機電控制系統自動控制技術與一體化設計

李劍峰

摘 要：機電控制技術隨著科技發展漸漸成為綜合性較強的技術，并且需要多方面技術配合完成。機電一體化設計更多的是體現產品的智能、綠色以及人性化特點，這是一種更加先進的理念，對機電控制系統發展有較強的促進作用。本文就機電控制系統進行簡要概述，對機電一體化設計理念進行探討，了解機電一體化設計優勢。對機電控制系統、自動化控制技術、一體化設計方法理念進行深入的認識和研究，促進相關方面的發展。

關鍵詞：機電控制系統；自動控制技術；一體化設計；研究探討

機電系統的核心是控制，人們一般把機電系統稱為機電控制系統。從技術來說，現代機電控制技術是微電子、電力電子、計算機、信息處理、通信、傳感檢測、過程控制、伺服傳動及自動控制等多種技術相互交叉、滲透、融合而成的綜合性技術。機電控制的共性相關技術一般歸納為檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術及系統總體技術。我國科技的提升與技術的發展都使得自動化控制技術得到了更多的重視，在各個領域都得到了更加廣泛的應用。通過技術革新和一體化設計，使擴大生產規模、提升生產效率更加容易。

1 機電控制系統自動控制技術闡述

1.1 機電控制系統

機電控制系統是指在沒有人參與的情況下由機械、設備等按照人們設計好的方式運行實現生產，通過機電控制系統，可以將控制器和控制對象等各種部件組合到一起。在實現機電控制系統的過程中，運用到的技術主要包括信息處理技術、計算機技術、電力電子技術、微電子技術等，此外還會應用傳感檢測技術、通信技術、過程控制技術以及自動化控制技術來實現，并且這種技術并不是單獨使用的，在機電控制的過程，需要將這些技術融合在一起形成綜合技術，然后才能實現機電控制系統。機電控制系統的出現為工業制造和工業生產帶來了很大的便捷，在很多領域和行業都得到了廣泛的應用，例如航海、航空以及生產領域。對于機電控制系統，雖然是設備和儀器的控制過程，但是需要人進行遠程控制，管理人員主要通過計算機網絡對機電控制的各種儀器和設備進行控制，因此機電控制系統是在網絡平臺的基礎上發展起來的。

1.2 自動控制技術

自動控制技術是通過控制器使被控對象或過程自動按預定的規律運行。因被控對象種類繁多，控制技術的內容非常豐富，有高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現、檢索等技術。自動控制技術可協調機械、電器各部分來有效完成動作過程，在機電控制系統中起重要作用。自動控制的理論基礎是自動控制原理，它分為經典控制理論和現代控制理論。前者研究對象是單變量的線性時不變系統，它使用的數學工具是拉普拉斯變換，用傳遞函數方法在頻率域進行系統分析。它的控制原理是負反饋閉環系統，以自動調節器作為反饋控制系統的中心環節，所以，經典控制理論也叫自動調節原理。后者是以多變量、非線性、時變系統為研究對象，它運用的數學工具有線性代數、矩陣論和集合論等。它是用狀態空間法在時間域內進行系統分析，用狀態方程描述系統過程。根據狀態及條件，分析下一步的狀態。現代控制理論研究的主要內容是最優控制、隨機控制、自適應控制和魯棒控制等。經典控制理論和現代控制理論，被人們統稱為傳統控制理論。它們的共性是基于被控對象的精確數學模型，就是控制對象和干擾均應以嚴格的數學方程和函數表示。控制的任務和目標通常比較直接明確。而在現實世界中，許多系統，諸如智能機器人系統、計算機集成制造系統、航空航天控制系統等用傳統的控制理論卻難以解決，從20世紀70年代以后，特別是21世紀以來，智能控制開始興起，已經形成了一門新興學科。智能控制系統具有學習功能、自適應功能和自行組織與協調功能。它主要采用的數學工具是符號推理與數值計算的結合以及神經元網絡和模糊理論等。智能控制是一門新興的多個領域交叉學科，它的理論尚未成熟，而實際的需要有力地推動了智能控制理論和技術的迅速發展，具有廣闊的發展前景。在機電控制系統中會逐漸發揮其重要作用。在機電控制技術中，自動控制主要解決怎樣提高產品的精度、提高加工的效率、提高設備的有效利用率等諸多問題。它的主要技術的關鍵是現代控制理論在機電控制技術中的工程化與實用化、優化控制模型的建立及邊界條件的確定等。計算機動態仿真技術的產生和發展為在控制系統的物理模型建立之前就可預見其動態性能，并為正確選擇控制系統的有關參數提供了方便和條件。

