1、第五章 機電控制工程的現(xiàn)代設(shè)計方法簡介機電控制工程的現(xiàn)代設(shè)計方法主要有可靠性設(shè)計，優(yōu)化設(shè)計，反求設(shè)計，綠色設(shè)計。第一節(jié) 可靠性設(shè)計隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機電產(chǎn)品在國防、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、科研和民用等方面的應(yīng)用種類越來越多，而且都離不開電源技術(shù)和其它技術(shù)的應(yīng)用。如果在其應(yīng)用中忽略了可靠性管理，機電產(chǎn)品的質(zhì)量也不會得到保證。可靠性是產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。所以，可靠性是產(chǎn)品質(zhì)量的時間指標(biāo)，是產(chǎn)品性能能否在實際使用中得到充分發(fā)揮的關(guān)鍵之一。機電產(chǎn)品的可靠性是設(shè)計出來的、生產(chǎn)出來的。可靠性設(shè)計必須與機電產(chǎn)品的功能設(shè)計同步進行。因此，設(shè)計人員必須明確可靠性設(shè)計的目的并掌握可靠

2、性設(shè)計的方法。1、可靠性的概念：產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。2、可靠性設(shè)計的意義可靠性設(shè)計的意義一般包括以下幾個方面：政治意義：任何國家的產(chǎn)品的先進性和可靠性對其國際貿(mào)易、國際聲譽和國際地位都有很大的影響，因此，各國政府都很重視產(chǎn)品的可靠性問題；經(jīng)濟意義：對銷售而言，產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性水平是其占領(lǐng)市場份額和獲得信譽的關(guān)鍵性因素；對生產(chǎn)而言，生產(chǎn)設(shè)備的可靠性故障會影響生產(chǎn)，造成經(jīng)濟損失；因此，各廠家和用戶都很重視產(chǎn)品的可靠性問題；軍事意義：軍用設(shè)備的可靠性直接關(guān)系到戰(zhàn)斗的成敗，人員的傷亡，甚至國家的安全，因此，各國都很重視軍用產(chǎn)品的可靠性問題。3、可靠性設(shè)計的指導(dǎo)思想可靠

3、性設(shè)計技術(shù)是在產(chǎn)品的設(shè)計中采取相應(yīng)的措施，以提高產(chǎn)品的可靠性并達到可靠性指標(biāo)的一門技術(shù)。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個方面：a、充分估計現(xiàn)有的技術(shù)水平，盡量采用成熟的、定型的、標(biāo)準(zhǔn)的原材料、元器件、電路和工藝來完成設(shè)計；b、準(zhǔn)確掌握產(chǎn)品在運輸、儲存和使用中可能遇到的環(huán)境條件，采取相應(yīng)的可靠性設(shè)計技術(shù)，以便使產(chǎn)品增強對環(huán)境的適應(yīng)能力；c、應(yīng)當(dāng)充分滿足設(shè)計與工藝制造、調(diào)試檢測和維護使用的相互要求；d、可靠性定量活動應(yīng)當(dāng)貫穿于產(chǎn)品研制的全過程，包括可靠性分析、預(yù)計、論證、指標(biāo)的確定和分配、設(shè)計、制造、調(diào)試檢測和維護使用等；e、重視和加強設(shè)計階段的可靠性管理，在設(shè)計中，必須貫徹和執(zhí)行可靠性設(shè)計的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)

4、范、產(chǎn)品可靠性要求事項、可靠性工作計劃和可靠性審查程序等管理措施。4、可靠性設(shè)計考慮的因素（1）元器件的選擇元器件是機電產(chǎn)品可靠性的基礎(chǔ)之一，很多機電產(chǎn)品的失效是由于元器件的性能和質(zhì)量問題造成的。（a） 根據(jù)產(chǎn)品要實現(xiàn)的功能要求和環(huán)境條件，選用相應(yīng)種類、型號規(guī)格質(zhì)量等級的元器件, 重要的關(guān)鍵件應(yīng)選用軍用級以上元器件；例：將料位儀的電磁繼電器改用固態(tài)繼電器（b）在設(shè)計中，盡量采用固體組件，使分立元器件減少到最小程度。其優(yōu)選序列為：大規(guī)模集成電路-中規(guī)模集成電路-小規(guī)模集成電路-分立元器件(c) 盡量減少元器件規(guī)格品種，增加元器件的復(fù)用率，使元器件品種規(guī)格與數(shù)量比減到最小程度。（d）對非標(biāo)準(zhǔn)的元器

