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机电一体化系统方案生成及优选研究

作　者: 许勇
导　师: 邹慧君；陈兆能
学　校: 上海交通大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 机电一体化系统方案生成时域参数方案设计过程对象逻辑行为信息量系统功能结构逻辑结构技术系统
分类号: TH-39
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

系统方案的生成具有较高的创新层次。现行的机电一体化系统方案设计基本上是依赖于设计者的经验,并没有形成科学的设计方法,因此,如何从依赖经验的设计进化为遵循科学理论和方法的设计是产生创新方案的关键。本文以实现工作机功能的机电一体化系统为研究对象,对机电一体化系统方案创新设计理论与方法进行了系统、深入的研究,主要就以下六个方面进行了研究:1.构建了机电一体化系统功能结构不同技术系统对“功能”这个术语的理解和描述在物理效应、物质/能量/信息的变换以及数据运算间的逻辑关系等方面差异很大。构建了机电一体化系统的功能结构,提出、阐述了机电一体化系统的若干基本特性和诸特性间的关系,以及机电一体化系统设计的若干原理,从而为进一步提出系统设计模型和方法奠定了基础。2.阐述了机电一体化系统逻辑结构,提出了基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型及三子系统设计方法认为机电一体化系统本质上是现代机械系统。从功能出发可将机电一体化系统划分为控制和执行两大功能模块。机电一体化系统具有单元级和系统级逻辑结构。提出基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型,以及三个子系统的设计方法。用单元化设计思想——控制功能分散和控制回路独立,来进行机电一体化系统设计,选用适当的配套部件加以实现,是快速、高效、可靠地开发机电一体化系统的有效途径。3.提出了机电一体化系统方案生成推理进程模型及计算机辅助求解策略基于变换功能的层次性和目的功能(效应)的多元性,建立了变换功能和目的功能(效应)特征模型,提出了针对机电一体化系统创新方案生成的功能空间拓展及推理规律。提出了一种变换功能、技术、目的功能、作用原理解循环求解的计算机辅助方案生成进程模型,在此基础上提出了适用于计算机处理的方案生成与/或树形式化表达方法,探讨了相应的求解算法。4.提出并阐述了机电一体化系统方案优选的信息量原理将公理设计的基本原理(尤其是信息公理)应用于机电一体化系统方案优选过程,对广泛存在于设计过程中的不确定性进行了深刻阐释。基于机电一体化系统功能、状态的定性、定量双重属性和时变本质,提出了基于信息量的功能需求、设计参数、机电一体化率、控制效率等概念,以及机电一体化系统方案优选的一系列原理:时域参数控制原理、信息量大优先原理、最大控制效率原理,从而为有效改善机电一体化系统的性能、选择较优设计方案提供了新的思路。5.阐释了面向对象的机电一体化系统方案表达方法针对以往机电一体化设计文献过于强调系统物理结构和物理行为、忽视系统逻辑结构和逻辑行为的现状,本文用面向对象思想对机电一体化系统的结构、行为和原理方案解进行了阐释。机电一体化系统的逻辑结构可以由面向对象的参考模型或基于统一建模语言(UML,Unified Modeling Language)的类图来进行表达;为了描述对象(以及系统与环境)间的接口(通讯)行为,使交互可视化,应用消息序列图(MSC, Message Sequence Charts)来表达机电一体化系统逻辑行为。在此基础上,以CD播放机为实例,应用统一建模语言和消息序列图对机电一体化系统各主要子系统/组件的原理方案解进行了全面的表达。6.应用实例深入研究了快速成型机(激光分层实体制造系统、熔融挤压成型系统)、激光影碟机等典型机电一体化系统的方案设计及优选,对提出及拓展的各种理论及方法进行了验证。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-11
第一章绪论  11-24
  1.1 课题来源及研究意义  11
  1.2 机电一体化内涵与机电一体化系统  11-13
    1.2.1 机电一体化的内涵  11-12
    1.2.2 机电一体化系统与机械、电子、软件系统的差异  12-13
  1.3 机械系统方案设计研究综述  13-16
    1.3.1 机械系统方案设计的关键技术与研究现状  13-15
    1.3.2 存在的主要问题  15
    1.3.3 机械系统方案设计理论与机电一体化系统方案设计  15-16
