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

關(guān)鍵詞：機電控制系統(tǒng)；機電一體化；產(chǎn)品設計

現(xiàn)代生產(chǎn)力的進步越來越快，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)展的一個標志性技術(shù)。

一、機電控制系統(tǒng)的涵義

在現(xiàn)有的科學技術(shù)里，所謂機電控制系統(tǒng)是指在無人控制的情況之下，利用自動控制設備，讓生產(chǎn)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(tǒng)，實現(xiàn)特定的任務要求。其中機電控制系統(tǒng)里最主要的組成是控制方面。而從技術(shù)層面看，機電控制系統(tǒng)是單片機技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機拖動技術(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)。機電控制系統(tǒng)的發(fā)展其實是依靠微機系統(tǒng)的飛速發(fā)展，以及相應的軟件開發(fā)技術(shù)配套使用而慢慢發(fā)展的?，F(xiàn)在這方面的技術(shù)已經(jīng)在航空航天、生產(chǎn)實踐的各個方面得到了非常廣泛的應用。

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

二、自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)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(zhí)行。自動控制系統(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、自適應控制、自診斷、校正控制等。自動控制系統(tǒng)具有很強的實用性能，它的工作主要是通過自身系統(tǒng)中的各個機械電子等部件的協(xié)調(diào)工作實現(xiàn)預先設定的程序任務，這是自動控制技術(shù)的主要內(nèi)容。

自動控制系統(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控制系統(tǒng)在復數(shù)域中的數(shù)學模型，然后進行系統(tǒng)的動態(tài)和靜態(tài)分析，一般來說，主要分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和準確性三大性能，而且一般這樣的系統(tǒng)都是負反饋閉循環(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)學工具中的線性代數(shù)和矩陣，把自動控制系統(tǒng)的整個運行的狀態(tài)采用狀態(tài)空間法在時間域內(nèi)用時域方程進行客觀表述，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(tǒng)進行精確的分析和控制，都必須建立該系統(tǒng)的數(shù)學模型，當然數(shù)學模型的表述都是時域數(shù)學方程或者是復數(shù)域數(shù)學方程。

三、一體化的設計理念

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)控機床的電氣制造等都需要進行機電一體化改造。在這一行業(yè)中，日本走在了前面，他們率先提出把機械系統(tǒng)中的動力部分等其他部分與電子控制技術(shù)相結(jié)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(fā)展過程中，不斷吸收新的材料、新的技術(shù)。而機電一體化目前已成為一個專業(yè)、一個學科，要求設計者們對機電產(chǎn)品進行設計規(guī)劃時，就把產(chǎn)品當做一個完整的自動控制系統(tǒng)進行分析，把機械、電子、自動控制加入進去以后完成的產(chǎn)品就是一個機電一體化的機電控制系統(tǒng)。當然在進行設計的過程中需要對產(chǎn)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(tǒng)，同時讓該產(chǎn)品具有智能化、模塊化網(wǎng)絡化、微型化、綠色化和系統(tǒng)人格化等特點，這是機電一體化產(chǎn)品的設計目標。

四、機電一體化產(chǎn)品的設計方法

機電一體化的產(chǎn)品設計在設計過程中需要非常高的準確度，機電控制系統(tǒng)的任務實現(xiàn)必須依靠機械和電子的相互協(xié)調(diào)才可以實現(xiàn)。所以在設計中這兩者就需要緊密聯(lián)系，當機械裝置無法單獨實現(xiàn)預定的目標時，就需要融入電子電氣控制，讓更多的技術(shù)加入產(chǎn)品設計開發(fā)中，軟件硬件相配合。同時設計開發(fā)的過程要兼顧該產(chǎn)品的成本、準確度、市場的需求等多個因素。根據(jù)以上開發(fā)過程，我們總結(jié)出機電一體化的控制系統(tǒng)設計一般需要經(jīng)過兩個過程，開發(fā)階段和產(chǎn)品試運行階段。開發(fā)階段的任務是達到設計目標，而產(chǎn)品試運行階段的任務是對產(chǎn)品進行修改，讓該產(chǎn)品更加適應和滿足客戶的需求。對機電一體化的產(chǎn)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(jié)構(gòu)控制

如果采用單獨的機械結(jié)構(gòu)，則采用的控制方式一般是簡單的機械控制結(jié)構(gòu)，如果采用機電一體化產(chǎn)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(xiàn)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(jié)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(chǎn)品的性能，而且可以提高該產(chǎn)品的質(zhì)量，實現(xiàn)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(jié)合

機電一體化產(chǎn)品的設計過程中，非常重要的一步就是改變原先舊的產(chǎn)品設計理念，打造一種全新的設計思路。而實現(xiàn)產(chǎn)品功能的原理性東西沒有動，只是采用一個新的方法創(chuàng)造該產(chǎn)品，也就是讓電子控制部分與機械控制部分完美結(jié)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(fā)現(xiàn)機械控制與電子控制的結(jié)合沒有實現(xiàn)需要達到的功能，就需要采取別的方法，就是對產(chǎn)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(gòu)成一個完整的系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)是一個由多種模塊構(gòu)成的大綜合系統(tǒng)，從而實現(xiàn)客戶或者設計者的預期目標?，F(xiàn)在所使用的數(shù)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(shù)控機床機電一體化產(chǎn)品。這樣的設計方式節(jié)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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