5、件要進行嚴格的驗證，使用時要經(jīng)過批準(zhǔn)；（e）根據(jù)國家或本單位的元器件優(yōu)選手冊選用。（2）降額設(shè)計降額設(shè)計的依據(jù)：電子元器件在使用或貯存過程中，總存在著某種比較緩慢的物理化學(xué)變化。這種變化發(fā)展到一定程度時，會使元器件的特性退化、功能喪失，即失效了。而這種變化的快慢，與溫度和施加在元器件上的應(yīng)力大小直接相關(guān)。為此，應(yīng)當(dāng)對元器件實行降額設(shè)計。降額設(shè)計就是使元件在低于其額定應(yīng)力情況下工作。影響計算機系統(tǒng)運行可靠性的應(yīng)力有：電應(yīng)力（電壓、電流、功率和頻率等）、溫度、機械應(yīng)力（振動、沖擊等）。當(dāng)工作應(yīng)力高于額定應(yīng)力時，失效率就增加。例如金屬膜電阻，當(dāng)溫度不變（70）時，若功率降低50%，其失效率就降低兩個

6、數(shù)量級；云母電容器的環(huán)境溫度降低50%，電壓降低30%，其失效率降低三個數(shù)量級。因此，合理的降額是提高元器件和零部件可靠性的有效辦法。元器件種類降額系數(shù)S晶體管（P、U、I）多數(shù)在0.5以下集成電路（P、U、I）0.5-0.7電阻（功率）0.2-0.6電容（電壓）小于0.7電感0.6-0.7繼電器小于0.4（3）三防設(shè)計任何機電產(chǎn)品都是在一定的環(huán)境下工作的，而潮濕、鹽霧和霉菌會降低材料的絕緣強度，引起漏電，從而導(dǎo)致故障。因此，必須采取防止或減少環(huán)境條件對機電產(chǎn)品可靠性影響的各種方法，以保證機電產(chǎn)品工作中的性能。防潮設(shè)計。防潮設(shè)計的原則如下：（a）采用吸濕性小的元器件和材料；（b）采用噴涂、浸漬

7、、灌封、憎水等處理；例：料位儀的防潮處理，在電路板上刷防潮清漆。（c）局部采用密封結(jié)構(gòu)；（d）改善整機使用環(huán)境，如采用空調(diào)、安裝加熱去濕裝置。例：廢水應(yīng)急系統(tǒng)中對整個設(shè)備加裝放雨裝置防霉設(shè)計。防霉設(shè)計的原則如下：（a）采用抗霉材料，例如無機礦物質(zhì)材料；（b）采用防霉劑進行處理；（c）控制環(huán)境條件來抑制霉菌生長，例如采用防潮、通風(fēng)、降溫等措施。防鹽霧設(shè)計。防鹽霧設(shè)計的原則如下：（a）采用防潮和防腐能力強的材料（b）采用密封結(jié)構(gòu)；（c）岸上設(shè)備應(yīng)當(dāng)遠離海岸。（4）抗震設(shè)計任何機電產(chǎn)品都要經(jīng)過從廠家到用戶的裝運過程，特別是在振動場合下應(yīng)用的機電產(chǎn)品，必須采取防止或減少振動環(huán)境條件對機電產(chǎn)品可靠性影響

8、的各種方法，以保證機電產(chǎn)品工作中的性能。為此應(yīng)當(dāng)充分注意以下幾個方面：（a）印制板上各元器件引腳線長應(yīng)當(dāng)盡量短，以增加抗振動能力；（b）印制板應(yīng)當(dāng)豎放并進行加固；（c）較重的器件應(yīng)當(dāng)進行加固；（d）懸空的引線不宜拉的過緊，以防振動時斷裂；（e）運輸機電產(chǎn)品時，應(yīng)當(dāng)加強防震措施；（f）振動場合應(yīng)用的機電產(chǎn)品，應(yīng)當(dāng)采用防震措施。（5）電磁兼容性設(shè)計電磁兼容性是指電子設(shè)備在電磁環(huán)境中正常工作的能力。電磁干擾是對電子設(shè)備工作性能有害的電磁變化現(xiàn)象。電磁干擾不僅影響電子設(shè)備的正常工作，甚至造成電子設(shè)備中的某些元器件損害。因此，對電子設(shè)備的電磁兼容技術(shù)要給予充分的重視。既要注意電子設(shè)備不受周圍電磁干擾而能

