这个模块所介绍的内容不是机电一体化系统设计所专有的,但又是不可少的,因此称它们为辅助专业课。本模块设两门课,第一门是“计算机仿真技术”,第二门是“人机工程”。第一门课的知识用于自动控制系统的仿真优化,第二门课的知识使整个系统设计更人性化。这都是机电一体化设计中不可缺少的工作。下面分别介绍这两门课的内容。
1.“计算机仿真技术”
“计算机仿真技术”对机械电子工程专业来说是一门专业基础课,但由于只想让学生学一点利用现有程序对系统优化做仿真实验的知识,并不做全面系统的介绍,所以将该课列为辅助专业课。我们欲检测实际系统的动态性能,其方法是:首先组建一个检测系统,将其输入端接到实际系统的欲测点上;然后给实际系统输入所需要处理的物质和信号;最后在检测系统的输出端观看实际系统输出量的变化状况,若输出符合设计任务书的要求,则产品(系统)是合格产品,而所做的设计,就是合格的设计;若输出结果不符合设计任务书的要求,则要推倒重来,重新设计与制造。这样做的结果,可以说是费时、费力、费材料,所以人们才想出计算机仿真的方法,由计算机的模拟实验,代替实际系统的检测试验,这样既省材料,又省时、省力,因此仿真技术发展很快。
计算机仿真需要解决四个问题:第一,要建立一个切合实际的“系统物理模型”(线性或非线性,连续或离散,时变或非时变等),这是仿真结果好坏的关键;第二,将物理模型用数学模型表示(代数方程、微分方程、其他形式的数字方程或函数);第三,将上述数学模型转变为计算机能处理的数字模型;第四,求解、计算并输出动态结果(一般为动态变化图形)。
解决第一个问题不仅需要有扎实的理论基础,更需要系统的专业知识和丰富的解决实际工程问题的经验;第二个问题在基础课和专业基础课中已经解决;第三个问题在计算数学和有限元方法中已经解决;在本门课要解决的就是第四个问题,即仿真试验(计算及结果输出)问题。
本门课的知识要点如下。
(1)基本知识
①计算机仿真简介:定义、分类、应用。
②建立系统物理模型(复习基础课和专业基础课有关内容)。
③建立数学模型(复习工程力学、电工电路、检测控制等模块的有关内容)。
④将数学模型转换为计算机处理的数字化模型(建仿真模型,复习计算数字、有限元法有关内容)。
⑤计算机仿真平台介绍〔Matlab/Simulink(主),Swarm——multi-Agent(辅)〕。
(2)基本技能(能对机电一体化自动控制系统仿真)
①自动控制系统稳定性仿真(零极点匹配法)。
②自动控制系统参数优化仿真。
(3)在机电系统中的应用
①在概念设计阶段,进行方案比较时可用仿真技术进行方案优化。
②在详细设计阶段,采用并行设计的理念,用仿真技术对自动控制系统进行系统参数优化。
2.“人机工程”
“人机工程”是机械电子工程专业的一门辅助专业课。过去的设计一般只注意功能的实现,对于人们操作是否舒服,考虑得比较少。本门课的任务是向设计者宣传以人为本的思想,在进行机电一体化产品(系统)设计时,不仅要考虑产品功能的实现,更要考虑人们操作它是否舒适,维护它是否方便,这是人类社会更加文明、进步的表现。设本门课的目的就是希望同学们在今后的设计中始终贯穿人本位的理念。不仅如此,还要贯穿到各种工作中。
本门课的知识要点如下。
(1)基本知识
①人体工程学:是将“人”看作一个“自然系统”进行研究的科学,人与其他系统一样,具有系统结构、系统输入、系统处理、系统输出以及环境对系统的影响等。
a.人体结构:人体各部分〔头、颈、肩宽、臂长(大小臂)、手长、手指、上身长、腿长(大小腿)、脚长与宽〕的尺寸、总身高、体重。
b.输入系统——人的感觉系统:视觉、听觉和触觉特征,前庭感觉,神经及其信息传导。
c.处理系统——人对信息的加工过程:信息理论概要;人对信息的加工过程模型〔知觉(信息输入),记忆、思维与决策,动作(信息输出);人的差错〕。
d.输出系统——人的支配操作系统:人的运动系统及特征(反应时,运动时),人的操作动作分析。
e.物理环境因素:噪声、振动、照明(光强)、温度、湿度、电磁场等对人体的影响,对输入(感知)、处理(思维、决策)、输出(人体动作)各环节的影响。
②人机工程学:是将“人与机器”看作“一个系统”加以分析研究的科学,在人机系统中,强调人的主导性,人的心情对感知、思维、决策和操作的影响。因此在对产品设计时,要充分给人创造优越舒适的环境和操作条件。例如,机器的造型美观,颜色和谐;座椅舒适;作业空间宽蔽、明亮、布置协调;操作容易(必要时加一些操作工具);有人机交互设计,减轻记忆疲劳;今后将向智能化方向发展,由计算机置入专家系统代替人操作或减少人的操作(如利用与实物相对应的在计算机屏幕上的虚拟机器对实物进行遥操作)。
(2)基本技能
能遵照以人为本的思想,利用人体工程和人机工程的知识去设计机电一体化产品(系统)和控制箱或控制柜,使这些产品更人性化,更符合人们的要求。
(3)在机电系统中的应用
在概念设计、详细设计、样机试制和改进设计四个阶段都要用。前两个设计阶段是在设计时考虑人们操作的舒适性;样机试制时是亲自操作一下是否舒适,不舒适则改进;修改设计阶段是听客户意见,使用者认为操作不舒适的也要改进。
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