原创 机械电子系统的模型设计

如果得知机械电子学这个词汇已经使用了将近40年，可能绝大多数工程师都会感到惊讶！该词汇是由Yaskawa公司的工程师Tetsuro Mori于196_9年首次使用的，那时用来描述一个由一套嵌入式系统控制的、并由一些机械和电子元器件组成的系统(见图1)。如今，很少发现有哪台机电设备没有某种类型的嵌入式系统。利用嵌入式系统的智能，可以提升性能，降低能耗，可靠性更高，操作更安全，嵌入式系统的性能是实现一套装备的差异化和价值驱动的关键。

图1：机械电子系统是由嵌入式系统控制的机械系统和电子系统的结合。

嵌入式系统的优点在于价值。随着机械电子系统利用功能更强大并为嵌入式系统提供智能的微处理器，软硬件之间的交互变得更加复杂。如何控制这个复杂度，对软硬件工程师团队来说都是挑战，他们需要提出要求，问题描述，以及提出不同方式的测试和实现方案。此外，工程师还必须设计闭环控制来补偿机电交互和外部干扰，还需要设计开环监控来监控操作环境，如开机和关机，操作人员和设备安全，故障检测和修复。在绝大多数传统的设计方案中，工程师需要在硬件模型上测试软件，而在研发阶段的最后才能解决软件确认问题。在这最后阶段发现的硬件和软件的问题，将会导致成本很高的延期，并会耗费很多时间追溯原始设计。而一些功能不完整，不正确以及冲突之类的错误甚至会导致重新设计。

利用模型设计改善研发

基于模型的设计通过为不同的工程领域的设计和通讯提供一个公共环境来简化机械电子系统的开发。基于模型的设计利用对系统级设计的感知将计算机辅助工程(CAE)加以扩展。就像计算机辅助设计(CAD)对系统进行几何的和静态的描述一样，基于模型的设计则整合了恰当地描述系统所需的动态需求和性能需求。由于该方案主要是软件实现的，故工程师可以灵活地研究竞争方案，并在没有大量的硬件开销的前提下开发新概念。在设计进程中，工程师可以不断地测试设计，检查其是否满足要求，并能在开发过程中及早地发现错误，从而能够及早地及低成本地将其纠正。此外，基于模型的设计能够为嵌入式系统自动生成代码，而无需为开环和闭环控制算法手工编写代码。

图2：基于模型的设计将系统级模型置于机械电子系统开发过程的核心位置。

基于模型的设计采用一个系统级模型，该模型通过数学的方法为设备的自然行为和受控行为定义了一个可执行的规范。工程师可以通过模拟系统的实际动态和性能来执行模型。该模型规定了机械电子系统的期望性能的通用数学定义。由于规范是可执行的，因此相对于需要翻译、可能导致丢失、重复、或者与其他技术要求冲突的手写文件，系统级模型具有显著的优点。

手写的技术规范将永远存在，不过工程师可以将他们的电子格式链接到系统级模型，并帮助建立与ISO9001或IEC61508这类标准兼容的规范。从手写规范到系统级模型的追踪阐释了工程师对规范的解释是否正确。规范和模型之间的链接使工程师可以纠正整个开发过程中所用测试案例的测试准则。

开发系统级模型

图3所示的方框图是一个描述系统级模型的普通方案。该模型具有多个外部提供的输入，以及数个度量系统实际行为的输出。这些输入和输出代表实际的量值，如电压，温度和pH。

图3：对系统级模型建立直观感觉的方框图。

在该模型中，方块代表模型的输入和输出信号之间的数??算。某些称作为工厂和工艺的方块，代表机电系统的自然行为。例如，模型中会包括一个代表一个电机的方块。该电机的数学模型可能相对简单一些，简单的话就有一个电压输入，并将其转换成一个输出力矩。可以通过向模型添加更多的输入(例如用电压表征的噪声)或者增加更多的参数(例如温度和磁饱和效应)，来增加电机模型的复杂度。其中一个单独方块和一个方块组，通过对模型中产生的输出错误或事件进行过滤和处理，可以代表系统中的补偿和控制。普通微分方程(ODEs)和微分代数方程(DAEs)表示机电系统的输入与输出的关系。在电机这个例子中，一个ODE描述的是电压输入到转轴输出力矩间的关系。微分方程是一个用来描述集总动态参数的可计算的有效方法，与像有限元分析(FEA)这类基于局部微分方程的模型工具相对应。FEA软件可以被用来解决电机转轴上关键裂缝的力矩引起的应力分布。

利用ODE来描述包括多个工程学科的机械电子系统的系统级行为是不可能没有挑战的。用数学的方法描述系统行为要求必须深入了解系统深层的物理特性。机械电子系统的现实特性是所有的系统都是非线性的，必须考虑实际机械电子系统中所呈现的磁滞效应，摩擦力以及热效应。

改进系统级模型

如果系统的数学描述过难或太费时，设计师可以转向其他方式的系统建模。一种实现一个初始原理的常用方法是数据激励的经验模型，例如系统验证或神经网络。这些黑匣子方案采用测量得出的输入-输出数据来建构系统行为的线性或非线性ODE格式，将这些整合进系统级模型中。这些方法无法对系统的物理特征进行完整的描述，但能够对测试数据域中系统的动态特征进行精确的描述。测量数据还能利用参数估计技术来改进初始原理数学模型的精度。该灰盒子模型包含了调整像摩擦力系数这类模型参数的优化技术，以便使模型输出与测试数据相匹配。

基于模型的设计使工程师在开始时可以不牵涉系统级模型的细节，而是随着开发过程的深入逐步增加其逼真度。由低阶的ODE表达的经验证的概念模型开始时足以帮助工程师迅速排除贡献较少的想法。对于更有用的想法，可以通过整合供应商提供的子元件来增加逼真度，以更迅速地评估元器件的最佳组合。模型演进到一个多域的组合中，仅提供所需的细节来确保由技术需求文件所表述的工作条件下的性能。

随着工程师通过利用从3维CAD装配文件转换过来的机械系统的质量和惯性特征来增加模型的逼真度，CAD可以满足基于模型的设计。工程师可以利用代表从CAD文件自动转换过来的机械本体和联结的模块来替代数学上的近似表达。除了能够加速复杂机械系统级模型的开发外，该方案确保系统设计师和机械工程师能采用一个基于通用模型的、能够代表实际的机械电子系统行为。