电动车的概念设计方法.docx
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电动车的概念设计方法
电动车的概念设计方法
RaivoSell,MartTamre,MadisLehtlaandArgoRosin
收稿时间2007年1月19日
摘要：
本文以电动汽车为例讨论了机电一体化系统概念设计。
为了在早期的系统设计中使用，发展了一系列的模板并组织到模型库当中。
保留的组件库的可用性，允许在概念层次的设计方案验证的优点证明。
关键词：
机电一体化，移动机器人，系统设计，概念建模，仿真。
1.概述
在机电一体化系统设计有很大不同的领域如机械，电子，机电一体化等，尽管机电一体化经常被定义成一个机械，电子，控制理论三者的结合，但是机械一体化产品不能被分成三个独立的部分。
由几个作者讨论决定一般设计周期的分解。
设计周期以一个包含了设计要求和形势分析的概念阶段开始。
French说，概念设计阶段对设计者提出最大的要求并且做同最重要的决定。
这一过程的结果是对设计方案的候选人，明确制定了未来的产品，它引入到设计过程中的质量措施所需的可衡量的属性。
这种交叉领域设计考虑了整个系统的要求和目标。
概念设计以及其他设计阶段在很多周期实施。
复杂机电产品设计周期（大环化合物）的被描述的更详细。
真正设计中，要用到很多工具和技术来实现整个设计过程。
对于特定于域的阶段，选择现有的最先进的大型工具。
例如，机械，电子和控制工程这些技术就会很多的用到。
计算机辅助工程（CAE）工具，如计算机辅助设计（CAD），计算机辅助制造（CAM），有限元素法（FEM），印刷电路板（PCB）的布线及布局等都是大概每一位工程师而耳熟能详的。
再比如在软件设计，要用到电脑辅助软体工程（CASE）和统一建模语言（UML）的。
在软件设计阶段，尽管特别需要计算机辅助工程（CAE）但是只有很少可用的工具。
网域－独立的技术当做绑线搭接图表网络和混合的自动机器在机电一体化系统的设计并不被广泛使用。
然而，最近的研究把重心集中在概念设计和在候选方案的自动化选择上。
一些调查利用人造智能和网域的组合－独立的技术。
为什么这概念上的同高缺乏计算机支援的一个原因是使用的方法一定用选择项支援高阶层的概念设计同时加非常特定的限制。
系统设计举行需要相似的工具，但是系统仿真一定而做一比较详细的层次。
系统元件、次元件，行为和绩效，等等，一定在整个系统的架框中被做模型。
这最用这里的技术是不同修改的方框图。
最近几年人们努力的发展机电一体化软件。
比如这些软件，AMESim、Dymola、20-sim以及广为人知的MatLab／Simulink环境。
机电一体化设计程序的方法学在机电一体化中被呈现设计指导路线提出一些工具和技术的VDI2206为这机电系统的设计。
现在工作的目的将结合机电一体化设计方法藉由系统做模型语言和为设计发展实际的工具在概念上的层次上的一个移动电的车辆平台。
我们产生一个特有的为一辆能被利用的奇异电器车辆的工具箱在这概念上的设计程序。
一些实际的例子被显示，基于目前的计划在技术的塔林大学。
2.设计方法
本文中讨论的概念设计方法，具体的方法借助于设计型板和概念系统仿真的援助。
系统模型语言（SysML）当做做模型语言的基本被用。
这做模型方法的一般的概念设计在图1被描述。
图1描述了一般的概念设计方法。
设计方法包括了三个层次，模型的需要，概念方案的发展，候选方案的仿真。
每个层次都被特定的模板库所支持。
来自型板程序馆的一个型板类别提供样板元件的参数化描述，叙述它的属性和操作。
附近的的关系多种的元素模板有可能生成新的元素同同一特征作为模板。
系统模型语言为需要被用和概念做模型Simulink为概念上的仿真，虽然其他工具没被排除。
被提议的方法为移动的平台设计仰赖设计方法学和以些为例的为移动的平台设计的系统模型语言工具箱。
移动的平台是车辆的一个不同类型的普遍化（主要电）。
活动的机械手，无人操纵的地车辆UGV）和铁路车辆稍后当做不同的线图例子被用。
