机电系统设计课件

1、机电系统设计课件机电系统设计课件2019/9/26 机电系统设计 2 2 机电一体化系统分析基础 2.1 系统研究方法 2.2 机电系统分析的信息基础 2.3 机电一体化系统设计方法 2019/9/26 机电系统设计 2 2 机电一体化系统分析2019/9/26 机电系统设计 3 2.1 系统研究方法 系统论、信息论、控制论是机电一体化技术的理论基础，而系统工程则是机电一体化技术的方法论。进行机电一体化技术研究，无论是在系统构思、规划、设计方面，还是在系统实施或实现时，不能仅限于机械、电子、计算机或传感器等单项技术，应该用系统的观点，合理解决信息控制机构问题，有效地综合各相关技术，使系统的整体

2、性能得到提高。 2019/9/26 机电系统设计 3 2.1 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 4 2.1 系统研究方法 下面我们看一下机电一体化系统的研制过程，如图所示。在明确了机电一体化系统的“目的功能”与“规格”以后，利用机电一体化技术进行设计、制造，这一过程称为机电一体化工程。 2019/9/26 机电系统设计 4 2.1 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 5 ?2.1.1 系统研究的基本方法 ?2.1.2 系统工程方法论 2.1 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 5 ?2.1.1 系统研究2019/9/26 机电系统设计 6 2.1.1 系统

3、研究的基本方法 机电一体化技术是系统工程科学在机械电子工程中的具体应用 “系统”是系统工程的一个基本概念，在系统工程中主要是研制出新的人工系统，或者是对自然系统进行人为的加工以达到预定的目标。因为系统工程对系统的研究是定量的，所以，必须研究系统的模型，其中，不仅要有网络模型，更重要的是力求完善地建立其数学模型，对系统进行量化分析，而量化的目的是为了优化地实现目标。 2019/9/26 机电系统设计 6 2.1.1 系统研究的2019/9/26 机电系统设计 7 模型和量化也是系统工程的基本概念。为了优化地实现目标，必须对所建立的数学模型在不同条件和情况下进行计算机仿真，加以测试或预测，以便比较

4、多种方案，从中选择最优的或次优的方案，作出决策后才能使系统投入运行。这里所说的“决策”，是指从某些可能的状态或方案中，根据给定的目标，选择出优化的状态或方案，决策与仿真、优化不可分的，决策是系统工程中起重大作用的一个基本概念。 2.1.1 系统研究的基本方法 2019/9/26 机电系统设计 7 模型和量化也是2019/9/26 机电系统设计 8 系统工程一般包括如下内容： ?（1）系统的模型化与仿真技术 （与系统分析和系统模拟等有关） ?（2）系统的运筹与优化技术 （与运筹学、最优化理论等有关） ?（3）系统设计、评价与可靠性 ?（4）系统管理技术 2.1.1 系统研究的基本方法 2019/

5、9/26 机电系统设计 8 系统工程一般2019/9/26 机电系统设计 9 2.1.1 系统研究的基本方法 弹道修正过程示意图 2019/9/26 机电系统设计 9 2.1.1 系统研究的2019/9/26 机电系统设计 10 2.1.1 系统研究的基本方法 ?cossincossin22vdtdxvdtdyvgdtdgmSvcdtdv弹道方程-数学模型 2019/9/26 机电系统设计 10 2.1.1 系统研究2019/9/26 机电系统设计 11 系统研究方法 ?1.定义问题和明确系统 2.1.1 系统研究的基本方法 定义问题的目的是了解问题发生的原因以及系统所要实现的目标与处理的范围

6、。了解问题发生的原因，有利于认识系统分析的背景和原委，有助于系统分析。 2019/9/26 机电系统设计 11 系统研究方法 ?1.2019/9/26 机电系统设计 12 ?2.内部与外部研究方法 机电一体化技术外部影响因素 机电一体化技术内部影响因素 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 12 ?2.内部与外部研究2019/9/26 机电系统设计 13 ?3.过程研究 内部研究着重整体与要素、要素与要素之间的联系（结构）；外部研究着重系统与环境之间的联系（功能），从动态过程来看，这些联系总是呈现出某种形式的流动与交换物质、能量、信息的流动与交换。 过程研究就是着重从物质、能量、信息

