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機電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計方法研究
摘要 提出了機電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計的一種方法：首先建立機電一體化產(chǎn)品用戶需求模型，然后通過分析產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)圖中的信號流，提出控制系統(tǒng)多種控制方案，最后利用目標(biāo)評價樹的方法來選取最佳的控制方案．在全自動滴丸機概念設(shè)計階段，利用該方法對控制系統(tǒng)進行設(shè)計．
關(guān)鍵詞機電一體化；概念設(shè)計；用戶需求模型；功能結(jié)構(gòu)圖：目標(biāo)評價樹
O 引言
機電一體化系統(tǒng)設(shè)計過程中，概念設(shè)計是整個設(shè)計的關(guān)鍵，因為一旦概念設(shè)計被確定，產(chǎn)品設(shè)計的60％～70％也就確定了“1．機電一體化系統(tǒng)不同于一般的機械，機電一體化是在機械主功能、動力功能、信息功能和控制功能上引進微電子技術(shù)，并將機械裝置與電子裝置用相關(guān)軟件有機結(jié)合而構(gòu)成系統(tǒng)的總稱嘲．它的設(shè)計比一般機械產(chǎn)品的設(shè)計更為復(fù)雜．在機電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計過程中，發(fā)明問題解決理論(TRIZ)、公理設(shè)計、Pahl及Beitz理論和質(zhì)量功能布置(quality function deployment，QFD)等產(chǎn)品設(shè)計理論同樣適用，但設(shè)計的過程更具復(fù)雜性、創(chuàng)新性，多目標(biāo)性、多解性．機電一體化系統(tǒng)是“機”與“電”的有機融合，如何在概念設(shè)計階段體現(xiàn)出“電”的設(shè)計思想，是機電系統(tǒng)概念設(shè)計中一個很重要的方面．下面內(nèi)容將闡述機電產(chǎn)品概念設(shè)計中如何進行控制系統(tǒng)的設(shè)計．1機電一體化產(chǎn)品控制系統(tǒng)概念設(shè)計過程1．1用戶需求模型1．1．1用戶需求分解概念設(shè)計起始于用戶需求的獲取和需求分析后的階段，由設(shè)計者和用戶共同完成嘲．因此，概念設(shè)計不僅需要設(shè)計人員的設(shè)計經(jīng)驗、設(shè)計知識，而且要充分反映用戶的需求．用戶需求可以通過市場調(diào)查獲得，但是最初的用戶需求表達的是用戶自己的意愿，對于設(shè)計者來說可操作性不強，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)計者完全把握用戶的需求，對此可以將用戶需求進行細(xì)分．機電一體化系統(tǒng)用戶需求可分為機械域、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)對應(yīng)于所設(shè)計的產(chǎn)品向各個領(lǐng)域進行分解(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)計目標(biāo)．用戶需求分解后，專家對每一個葉需求進行重要度評估，用【0，5】進行標(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)．希望需求要進一步用衡量的方法進行分析．1．1．2衡量過程傳統(tǒng)的設(shè)計過程提倡在早期的設(shè)計階段區(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)計中必須滿足的，但是需求分解過程會產(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來獲得所有可能的必須滿足的用戶需求，文獻[4]給出了具體方法．衡量方法的原理是：如果一個希望滿需求與一定數(shù)量的必須需求之間存在相關(guān)性，那么這個希望需求也應(yīng)該“必須”滿足，作為額外的必須需求．衡量過程如下：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)的各個功能元用流有機的組合起來就得到功能結(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、輸出流為每一個輸入流建立功能鏈．對每個輸入建立功能鏈．設(shè)想設(shè)計者變成流，考慮從輸入到輸出或到轉(zhuǎn)換處對流的每個操作．按操作發(fā)生的時間順序排列各功能基，并建立功能鏈．功能鏈按照時間順序可分為兩種，串行功能鏈和平行功能鏈．串行功能鏈?zhǔn)前磿r間先后發(fā)生的對流的一系列操作，如圖3所示．并行功能鏈?zhǔn)前磿r間同時發(fā)生的操作，所示．并行功能鏈由若干串行功能鏈組成，共享一個或多個公共流．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)． 控制的過程在一定程度可以說是信號的檢測、處理和反饋的過程．功能結(jié)構(gòu)圖建立之后，對其中所有的信號進行分析．通過分析信號流，可以得出控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，各種信號的類型，信號的數(shù)量等等，進一步得到控制系統(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)評價樹與控制需求結(jié)合來選擇控制系統(tǒng)最佳方案目標(biāo)評價樹，是系統(tǒng)設(shè)計各個方面的量化評價方法，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)點處兩個數(shù)字，左數(shù)字為該功能相對于其父樹功能的相對權(quán)重，由經(jīng)驗值給出，右數(shù)字為該功能的絕對權(quán)重，為根樹到這一功能分支的所有相對權(quán)重的乘積抵刀．控制系統(tǒng)需求的權(quán)重，要依據(jù)需求的重要程度來分配．采用10分制，為每一方案對需求的滿足程度打分，所得分?jǐn)?shù)記為m，各方案的總價值為甩G，=Σwl×gf=l總價值最高的為最佳控制方案．2應(yīng)用實例2．1用戶需求分析過程1)通過市場調(diào)查獲得用戶的最初需求對最初需求進行分解.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個信號，其中4個溫度信號(溫度信號1、2、3、4)和5個開關(guān)量信號(信號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，現(xiàn)選定3個方案.3結(jié)論本文提出了一種在機電一體化產(chǎn)品的概念設(shè)計過程中，如何設(shè)計控制系統(tǒng)的方法，并以全自動滴丸機的控制系統(tǒng)設(shè)計為例來說明該方法的應(yīng)用過程．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．
參考文獻：
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