機電一體化系統開發的物理建模解決方案

羅凡 方光輝

摘要：近年來，科技發展速度不斷提升，機電一體化作為一項綜合性技術，并不是簡單的技術融合。正因機電一體化技術的應用有著諸多優勢，機電一體化系統的開發迫在眉睫。然而實際情況是機電一體化系統開發面臨諸多挑戰。因此，有必要通過物理建模尋找有效解決方案。本課題主要以機電一體化系統為主題，在闡述機電一體化系統相關內容的基礎上，分析了當前機電一體化系統所面臨的諸多挑戰，最后從物理建模中探索出有效解決方案。

關鍵詞：機電一體化系統;物理建模;解決方案

Abstract：In recent years， the speed of scientific and technological development is constantly improving. As a comprehensive technology， mechatronics is not a simple technology integration. Because the application of mechatronics technology has many advantages， the development of mechatronics system is extremely urgent. However， the reality is that the development of electromechanical integration system is facing many challenges. Therefore， it is necessary to find effective solutions through physical modeling. This topic mainly takes the electromechanical integration system as the subject， on the basis of elaborating the electromechanical integration system related content， analyzes the current electromechanical integration system faces many challenges， and finally explores the effective solution from the physical modeling.

Key words： electromechanical integration system; Physical modeling; The solution

1.機電一體化系統相關內容概述

“機電一體化”的提出，至今超過了40年，當前比較通俗的理解，就是指機械技術、電子技術、傳感器測試技術、信息技術、自動控制技術、接口技術以及計算機技術等融合在一起的綜合性技術。相應的，機電一體化系統也是建立在機電一體化技術的機電系統。基于機電一體化技術功能角度而言，機電一體化系統主要由機械部分、電子部分、控制部分以及軟件部分等四個部分構成[1]。機電一體化系統相比一般系統而言，具有著顯著的整體性，由多個部分有機整合在一起，并為同一目的完成各項操作的集合體。值得注意的是機電一體化并不是簡單的多種技術融合在一起。基于機電一體化概念的不同，工業界對機電一體化系統的定義遲遲無法統一。

2.機電一體化系統開發面臨的諸多挑戰分析

2.1管理不同領域復雜性問題

機電一體化技術作為一種集機械技術、信息技術、自動控制技術以及計算機技術等技術的綜合性技術，在應用方面，自然是面向多個不同領域。相應的機電一體化系統的開發，必然需要基于子系統或者是更多子系統，并且子系統必須是機電一體化系統四個領域的集合[2]。由此可知，機電一體化系統在開發過程中，需要管理不同領域的復雜性問題。然而不同領域復雜性問題有著其特殊的一面，一旦將其綜合起來處理，自然提升了機電一體化系統的開發難度。

2.2設計缺陷

傳統機電系統的制作方法是將樣機制作出來，之后將其進行集合，并測驗是否能夠可以進行正常工作。然而這種設計方法所存在的不足之處，可以說是十分顯著的。究其原因在于樣機集成之后，發現問題，再做前期修理，勢必會增加成本。

2.3設計流程優化問題

機電一體化系統基于多個子系統構成，當中某一個子系統優化或者是具備一個更好的設計方案，并不能體現系統整體性能的優化。因此，機電一體化系統開發過程中，設計流程的優化問題可謂是最大的挑戰。具體言之，系統開發需充分考慮各個子系統的靈活性與成本，同時需要考慮整體性能。

3.機電一體化系統開發的物理建模解決方案

3.1模塊化設計

針對機電一體化系統開發中存在的不同領域復雜性管理問題，主要是借助平臺實現模塊化設計。具體言之，國外相關學者提供兩個平臺，一是以科學計算為基礎的工業標準語言MATLAB平臺，該平臺的主要作用在于為算法開發人員提供交互環境，實現了分析、可視化以及高級編程為一體，工程師可在交互環境中獲取各項數據，挖掘出相關信息，并進行系統算法開發與結果共享。二是建立在MATLAB平臺基礎上的Simulink，主要是增加了模型設計以及系統仿真等功能，為建模、仿真等不同領域復雜性問題的解決提供可一個模塊化設計環境。

3.2聯合仿真

傳統設計方法無法將不同領域之間有機結合起來。聯合仿真方法便有助于解決此類問題，具體言之，在同一個平臺上，將被控對象細節設計或者是構造，通過第三方軟件完成，自身產品僅僅是提供一些附件與接口，完成各項參數的轉遞。聯合仿真優勢在于可以重復利用現有模型，并支持設計與驗證工作。

3.3多域物理仿真

平臺上建模勢必會出現繁瑣的工作，多域物理仿真則可以有效避免此類繁瑣工作。具體言之，SimscapeTM作為近些年出現的一項重要技術，作為多域物理建模基礎平臺，優勢在于提供基礎數據庫，便可以完成機械、電子、液壓以及熱等領域的建模。同時多域物理模型集成之后，可在后臺方程中自行求解模型。例如控制系統模塊的搭建，系統之間的連接線通常稱之為信號線，信號線箭頭方向可認為信號流指示方向。值得注意的是在物理建模產品當中，不同模塊的搭建，之間的信號線并沒有固定方向，僅僅是數據相互傳遞。因此，系統仿真時，往往會出現因果關系描述與非因果關系描述兩種問題。針對此類問題，多域物理仿真便可以有效解決，具體就是在單一平臺上，進行多域物理仿真，可以在硬件制造之前發現并解決問題，由此優化設計，開發出整體性能優越的機電一體化系統。

4.結語

綜上，機電一體化技術作為機械技術、信息技術以及自動化控制技術等技術有機整合的綜合性技術，系統的開發對于技術應用與作用的發揮具有著重要作用。因此，有必要針對機電一體化系統開發面臨的挑戰，通過物理建模解決此類難題，使得機電一體化技術及系統造福于人類。

參考文獻：

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作者簡介：

羅凡（1995—），男，漢族，四川省巴中市，本科，研究方向：機械電子工程。

方光輝（1995—），男，漢族，四川省遂寧市，本科，研究方向：應用物理。