3.需要的做模型
确定要求的模型是一个项目的基础。
每一个要求是紧密相关的成本，因此，需求建模和分析必须非常谨慎地进行了。
在需求大的变化在设计过程的后期阶段，可能会增加significally整个工程造价。
需求源于客户的需求，法规，立法，组织环境，技术的可用性等。
需求定义的是一个复杂的过程，通常包括性能分析，贸易的研究，约束评价和成本分析。
需求建模不仅是一个自上而下的过程，但必须进行的初步分析和模拟互动的概念了。
模式的初始要求完成通常在系统级。
一旦归档，有必要分配和流量的要求下降到较低的水平。
据介绍，需求建模过程的每个阶段的迭代，以作为设计规范水平不断提高的反馈。
一个电动车和移动平台的设计遵循系统工程的概念。
该模型的一般要求是在图所示。
2。
该模型是基于SysML的要求，图，并介绍了需求模型的一般概念。
一个单个需求被描述为一个充满各种参数框中。
这项规定可以分解成底层的需要，并与他们每个人以及与分析，设计，实施和测试内容联系起来。
在元素的总要求使用下列参数：
身份证（在模型上的独特标识），优先级，文字（或参照有关规定的文字表示一个文件），风险，质量，类型等。
据SysML的规范，要求可产生或推断从另一个要求使用派生的关系。
一个要求可以得到满足的另一种模式使用元素满足的关系。
一个要求可以通过使用验证验证关系的各个行为。
标准或特定的测试用例测试用例的开发用于这一目的。
所有这些都是关系的UML痕量专业，这是用来跟踪需求和整个模型的改变。
模板的要求。
引入新的设计工具，执业工程师经常与各种问题有关，因为人们习惯性用来工作工具和方法。
因此，重要的是使执行新的系统尽可能容易。
其中一种方法是使用预先定义的模型模板。
模板定义根据具体的产品领域。
在本文着眼于一般电动汽车平台的设计。
模板一般还不够，拟采取的其他子域。
图２原模型的要求
ID定义是一个要求，文本表示和参数。
默认参数的权重，风险，优化方向，和来源。
可选的参数是一致的标准和最大成本（图3）。
每一个要求，必须在一定程度上验证了下列其中一种方法：
试验，示范，分析，检查。
因此，每一个要求有一个活动的测试用例的关系。
如果需要多个测试的要求，要求必须分解成多个底层需求。
当进程的进行时，要求可与设计为块，组装，活动等，这表明具体关系的要素设计元素，满足特殊要求。
模板的目的是为有效使用和专业要求建模。
这位工程师可以选择最佳匹配的模板根据设计范围，并开始与实际结合的预定义参数的要求值。
如标准化的要求模板的TestCase活动组成。
这些活动收集到的知识基础库，如有必要，在那里他们可以提取和重新设计。
4.概念化模型
4.1概念化设计
概念设计实际上是第一阶段，开始发展，工程师目标系统，以最佳的方式来要求相应的。
这个阶段是密切相关的前一，建模部分的要求。
后开始开发该系统的实际概念，新的问题出现，并经常他们往往在最初的要求，造成一些变化。
这是一个互动必须妥善处理和协调。
在这个互动过程中初学者常犯的错误，就是第一个想法被当作最好想法并被发展成最后的产品。
这是一个最耗费的方法。
在后来校正设计错误和观念的转变，产品开发或整合阶段，将会比构思阶段花费更多。
因此，发展不止一个的候选方案很重要。
有条不紊的比较和初步模拟将确保选中最佳的解决方案，项目失败的风险就会降低。
4.2概念解决方案的发展
一个候选的概念方案的发展是在需求的模型确定之后的。
我们的理念是由静态描述结构，成分，性能和动态参数的互动。
所有这些方面是有一个相应的模拟图。
在同一时间，图可以互相交流，一个图可以从零件组成其他图表。
在概念设计过程中，要求模型必须在思想和图关系的要求和允许保留建议通过严格的满足关系。
图模板库结合表1所示为概念设计的类别。
图模板按照逻辑划分SysML的图表类型。
这种相互作用级别如下：
级别1：
一级系统和子系统的层次结构，子系统一般交互定义;主要功能和系统状态显示。
级别2：
按一般的黑盒子分量定义和打开子系统，提出子系统的参数并区分子系统内部的各部分。
