機(jī)電控制系統(tǒng)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)

摘要：文章討論了機(jī)電控制系統(tǒng)與機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從機(jī)電控制系統(tǒng)的含義與控制方法理念著手，介紹了現(xiàn)代機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思路和理念，討論了機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：機(jī)電控制系統(tǒng)；機(jī)電一體化；產(chǎn)品設(shè)計(jì)

現(xiàn)代生產(chǎn)力的進(jìn)步越來越快，技術(shù)水平越來越高，產(chǎn)值數(shù)量也日益增大，使現(xiàn)在的機(jī)電控制系統(tǒng)的用途越來越廣泛，已經(jīng)成為現(xiàn)代科技水平發(fā)展的一個(gè)標(biāo)志性技術(shù)。

一、機(jī)電控制系統(tǒng)的涵義

在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)里，所謂機(jī)電控制系統(tǒng)是指在無人控制的情況之下，利用自動(dòng)控制設(shè)備，讓生產(chǎn)設(shè)備或者機(jī)器按照預(yù)先編輯好的程序進(jìn)行動(dòng)作，還可以利用通訊設(shè)備組成一個(gè)完整的工作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)特定的任務(wù)要求。其中機(jī)電控制系統(tǒng)里最主要的組成是控制方面。而從技術(shù)層面看，機(jī)電控制系統(tǒng)是單片機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)拖動(dòng)技術(shù)、通信與信息技術(shù)等技術(shù)的結(jié)合體，而且這些技術(shù)并非是孤立的，而是這些技術(shù)互相結(jié)合、互相利用的綜合性技術(shù)，并將這些技術(shù)整合而成，包括自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信與信息技術(shù)、伺服變頻技術(shù)。機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展其實(shí)是依靠微機(jī)系統(tǒng)的飛速發(fā)展，以及相應(yīng)的軟件開發(fā)技術(shù)配套使用而慢慢發(fā)展的。現(xiàn)在這方面的技術(shù)已經(jīng)在航空航天、生產(chǎn)實(shí)踐的各個(gè)方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。

機(jī)電控制系統(tǒng)的發(fā)展趨向于無線遠(yuǎn)程異地控制，可以使系統(tǒng)操作人員利用以太網(wǎng)絡(luò)或者其他通信網(wǎng)絡(luò)連接控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)本地上位機(jī)的計(jì)算處理去控制異地的智能機(jī)電控制系統(tǒng)。在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，其中的一種系統(tǒng)是需要操作技術(shù)人員不斷進(jìn)行監(jiān)控運(yùn)行，且如果系統(tǒng)發(fā)生情況，則需要人員及時(shí)處置以恢復(fù)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)我們稱為保持型遠(yuǎn)程控制。還有一種系統(tǒng)是不需要技術(shù)人員實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控操作的，只需要等到該系統(tǒng)運(yùn)行完成以后，通過網(wǎng)絡(luò)向技術(shù)人員通告，這樣的系統(tǒng)我們稱為完成型控制系統(tǒng)。如果系統(tǒng)在進(jìn)行的過程中，技術(shù)人員與系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)進(jìn)行通訊，則技術(shù)人員可以監(jiān)控操作，也可以讓系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行，這樣的系統(tǒng)我們稱為人機(jī)交互型控制系統(tǒng)。

二、自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)的定義是操作控制器，讓被控對象能夠按照預(yù)先設(shè)定的程序任務(wù)操作執(zhí)行。自動(dòng)控制系統(tǒng)的分類中按照被控參數(shù)可以分成這幾類：位移控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正控制等。自動(dòng)控制系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性能，它的工作主要是通過自身系統(tǒng)中的各個(gè)機(jī)械電子等部件的協(xié)調(diào)工作實(shí)現(xiàn)預(yù)先設(shè)定的程序任務(wù)，這是自動(dòng)控制技術(shù)的主要內(nèi)容。

自動(dòng)控制系統(tǒng)分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩類，其中經(jīng)典控制理論講的是在分析控制系統(tǒng)中利用拉普拉斯變換來建立自動(dòng)控制系統(tǒng)在復(fù)數(shù)域中的數(shù)學(xué)模型，然后進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)分析，一般來說，主要分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性三大性能，而且一般這樣的系統(tǒng)都是負(fù)反饋閉循環(huán)系統(tǒng)，采用比例、積分、微分等算法的調(diào)節(jié)器，所以，這種控制理論我們稱為自動(dòng)調(diào)節(jié)原理。另一種現(xiàn)代控制理論主要研究的方式和前面所說的控制理論相比較，采用的分析方法是利用數(shù)學(xué)工具中的線性代數(shù)和矩陣，把自動(dòng)控制系統(tǒng)的整個(gè)運(yùn)行的狀態(tài)采用狀態(tài)空間法在時(shí)間域內(nèi)用時(shí)域方程進(jìn)行客觀表述，可以利用這些方程和現(xiàn)在正在表現(xiàn)的狀態(tài)把系統(tǒng)將要出現(xiàn)的下一種狀態(tài)分析出來。其中分析的主要精髓就是最優(yōu)控制、隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制這三類。其實(shí)綜合來看，以上介紹的這兩類控制理論都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是對系統(tǒng)進(jìn)行精確的分析和控制，都必須建立該系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，當(dāng)然數(shù)學(xué)模型的表述都是時(shí)域數(shù)學(xué)方程或者是復(fù)數(shù)域數(shù)學(xué)方程。

