过程
新产品想法
机电产品设计和开发的实际过 程是一个交互过程，在概念设 计和细节设计过程中需要不断 地进行验证和修改。
需求
概念设计
细节设计
原型循环
设计
有效性
原型、实验和验证
实现
新产品需求改进
开发
回收
产品
维护
2.3.4机电系统的数学模型举例：
图示为电枢控制式直流电动机的工作原理图。图中电机线圈的电
数学仿真：对实际系统进行抽象，并将其特 性用数学关系加以描述而得到系统的数学 模型，对数学模型进行实验的过程称为数 学仿真。
优点：方便、灵活、经济。缺点：受限于系 统建模技术，即系统数学模型不易建立。
半实物仿真：将数学模型与物理模型甚至实 物联合起来进行实验。
系统仿真时模型所采用的时钟称为仿真时 钟，而实际动态系统的时钟称为实际时钟。 根据仿真时钟与实际时钟的比例关系，仿 真又分为实时、亚实时和超实时仿真三种。
机电一体化系统设计的类型
开发性设计（全新设计）; 适应性设计（原理方案不变，仅对功
能及结构进行重新设计）; 变参数设计（仅改变部分结构尺寸而
形成系列产品）
机电一体化系统设计原则
机电一体化设计要遵循产品的一般设计原则 （在保证产品目的功能、性能和使用寿命的前 提下，尽量降低成本），以计算机为辅助手段， 充分利用现代设计方法，以多功能化，节能化， 高效化满足市场要求。
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(7)系统传递函数（微分方程）与状态空间方程两种数学模型之间 可相互转换。
（三）典型实例的选讲
1、一老式货运汽车的悬挂系统如下图所示，求汽车相对于路面 的位移x和悬挂部分的位移y1之间的关系。
系统振动方程：
又令：
得状态空间表 达式为：
2、电动机通过弹性轴联 接惯性负载的简化模型
求电动机输出力矩 Tm与负载转角θL间 关系
振动方程
传递函数
取状态变量：
非刚性耦合使系统阶次增高，会引起谐振传递至整个系统， 带来稳定性等问题。联接轴刚度k无穷大时，可简化为：
3、油井钻井平台与钻孔机的简化模型。钻井平台向钻孔机提供 驱动力矩，带动钻轴转动，钻头受被钻物体的接触力矩。
求输入（驱动）力 矩τ2与转角θ2间关 系。
取状态变量 状态空间 表达式：
液体流量恒为Q，液体比热为S，容器热容量为C，电热器热功 率为q(t)。 以q(t)为输入量，以出口、入口处的温度差T=T0-Te为输出量， 则有系统的动态方程为：
dT C SQT q dt
7、液位系统 下图所示为存在交联作用的复杂液位系统。
流量与液面差间近 似取线性关系q=h/R， R为阀门液阻。C1、 C2为液容，即容器截 面积。 有方程：
一、机电一体化系统的建模
（一）动态系统的经典数学模型及其分析
物理的动力学系统，动态过程；能量、信号的转换作用。 系统数学模型的建立方法： 1）分析法（解析法），得到解析模型（机理模型）； 2）系统辨识。 系统的非线性、时变性的处理
用解析法建立系统微分方程、传递函数的一般步骤（经典模型） 分析系统工作原理和系统中变量的关系，确定系统的输入量与 输出量 选择合适的中间变量，根据基本的物理定律，列写出系统中每 一个元件的输入与输出的微分方程式 消去其余的中间变量，求得系统输出与输入的微分方程式 对非线性项加以线性化 或做拉普拉斯变换，变代数方程消元或用方框图等效、梅逊公 式等方法形成传递函数。
为形式：MX
CX KX F
称为振动方程
第一主振型 第二主振型 二自由度系统的自由振动 主振型图
三自由度阻尼 振动系统 运用隔离体法，对每个质量块进行分析，可得该三自由 度系统的运动微分方程为：
.. . . . . m2 x2 (t ) F2 (t ) k2 ( x2 (t ) x1 (t )) c2 ( x2 (t ) x1 (t )) k3 ( x3 (t ) x2 (t )) c3 ( x3 (t ) x2 (t )) .. . . m3 x3 (t ) F3 (t ) k3 ( x3 (t ) x2 (t )) c3 ( x3 (t ) x2 (t )) m1 x1 (t ) F1 (t ) k1 x1 (t ) c1 x1 (t ) k2 ( x2 (t ) x1 (t )) c2 ( x2 (t ) x1 (t ))
Gs 就是该系统的传递函数 阵
用拉氏变换做微分方程组的传递函数矩阵，中间变量的消元
其它：
机械传动系统； 液压系统； 机电系统； 热力学系统；等等 微分方程的求解 系统响应的求解、分析
（二）动态系统的现代数学模型及其分析
y x1
y x1
对于以上SISO线性系统，既可用高阶微分方程来描述 输入-输出关系：
X1 0 M 1 F 1 M C X 2 I
至于输出方程，可根据实际的求解要求而容易写出！
5、齿轮传动系统
以下图中，T为输入转矩，忽略轴的弹性，同轴齿轮的 转动惯量和阻尼系数归并。以转轴1的转角θ1为输出量。求T与 θ1间的关系。并记： n r T n 1 1 1 2 n2 r2 T2 1
4、多自由度振动系统的状态空间表达
多自由度振动系统振动方程转换为相应的状态空间方程可 有统一的方法： 系统振动方程 变形为：
