系统的构成与基本性能

本节先对2.3.1小节的两个实例进行分析,找出其共性,然后得出“系统”的构成和基本特性。

1.系统的共性

(1)工作对象

一般是“物”。工作对象是建立系统的根本依据;建立系统是为了解决实际问题,没有对象就没有问题,也就不用建立系统。这是建立系统的第一要素,必须牢牢记住这一点。

(2)工作任务

有时也称对系统的功能要求。工作任务是由需要该系统工作的人提出的系统的用途(客户需求),设计者对客户需求进行分析,将其变为系统的功能需求,即功能要求。可见工作任务也是建立系统的根本依据;不知道系统干什么用又如何去建立系统呢?即无从确定系统中的“执行者”和“操控者”。它与工作任务一样,也是建立系统的第一要素。

(3)执行者

执行者是执行“工作任务”的“承载者”。对机电一体化系统而言,就是广义执行子系统。没有执行者谁去完成“工作任务”?所以,执行者是系统构成的结构要素之一。

(4)操控者

操控者是对“承载者”进行操作控制的人或装置。在机电一体化系统中,就是检测控制子系统。没有操控者,执行者就不知道如何进行工作,所以操控者也是系统构成的结构要素之一。

(5)系统环境

任何系统都是为完成一定的“工作任务”而建立的,它们总要占据着一定的空间,处于某一个时间段(或说时期)。空间和时间都在影响着它们。例如,系统周围的温度、湿度、环境污染(风、电、磁、噪声、振动、灰尘、腐蚀气体等)对系统的影响;随着时间的延续,系统寿命的缩短等。反过来,系统也影响着周围的环境,这些例子太多了,现在地球上的污染这么严重,不就是各种各类的生产系统、生活系统造成的吗?

此外,系统与其环境之间还可能有能量交换、信息交换和物质交换。

因此,我们在建立系统时一定要考虑“系统环境”与“系统”的相互影响。故而“系统环境”是系统构成的环境要素。

(6)能量流

系统要工作,对“工作对象”进行“处理”或“变换”,必须给系统能量,这些能量在系统内的“执行者”中传递或转换,最后输出给“工作对象”,对“工作对象”做功,改变工作对象的原有状态。如收集机器人,输入电能或气压能(能量输入)都转变成机械能,传递到驱动轮或手臂、手爪(能量转换、传递)对松糕做功(能量输出),将松糕由货架上取下,搬运到储物筐内。在这个过程中,能量在“执行者”中不断地转换与传递,形成了一个“能量流”,这个能量流在流动过程中,始终遵循着能量守恒定律。可见能量流是系统构成的动态要素之一。

在此须强调的是“能量流”的承载者是“执行者”(广义执行子系统),是它从外界获取“能量”,经“执行者”转换与传递,最后输出给“工作对象”而做功。

(7)信息流

当系统对“工作对象”进行“处理”或“变换”时,必须有操控者随时了解“执行者”和“工作对象”的运动状态以不断地协调二者之间的关系,调整“执行者”的动作,使之按“工作任务”的要求去工作。比如,收集机器人在抓取、搬运松糕的过程中,不断地将定位传感器和寻位传感器采集到的位置信息(信息输入)传给控制器,经处理后(信息传输、处理)将控制指令传给驱动控制器(信息输出),控制驱动轮的动作,使机器人迅速找到松糕和储物筐的位置。在这一过程中,于“执行者”“工作对象”和“操控者”之间就形成了一个“信息流”。可见信息流也是系统构成的动态要素之一。

在此需强调的是“信息流”的承载者就是“操控者”(检测控制子系统),是它将传感器检测到的信息在“操控者”中不断地传输与处理,最后输出给“执行者”。

(8)物质流

建立系统的目的就是按“工作任务”的要求对“工作对象”(物品)进行“处理”或“变换”(一般是物品“移动”或“变形”),因此,必须先把“工作对象”(物品)输入给系统,经系统“处理”“变换”以后,再交还给需要者。比如,收集机器人的“工作任务”是将松糕从货架上取下来(“物”输入),搬运到储物筐内去(物移位、输出)。在这一过程中,松糕从货架到储物筐就形成了一个“物质流”,这个物质流在流动过程中始终遵循质量守恒定律。如前所述,建立系统就为了“物质流动”(即移位、变形)。因此,“物质流”更是系统构成的动态要素之一。