9、正常工作，又要注意電子設(shè)備本身不對周圍其他設(shè)備產(chǎn)生電磁騷擾，影響其他設(shè)備正常運行。第二節(jié)、優(yōu)化設(shè)計1、優(yōu)化設(shè)計的概念機電控制工程的優(yōu)化設(shè)計是對工程中的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法，對相關(guān)的實驗采用優(yōu)化的方案，對相關(guān)的過程進行優(yōu)化控制。其要點是：（1）適當(dāng)?shù)淖顑?yōu)化方法（2）是指詳細設(shè)計時的優(yōu)化（3）優(yōu)化主要包括機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化、實驗優(yōu)化和控制方案的優(yōu)化2、優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟效果 (1) 可以降低產(chǎn)品成本，提高它的性能;(2) 優(yōu)化設(shè)計過程中所獲得的大量數(shù)據(jù)，可以幫助我們摸清各項指標(biāo)的變化規(guī)律，有利于對今后設(shè)計結(jié)果作出正確的判斷，從而不斷提高系列產(chǎn)品的性能;(3) 用優(yōu)化設(shè)計方法可合理解決多參數(shù)多目標(biāo)

10、的復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計問題3、機械結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法（1）一維優(yōu)化法（2）無約束多維優(yōu)化法（3）約束優(yōu)化法（4）多目標(biāo)優(yōu)化法（5）模糊優(yōu)化法（6）遺傳優(yōu)化法4、實驗方案的優(yōu)化例：聲發(fā)射料位儀故障信號采集實驗的優(yōu)化例：開箱原理的實驗優(yōu)化5、控制方案的優(yōu)化例：微機配料中料斗開關(guān)門控制的優(yōu)化例：開箱上機器手移動過程控制的優(yōu)化第三節(jié) 反求設(shè)計1、 反求設(shè)計的概念反求設(shè)計就是對已有的產(chǎn)品或技術(shù)進行分析研究，掌握其功能原理，零部件的設(shè)計參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、關(guān)鍵技術(shù)等指標(biāo)，再根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計理論與方法，對原產(chǎn)品進行仿造設(shè)計，改進設(shè)計或創(chuàng)新設(shè)計。反求設(shè)計是一個國家發(fā)展科學(xué)技術(shù)及提高工藝水平的一個重要手段。2、反求設(shè)計分類

11、 (1) 仿造設(shè)計：完全按照引進產(chǎn)品進行設(shè)計、制造的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品與引進產(chǎn)品基本相同。 (2) 改進設(shè)計：在對原產(chǎn)品分析研究的基礎(chǔ)上，進行局部的改造性設(shè)計，其性能與特征基本和原產(chǎn)品相同，但局部性能有所改善。(3) 創(chuàng)新設(shè)計：以原產(chǎn)品為基礎(chǔ)，充分運用創(chuàng)新的設(shè)計思維與創(chuàng)新技法，設(shè)計、制造出優(yōu)于原產(chǎn)品的新產(chǎn)品，這是最好的一種反求設(shè)計。如日本的SONY 公司從美國引進晶體管專利技術(shù)后，進行反求創(chuàng)新設(shè)計，研制出了我們現(xiàn)在使用的晶體管收音機，日本的汽車、摩托車也是如此。這樣為日本成為世界經(jīng)濟強國奠定了基礎(chǔ)。3、反求設(shè)計的步驟計算機輔助的反求設(shè)不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且還可以縮短產(chǎn)品的設(shè)計與制造周期，它一般

12、包括以下幾個步驟： (1) 數(shù)據(jù)的采集：在反求設(shè)計過程中，數(shù)據(jù)的測繪與收集特別重要，一般利用三坐標(biāo)測量儀、3D數(shù)字測量儀、激光掃描儀、高速坐標(biāo)掃描儀或其他測量儀器來測量原產(chǎn)品的形體尺寸以及位置尺寸，就是將原產(chǎn)品的幾何模型轉(zhuǎn)化為測量點數(shù)據(jù)組成的數(shù)字模型。(2) 數(shù)據(jù)處理：利用計算機中的數(shù)字化數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，將大量的測量點數(shù)據(jù)進行編輯處理，刪除奇異數(shù)據(jù)點，增加補償點，進行數(shù)據(jù)點的優(yōu)化、平順等工作。 (3) 建立CAD模型：通過三維建模、曲線擬合、曲面擬合、曲面重構(gòu)方法及理論建立相應(yīng)的CAD 幾何模型。 (4) 數(shù)控加工：通過數(shù)模編輯出NC 代碼后，對有關(guān)數(shù)據(jù)進行刀具軌跡編程，產(chǎn)生刀具軌跡，進行數(shù)控加

