机电一体化系统设计方法论研究

摘要：主要对国内外机电一体化的发展阶段以及机电一体化系统设计方法论的国内外发展阶段进行了阐述，分类讨论了机电一体化系统设计方法论的主要观点，预测了今后方法论的发展趋势。

关键词：机电一体化系统；设计；方法论

引言

机电设备往往是多工程应用领域综合产品，需要研发人员及从业使用人员具备多学科的背景知识。机电一体化系统设计方法论从系统全局的角度出发，全面阐述机电一体化的设备设计过程，对于研发机电设备具有极其重要的指导意义。在当今工业4.0背景下，机电一体化系统设计方法论被赋予了更多时代使命，需要解决更多实际问题。国内外学者的相关理论研究成果早已层出不穷，本文将研究分析国内外关于机电一体化系统设计方法论的发展现状。

1机电一体化系统设计方法论的发展阶段

机电一体化系统设计方法论与机电一体化的发展密切相关，而机电一体化的发展历史目前可以分为四个阶段。1950—1970年代，在第三次工业革命的大背景下，伴随着计算机技术的发展，机电一体化已处于萌芽阶段，但相关产品和技术没有获得成功与认可。1970—1990年代，得益于集成电路和微型计算机技术的发展，控制和通讯等技术得到突破性进展，同时自动化水平大大提高，机电一体化已形成独立学科，处于初步发展阶段。1990—2010年代，由于计算机、自动化等技术进一步极速发展，光学、智能算法等更多领域知识融入机电一体化学科，机电一体化处于高速发展阶段。2010年至今，在工业4.0的大背景下，由于计算机数字仿真、网络信息等技术的迅速发展，机电一体化技术处于繁荣发展阶段，将对社会生产力作出更大贡献。相应地，机电一体化系统设计方法论也随着机电一体化技术的发展而出现。从1970年代开始，最初的理论研究集中在如何定义机电一体化系统，主要观点来自欧美和日本。从1980年代末期学者开始对机电一体化进行系统设计方法论研究，主要是从系统的组成划分角度出发，更加注重各部分的功能描述、物理特性及其相互间的逻辑关系，使人们更加深入了解机电一体化系统。1990年代开始，由于计算机技术的极速发展与大规模普及，机电一体化系统设计方法论开始有了新的发展方向，主要是从基于系统建模技术的仿真平台出发，能够模拟机电一体化系统，大幅节省机电产品研发周期与成本。

2机电一体化系统设计方法论的主要观点

表1～3列出了机电一体化系统设计方法论发展各个阶段对应的主要观点。不难看出，表1是各国研究组织对机电一体化的定义，其从最初的机械与电子简单相叠加，发展到包含机械、电子、电气、通讯、控制、网络等多学科交叉融合，并且直到现在仍在不断更新，一直在反映着工业科技和理论研究的最新方向，但缺点是未能对机电一体化系统设计方法论进行深入的研究。相比于表1对应的仅仅定义机电一体化阶段，表2对机电一体化系统进行了深入的设计方法论研究，都各自提出了自己的设计理论，更加全面地阐述了机电一体化系统设计的内涵。例如德国达姆施塔特大学的RolfIsermann在自己的研究论文里提出机电系统设计五块论，把机电一体化系统比作人，由五个部分组成，包括控制、动力、传感、操作和结构，分别对应大脑、心脏、五官、四肢及躯体，不过缺点是对各部分的特点和融合设计考虑较少。表2中的方法论缺点在于太偏重于理论方面研究，虽然尝试着引入数学物理模型，但不能较好地描述实际系统，面对日益复杂的机电系统越来越吃力。如表3所示，由于计算机仿真技术在现代工业产品设计中起到了越来越大的作用，而仿真软件平台的核心技术理论在于建模，研究者纷纷提出基于各自建模理论的机电仿真设计平台或系统设计方法论，部分软件在机电设计领域得到了广泛应用和商业化，例如20-Sim、AMESim和Dymola等。

3机电一体化设计方法论发展趋势预测

从机电一体化系统设计方法论的发展来看，未来方向会越来越围绕计算机仿真为核心来建设，主要发展趋势如下：

3.1多个软件联合仿真成为方法论关键技术

在计算机技术日益进步的今天，很多商业机电仿真软件建模模型库更加接近物理实际，算法更加丰富，界面更利于互动，操作更加容易，兼容性和稳定性更好，功能越来越强大，但是在多学科仿真方面还不够完善。而机电产品往往涉及到机械、电气、电子、气动、液压、热力学、磁场、光学等多学科，目前单一的仿真软件无法擅长上述所有学科建模，因此将各机电软件自身最擅长的学科联合起来，取长补短，对机电系统进行联合仿真，提出相应方法论，可以达到最佳效果。

3.2方法论更加注重机电系统各组成部分逻辑

由于仿真软件模型越来越能反映实际物理模型，机电系统模型更加真实，方法论对于基于纯数学工具建立机电模型的能力要求在逐步削弱，而基于机电仿真的设计方法论会更加注重机电系统各组成部分的逻辑建设，使各软件或各理论模型更加融会贯通地结合。

3.3方法论更加注重机电系统最优化设计

方法论应在系统设计的各个阶段提出评价方法，利于优化设计评估。由于机电仿真软件功能的强大，进行机电设计时可以利用软件自带的优化算法，在关键设计阶段不断进行优化。或者直接提出相应的系统优化方法，在设计流程中，把仿真和试验作为其中的工具或步骤，来达到高效优化的目的。

3.4方法论更加注重机电系统创新设计

借助于计算机仿真，机电一体化系统设计方法论能够更加快速地融合各学科知识，机电系统设计的周期必然变短，方案种类变多，创新元素也必然更容易产生、表达和实现，从而能更加高效地实现整个机电系统创新设计。

3.5工业4.0将会在方法论中得到体现

工业4.0的重要特征是大数据化，本质上是广义工业智能物联网信息共享交互，这也将在机电一体化系统设计方法论的发展中成为必然趋势。例如方法论可以在设计、验证、优化过程中每一个步骤都被数据化记录，和机电产品在生产、运维和退役过程中表现出来的性能优缺点数据进行双向物联，可以在实际生产应用中预测问题、解决问题以及优化设计。

4结语

机电一体化系统设计方法论对于指导机电产品设计有着极其重要的作用，有利于缩短机电系统研发周期，大幅提高系统整体性能。基于计算机仿真技术和工业大数据的机电一体化系统设计方法论必然在今后得到全面发展。现阶段已有的成果大多是欧美国家取得的，我国在这方面的理论研究尚浅，需进一步深化和拓展，这样有利于提高我国机电一体化设计水平。

作者：潘大雷 顾申杰 郭广跃 钟华 单位：上海核工程研究设计院