在此须强调的是“物质流”的承载者是“工作对象”,正是由于“工作对象”的“流动”,系统才完成了“工作任务”。

(9)优化目标

任何系统都有优化目标。如收集机器人的优化目标是“搬运的全过程所用时间最短”,五轴龙门数控机床的优化目标是“加工成本最低,生产效率最高”。给系统设置优化目标的目的是使系统各要素组合在一起之后,综合性能最好。因此,优化目标是建立系统的综合要素,系统优化是建立系统的主要目的。

2.系统的构成

根据上面的分析,可由系统的共性,得出系统的构成,如图2-6所示。

图2-6　系统构成图

关于图2-6的说明:

(1)“系统工程”思想是人们解决实际工程问题的一种思维方法。

在没有“系统工程”思想之前,人们也一直在解决实际工程问题,但往往是就事论事,没有“系统综合”,没有“优化目标”,致使整体效果不一定最佳。而“系统工程”思想首先是将一个工程问题视为一个“工程系统”,然后对该系统进行动态分析,按“优化目标”进行整体优化,经过对系统固有特性的反复修正,得到效果最佳的系统方案。图2-6就是按“系统工程”思想对实际工程问题(或说工程系统)建立的一般性的物理模型,该模型揭示了系统的三个基本特征:第一个基本特征是系统一定有一个基本构成模式,这就是图中边界内的“系统构成要素”,它描述了系统本身的固有特性和运动状态,是系统分析的基础。第二个基本特征是系统分析一定要考虑环境对它的影响,这就是图中边界外的“系统环境”,系统与环境在边界处不断地进行物质、能量、信息的交换,系统才能运动起来。第三个基本特征是系统一定有“输入”和“输出”,使系统运转起来进行正常的工作。同时,有了“输入”“输出”就可以对系统进行动态分析。对系统进行动态分析是“系统工程”的核心思想,通过动态分析,不断地修正系统本身的固有特性,逐步地使系统整体效果最优。

(2)“系统构成要素”(“系统边界”内部分)由结构要素(工作对象、执行者、操控者)和动态要素(物质流、能量流、信息流)组成。

三个结构要素描述了系统本身的固有特性;三个动态要素描述了系统的运动状态;三个结构要素是三个动态要素(三个流)的承载体。这六个要素既相对独立,又彼此相关,搞清楚它们各自的作用和相互联系,对原始系统的建立和对已有系统的分析都是十分重要的。在系统中“物质流”是主流,“工作对象”是第一要素;这是因为建立系统的目的就是要使“工作对象”按“工作任务”的要求遵循已定的运动规律“流动”起来。而“物质流”恰恰是描述“工作对象”的“运动规律”的,它是建立“能量流”“信息流”,并确定二者承载体(执行者和操控者)的依据。“能量流”驱动“工作对象”运动,在做功的过程中,依“运动规律”不断地进行能量转换与传递,这决定了其载体(执行者)的结构形式与参数。“信息流”在“物质流”与“能量流”之间起协调作用,它依“运动规律”将“物质流”与“能量流”联系起来使整个系统成为一个有机的整体,同时它也决定了其载体(操控者)的结构形式与参数。

下面我们以收集机器人为例,再将上面所说的六个要素之间的关系验证一下。由2.1节可知,在收集机器人中,“工作对象”是松糕;“工作任务”是将松糕从货架上取下,搬运到储物筐内;“动作分解”即“运动规律”是“抓取”与“搬运”。按照“系统”要素来说:①第一要素“工作对象”是松糕。②“物质流”是将松糕由货架输入给机器人,机器人将松糕搬运到储物筐旁,再输出到储物筐内(物的输入、处理、输出)。它描述了松糕的“运动规律”。③“执行者”的初步确定:依“运动规律”,将松糕从货架上取下和放入筐内(即输入、输出),采用机械手机构;将松糕由货架旁搬运到储物筐旁采用小车机构。④“能量流”与“执行者”的形式、参数的最后确定:采用气动原理驱动三个机械手的手指和第二个机械手伸缩臂运动,按照气压能转变成机械能并传递的顺序(能量流的方向)选择气缸并设计手指与伸缩臂。采用电动原理驱动第一、二个机械手升降运动,按照电能转变成机械能并传递的顺序(能量流的方向),选择电动机和绳轮传动机构。最后,再根据每个机构或构件传递能量的大小(承载大小)设计其结构形式和参数。同理,小车运动采用的是电动原理,它的设计则根据电能转换成机械能并传递的能量流选用电动机的型号和驱动轮的结构形式(全向轮)及其参数。上述设计原理将在今后的“工程力学”“机械原理”和“机械设计”中详细讲解。⑤“信息流”:传感器不断地采集松糕和机器人的信息,传输给控制器,经分析处理后,将控制信号输出给驱动控制器,控制执行者动作(信息输入、处理、输出)。这个“信息流”对松糕(“工作对象”)和机器人(执行者)的运动起到了协调作用,把“工作对象”和“执行者”有机地联系起来。⑥操控者:传感器、控制器、控制驱动器是上述信息流的载体,这三部分的设计一定要与信息流所传输的信号相匹配,也就是说传输信号决定了这三部分的具体结构形式与参数。(这些设计原理将在今后的“信号与线性系统”和“控制工程”课中详细讲解)。