7、的流动过程来分析系统，常用的方法有信息、反馈和控制方法。 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 13 ?3.过程研究 2019/9/26 机电系统设计 14 ?3.过程研究 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 14 ?3.过程研究 系2019/9/26 机电系统设计 15 ?3.过程研究 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 15 ?3.过程研究 系2019/9/26 机电系统设计 16 ?3.过程研究 系统研究方法 2019/9/26 机电系统设计 16 ?3.过程研究 系2019/9/26 机电系统设计 17 2.1.2 系统工程方法论 ?方法和方法论在认识

8、上是两个不同的范畴。方法是用于完成一个既定任务的具体技术和操作；而方法论是进行研究和探索的一般途径，也就是解决问题的基本程序和逻辑步骤，是对方法如何使用的指导。 ?系统工程方法论是研究和探索（复杂）系统问题的一般规律和途径。 ?系统工程方法论的特性： ?描述性（自然科学）：内在的因果关系与机理 ?规范性（工程技术）：一定的逻辑程式 ?对话性（系统工程）：系统工程人员、决策者、评论者、公众 2019/9/26 机电系统设计 17 2.1.2 系统工程2019/9/26 机电系统设计 18 处理复杂系统问题的基本观点 ?整体观点：把系统内部所有要素看成一个整体 ?综合观点：综合考虑系统的方方面面，

9、协调系统内各要素之间的关系。 ?层次观点：处理复杂问题时要抓住问题的主要矛盾，抓住主要矛盾的主要方面。 ?价值观点：考虑系统的投入与产出 ?发展观点：用动态的、发展的观点去思考、研究、解决系统问题。 2019/9/26 机电系统设计 18 处理复杂系统问题的基2019/9/26 机电系统设计 19 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/26 机电系统设计 19 2.1.2 系统工程2019/9/26 机电系统设计 20 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/26 机电系统设计 20 2.1.2 系统工程2019/9/26 机电系统设计 21 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/2

10、6 机电系统设计 21 2.1.2 系统工程2019/9/26 机电系统设计 22 最具代表性的系统工程方法论有: ? 霍尔“三维结构” ? 并行工程 ? 综合集成方法 ? 切克兰德的“学习调查”法 ? 物理事理人理（WSR） 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/26 机电系统设计 22 最具代表性的系统工2019/9/26 机电系统设计 23 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/26 机电系统设计 23 2.1.2 系统工程2019/9/26 机电系统设计 24 ?霍尔三维结构是由美国学者AD霍尔(ADHall)等人在大量工程实践的基础上，于1969年提出的。其内容反映在可以直观

11、展示系统工程各项工作内容的三维结构图中。 ?霍尔三维结构集中体现了系统工程方法的系统化、综合化、最优化、程序化和标准化等特点，是系统工程方法论的重要基础内容。 2.1.2 系统工程方法论 2019/9/26 机电系统设计 24 ?霍尔三维结构是由美 霍尔三维结构 知识维 是指处理系统问题所需要的知识，应该强调地是，由于系统的综合性，除包括系统的专门知识外，还有跨学科的知识。 霍尔的“三维结构”是指对于所处理的系统问题，从所需要的专业知识、处理问题的思维步骤和处理问题的工作程序阶段，相应地称为“知识维”、“逻辑维”、“时间维”的三维结构的系统工程工作模型。 霍尔三维结构 知识维 是指处理系统问题

12、所需要的知识，应 霍尔三维结构 逻辑维 是指应用系统工程方法，处理各阶段系统问题的步骤。 摆明问题（Problem Definition），在系统调研的基础上，对系统和系统处理环境、拟解决系统问题及系统未来发展作出分析； 逻辑维 确定系统目标（Selecting Objectives），选择评价系统功能的指标体系、评价准则； 系统综合（System Synthesis），根据权衡研究结果，应用各种系统综合原理或法则，构造可行的系统配置和系统整体性能指标的过程，系统综合是系统分析的逆过程，没有系统分析就没有系统综合，没有系统综合就没有系统分析的必要，系统综合提出并形成系统的可行方案，一般是提出多

