面向使用性能设计的机械产品四大系统优化设计方法

如图9-1所示，面向使用性能设计的主要目标是“产品的使用性能”；具体内容是对机械产品完成4大系统的设计，即“操作系统、监测系统、控制系统和诊断系统”的设计，其中核心内容是控制系统的设计，具体方法与手段是智能优化设计的方法。

控制系统可分为传统的控制系统和智能控制系统。传统的控制系统采用常规的控制方法，如最优控制和自适应控制等，以使产品获得良好的使用性能，而对它所采用的控制系统的智能程度并无特殊要求；智能控制系统就像人的大脑一样，它能根据工作任务和环境的变化或系统自身的变化独立地进行分析、推理、判断和决策，具有处理变化的能力。因此智能控制系统必须具有实时监测、分析、决策和执行等能力。很明显，设计完善的具有智能控制系统是实现智能优化设计目标的关键。

（1）机械产品的操纵系统 机械设备通常由一个原动机驱动，原动机有电动机、各种形式的发动机和液压马达等，这些原动机通常都附有操纵系统。操作人员在工作之前要起动这些原动机，在停止工作之前要关闭这些原动机，因此，在通常情况下，机器要附有操纵系统，因此，要对操纵系统进行设计。

（2）机械产品的监测系统 工作状态监测技术是实现数字化生产与维护的基础。对生产设备进行实时监测可以让操作者对生产过程的运行状态以及变化趋势能有一个全面了解，对可能出现的故障与异常状态及时预防。一般来讲，工作状态智能监测系统应具备四项基本功能，如图9-4所示。

图9-4 工作状态智能监测系统的四项基本功能

从控制理论的角度来看，监测控制是控制的一个重要方面，工业监测控制系统是控制在工业中的一个实际应用。从工程应用的角度来看，计算机监测控制系统是计算机监测控制系统和人工智能的有机结合，即是在常规计算机监测控制系统中引入人工智能技术。它基于常规计算机监测控制系统之上，又是后者高一层次的发展阶段。在监测控制系统中，应用模糊逻辑、神经网络和专家系统等技术，构造某些系统功能以模仿和实现人类（熟练操作工人、技术人员、专家）在监测控制过程中的某些思维和行为，使系统的性能和自动化程度得到进一步提高，都可视为监测控制系统。近年来，人们发现一些现代信息处理技术，如模式识别、聚类分析、信息融合等也从不同角度模仿了人类对信息处理的思维和行为，并将它们引入到监测控制系统中，取得了很好的结果。计算机在处理大量数据、图像信息、符号逻辑、模糊信息、知识和经验等方面，具有强大的功能，是实现监测控制最有力的、不可缺少的工具。因此，监测控制系统可以认为是自动控制、人工智能、现代信息处理（模式识别、聚类分析、信息融合）以及计算机等多门学科的集合与交叉。

（3）机械产品的控制系统 机械控制系统是由机械传动系统、工作机构、流体动力系统、电气系统及计算机组成。机械控制系统具有确定的功能，诸如：按一定的精度要求控制机器工作机构的位移、速度、运动轨迹等；为使机器满足某一目标函数，保持最优运行状态，调整机器的运行参数（速度、加速度、负载或转矩、工作机构的进给量等）；为使机器有对环境变化的自适应能力，实现自适应控制，自动调监控制器的结构参数，按预先设定的函数或运动规律控制机器或机组的运动，实现程序控制等。

随着计算机科学的发展，计算机已日益广泛地应用于各类机械控制系统中。将计算机引入机械系统，对机械科学的发展产生了深远的影响。它能够使机器充分发挥其生产能力，最大限度地降低能耗，提高机器的可靠性，促进了各类智能机器人的发展，是现代机械产品的发展方向。

按控制功能的不同，机械控制系统有如下类型：

1）位置控制。按预定精度控制机器执行机构直线位移或角位移的系统，称为位置控制系统。这类系统也称为伺服机构（Servo Mechanism）。例如机床刀架或工作台的位移控制，采煤机切割滚筒高度控制，变量泵的变量伺服机构等。

2）运动轨迹控制系统。按预定的时间函数控制机器执行机构的运动轨迹，按要求的精度形成曲线或曲面。例如巷道掘进机切割轨迹控制，机床数字程序控制等。

3）速度控制系统。速度控制系统是控制或调节机器运行速度的装置。速度控制包括：按给定值控制执行机构的运行速度，称恒速控制系统，按预定函数调整机器的运行速度，为满足某一性能指标的最佳运行状态。例如对速度进行调节的系统等。

4）力（转矩）控制系统。力控制系统是具有力反馈的闭环控制系统，按照机器的执行机构预定值或预定函数输出力或转矩，控制受载系统承受的载荷。

5）功率控制系统。功率控制系统的功能是调整机器某一运动参数（如速度、流量等），使输出功率保持恒定。对于载荷变化剧烈的机器，根据负载的变化，调节运行参数，使机器的负载功率保持恒定，可以充分发挥机器的效能，避免因长时间在超载工况下运行而引起故障的产生。

6）计算机控制系统。数字计算机参与控制的系统称为计算机控制系统。上列各类控制系统都可以是计算机控制系统。采用计算机控制，可以方便地通过软件实现不同控制算法。例如数字滤波、比例—积分—微分控制（PID）、最优控制、自适应控制、程序控制、模糊控制，以及动力机组的分级分布控制，柔性制造系统（FMS）和集成生产系统（CIMS）等。

