機電一體化產品控制系統概念設計方法研究
摘要 提出了機電一體化產品控制系統概念設計的一種方法：首先建立機電一體化產品用戶需求模型，然后通過分析產品的功能結構圖中的信號流，提出控制系統多種控制方案，最后利用目標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計階段，利用該方法對控制系統進行設計．
關鍵詞機電一體化；概念設計；用戶需求模型；功能結構圖：目標評價樹
O 引言
機電一體化系統設計過程中，概念設計是整個設計的關鍵，因為一旦概念設計被確定，產品設計的60％～70％也就確定了“1．機電一體化系統不同于一般的機械，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，并將機械裝置與電子裝置用相關軟件有機結合而構成系統的總稱嘲．它的設計比一般機械產品的設計更為復雜．在機電一體化產品的概念設計過程中，發明問題解決理論(TRIZ)、公理設計、Pahl及Beitz理論和質量功能布置(quality function deployment，QFD)等產品設計理論同樣適用，但設計的過程更具復雜性、創新性，多目標性、多解性．機電一體化系統是“機”與“電”的有機融合，如何在概念設計階段體現出“電”的設計思想，是機電系統概念設計中一個很重要的方面．下面內容將闡述機電產品概念設計中如何進行控制系統的設計．1機電一體化產品控制系統概念設計過程1．1用戶需求模型1．1．1用戶需求分解概念設計起始于用戶需求的獲取和需求分析后的階段，由設計者和用戶共同完成嘲．因此，概念設計不僅需要設計人員的設計經驗、設計知識，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的，很難使設計者完全把握用戶的需求，對此可以將用戶需求進行細分．機電一體化系統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)對應于所設計的產品向各個領域進行分解(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設計目標．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衡量過程傳統的設計過程提倡在早期的設計階段區分用戶需求的優先次序，比如要選擇一些關鍵的用戶需求作為設計中必須滿足的，但是需求分解過程會產生大量的葉需求，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量的必須需求之間存在相關性，那么這個希望需求也應該“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性，那么這兩者之間的關系記為l；3)如果希望需求與必須需求之間沒有相關性，那么這兩者之間的關系記為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輸入量和輸出量之間的關系．而這些輸入量和輸出量(或實體)被稱為流，通常分為能量流、物料流和信息流．產品的總功能分解成若干功能元，將系統的各個功能元用流有機的組合起來就得到功能結構．功能結構是功能模型或功能分析結果的一種表達形式．使用功能基建立功能結構的步驟如下嘲：
1)確定系統的總功能及輸入、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．設想設計者變成流，考慮從輸入到輸出或到轉換處對流的每個操作．按操作發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．串行功能鏈是按時間先后發生的對流的一系列操作，如圖3所示．并行功能鏈是按時間同時發生的操作，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．在功能結構中由支流表示，3)連接各功能鏈得到功能結構． 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．功能結構圖建立之后，對其中所有的信號進行分析．通過分析信號流，可以得出控制系統的復雜程度，各種信號的類型，信號的數量等等，進一步得到控制系統需要滿足的功能，然后在此基礎上提出若干控制方案．1．3目標評價樹與控制需求結合來選擇控制系統最佳方案目標評價樹，是系統設計各個方面的量化評價方法，為樹形結構，上層為下層的父樹，下層為上層的子樹，每一節點處兩個數字，左數字為該功能相對于其父樹功能的相對權重，由經驗值給出，右數字為該功能的絕對權重，為根樹到這一功能分支的所有相對權重的乘積抵刀．控制系統需求的權重，要依據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，所得分數記為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應用實例2．1用戶需求分析過程1)通過市場調查獲得用戶的最初需求對最初需求進行分解.2．2功能結構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個開關量信號(信號5、6、7、8、9)．這就要求控制系統滿足以下的功能．由此可以看出滴丸機的控制系統不是很復雜，滿足以上功能的控制系統的方案有若干個，現選定3個方案.3結論本文提出了一種在機電一體化產品的概念設計過程中，如何設計控制系統的方法，并以全自動滴丸機的控制系統設計為例來說明該方法的應用過程．該方法可以使控制系統最大限度的滿足用戶需求，保證控制系統最合理．
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