13、个方案； 逻辑维 系统分析（System Analysis），借助各种方法和工具，对用户需求、系统可行性、风险性、系统组成方案、功能、性能、设计方法、技术途径选择、试验结果等进行分析的过程，包括建模与仿真，系统分析贯穿于系统工程的始终，简言之，系统分析是根据问题进行系统建模，以便分析、推断系统发展的各种可能结果； 逻辑维 系统优化分析（Selecting Best System），基于系统模型，进行优化分析，对方案进行比较，判断方案优劣； 逻辑维 决策分析（Decision Analysis），决策与优化分析的区别在于，在决策中要考虑决策者对价值及风险的偏好，通过决策分析，对优化方案进行排序，

14、寻求满意方案，推荐给决策者，对系统方案作出最终抉择； 逻辑维 实施计划（System Development），对所抉择的满意方案付诸实施。 霍尔三维结构 逻辑维 是指应用系统工程方法，处理各阶段 霍尔三维结构 时间维 是指分析处理系统的工作进程，即系统工程从开始到结束的基本过程。 霍尔三维结构 时间维 是指分析处理系统的工作进程，即系2019/9/26 机电系统设计 28 2.2 机电系统分析的信息基础 随着系统的不断扩展，目标多元化等复杂程度的提高，为改善和发展这些系统必须依靠充分和有效的信息量，才能提高决策的可靠程度。 系统分析的意义是针对系统所面临的问题，收集相关的资料，以了解产生问题

15、的原因所在，进而提出解决问题的方法与可行的逻辑方案，满足系统需求，实现预定的目标。系统分析必须依赖于足够和有效的内部因素和外部条件信息，才能开展、获得合理和可靠的结果。 数据和信息是机电一体化系统分析或系统工程的基础。系统分析工作开始之前要进行数据收集，并将它们加工与处理成有用的信息。 2019/9/26 机电系统设计 28 2.2 机电系统分析2019/9/26 机电系统设计 29 2.2 机电系统分析的信息基础 ?2.2.1 信息及其度量 ?2.2.2 数据收集与处理 ?2.2.3 机电一体化通信系统基本模型 ?2.2.4 机电一体化系统的信息传输过程 2019/9/26 机电系统设计 2

16、9 2.2 机电系统分析2019/9/26 机电系统设计 30 2.2.1 信息及其度量 2019/9/26 机电系统设计 30 2.2.1 信息及其2019/9/26 机电系统设计 31 2.2.1 信息及其度量 2019/9/26 机电系统设计 31 2.2.1 信息及其2019/9/26 机电系统设计 32 2.2.1 信息及其度量 2019/9/26 机电系统设计 32 2.2.1 信息及其2019/9/26 机电系统设计 33 2.2.1 信息及其度量 2019/9/26 机电系统设计 33 2.2.1 信息及其2019/9/26 机电系统设计 34 2.2.1 信息及其度量 201

17、9/9/26 机电系统设计 34 2.2.1 信息及其2019/9/26 机电系统设计 35 2.2.2 数据收集与处理 2019/9/26 机电系统设计 35 2.2.2 数据收集2019/9/26 机电系统设计 36 数据收集的几个途径： （1）直接测量，获取与系统有关事物的属性、行为和结果的表征量； （2）间接获取，从已经存在的数据源处获取，如：统计部门、企业管理部门等； （3）专家经验，征集专家和有关人员的经验、意见、知识和数据等。 2.2.2 数据收集与处理 2019/9/26 机电系统设计 36 数据收集的几个途2019/9/26 机电系统设计 37 2.2.3 机电一体化通信系统

