一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法技术方案

本发明专利技术公开了一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，包括以下步骤：一，构建节能措施知识库，得到的节能措施矩阵表示了能耗形式与节能措施的对应关系；二，分析机电系统的结构组成，找到所有能量单元，通过运动学和动力学分析，确定各能量单元对应的能耗形式，进而建立表示能量单元与能耗形式关系的能耗关系矩阵；三，将能耗关系矩阵与节能措施矩阵相乘，得到节能设计矩阵。当节能设计矩阵中的矩阵元素不为0时，对应的能量单元和节能措施是相关的，否则不相关。通过节能设计矩阵，可以找到机电系统各能量单元对应的节能措施，有助于设计出更具节能的机电产品，或者对现有机电产品进行节能设计改进，提高机电产品节能设计过程的效率。过程的效率。过程的效率。

【技术实现步骤摘要】
一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法


[0001]本专利技术涉及机电系统设计领域，特别是涉及一种机电系统的能量分析与节能设计的方法。

技术介绍

[0002]随着世界工业的发展，能源消费越来越高，工业节能技术的研究就显得十分重要。机电系统是工业的重要组成部分，其节能是工业节能技术研究的重点。现已有一系列关于机电系统节能技术的科研成果。有学者从整体出发，探究了能量管理对节能的作用；有学者从优化控制系统的角度来进行节能研究；还有的学者研究新工艺能够带来的节能可行性；更多的学者通过对系统的改进设计来达到节能的目的。
[0003]学者们为实现机电系统节能提出了众多节能技术。比如，通过降低摩擦损耗技术来实现节能；在机电系统节能改进设计中，储能技术作为成熟的节能技术被广泛应用，而飞轮则是最常用的储能技术手段之一；对机电系统进行节能改进设计时，热能的回收再利用技术也被广泛应用，通过热能的回收再利用以减少能源消耗，实现节能；除了特定的技术外，针对特定系统特定设备，还可以通过改进系统中某个组成部分来实现机电系统节能；有学者还从方法学上对机电系统节能进行了研究。
[0004]在机电系统节能设计中，对特定技术和设备的研究很多，但对节能设计的系统化方法的研究相对较少。已有节能设计的系统化方法以系统建模和进行系统内部参数优化居多，以研究机电系统能耗点并进行结构改进的几乎没有。若可以针对任一机电系统进行能量分析，建立起机电系统每个能量消耗点和可采取的节能措施对应关系，就可以进一步引导研究者找到合适的节能措施对机电系统进行节能设计，有助于设计出更具节能的机电产品。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提出一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，所述的矩阵式能量分析与节能设计的方法可以快速找到机电系统中的各能量单元（如具体的构件、运动副）对应的节能措施，有助于设计出更具节能的机电产品，或者对现有机电产品进行节能设计改进，提高进行机电产品节能设计过程的效率。
[0006]为实现上述目的，本专利技术是通过如下方案实现的。
[0007]1）首先，构建节能措施知识库，可以得到节能措施矩阵，所述节能措施矩阵表示了能耗形式与所述节能措施之间的对应关系。
[0008]2）然后分析机电系统的结构组成，找到所述机电系统的所有能量单元，通过运动学和动力学分析，确定所述能量单元对应的能耗形式（即能量消耗的形式），进而建立表示所述机电系统的所述能量单元与所述能耗形式之间关系的能耗关系矩阵。
[0009]3）最后将所述步骤2）的能耗关系矩阵与所述步骤1）的节能措施矩阵 相乘，得到节能设计矩阵 。当所述节能设计矩阵中的矩阵元素不为0时，对应的所
述能量单元和所述节能措施是相关的，否则就不相关。通过所述节能设计矩阵，可以快速找到所述机电系统中的所述能量单元对应的所述节能措施，从而实现所述机电系统的节能设计。
[0010]所述步骤1）的目的在于建立一个节能措施知识库，不同的能耗形式可以采取对应的措施进行节能设计，所述节能措施知识库能直接展示能耗形式与节能措施之间的关系。
[0011]所述步骤1）中的能耗形式，主要总结有以下形式，但不仅限于以下形式：对负载力做功、势能变化、动能变化、能量形式转化损耗、摩擦损耗、碰撞损耗、泄漏、低效驱动、驱动保力、加热耗散、能量直排等等。所述的能耗形式可以不断扩展补充。
[0012]所述步骤1）中的节能措施，主要总结有以下形式，但不仅限于以下形式：弹簧储能、势能和动能转换储能、飞轮储能、液压蓄能器储能、超级电容储能、直接使用、减少质量、降低势能变化范围、减少惯量、改变质心位置、润滑或增设滚轮、降压、增设变速箱、增设锁止机构和弹簧、优化受热条件增设能量回流装置等等。所述的节能措施可以不断扩展补充。
[0013]所述步骤1）中的节能措施矩阵 ，矩阵 的行对应是所述节能措施，所矩阵的列对应是所述机电系统的所述能量单元。所述节能措施矩阵的矩阵元素取值为0或者1（该矩阵元素值在构建节能措施知识库时进行赋值）。当矩阵元素的取值为1时，表示所述矩阵元素对应行的能耗形式与对应列的节能措施存在关系，即所述能耗形式可以通过所述节能措施实现节能的效果；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素对应行的能耗形式与对应列的节能措施不存在关系。