13、工。為了保證NC 加工質(zhì)量，實現(xiàn)加工過程中的質(zhì)量控制，CAM 系統(tǒng)可生成測頭文件及程序，用于聯(lián)機NC 檢驗。 第四節(jié) 綠色設(shè)計1、綠色設(shè)計的概念（1）綠色技術(shù)：(Green Technology GT)或西方稱之為“環(huán)境友善技術(shù)(Environmental Sound Technology-EST)，是減輕環(huán)境污染或減少原材料、自然資源使用的技術(shù)、工藝或產(chǎn)品的總稱。（2）綠色設(shè)計：綠色設(shè)計就是以綠色技術(shù)為原則所進行的產(chǎn)品設(shè)計，綠色產(chǎn)品設(shè)計要求產(chǎn)品在制造過程中節(jié)省資源；使用過程中節(jié)省能源、無污染；產(chǎn)品報廢后便于回收和再利用。（3）綠色設(shè)計的步驟：滿足環(huán)境目標(biāo)滿足功能要求滿足使用壽命、質(zhì)量的要求。

14、（4）綠色設(shè)計與傳統(tǒng)設(shè)計的根本區(qū)別：綠色設(shè)計要求設(shè)計人員在設(shè)計構(gòu)思階段就要把降低能耗、易于拆卸、再生利用和保護生態(tài)環(huán)境與保證產(chǎn)品的性能、質(zhì)量、壽命、成本的要求列為同等的設(shè)計目標(biāo)，并保證在生產(chǎn)過程中能夠順利實施。2、綠色設(shè)計的核心與框架（1）綠色設(shè)計的核心：綠色設(shè)計的核心是“3R”，即Reduce(減少)、Recycle(再生)和Reuse(重新使用)，不僅要盡量減少物質(zhì)和能源的消耗、減少有害物質(zhì)的排放，而且要使產(chǎn)品及零部件能夠方便地分類回收并再牛循環(huán)或重新利用。 綠色設(shè)計不僅是一種技術(shù)層面的考慮，更重要的是一種觀念上的變革，要求設(shè)計師放棄那種過分強調(diào)產(chǎn)品在外觀上標(biāo)新立異的做法，而將重點放在真正

15、意義上的創(chuàng)新上來，以一種更為負責(zé)的方法去創(chuàng)造產(chǎn)品的形態(tài)，用更簡潔、長久的造型使產(chǎn)品盡可能地延長其使用壽命。（2）綠色設(shè)計的總體框架產(chǎn)品的功能：從產(chǎn)品的功能上考慮綠色產(chǎn)品設(shè)計主要是為了使產(chǎn)品的功能更加合理，其基本思想是詳細地分析產(chǎn)品的功能以確定什么是最基本的功能特性，進而評價這些功能的實現(xiàn)是否消耗了比較少的材料和能源，對環(huán)境造成了比較小的負荷。產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)：從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)上考慮綠色產(chǎn)品設(shè)計主要是為了使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)更加合理。產(chǎn)品的生命周期：生命周期指從產(chǎn)品的設(shè)計、生產(chǎn)、銷售、使用到報廢的整個過程。從產(chǎn)品的生命周期上考慮綠色產(chǎn)品設(shè)計主要是為了得到產(chǎn)品在整個產(chǎn)品生命周期內(nèi)資源消耗、環(huán)境負荷和工作環(huán)境影響的總

16、體描述。產(chǎn)品的零部件：從產(chǎn)品的零部件考慮綠色產(chǎn)品設(shè)計主要是為了描述產(chǎn)品的零部件在制造過程中的環(huán)境問題。綠色設(shè)計中的材料選擇：傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計中很少考慮材料對環(huán)境的影響，但在綠色產(chǎn)品設(shè)計中材料選擇卻是至關(guān)重要的，它不僅決定了產(chǎn)品對環(huán)境危害的程度也同時決定了產(chǎn)品的可回收性。第五節(jié) 機電控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1、模塊化設(shè)計一般產(chǎn)品設(shè)計都具有一個明確的使用功能,機械產(chǎn)品的總體使用功能是通過各個結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。由于機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)與功能之間并非是一一對應(yīng)的關(guān)系,一個結(jié)構(gòu)實體通常可以實現(xiàn)若干種功能,一個功能往往又可通過若干種結(jié)構(gòu)實體予以實現(xiàn)。可以視機械產(chǎn)品中的實體結(jié)構(gòu)為結(jié)構(gòu)模塊,將機械產(chǎn)品的總體功能分解若干個子功能