18、基本模型 机电一体化通信系统包括信源、信道与信宿三大部分 2019/9/26 机电系统设计 37 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 38 2.2.3 机电一体化通信系统基本模型 2019/9/26 机电系统设计 38 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 39 2.2.3 机电一体化通信系统基本模型 2019/9/26 机电系统设计 39 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 40 2.2.3 机电一体化通信系统基本模型 2019/9/26 机电系统设计 40 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 41 2.2.3 机电一体化

19、通信系统基本模型 2019/9/26 机电系统设计 41 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 42 2.2.3 机电一体化通信系统基本模型 2019/9/26 机电系统设计 42 2.2.3 机电一体2019/9/26 机电系统设计 43 2.2.4 机电一体化的信息传输 ?1 模拟信号传输 ?2 数字信号传输 ?3 模拟信号数字化方法 ?4 脉冲编码调制 2019/9/26 机电系统设计 43 2.2.4 机电一体2019/9/26 机电系统设计 44 1、模拟信号传输 机电系统信号传递过程 r(t) t 0 e(t) t 0 e(kT) t t t t 0 0 0 0 m

20、(kT) m(kT) c(t) 2019/9/26 机电系统设计 44 1、模拟信号传输 2019/9/26 机电系统设计 45 1、模拟信号传输 2019/9/26 机电系统设计 45 1、模拟信号传输 2019/9/26 机电系统设计 46 2、数字信号传输 2019/9/26 机电系统设计 46 2、数字信号传输 2019/9/26 机电系统设计 47 数字通信与模拟通信相比，有以下优点： （1）抗干扰、抗噪声能力强，无噪声积累。 （2）便于加密处理，保密性强。 （3）差错可控。 （4）利用现代技术，便于对信息进行处理、存储、交换。 （5）便于集成化，使通信设备微型化。 2、数字信号传输

21、 2019/9/26 机电系统设计 47 数字通信与模拟通信相2019/9/26 机电系统设计 48 数字通信与模拟通信相比，有以下缺点： （1）数字信号占用的频带宽。 以电话为例，一路数字电话一般要占据2064kHz的带宽，而一路模拟电话仅占用约4kHz带宽。如果系统传输带宽一定的话，模拟电话的频带利用率要高出数字电话的515倍。 （2）对同步要求高，系统设备比较复杂。 数字通信中，要准确地恢复信号，必须要求收端和发端保持严格同步。因此，数字通信系统及设备一般都比较复杂，体积较大。随着数字集成技术的发展，各种中、大规模集成器件的体积不断减小，加上数字压缩技术的不断完善，数字通信设备的体积越来

22、越小。 2、数字信号传输 2019/9/26 机电系统设计 48 数字通信与模拟通信相2019/9/26 机电系统设计 49 ?1、采样 ?2、量化 ?3、编码 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 49 ?1、采样 ?2、量2019/9/26 机电系统设计 50 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 50 3、模拟信号数字化 2019/9/26 机电系统设计 51 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 51 3、模拟信号数字化 2019/9/26 机电系统设计 52 ?1、采样电路 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26

23、 机电系统设计 52 ?1、采样电路 3、2019/9/26 机电系统设计 53 ?1、采样电路 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 53 ?1、采样电路 3、2019/9/26 机电系统设计 54 实际信号处理电路中，可用开关函数Sa(t) ，也就是单位幅度矩形脉冲序列来实现采样。这是一种软件实现方法，可以避免信号处理电路中对开关的控制，简化了电路设计。 ?1、采样电路 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 54 2019/9/26 机电系统设计 55 ?2、采样定理 采样定理表示的是采样信号fs（nTs）的频谱与原模拟信号f(t)的频谱之间的关

24、系，以及由采样信号不失真地恢复原模拟信号的条件。上式表示的采样信号是一串延时的单位脉冲加权和。在t = nTs时，采样信号的强度（幅度）等于采样值fs（nTs）；在tnTs时，采样信号的幅度为零。 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 55 ?2、采样定理 2019/9/26 机电系统设计 56 ?3、信号量化 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 56 ?3、信号量化 3、2019/9/26 机电系统设计 57 ?3、信号量化 3、模拟信号数字化 方法 量化器允许的最大输入信号幅度称为工作范围。根据量化要求，将工作范围的电压值分成N个量化级或量化区

