機電控制系統與機電一體化產品設計

摘要：文章討論了機電控制系統與機電一體化產品設計，從機電控制系統的含義與控制方法理念著手，介紹了現代機電一體化產品的設計思路和理念，討論了機電一體化產品的設計方法。

關鍵詞：機電控制系統；機電一體化；產品設計

現代生產力的進步越來越快，技術水平越來越高，產值數量也日益增大，使現在的機電控制系統的用途越來越廣泛，已經成為現代科技水平發展的一個標志性技術。

一、機電控制系統的涵義

在現有的科學技術里，所謂機電控制系統是指在無人控制的情況之下，利用自動控制設備，讓生產設備或者機器按照預先編輯好的程序進行動作，還可以利用通訊設備組成一個完整的工作系統，實現特定的任務要求。其中機電控制系統里最主要的組成是控制方面。而從技術層面看，機電控制系統是單片機技術、電力電子技術、電機拖動技術、通信與信息技術等技術的結合體，而且這些技術并非是孤立的，而是這些技術互相結合、互相利用的綜合性技術，并將這些技術整合而成，包括自動控制技術、傳感器技術、通信與信息技術、伺服變頻技術。機電控制系統的發展其實是依靠微機系統的飛速發展，以及相應的軟件開發技術配套使用而慢慢發展的。現在這方面的技術已經在航空航天、生產實踐的各個方面得到了非常廣泛的應用。

機電控制系統的發展趨向于無線遠程異地控制，可以使系統操作人員利用以太網絡或者其他通信網絡連接控制系統，實現本地上位機的計算處理去控制異地的智能機電控制系統。在已經實現的無線遠程監控系統中，其中的一種系統是需要操作技術人員不斷進行監控運行，且如果系統發生情況，則需要人員及時處置以恢復系統的穩定運行，這樣的系統我們稱為保持型遠程控制。還有一種系統是不需要技術人員實時進行監控操作的，只需要等到該系統運行完成以后，通過網絡向技術人員通告，這樣的系統我們稱為完成型控制系統。如果系統在進行的過程中，技術人員與系統可以實時進行通訊，則技術人員可以監控操作，也可以讓系統自動運行，這樣的系統我們稱為人機交互型控制系統。

二、自動控制系統

自動控制系統的定義是操作控制器，讓被控對象能夠按照預先設定的程序任務操作執行。自動控制系統的分類中按照被控參數可以分成這幾類：位移控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正控制等。自動控制系統具有很強的實用性能，它的工作主要是通過自身系統中的各個機械電子等部件的協調工作實現預先設定的程序任務，這是自動控制技術的主要內容。

自動控制系統分為經典控制理論和現代控制理論兩類，其中經典控制理論講的是在分析控制系統中利用拉普拉斯變換來建立自動控制系統在復數域中的數學模型，然后進行系統的動態和靜態分析，一般來說，主要分析系統的穩定性、快速性和準確性三大性能，而且一般這樣的系統都是負反饋閉循環系統，采用比例、積分、微分等算法的調節器，所以，這種控制理論我們稱為自動調節原理。另一種現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學工具中的線性代數和矩陣，把自動控制系統的整個運行的狀態采用狀態空間法在時間域內用時域方程進行客觀表述，可以利用這些方程和現在正在表現的狀態把系統將要出現的下一種狀態分析出來。其中分析的主要精髓就是最優控制、隨機控制和自適應控制這三類。其實綜合來看，以上介紹的這兩類控制理論都有一個共同特點，就是對系統進行精確的分析和控制，都必須建立該系統的數學模型，當然數學模型的表述都是時域數學方程或者是復數域數學方程。

三、一體化的設計理念

我國經過這些年的發展，在制造業已經有了蓬勃發展，但是隨著改革的深入，中國面臨巨大挑戰，高耗能高污染的產業逐漸被淘汰，中國的改革要繼續就必須經歷大的產業結構調整。其中的一些行業，如電子信息產業、數控機床的電氣制造等都需要進行機電一體化改造。在這一行業中，日本走在了前面，他們率先提出把機械系統中的動力部分等其他部分與電子控制技術相結合，把機械運動與電子設計完美地融合在一起，并且在不斷的發展過程中，不斷吸收新的材料、新的技術。而機電一體化目前已成為一個專業、一個學科，要求設計者們對機電產品進行設計規劃時，就把產品當做一個完整的自動控制系統進行分析，把機械、電子、自動控制加入進去以后完成的產品就是一個機電一體化的機電控制系統。當然在進行設計的過程中需要對產品進行不斷完善和補充修改，最終形成一個能夠高效運行并完成任務的系統，同時讓該產品具有智能化、模塊化網絡化、微型化、綠色化和系統人格化等特點，這是機電一體化產品的設計目標。

四、機電一體化產品的設計方法

機電一體化的產品設計在設計過程中需要非常高的準確度，機電控制系統的任務實現必須依靠機械和電子的相互協調才可以實現。所以在設計中這兩者就需要緊密聯系，當機械裝置無法單獨實現預定的目標時，就需要融入電子電氣控制，讓更多的技術加入產品設計開發中，軟件硬件相配合。同時設計開發的過程要兼顧該產品的成本、準確度、市場的需求等多個因素。根據以上開發過程，我們總結出機電一體化的控制系統設計一般需要經過兩個過程，開發階段和產品試運行階段。開發階段的任務是達到設計目標，而產品試運行階段的任務是對產品進行修改，讓該產品更加適應和滿足客戶的需求。對機電一體化的產品設計，我們認為可以采取以下幾種方法：

1.利用電子控制代替機械結構控制

如果采用單獨的機械結構，則采用的控制方式一般是簡單的機械控制結構，如果采用機電一體化產品的設計，則可以使用電子電氣控制對簡單機械控制進行改進，這樣可以改變機械運行過程，還可以實現預期目標。首先可以使用可編程控制器件（PLC）或者單片機控制器件，將電子控制與機械控制相結合，其次可以使用變速器件替代機械控制中的接觸器等老式控制方式，這種設計理念，不但可以整體提高設計產品的性能，而且可以提高該產品的質量，實現機電一體化的設計理念。

2.讓電子控制部分與機械控制部分完美的結合

機電一體化產品的設計過程中，非常重要的一步就是改變原先舊的產品設計理念，打造一種全新的設計思路。而實現產品功能的原理性東西沒有動，只是采用一個新的方法創造該產品，也就是讓電子控制部分與機械控制部分完美結合，兩者成為一個不可分割的有機整體。

3.功能模塊的整合

如果在設計過程中發現機械控制與電子控制的結合沒有實現需要達到的功能，就需要采取別的方法，就是對產品中的各個功能性的模塊進行功能性整合，讓它們成為一個有機整體，構成一個完整的系統。這樣的系統是一個由多種模塊構成的大綜合系統，從而實現客戶或者設計者的預期目標。現在所使用的數控機床就是這種設計方法的一個很好例子，在設計時，購買好供機床裝備的電子電器模塊，包括伺服模塊、電機模塊、CNC模塊等和各種機械模塊裝置，再對這些模塊進行有機整合，使之成為一個可靠的數控機床機電一體化產品。這樣的設計方式節約了設計時間和設計成本，而且方便維修和管理。

參考文獻：

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