[0014]所述步骤2）中的能量单元是对所述机电系统进行结构分析得到，具体的结构分析原理：一个完整的机电系统通常包含驱动子系统，传动子系统，执行子系统，控制子系统和辅助子系统。经过层层细化，最终可细化到一个个构件（包含刚性构件、弹性构件、挠性构件、气体构件和液体构件），每一个构件都是独立的能量个体，所以每一个构件均为能量单元。在机电系统中，除了构件带有能量外，联系起所有构件的运动副也是能量个体。所以，机电系统中能量单元包含了能量构件和能量运动副。因此，机电系统就可细化为一个个带有能量且独立存在的能量单元。不同的机电系统具有不同的所述能量单元。
[0015]所述步骤2）中的能耗形式，是对所述能量单元进行能量用途分析所得到，具体的能量分析原理：基本的能量用途可归为四大类，分别是对负载力做功、系统势能、系统动能以及无用功。其中，对负载力做功主要发生在执行能量单元上，而用于系统势能和系统动能的能量主要体现在能量构件的势能变化和动能变化上。无用功可以在机电系统中任一能量单元上产生，而且根据机电系统的不同，无用功的形式会有差异。
[0016]根据机电系统中能量流动关系及能量性质可推导出机电系统能量方程为：, 其中为系统输入能量，为输出功，为系统势能，为系统动能，为无用功。
[0017]对上式时间求导后，得到, 其中为系统输入功率，为对外载荷做功的功率，为有势力消耗的功率，为系统动能变化率，为无用功率。
[0018]所述步骤2）中的能耗关系矩阵，矩阵的行对应是所述机电系统的能量单元，矩阵的列对应是各种能耗形式。所述能耗关系矩阵的矩阵元素取值为0或者1（该矩阵元素值在进行能量分析时进行赋值）。当矩阵元素的取值为1时，表示所述矩阵元素行对应的
能量单元与列对应的能耗形式存在关系，即所述能量单元通过所述能耗形式消耗能量；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素行对应的能量单元与列对应的能耗形式不存在关系。
[0019]所述步骤3）中的运算得到的节能设计矩阵 ，矩阵 的行的对应是所述机电系统的能量单元，矩阵的列对应是所述各种节能措施。所述节能设计矩阵的矩阵元素取值为正整数n（1，2，3，
…
）或者0。当矩阵元素的取值为正整数n时，表示所述矩阵元素对应行的能量单元与对应列的节能措施存在关系，即所述能量单元具有n个所述能耗形式都可以采用所述节能措施进行节能设计；当矩阵元素的取值为0时，表示所述矩阵元素对应行的能量单元与对应列的节能措施不存在关系。
[0020]找出所有有效能量单元，通过查找节能设计矩阵，找到与有效能量单元相对应的节能设计措施，最后针对机电系统的每个有效能量单元进行节能设计。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）首先，构建节能措施知识库，可以得到节能措施矩阵，所述节能措施矩阵表示了能耗形式与节能措施之间的对应关系；2）然后分析机电系统的结构组成，找到所述机电系统的所有能量单元，通过运动学和动力学分析，确定所述能量单元对应的能耗形式（即能量消耗的形式），进而建立表示所述机电系统的所述能量单元与所述能耗形式之间关系的能耗关系矩阵；3）最后将所述步骤2）的能耗关系矩阵与所述步骤1）的节能措施矩阵相乘，得到节能设计矩阵；当所述节能设计矩阵中的矩阵元素不为0时，对应的所述能量单元和所述节能措施是相关的，否则就不相关；通过所述节能设计矩阵，可以快速找到所述机电系统中的所述能量单元对应的所述节能措施，从而实现所述机电系统的节能设计。2.根据权利要求1所述的一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，其特征在于，所述步骤1）中所述的能耗形式并不局限于本发明专利所列举的能耗形式，所述的能耗形式可以不断扩展补充。3.根据权利要求1所述的一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，其特征在于，所述步骤1）中所述的节能措施并不局限于本发明专利所列举的节能措施，所述的节能措施可以不断扩展补充。4.根据权利要求1所述的一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，其特征在于，所述步骤1）中建立的节能措施矩阵，所述节能措施矩阵的行是所述节能措施，所述节能措施矩阵的列是所述机电系统的所述能量单元。5.根据权利要求1所述的一种机电系统矩阵式能量分析与节能设计的方法，其特征在于，所述步骤1）中建立的节能措施矩阵，所述节能措施矩阵的矩阵元素取值为0或者1；所述矩阵元素的取值为1时，表示所述矩阵元素对应行的能耗形式与对应列的节能措施存在关系，即所述能耗形式可以通过所述节能措施实现节能的效果；所述矩阵元素的...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚进，彭科铭，张世友，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：