25、间（层），每个量化级用一个电平值表示，这个电平值叫量化电平值。落入每层的PAM信号将由该层的量化值表示，于是，PAM信号的幅值就量化成了N个电平值，即由N个量化电平值来表示输入的PAM信号的各种幅度。 2019/9/26 机电系统设计 57 ?3、信号量化 3、2019/9/26 机电系统设计 58 ?3、信号量化 由于量化的结果信号只能取有限个量化电平之一，因此量化过程不可避免地要造成误差（即将精确样值舍入到最接近的量化电平的过程中会损失信息）。这种舍零取整造成的误差叫做量化误差，并且把量化误差产生的噪声叫量化噪声。量化误差会造成信号还原时的失真。 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/2

26、6 机电系统设计 58 ?3、信号量化 2019/9/26 机电系统设计 59 ?4、编码理论 所谓编码，就是对每个量化电平值赋予一个特定的代码，以便接收端根据这一特定代码还原量化后的样值。有多少个量化值就需要多少种代码组，代码组的选择是任意的，只要满足编码与样值成一一对应关系即可。 简单地，“采样”是将模拟信号在时间上离散化的过程；“量化”是将模拟信号在幅度上离散化的过程；“编码”是将量化后样值用一定代码来表示。 3、模拟信号数字化 方法 2019/9/26 机电系统设计 59 ?4、编码理论 2019/9/26 机电系统设计 60 2019/9/26 机电系统设计 60 2019/9/26

27、 机电系统设计 61 2019/9/26 机电系统设计 61 2019/9/26 机电系统设计 62 折叠二进制码是沿中心电平上下对称，且适于表示正负对称的双极性信号的一种码型。 这种码与自然二进制码的对应关系为: bn=an bi=（a的非值）异或（ai） 式中，an是自然二进制码；bn是折叠二进制码；i是大于1的整数；n是最高权位数； （1）折叠二进制码与自然二进制码的最高位相同，即bn=an （2）对于正样值，两者的各码位均相同，即bi=0异或ai=ai （3）对于负样值，除最高一位相同外，折叠二进制码的其余各位码均是自然二进制码的非值，即bi=1异或ai 2019/9/26 机电系统设

28、计 62 折叠二进制码2019/9/26 机电系统设计 63 实用中，折叠二进制码的最高一位代表信号的极性，称作极性码。其余各位码代表幅度绝对值的大小，称为幅度码或电平码。绝对值相等的符号，其幅度码相同。可以看出，折叠二进制码的幅度码是以零为界折叠对称的，所以叫折叠二进制码。 2019/9/26 机电系统设计 63 实用中，折叠2019/9/26 机电系统设计 64 2019/9/26 机电系统设计 64 2019/9/26 机电系统设计 65 格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反

29、射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码方式，因为，自然二进制码可以直接由数/模转换器转换成模拟信号，但某些情况，例如从十进制的3转换成4时二进制码的每一位都要变，使数字电路产生很大的尖峰电流脉冲。而格雷码则没有这一缺点，它是一种数字排序系统，其中的所有相邻整数在它们的数字表示中只有一个数字不同。它在任意两个相邻的数之间转换时，只有一个数位发生变化。它大大地减少了由一个状态到下一个状态时逻辑的混淆。另外由于最大数与最小数之间也仅一个数不同，故通常又叫格雷反射码或循环码。 2019/9/26 机电系统设计 65 格雷码是一种2019/9/26 机电系统设计 66 自然二进制码与格雷码的对照表： 作业：说明格雷码转换为自然二进制码的原则，并编写C语言函数，在VC+平台实现 2019/9/26 机电系统设计 66 自然二进制码与格雷码2019/9/26 机电系统设计 67 4、脉冲编码调制（PCM） 2019/9/26 机电系统设计 67 4、脉冲编码调制（P2019