  1.4 机电一体化系统方案设计研究综述  16-20
    1.4.1 对机电一体化系统方案设计理论的迫切需求  16
    1.4.2 机电一体化系统方案设计研究现状综述  16-19
    1.4.3 机电一体化系统方案设计研究中存在的主要问题及症结分析  19-20
  1.5 机电一体化系统方案设计需解决的关键问题  20-21
  1.6 本文主要内容  21-24
第二章机电一体化系统功能结构  24-41
  2.1 引言  24
  2.2 技术系统设计的理论基础  24-27
    2.2.1 技术系统理论的主要观点  24-25
    2.2.2 域理论的主要观点  25-26
    2.2.3 系统设计的垂直因果链原理  26-27
    2.2.4 三子系统中的功能内涵  27
  2.3 机电一体化系统的功能结构  27-37
    2.3.1 机电一体化系统的变换功能、目的功能和状态变迁  27-33
      2.3.1.1 变换功能和目的功能  27-30
      2.3.1.2 状态变迁和变换功能  30-33
      2.3.1.3 状态变迁和目的功能  33
    2.3.2 机电一体化系统的信息结构  33-34
    2.3.3 机电一体化系统中的从属功能  34-36
      2.3.3.1 从属功能  34
      2.3.3.2 控制功能  34-35
      2.3.3.3 控制功能的实现  35-36
    2.3.4 机电一体化系统功能模型  36-37
  2.4 应用实例：电话机系统功能建模  37-38
  2.5 本章小结  38-39
  附：本文提出的机电一体化系统基本特性  39
  附：本文提出的机电一体化系统设计原理  39-41
第三章机电一体化系统逻辑结构和三子系统设计  41-58
  3.1 引言  41
  3.2 机电一体化系统逻辑结构  41-44
    3.2.1 机电单元(ME)及其逻辑结构  41-43
    3.2.2 基于ME的机电一体化系统逻辑结构  43-44
  3.3 执行子系统设计  44-47
    3.3.1 机电一体化系统的单元化设计思想  44-45
    3.3.2 执行单元（ME）的集成设计  45-47
    3.3.3 执行子系统生成——ME耦合  47
  3.4 信息处理与控制子系统设计  47-53
    3.4.1 信息处理和控制子系统设计过程  47-50
      3.4.1.1 信息处理和控制子系统的基本构成  47-48
      3.4.1.2 信息处理和控制子系统的设计过程  48-50
    3.4.2 信息处理与控制系统硬件设计  50-52
      3.4.2.1 电子系统设计概述  50-51
      3.4.2.2 电子部件设计  51
      3.4.2.3 电路设计  51-52
    3.4.3 信息处理与控制系统软件设计  52-53
      3.4.3.1 软件的内涵  52
      3.4.3.2 软件系统方案设计  52-53
  3.5 传感检测子系统设计  53-54
    3.5.1 传感检测子系统概述  53
    3.5.2 传感检测子系统的设计过程  53
    3.5.3 驱动部件与传感器的匹配条件  53-54
  3.6 基于机电单元的机电一体化系统方案设计  54-56
    3.6.1 基于机电单元的机电一体化系统方案设计过程模型  54-55
    3.6.2 机电一体化系统集成设计  55-56
  3.7 本章小结  56-58
第四章机电一体化系统方案生成推理及计算机辅助求解策略  58-78
  4.1 引言  58
  4.2 变换功能特征模型  58-59
  4.3 目的功能（效应）特征模型  59
  4.4 机电一体化系统方案生成推理策略  59-69
    4.4.1 基于变换功能拓展的技术推理  60-62
    4.4.2 基于技术的变换功能向目的功能(效应)的推理  62-63
    4.4.3 目的功能向作用原理的推理  63-67
      4.4.3.1 作用原理定量推理  63-66
      4.4.3.2 作用原理定性推理  66-67
    4.4.4 机电一体化系统方案生成推理进程模型  67-69
      4.4.4.1 单一功能求解的方案生成推理进程模型  67-68
      4.4.4.2 机电一体化系统方案生成的循环映射进程模型  68-69
  4.5 机电一体化系统方案生成的计算机辅助求解策略  69-74
    4.5.1 方案生成进程形式化表达  69-70