对机械产品控制系统的一般要求：

1）系统必须是稳定的，且具有一定的稳定裕量。

2）控制系统应具有恰当的响应速度。一般要求响应速度尽可能快。但是系统必须具有合适的阻尼，以保证稳定性。对于机械系统，还必须认真考虑控制对象的质量产生的惯性负载，由于响应速度太快而产生的附加动载荷，是设计机械控制系统不可忽视的因素。(www.xing528.com)

3）控制系统应能使误差减小到零或允许的范围。一般控制系统的稳态误差不应超过2%～5%。

设计机械控制系统时，应根据控制对象的具体条件对稳定性、响应速度和控制精度进行权衡，确定一个满足控制要求的最佳方案。

机械产品控制系统的设计方法：

设计自动控制系统，必须充分了解控制对象、执行机构及构成系统所有元件的运动规律，了解系统内外扰动的性质，提出控制系统设计的技术要求和性能指标，给出确定的动态参数和寻优目标。导出所有运动规律、扰动性质、比能指标、动态参数和寻优目标的数学表达式。

在设计控制系统中需要处理的物理现象主要有电、磁、光、热的传输，以及刚体、弹性体和流体的运动。这些物理现象的运动规律由物理学中的一些基本定律确定。例如，电磁学中的克希霍夫（Kirchhof）定律和马克斯韦（Maxwell）方程，力学中的牛顿（Newton）定律，流体力学中的流量方程和热力学第二定律等。应用这些物理学基本定律可以导出自动控制系统的数学表达式。控制系统的数学表达式可以用微分方程、积分方程及差分方程。

机械产品控制系统设计的基本步骤：

1）明确控制系统的技术要求，给出各项性能指标。

2）明确扰动的性质，给出扰动的数学表达式、有关的统计特征值和频谱。

3）根据控制对象及其负载特性和控制系统所采用的元件，拟订控制系统图。

4）建立各环节和系统的数学表达式，即数学模型，对于阶次很高的系统，应进行降阶处理，得到一个实用的简化数学模型。

5）进行系统稳定性分析。

6）利用系统数学模型进行计算机仿真研究，得出一个最优的设计方案。

7）研制控制系统样机。对控制系统进行静态特性和动态特性试验，考核是否满足各项技术要求和性能指标。

8）必要时应用系统辨识方法建立各元件、环节及整个系统的数学模型。

（4）机械产品的诊断系统 随着现代工业及科学技术的迅速发展，生产设备日趋大型化、高速化、自动化和智能化，故障诊断技术正面临着新的挑战。尽管如此，因常规的诊断仪器与设备造价较低，在一般设备的诊断过程中得到广泛应用。机械产品的主要故障有摩擦、磨损、疲劳、裂纹、松动、碰磨、振动超标、失稳、油膜振荡、转子涡动、不对中与动不平衡等。而常用的诊断方法有灰色诊断、模糊诊断、神经网络诊断、专家系统诊断和小波诊断等。不管采用哪一种方法，数据的积累、经验的积累、诊断策略和知识规律是诊断技术的基础。机械设备故障诊断可以采用一般诊断方法和智能诊断方法。一般的故障诊断方法是以常规的诊断理论与技术为基础，其诊断的准确性未能达到理想的地步，目前正在向智能诊断方向发展。

机械设备故障的诊断是以可靠性理论、信息论、控制论、系统论和人工智能为理论基础，以现代测试仪器（包括智能传感器）和计算机为技术手段，结合各种诊断对象的固有规律逐步形成一套较完善的诊断方法。它大体上由三部分组成：第一部分为故障诊断物理、化学过程的研究，例如以电气、机械部件的腐蚀、蠕变、疲劳、氧化、断裂和磨损等理化原因的研究；第二部分为故障诊断信息学的研究，它主要研究故障信号的采集、选择、处理与分析过程，例如通过传感器采集设备运行中的信号（如振动、转速、温度等），再经过时域与频域上的分析处理来识别和评价设备所处的状态或故障；第三部分为诊断逻辑与数学原理方面的研究，主要是通过逻辑方法、模型方法、推理方法及人工智能方法，根据已观测的设备故障表征来确定下一步的检测部位，最终分析判断故障发生的部位和产生故障的原因。

复杂的机械系统（如智能机器人）是一个多层次系统，各层次子系统之间不仅在结构和功能上存在差异，而且子系统之间存在着非常复杂的耦合关系。在影响这些关系的一些因素中，有些因素的变化具有不确定性，导致系统输出的复杂变化。另外，从机械系统动力学角度来看，也可视为是一个复杂的非线性动力系统。对于一个非线性复杂机械系统的状态（或故障）进行长期预测，存在着“初始条件敏感性问题”，即相同的一种复杂机械系统，其初始工作条件存在微小差异，工作一定时期后，其工作状态和性能可能发生较大的差异。汽轮发电机组就是一个复杂系统，其零部件有上千个，不管哪一个零部件发生故障都会影响机组的正常工作，因此造成故障的模式种类繁多。为了确定故障部件，可以依据系统的层次划分，而对诊断过程逐层地进行。