(3)“系统环境”(“系统边界”外部分)对“系统”性能的影响是系统的基本特性。

环境对系统的影响举一个例子就很容易理解。例如:设计嫦娥三号和玉兔月球车时,不仅要考虑地球上常湿、常温、有空气、重力大等环境,还要考虑月球上高温、低温、无水、真空、重力变小的环境。这给设计增加了很大难度,可见将系统置于环境中考虑的必要性与重要性。

(4)划定“系统边界”也是非常重要的。

原因有二:其一是,环境是通过“边界”对系统施加影响的(如边界上的热场分布,电、磁场分布,对位移的限制,能量(力)的输入、输出,物质的输入、输出,信息的输入、输出等),在设计系统时,必须考虑这些因素。其二是,边界条件的确定并不容易。在设计系统时,必须建立系统物理模型,物理模型必有边界条件,各个学科给出的理论模型的边界条件一般都是很理想的,且类型很少。给出实际问题的边界条件并不是一件容易的事,往往需要丰富的实践经验。然而,建立正确的物理模型和边界条件恰恰是系统分析的基础。因此现在就应当记住“系统边界”的重要性,在今后学习的过程中,要特别注意在各个学科中对系统的边界是如何处理的。

3.系统的基本性能

(1)相关性

在介绍“系统构成要素”时已经讲过,系统的六个基本要素“既相对独立,又彼此相关”。“相对独立”才能将系统分解成几个相对独立的子系统或模块,便于设计和制造;“彼此相关”才能将上述各个子系统或模块再连成一个整体去完成系统的“工作任务”。这里讲的“相关性”就是强调了系统“彼此相关”的一面。

这由收集机器人的实例很容易理解这六个要素的紧密关系。在设计收集机器人时,首先要根据它的“工作对象”(松糕)的几何尺寸和位置,决定“执行者”(机器人)的手指、手臂、小车的几何尺寸,这样才能保证松糕能被机械手抓住。接着要根据“物质流”(松糕的运动规律)决定机器人的手指、手臂、小车(执行者)的具体机构形式,以便更好地完成“抓取”“搬运”动作。为了使机器人(执行者)能抓起、搬动松糕(工作对象),又必须根据松糕(工作对象)和机械手、小车(执行者)本身的惯性力和自重给机器人(执行者)选择功率(能量)足够的电动机和气缸,经能量转换与传递(能量流)去驱动手指、手臂、小车动作。在机器人(执行者)抓取搬运(物质流)的过程中,为了使手指、手臂、小车(执行者)和松糕(工作对象)能协调动作,检测控制子系统(操控者)必须随时发出控制信息;而控制信息是由传感器采集经控制器处理后发给驱动控制器的“信息流”。在设计检测控制子系统(操控者)时,又必须根据它所传输和处理的信号(信息流)来决定子系统的结构与参数。

由上面的实例可见,构成系统的六个要素是息息相关的。这六个要素中,三个结构要素(工作对象、执行者、操控者)是实体要素,它们决定了系统的固有特性;而三个动态要素(物质流、能量流、信息流)是流要素,相关性体现在流要素中,是流要素决定了三个结构要素之间和要素内各模块之间的连接接口,将这六个要素综合成一个统一的整体。在后续课程中将作详细说明。

(2)整体性

一个系统的好与坏,最终体现在它的整体效能上。上面已阐明了系统的“相关性”,在这里所讲的“整体性”就是要求我们处理好“相关性”,使系统中的六个要素能科学地进行匹配,使整体效能达到最佳。

先举一个例子说明“整体性”的含义及其重要性。比如,有一支篮球队,每个队员的个人技术都相当好,但由于“团队精神”不好,很可能得不到胜利;而另一支球队,尽管每个人的技术都不是最好,但由于“团队精神”好,团结协作如同一人,则往往能得到胜利。这里的“团队精神”就是球队的“整体性”,是否能胜利就是“效能”。

