第二章机械系统数学模型的建立第一节概述机电一体化机械系统是由计算机信息网络协调与控制的，用于完成包括机械力、运动和能量流等动力学任务的机械及机电部件相互联系的系统。
其核心是由计算机控制的，包括机械、电力、电子、液压、光学等技术的伺服系统。
它的主要功能是完成一系列机械运动，每一个机械运动可单独由控制电动机、传动机构和执行机构组成的子系统来完成，而这些子系统要由计算机协调和控制，以完成其系统功能要求。
机电一体化机械系统的设计要从系统的角度进行合理化和最优化设计。
机电一体化系统的机械结构主要包括执行机构、传动机构和支承部件。
在机械系统设计时，除考虑一般机械设计要求外，还必须考虑机械结构因素与整个伺服系统的性能参数、电气参数的匹配，以获得良好的伺服性能。
一、机电一体化对机械系统的基本要求机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求较高的制造精度外，还应具有良好的动态响应特性，即快速响应和良好的稳定性。
1、高精度精度直接影响产品的质量，尤其是机电一体化产品，其技术性能、工艺水平和功能比普通的机械产品都有很大的提高，因此机电—体化机械系统的高精度是其首要的要求。
如果机械系统的精度不能满足要求，则无论机电—体化产品其它系统工作再精确，也无法完成其预定的机械操作。
2、快速响应机电一体化系统的快速响应即是要求机械系统从接到指令到开始执行指令指定的任务之间的时间间隔短。
这样系统才能精确地完成预定的任务要求，且控制系统也才能及时根据机械系统的运行情况得到信息，下达指令，使其准确地完成任务。
3、良好的稳定性机电一体化系统要求其机械装置在温度、振动等外界干扰的作用下依然能够正常稳定的工作。
既系统抵御外界环境的影响和抗干扰能力强。
为确保机械系统的上述特性，在设计中通常提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率和适当的阻尼比等要求。
此外机械系统还要求具有体积小、重量轻、高可靠性和寿命长等特点。
二、机械系统的组成概括地讲，机电一体化机械系统应主要包括如下三大部分机构。
第二章系统模型建立的方法论2.1 系统与建模为了研究系统，从理论上讲可以用实际系统来做实验。
但是往往出于经济、安全及可能性方面的考虑，一般情况下不希望直接在真实系统上这么做，而是通过一种更简捷的途径来进行研究过程的实现。
特别是现代信息技术的飞速发展，为这种思想提供了有利的条件。
在计算机上进行的系统仿真是一种主要的技术手段。
仿真是离不开模型的，建立有效的计算仿真模型是保证系统仿真得以顺利实现的基础。
2.1.1 系统建模方法的形式化描述模型与真实世界之间的最重要关系之一就是抽象和映射。
抽象过程是建模的基础。
如我们所研究的飞行器(宇宙飞船、火箭、卫星等)的飞行轨道，可以将飞行器看作一个质点，使用质点运动学、质点动力学等基本运动定律对质点进行的描述就是对系统的一种抽象过程，这个过程中没有考虑飞行器在飞行中的姿态等。
根据第1章的介绍，建立适当的系统数学模型，首先必须搞清楚两个问题，即所研究系统的边界和其中与研究目的相关的实体，并建立实体表。
实体表中的研究实体和相对应的属性是对研究对象的客观抽象，而实体表中的(内部或外部)行为恰恰是系统状态改变的主要因素。
当所研究的系统是连续系统时，我们考虑最多的是系统的实体及其属性间的关系，由此也往往可以轻而易举地从中提取出几个有用的集合：输入集、输出集及状态变量集等，并且对其已经赋予了相应的变量表示方法。
如果在这些抽象的基础上再建立起复合的集合结构，包括一些特定的函数关系，那么这个过程就称为对系统模型的理论构造。
看待一个系统时，如果重点是研究系统本身某些特定的性质，而且就这种性质建立起它的关系模型，那么简单地就称这个系统为模型系统。
反过来，系统有时候也简称为模型。
下面从两个角度对系统及其模型进行描述，一种是将系统从内部进行详细的分解形式的描述方法，另一种是从外部看待系统行为的描述方法，只看系统(模型)本身对外部的反应和内部框架。
1. 系统模型的形式化描述通常，由实体表表述的系统内容可以进行变量和参数的设计，并由此建立系统的模型。
华中科技大学硕士学位论文2 系统动态模型的建立典型的土壤源热泵系统主要由三部分组成，即用户末端、热泵机组和地下埋管换热部分，系统性能是这三部分共同作用的结果。
其中典型的热泵机组由制冷压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器所组成；地下埋管换热部分有地下埋管和U型管换热器组成；空调末端部分主要是风机盘管。
系统结构简图如下：图2-1土壤源热泵系统的结构示意图有关热泵系统的数学模型研究，国内外发表了不少文章[34～39]，主要是针对系统参数的耦合、结构优化与具体定量计算等，但这些模型和算法都比较复杂，较适合于研究机组各部件之间的最佳匹配，制冷剂储存量的分配等内容，计算量较大。
而本文对热泵机组研究的主要目的是预测某特定结构热泵机组在具体运行工况下的动态仿真，包括蒸发器和冷凝器的进出水温度、耗电量以及制冷量等运行参数的变化特性。
热泵机组运行过程中,组成该系统的各个部件同时在运行，都对系统的状态产生影响，每一个部件的运行参数与其他部件的运动参数都是相互影响、相互关联的。
以土壤源热泵系统来说，不仅仅是热泵机组内部参数之间的具有耦合性，热泵与地下循环水参数及空调末端房间空调参数有存在着耦合关系。
因此，热泵机组的数学模型，必然要由各部件的数学模型所构成，并且要能反映出运行参数的相互耦合关系。
土壤源热泵系统的显著特征是用地下埋管换热器回收土壤热源，换热器的传热华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文受到地区气候、土壤等因素的影响。
不同地区的土壤环境条件，就会产生不同的埋管换热效果。
而这换热过程的强弱必然使埋地换热器的出口水温发生变化，变化的水温又将导致热泵系统的冷凝器或蒸发器的工作温度发生变化，从而影响整个热泵系统的工作性能[40]。
本文以夏季热泵制冷为例，通过建模来分析地源热泵系统各部分与热泵机组各部件的关系，根据质量守恒、能量守恒原理建立数学模型。
,?1h h图2-2 地源热泵系统夏季运行耦合关系在建模过程中要用到制冷剂热力学性质，本文水源热泵机组采用的循环工质是R22。
