复杂机电系统的研究

摘 要：现代机电装备在不断追求高效率、高精度、高品质和几线功能的进程中，催生了一系列结构复杂、工况极端、信息融通、高效节能和精确稳定的复杂机电系统。复杂机电系统的功能日益丰富，载有的物理过程更趋极限，系统内各种物理过程的非线性、时变特征更为突出，过程之间的耦合、交融关系更为复杂，某些新的科学现象与规律将在更深层次上“凸显”出来，需要从系统集成的角度探索各种新知识、新原理和新方法。未来的复杂机电系统将不断提升多学科知识融合、高新技术集成的水平。复杂机电系统客观上以装备存在，其行为功能在集成演变中产生，有实效的研究最终应结合实际装备来开展，服务于国家经济建设与社会发展。

关键词：机电系统；中国制造；制造装备；集成科学

1 复杂机电系统的特点及内涵

1）特点

现代复杂机电系统是机、电、液、光等多物理过程融合于同一载体的复杂系统，其共有特性至少表现在下面四个方面：

1.集成了多种高新技术的多功能复杂机电系统，具有物理结构复杂、技术深度高与宽度广、多学科知识密集交叉与融合的核心特征。

2.系统由多个相同或不同层次的子系统组成，各子系统之间通过耦合构成结构复杂的有机整体。

3.系统具有动态性和开放性，通过耦合和协同进行能量流.物质流与信息流的传递、转换及演变，实现多个复杂的物理过程，并形成系统的基本功能。

1.由于复杂机电系统在功能、结构、耦合关系和物理过程等各方面所具有的复杂性，表现出一般复杂系统的典型特征。

2）内涵

系统集成是一种创造性的融合过程。只有当各个物理和功能摇苏经过主动的优化、选择搭配，相互之间以最合理的结构形式结合在一起，形成一个由适宜要素组成的、匹配的整体系统时，这样的过程才能称之为集成。因此，本文中复杂机电系统集成科学的内涵是指：运用系统科学的方法研究复杂机电系统的功能生成与躲屋里过程耦合机制，寻找和发现复杂机电系统集成、融合与演变过程的规律；从系统的角度研究机电装备的“融合集成效应”，从融合集成过程中的预期效果与实际差异中研究和发现系统集成的复杂规律，从系统动态行为的奇异性中研究系统集成中的功能保障与突变机制；基于复杂机电系统集成融合的新知识、新原理和新方法，逐步构建复杂机电系统的集成科学理论体系。

当代科技发展趋势表明，各领域各学科知识纵横交错，相互渗透，多种知识和技术的融合集成已成为科技创新的重要模式。因此，在加强原始性创新的同时，积极调整科技创新的模式，从注重单项创新转变到更加强调各种技术的集成，强调在集成科学基础上形成有竞争力的产品和产业，是我国建设创新型国家和新型工业化国家的战略需求。复杂机电系统集成科学需要解决的多场、多过 程、多界面耦合及多尺度效应等问题，反映了当代科技多学科深度交叉融合的发展趋势，是机械与制造科学的研究前沿。机械工程学科也正在形成“复杂机电系统设计制造的集成科学”，将“机械”设计提升到系统集成科学的层面，扩大与深化设计的科学内容，如界面科学、非线性科学和信息传递科学等；将传统的注重“设计方法”变革为设计“机械”载有的物理过程如何经集成演化产生机械功能；将模块化设计变革为“物质流-能量流-信息流全系统协同设计”。从集成科学的高度构建“设计-制造-运行”由物质流-能量流-信息流融合协同的理论体系，将促进多物理过程耦合、多技术模块协同、多几何结构选择性增强、无奇异动力演化的功能极端强化以及高性能、高智能、节能环保型复杂机电装备的创新研究、设计与开发。

2 发展现状与发展趋势的分析

1）复杂机电系统的发展现状

全球经济的飞速发展和不断增长的世界人口使得人类赖以生存的能源、环境、食品、住房、水资源、交通、健康等问题日益突出，加速发展的现代科学技术为人类创造活动提供了良好的基础，为了创造更为精彩的未来世界，人们对高速度、高功效、高精度、智能化机电产品的需求从来没有像今天这样迫切。

复杂机电系统的市场需求持续上升。节能环保基本上是所有现代机电系统必须具备的特性，对于生产能源的机电装备显得尤为重要。节约型和新型能源装备技术市场需求强劲。例如，风能已成为世界上发展最迅速的绿色能源之一，被称为“未来的能源”。截至2008年年底，全球风电总装机容量已经超过了1.2亿kW；2008年全球风电增长速度达到28.8%。中国风电发展强劲，2008年连续第四个年度新增装机翻番，已实现风电装机容量1324万kW，成为亚洲第一、世界第四、装机容量超千万千瓦的风电大国。

复杂机电系统产业分布高度集中。复杂机电系统是高成本、技术密集型产品，容易出现“木桶效应”。一些技术难度大、成套性强、需跨行业配套制造的技术装备，其设计与制造涉及多个学科、多种技术，需要多个企业和部门联合开发制造，容易形成高度集中的产业链。例如，全球风机市场由老牌制造商主导，仅维斯塔斯、通用、歌美飒、Enercon、Suzlon和西门子六家公司就占据了全球市场份额的70%以上。

2）驮踊电系统的技术发展趋势

总体来说，复杂机电系统的发展趋势主要表现为两个方面：复杂机电系统不断挑战技术极限；复杂机电系统不断提升多学科知识融合、高新技术集成的水平。基于目前复杂机电系统的研究进展，可以预测未来机电系统的技术发展趋势：

（1）系统功能愈加丰富，速度和精度大幅提高，运行工况进一步极端化。

（2）系统智能化程度显著提高，先进机电设备能按照人的意图进行自动控制和信息自动检测采集及处理，具备自凋节、自诊断和自动保护等功能，甚至实现操作全自动化和智能化。

（3）复杂机电装备的系统性更强，各子系统间协调性要求提高，多种技术的综合及多个部分的组合更具科学性。

3 结语

近20年来，我国机械、力学、数学等领域内的学者在复杂机电系统动力与控制方面进行了广泛、深入的研究，取得了不少创新性成果。基于复杂机电系统的研究现状及现阶段的发展趋势，围绕复杂机电系统的基础性研究仍显不足，明显滞后于国家对重大机电装备的发展应用需求，因此，未来仍应加强对复杂机电系统共性基础科学问题的研究。并且，在这个过程中，研究应与实际装备结合起来开展，特别是结合国家重大工程项目，有针对性地加强与深化相关应用基础研究，产生一批既有理论创新、又有显著社会经济效益的重大标志性研究成果。

参考文献

[1]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部・学科发展战略研究报告（2011～2020）：机械工程学科・北京：科学出版社，2010

[2]路甬祥・中国制造科技的现状与发展・中国科学基金，2006，20（5）：257―261