MX CX KX F
M 1CX M 1KX M 1F X
取X1 X , X 2 X
得状态方程为：
X1 0 1 X 2 M K
k2 k 2 k3 k3
0 x1 F1 (t ) k3 x2 F2 (t ) k3 x3 F3 (t )
三自由度系统及其固有模态振型
连续体振动系统
均匀简支梁：
简支梁的前三阶主振型可形如下图所示：
消去中间变量，得：
比拟于电网络：
8、机电控制系统
（1）执行电动机 取：
电动机动态方框图：
传递函数：
直流电机本身为开环系统，存在一由反电动势构成的 自反馈回路。
以角速度为输出量时为一阶惯性系统！
（2）伺服控制系统
例1：电视卫星天线位置伺服系统。 认为电视卫星天线有大的惯量，而忽略其负载力矩。
均匀悬臂梁：
悬臂梁的前三阶主振型可形如下图所示：
对于多输入-多输出的系 统，要用传递函数关系 阵去描述它们间的关系， 如右图所示的系统
Y1 s G11 s U 1 s G12 s U 2 s 或写作
二输入二输出系统
Y2 s G21 s U 1 s G22 s U 2 s Y1 s G11 s G12 s U 1 s Y s G s G s U s 22 2 21 2
两转轴的力矩平衡方程为：
消元中间变量，得T与θ1间关系：
分别为转轴2等效于转轴1 后的总的等效转动惯量和阻尼系数。 即等效成为：
齿轮传动系统可机电比拟于理想变压器系统：
比拟关系为
根据电压、电流变换关系： 可得一次侧的电压、 电流微分方程为：
6、热力学系统
加热系统：温度为Te 的冷液体流入加热箱，电加 热均匀后，为温度T0，流出。
该电液伺服系统的闭环传函为：
SISO系统的 系统状态图
MIMO系统的系统状态图
状态变量的个数一般等于系统所包含的独立储能元件 的数目。一个n阶系统有n个独立的状态变量，为状态的最 大线性无关组，或称最小变量组。选择不唯一，一般取系统 中易于测量观测的量作状态变量。
前述的M-C-K系统的状态空间表达式即为：
R-L-C系统的状态空间表达式即为：
电位器：设对输入、输出增益相同，则
差值放大器和功率放大器的电压放大倍数分别为：A1，A2
齿轮系的传动关系：
m、 分别为电机输出转角和天线转角
直流电机的模型为： 位置伺服控制系统的方框图：
闭环传递函数： 成为二阶系统
例2：火车机车驱动控制系统
放大器：
功率放大器为非线性特性， 需做线性化处理。
例3：电液伺服系统
负载效应
机械网络 (机械振动基础)
单自由度系统
c
d 2 y(t ) dy(t ) m c ky (t ) F (t ) 2 dt dt
弹簧-质量-阻尼器系统
(a)主动隔振力学模型
(b) 被动隔振力学模型
隔振的力学模型
二自由度振动系统：
具有黏性阻尼的二自由度 系统强迫振动：
x m11 (c1 c2 ) x1 (k1 k2 ) x1 c2 x2 k2 x2 F1 (t ) x m2 2 c2 x2 k2 x2 c2 x1 k2 x1 F2 (t )
电气网络
（a）R-C电路1
（b）R-C电路2
R、C换位
（c）Ｒ-L-C电路
（d）R-C滤波网络
以（d）为例说明
U r s U c1 s U c1 s U c s I1 s , I2 s R1 R2 I1 s I 2 s 1 U c1 s ,U c s I2 s C1S C2 S
也可用一阶微分方程组来描述：
对于MIMO系统，更适于用一阶微分方程组的形式来描述：
状态与状态变量
设以上MIMO系统的状态变量记为：
输入函数：u (t ) u1 (t ), u2 (t ), , um (t )
T
T
输出函数：c (t ) c1 (t ), c2 (t ), , cr (t )
.. . . .
m1 0 0
0 m2 0
0 1 c1 c2 x 0 2 c2 x m3 3 0 x
c2 c2 c3 c3
0 x1 k1 k2 c3 x2 k2 c3 x3 0
状态空间表达式为现代控制理论的基本模型！同时也是动力学系 统研究的一种重要模型。 现代控制理论与经典控制理论特性的比较： (1)状态空间描述是系统输入、状态和输出诸变量间的时域描述， 涉及系统全部信息，比传递函数法更为完善，为系统的内部描述法； (2)状态空间描述特别适于多变量系统的描述； (3)状态空间描述法不仅适于线性系统，还适于时变系统，非线性 系统以及非零初始条件下的系统分析求解； (4)用向量、矩阵表达系统的状态空间方程，系统状态空间描述的 形式及其求解计算适于计算机处理、分析和设计，直观简单、方法统一； (5)n个一阶微分方程组的求解比一个n阶微分方程的求解简单，并 有标准型法、状态分解法等求解方法。 (6)输出反馈、状态反馈，可达到极点的任意配置，以及最优控制， 所用方法严谨统一，而基于传递函数的根轨迹法、频率响应法等经典设计 法，实质为一种试凑法，不能得到某种意义下的最优性能。
x m1 0 1 c1 c2 0 m c 2 x2 2
c2 x1 k1 k2 x k c2 2 2
k2 x1 F1 (t ) x F (t ) k2 2 2
T