    4.5.2 方案生成与/或树  70-74
      4.5.2.1 问题归约  70
      4 5.2.2 与/或树  70-71
      4.5.2.3 方案生成与/或树  71-72
      4.5.2.4 代价优先求解算法  72-74
  4.6 方案生成推理实例  74-77
    4.6.1 实例一  75-76
    4.6.2 实例二  76-77
  4.7 本章小结  77-78
第五章基于信息量原理的机电一体化系统方案优选  78-91
  5.1 引言  78-79
  5.2 信息计算模型的建立  79-82
    5.2.1 公理设计简介  79-80
    5.2.2 信息公理中信息计算模型的建立  80-82
  5.3 功能信息量和设计参数  82-87
    5.3.1 功能信息量  82-83
    5.3.2 设计参数  83-87
      5.3.2.1 设计参数的分类  83-85
      5.3.2.2 设计参数分类的相对性  85-86
      5.3.2.3 设计参数信息量  86-87
  5.4 机电一体化系统方案优选的信息量原理  87-90
    5.4.1 机电一体化系统方案优选的时域参数控制原理  87-88
    5.4.2 机电一体化系统方案优选的信息量大优先原理  88-89
    5.4.3 机电一体化系统方案优选的最大控制效率原理  89-90
  5.5 本章小结  90-91
第六章面向对象的机电一体化系统方案表达  91-109
  6.1 引言  91
  6.2 面向对象的机电一体化系统逻辑结构表达  91-94
    6.2.1 机电一体化系统逻辑结构的参考模型表达  91-93
    6.2.2 机电一体化系统逻辑结构的UML 表达  93-94
  6.3 机电一体化系统的逻辑行为表达  94-96
    6.3.1 机电一体化系统的行为  94
    6.3.2 机电一体化系统逻辑行为的MSC 表达  94-96
  6.4 面向对象的机电一体化系统方案表达  96-98
  6.5 机电一体化系统方案表达实例：CD 机  98-108
    6.5.1 旋转组件  98-99
    6.5.2 插入/弹出单元  99-101
    6.5.3 CD 阅读器  101-104
    6.5.4 旋转组件控制器  104-106
    6.5.5 CD 阅读器控制器  106-107
    6.5.6 接口对象和知识对象  107-108
      6.5.6.1 接口对象  107
      6.5.6.2 知识对象  107-108
  6.6 本章小结  108-109
第七章快速成型系统应用实例  109-126
  7.1 引言  109
  7.2 快速成型系统方案设计  109-119
    7.2.1 激光分层实体制造系统方案设计  109-115
      7.2.1.1 系统简介  109-110
      7.2.1.2 SSM系统功能分析  110-111
      7.2.1.3 SSM系统耦合设计  111-112
      7.2.1.4 基于信息量原理的SSM 系统方案优选  112-115
    7.2.2 熔融挤压成型系统方案设计  115-119
      7.2.2.1 系统简介  116
      7.2.2.2 系统解耦  116-118
      7.2.2.3 单元耦合  118-119
  7.3 SSM 工艺参数匹配控制系统设计  119-125
    7.3.1 数学建模  120-121
    7.3.2 参数匹配控制系统方案设计  121-122
      7.3.2.1 跟踪耦合控制系统  121-122
      7.3.2.2 跟踪耦合控制系统的限制  122
    7.3.3 系统仿真实验  122-124
      7.3.3.1 仿真模型  122-123
      7.3.3.2 仿真结果分析  123-124
    7.3.4 实验验证  124-125
      7.3.4.1 定性实验  124
      7.3.4.2 定量实验  124-125
  7.4 本章小结  125-126
第八章总结与展望  126-128
  8.1 全文总结  126-127
  8.2 深化及展望  127-128
参考文献  128-137
攻读博士学位期间发表或录用学术论文  137-138
致谢  138-140

机电一体化系统方案生成及优选研究

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