三、一體化的設(shè)計(jì)理念

我國經(jīng)過這些年的發(fā)展，在制造業(yè)已經(jīng)有了蓬勃發(fā)展，但是隨著改革的深入，中國面臨巨大挑戰(zhàn)，高耗能高污染的產(chǎn)業(yè)逐漸被淘汰，中國的改革要繼續(xù)就必須經(jīng)歷大的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整。其中的一些行業(yè)，如電子信息產(chǎn)業(yè)、數(shù)控機(jī)床的電氣制造等都需要進(jìn)行機(jī)電一體化改造。在這一行業(yè)中，日本走在了前面，他們率先提出把機(jī)械系統(tǒng)中的動(dòng)力部分等其他部分與電子控制技術(shù)相結(jié)合，把機(jī)械運(yùn)動(dòng)與電子設(shè)計(jì)完美地融合在一起，并且在不斷的發(fā)展過程中，不斷吸收新的材料、新的技術(shù)。而機(jī)電一體化目前已成為一個(gè)專業(yè)、一個(gè)學(xué)科，要求設(shè)計(jì)者們對機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃時(shí)，就把產(chǎn)品當(dāng)做一個(gè)完整的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，把機(jī)械、電子、自動(dòng)控制加入進(jìn)去以后完成的產(chǎn)品就是一個(gè)機(jī)電一體化的機(jī)電控制系統(tǒng)。當(dāng)然在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要對產(chǎn)品進(jìn)行不斷完善和補(bǔ)充修改，最終形成一個(gè)能夠高效運(yùn)行并完成任務(wù)的系統(tǒng)，同時(shí)讓該產(chǎn)品具有智能化、模塊化網(wǎng)絡(luò)化、微型化、綠色化和系統(tǒng)人格化等特點(diǎn)，這是機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法

機(jī)電一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)過程中需要非常高的準(zhǔn)確度，機(jī)電控制系統(tǒng)的任務(wù)實(shí)現(xiàn)必須依靠機(jī)械和電子的相互協(xié)調(diào)才可以實(shí)現(xiàn)。所以在設(shè)計(jì)中這兩者就需要緊密聯(lián)系，當(dāng)機(jī)械裝置無法單獨(dú)實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)時(shí)，就需要融入電子電氣控制，讓更多的技術(shù)加入產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中，軟件硬件相配合。同時(shí)設(shè)計(jì)開發(fā)的過程要兼顧該產(chǎn)品的成本、準(zhǔn)確度、市場的需求等多個(gè)因素。根據(jù)以上開發(fā)過程，我們總結(jié)出機(jī)電一體化的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般需要經(jīng)過兩個(gè)過程，開發(fā)階段和產(chǎn)品試運(yùn)行階段。開發(fā)階段的任務(wù)是達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，而產(chǎn)品試運(yùn)行階段的任務(wù)是對產(chǎn)品進(jìn)行修改，讓該產(chǎn)品更加適應(yīng)和滿足客戶的需求。對機(jī)電一體化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，我們認(rèn)為可以采取以下幾種方法：

1.利用電子控制代替機(jī)械結(jié)構(gòu)控制

如果采用單獨(dú)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，則采用的控制方式一般是簡單的機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，如果采用機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，則可以使用電子電氣控制對簡單機(jī)械控制進(jìn)行改進(jìn)，這樣可以改變機(jī)械運(yùn)行過程，還可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)。首先可以使用可編程控制器件（PLC）或者單片機(jī)控制器件，將電子控制與機(jī)械控制相結(jié)合，其次可以使用變速器件替代機(jī)械控制中的接觸器等老式控制方式，這種設(shè)計(jì)理念，不但可以整體提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的性能，而且可以提高該產(chǎn)品的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)理念。

2.讓電子控制部分與機(jī)械控制部分完美的結(jié)合

機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，非常重要的一步就是改變原先舊的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，打造一種全新的設(shè)計(jì)思路。而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的原理性東西沒有動(dòng)，只是采用一個(gè)新的方法創(chuàng)造該產(chǎn)品，也就是讓電子控制部分與機(jī)械控制部分完美結(jié)合，兩者成為一個(gè)不可分割的有機(jī)整體。

3.功能模塊的整合

如果在設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)械控制與電子控制的結(jié)合沒有實(shí)現(xiàn)需要達(dá)到的功能，就需要采取別的方法，就是對產(chǎn)品中的各個(gè)功能性的模塊進(jìn)行功能性整合，讓它們成為一個(gè)有機(jī)整體，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)是一個(gè)由多種模塊構(gòu)成的大綜合系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)客戶或者設(shè)計(jì)者的預(yù)期目標(biāo)。現(xiàn)在所使用的數(shù)控機(jī)床就是這種設(shè)計(jì)方法的一個(gè)很好例子，在設(shè)計(jì)時(shí)，購買好供機(jī)床裝備的電子電器模塊，包括伺服模塊、電機(jī)模塊、CNC模塊等和各種機(jī)械模塊裝置，再對這些模塊進(jìn)行有機(jī)整合，使之成為一個(gè)可靠的數(shù)控機(jī)床機(jī)電一體化產(chǎn)品。這樣的設(shè)計(jì)方式節(jié)約了設(shè)計(jì)時(shí)間和設(shè)計(jì)成本，而且方便維修和管理。

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