前两个图表项（模块定义和用例）是常见的候选方案，因为所有的解决方案他们在上下文水平相差不很远的各种解决候选方案。
系统在使用中级别的定义是用例图。
使用例图定义了系统使用情况下的发展。
这是
尤其重要的早期设计阶段。
该图描述了高级别行为和在同一时间系统的边界。
该图可
相对于在数据流程图（DFD）的背景下图。
我们使用原结构的用例包。
它的语法类似于UML的。
在这样的软件工程师和机械工程师使用同样的语法描述系统的使用情况和背景。
这确保了在认识差距将减少到最低限度。
该系统的概念层次结构来描述块定义图（模块定义）的。
一个模块的定义是一个系统的模块化单元并根据在设计细节化水平块描述不同的事情。
在在概念阶段的开始，对组件的层次结构的定义和大会透露的水平，例如汽车驱动。
其块封装内容，包括属性，操作和约束。
每个系统都有块之间的互连。
这些连接可以非常不同，例如能源或材料，软件操作流程，数据交换，模拟信号等在系统层次结构模型的推广关系是用来代替组件之间的相互作用。
该系统分解，并与部分或从模型库程序集联系起来。
这两个块定义图和用例图是常见的所有解决方案的候选人由于这些原因，一般图表描述
的角度系统观和直接来自的要求。
解决方案特定的图表更详细和具体的解决方案描述。
三种不同的图定义为解决方案的具体发展概念阶段：
1内部结构，描述方面的组件之间的相互作用服务和流通;
2参数，描述了关键参数和系统动力学;
3执行活动，描述了行为。
4.3。
概念设计模板
在电动汽车轮廓的框架内，几个设计模板块定义图已经制定出来。
系统层次上的
概念层次上大多有一个共同的块的主要模板。
当开始使用模板，工程师可以选择或不选择这些预定义的模块和它们的属性。
这使得迅速展开系统描述无缺少相关组件。
最常用的电动汽车部件的设计，提出共同属性和泛化关系。
属性在
大多数情况下，可选的，可以添加或删除视乎设计特点。
内部框图模板描述的运动部件之间的相互关系。
服务和流量的端口定义，但在大多数情况下保持开放。
活动图模板技术与泳道组成，在那里活动的映射与函数的基础上块。
为例
这显示在图4.基于行为的功能和模板描述更具体的活动，例如运动牵引，制动，加速，等等，测试用例的为满意的要求。
一般的系统或子系统的动力学模型显示示意图5。
该系统S的特点是状态变量X的输入是由一组变量的影响，U代表作用该系统是在系统环境。
的输出变量，Y是观察指标系统的响应。
一般动态模型可以应用于所有子系统或组件。
动态模型可以执行，并在不同的输入参数喂养不同的系统行为的实现。
该系统及其模型可以是线性或非线性的。
线性系统一般可以用一个线性首次设置二阶微分方程，并有可能获得的详细的解决办法系统的响应。
如果其中一个部件或子系统是非线性的，整体系统是非线性的，传统的分析工具不工作了。
求解非线性系统，根据模拟的时间步长必须进行。
真实世界的系统，在大多数情况下非线性的，因此它是重要的是要有为早期模拟，甚至是动态模型工具该系统还没有完全确定。
早期系统动力学确定的参数图。
这定义了怎样的价值结构属性影响的其他值。
参数约束是紧密联系在一起的系统结构，并用于与框图的组合。
参数化图是该系统的仿真模型的主要输入。
不同的概念和解决方案，可使用的模拟结果改进设计。
例如，这是使用的性能和可靠性分析以及满足所有要求，由指定要求图。
对于一个电子模板的基本性能参数图车是作为一个例子（图6）。
5．机电（物理）模型的仿真
为了描述变化情况，应该使用一对变量，一个变量是输入，它描述了影响，另一个是结果或者反馈，显示反应（反之亦然）。
然后可以由这对变量计算出瞬时功率。
根据动态的宏模型，电机的机械特性方程和电压电动势的力方程被放在不同的模块。
例如，传递函数所描述的电气子系统，有一个电压的瞬时输入值和一个由输入所引起的响应值。
机械子系统可以有一个输入的速度或者角速度，和一个计算出的力或者力矩。
仿真模型应该尽可
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