2 一體化設計的理想

中國目前已經成為世界制造業大國，隨著改革的深入，產業結構逐漸調整，電子信息產品制造業、機床電氣和電工電氣制造業等重點發展行業逐漸增加，機電一體化的呼聲越來越高。日本的機械整形協會經濟研究所最早提出了機電一體化的概念，他們創造性的設想了將機構中的主功能、動力功能等其他的功能都加入電子技術進行控制，將接卸裝置、電子設計與軟件設計合而為一。機電一體化隨著社會的發展而不斷增加新的內容，目前已經形成一個學科，其要求在進行產品設計時，對設計的產品進行系統分析，將分析之后的結果綜合起來，最終所形成的產品就是機電一體化系統，這個分析與綜合是需要反復進行的，只有在反復進行的基礎上，才能對設計進行修改完善，最終使之成為可以有效實現的目標。從系統的角度出發，使產品具有智能化、模塊化、網絡化、微型化、綠色化和系統人格化等特點，具有無可比擬的優越性，這是機電一體化設計的理想。把機械技術、微電子技術、自動控制技術有機的結合起來，將系統功能化和優化，合理地配置各個單元，保證其特殊功能的實現，使系統成為最優化的系統，完成所要求的功能，這樣的產品就是機電一體化的產品。

3 機電一體化產品的設計方法

不同類型的產品在設計中要采取不同的方法。對舊機床的技術改造，它的主體仍是機械系統，只是控制系統電子化了，而設計智能化的測量裝置，設計的主體則是電子技術問題。實現機電一體化設計的方法一般有取代法、整體設計法和組合法，要根據不同情況進行選擇。

1）取代法。一般用于以電子線路取代機械式控制機構，這類機械電子化產品設計。例如，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械式的變速機構、凸輪等控制機構，代替氣動、液壓控制系統，代替插銷板、撥碼盤、步進開關、時間繼電器等接觸式控制器等。不僅能簡化機械結構，還可以提高產品的性能和質量。這種方法接近原來的產品或同類產品的結構原理，設計容易實現；而缺點是跳不出原產品的框架，在開發全新產品時有其局限性。

2）整體法。使設計的產品要取得較高的性價比，開發出全新產品，設計時要把機械部分與電氣部分融為一體，從整體上進行設計。在電液比例控制系統中，比例電磁鐵與液壓控制閥構成一體化的比例閥；直線式伺服電動機的定子繞組埋藏在機床導軌中等均為整體化設計的結果。

3）組合法。這是把各種標準功能模塊組合成各個機電一體化系統。例如，把一臺車床改造為數控車床時，可以外購一套供車床專用的數控裝置、一套伺服驅動裝置、一套位移測量裝置、一套與主軸電機相配合的變頻器，就能組合一臺具有自動調速、自動進給、能完成多種切削功能的數控車床。采用組合法開發機電一體化，周期短、質量可靠、節約工裝設備費用，便于生產管理、使用和維修。隨著社會生產和科學技術的發展與進步，機電控制技術在不斷地深入到各個領域并迅速向前推進。發展的重點和具體做法不盡相同，但總的趨勢趨于一致。從性能上看，它向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發展；從功能上看，它向小型化、輕型化、多功能方向發展；從層次上看，它向系統化、復合集成化方向發展。機電控制技術綜合利用各相關技術優勢，揚長避短，取得系統優化效果，有顯著的社會效益、技術效益和經濟效益。它可以提高精度；增強功能；提高生產效率，降低成本；節約能源，降低消耗；提高安全性、可靠性；改善操作性和使用性；減輕勞動強度，改善勞動條件；簡化結構，減輕質量；降低價格；增強柔性應用功能。

4 結束語

機電控制系統融合了多方面技術，這使得其在制造、生產、設備管理等等多方面領域應用廣泛，并發揮著越來越重要的作用。機電一體化是新世紀具有創新特性的技術產物，不僅給企業生產以及設備應用帶來了很高的經濟效益，同時創造了社會效益，這為機械工業、制造業以及其他相關產業提供了堅實的技術基礎。機電一體化產品設計在今后發展過程中仍然需要不斷進行創新和完善，并提供更加人性化服務，在質量方面不斷進行提升和進步。機械控制系統自動控制技術與一體化設計在今后的發展中將起到越來越重要的作用，并體現更大的價值。

機電一體化已經成為了產品設計與開發的發展要求，筆者從機電控制與自動控制的內涵入手，闡述了機電一體化設計的理念，在這個基礎上闡述了三種機電一體化的設計方法：電子代替機械控制機構，是在一個系統內部實現機電一體化；機械部分與電子部分的有機整合，是在一個機械裝置中實現機電一體化；功能與模塊的整合，是在一個大的功能系統中實現機電一體化。

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