17、,通過結(jié)構(gòu)模塊將功能模塊轉(zhuǎn)化成實體模塊,從而實現(xiàn)總體功能。模塊化設(shè)計方法視產(chǎn)品具有某種功能的實現(xiàn)為整體結(jié)構(gòu)模塊,通過各個結(jié)構(gòu)模塊的組合,實現(xiàn)產(chǎn)品的整體方案設(shè)計。對于特定種類的機械產(chǎn)品,由于其組成部分的功能較為明確且相對穩(wěn)定,結(jié)構(gòu)模塊的劃分比較容易,因此,采用結(jié)構(gòu)模塊化方法進行方案設(shè)計較為合適。若將結(jié)構(gòu)模塊化設(shè)計方法用于一般意義的產(chǎn)品方案設(shè)計,結(jié)構(gòu)模塊的劃分和選用都比較困難,而且要求設(shè)計人員具有相當(dāng)豐富的設(shè)計經(jīng)驗和廣博的多學(xué)科領(lǐng)域知識。2、智能控制20世紀，控制科學(xué)與技術(shù)得到了迅速發(fā)展，由研究單輸入單輸出被控對象的經(jīng)典控制理論，發(fā)展形成了研究多輸入多輸出被控對象的現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論主要是

18、采用頻域法對控制系統(tǒng)進行描述、分析和設(shè)計，現(xiàn)代控制主要采用時域的狀態(tài)空間方法。隨著計算機、材料、能源等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和生產(chǎn)系統(tǒng)規(guī)模不斷擴大，形成了復(fù)雜的控制系統(tǒng)，導(dǎo)致了控制對象、控制器、控制任務(wù)等更加復(fù)雜。與此同時，對自動化程度的要求也更加廣泛，而對來自柔性控制系統(tǒng)，智能機器人系統(tǒng).數(shù)控系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等復(fù)雜系統(tǒng)的挑戰(zhàn)，經(jīng)典的與現(xiàn)代的控制理論和技術(shù)己不適應(yīng)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。在技術(shù)方法方面,從遞階控制、專家控制、模糊控制、神經(jīng)控制、學(xué)習(xí)控制、仿人控制和進化控制等系統(tǒng)加以研究。3、網(wǎng)絡(luò)化隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的工業(yè)控制領(lǐng)域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，開始向網(wǎng)絡(luò)

19、化方向發(fā)展。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)從最初的CCS(計算 機集中控制系統(tǒng))，到第二代的DCS(分散控制系統(tǒng))，發(fā)展到現(xiàn)在流行的FCS(現(xiàn)場總線控制系統(tǒng))。對諸如圖像、語音信號等大數(shù)據(jù)量、高速率傳輸?shù)囊螅执呱水?dāng)前在商業(yè)領(lǐng)域風(fēng)靡的以太網(wǎng)與控制網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合。這股工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化浪潮又將諸如嵌入式技術(shù)、多標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、無線技術(shù)等多種 當(dāng)今流行技術(shù)融合進來，從而拓展了工業(yè)控制領(lǐng)域的發(fā)展空間，帶來新的發(fā)展趨勢。控制環(huán)路通過實時網(wǎng)絡(luò)閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)稱為網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)NCS(Networked control system)。網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的主要優(yōu)點是在于低成本、高可靠性、節(jié)約連接線、安裝簡單、維護方便

20、。以信息化帶動工業(yè)化是保持國民經(jīng)濟持續(xù)快速增長的有力保證，也是改造傳統(tǒng)工業(yè)體系結(jié)構(gòu)的重要手段。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息技術(shù)的代表，其與工業(yè)控制系統(tǒng)的結(jié)合將極大地提高控制系統(tǒng)的水平，改變現(xiàn)有工業(yè)控制系統(tǒng)相對封閉的企業(yè)信息管理結(jié)構(gòu)，適應(yīng)現(xiàn)代企業(yè)綜合自動化管理的需要。將現(xiàn)場總線、以太網(wǎng)、多種工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)互 聯(lián)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)融合到工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)中，在保證控制系統(tǒng)原有的穩(wěn)定性、實時性等要求的同時，又增強了系統(tǒng)的開放性和互操作性，提高了系統(tǒng)對不同環(huán)境的適應(yīng)性。在經(jīng)濟全球化的今天，這一工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化及其構(gòu)成模式使得企業(yè)能夠適應(yīng)空前激烈的市場競爭，有助于加快新產(chǎn)品的開發(fā)、降低生產(chǎn)成本、完善信息服務(wù)，具有廣闊的發(fā)展前景。4、嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用美國著名未來學(xué)家尼葛洛龐帝1999年1月訪華時預(yù)言,45年后嵌入式智能(電腦)