同样,一个工程系统的“整体性”对实现该系统的“整体效能”至关重要。在生产和生活中,不乏这样的实例。比如,尽管一个系统的每一个要素本身都十全十美,然而由于其整体统一性和协调性不好,往往得不到令人满意的效能;相反,尽管另一个系统中某些要素的性能并不是最好,但如果每个相关要素都能相互匹配,处于统一协调之中,则往往该系统的整体效能最优。

下面仍以收集机器人为例说明一下匹配和整体性的含义。如果松糕(工作对象)很重,而我们制作的机器人(执行者)很轻巧,选择的电动机、气缸的功率也小,则机器人(执行者)可能抓不动、搬不动松糕(工作对象);相反,松糕(工作对象)很轻,而我们制作的机器人(执行者)比较笨重,选择的电动机、气缸的功率也大,则机器人(执行者)肯定能抓起并搬动松糕(工作对象),但很不经济,浪费了金钱与材料。上述两种情况,就是“工作对象”与“执行者”匹配不好。制作的机器人的尺寸、重量,所选电动机、气缸的功率刚好适于抓取、搬运已有的松糕的尺寸和重量,这就说明“工作对象”与“执行者”相匹配。若机器人所选用的机构(执行者)在动作过程中(能量流)能使松糕(工作对象)的抓取、搬运动作(物质流)时间最短,则说明“工作对象”“执行者”“物质流”“能量流”都相匹配,否则不匹配。如果所选传感器、控制器和驱动控制器(操控者)能很准确地将采集到的信号经处理随时迅速地传输给电动机和气缸,使机器人(执行者)与松糕(工作对象)很协调地动作,则说明“工作对象”“执行者”“操控者”“物质流”“能量流”和“信息流”六个要素都匹配,系统整体性很好。

(3)目的性

目的性是从系统用途方面说的。任何一个系统都有用途,即我们前边讲的“工作任务”,也可以说是使用者对系统的功能需求。在2.2节已讲过,“工作对象”和“工作任务”是设计系统的依据,它们决定了系统的要素、结构形式和系统环境。因此,在设计一个工程系统时,一定要充分理解用户对系统的需求,在此基础上再根据科学原理与技术,将客户需求变为系统的功能需求,最后按下面所讲的层次性去进行功能模块分解。

(4)层次性

层次性是从系统功能分解方面说的。将系统按功能进行分解是一种设计思维方法,其具体思路是,将整个系统按功能需求分解成若干个子系统或功能模块,然后再对子系统或功能模块进行设计。比如,图2-5就是机电一体化系统按功能模块分解的结果,现将它按层次图重画,如图2-7所示。如何将一个系统按功能分解成层,将在第3章讲述。

图2-7　机电一体化系统结构层次图

(5)目标性

目标性是从评价系统的效能指标方面说的。一个系统的优与劣,通常由下述指标来衡量。

①技术评价指标:生产效率高。体现在系统本身的先进性、安全性、可靠性和易维护性几个方面。

②经济评价指标:成本低、利润高。体现在系统本身的设计、制造、运行成本低而销售、运营利润高。

③社会评价指标:效益高、影响好。体现在系统给人类创造的价值高而对人类的生产、生活影响小。如:系统要符合国家科技发展政策和规划,能创造可观的经济效益,有利于改善环境(污染、噪声等),有利于资源的充分利用和利用新能源。

在进行系统优化时,优化目标通常取技术指标(生产效率高)和经济指标(成本低、利润高)。因为社会指标一般是必须遵守的原则。然而这两个指标往往是矛盾的。这就需要设计者在二者之间取平衡点,掌握好生产效率“高”与成本“低”的度,取一个合适的水平。这也从另一个方面说明了注意系统的“整体性”,取整体优化的必要性。

(6)环境适应性

环境适应性是从系统抗干扰能力方面说的。由图2-6可见,系统在边界处总是与环境有物质、能量和信息的交换,那么,环境就总是对系统的输入、输出有影响。在设计系统时,一般只考虑正常的环境变化,如一年四季温度、湿度的变化;但有时也有一些意外的干扰,如地震、风灾、水灾、火灾等。因此,系统也必须对环境的突变有很好的适应性。在设计系统时,不仅要考虑常态下系统的响应,还要考虑在恶劣环境下系统的瞬态响应,尽量使这些响应(输出值)不超过允许值,以使系统在比较恶劣的环境下也能正常工作。系统这种能适应环境的变化、保持和恢复其原有功能的能力,就是它的环境适应性。