对机电一体化系统设计的浅谈

【摘 要】工业经济是国民经济收益的主要来源，也是国家产业结构的核心组成部分。机电一体化是现代工业科技发展的主要趋势，其将各种技术灵活地整合起来，开辟了工业生产作业的新模式。本文分析了机电一体化控制系统的设计与应用情况，重点介绍了控制技术的使用方法。

【关键词】机电一体化；控制技术；设计；应用方法

中图分类号：C35文献标识码： A

工业一直以来都是国民经济的主导产业，其不仅关系着国家经济的发展进程，也影响了整个社会科技的发展水平。新经济体制下，我国工业科技取得了新的研究成果，改变了过去单一的技术应用方案。机电一体化控制系统是工业经济中的先进模式，由于多种技术融入而提高技术的实用性，这些都能为企业发展创造有利的条件。

一、机电一体化系统的构成

从构成要素上来看，机电一体化系统由机械系统(机构)、电子信息处理系统(计算机)、动力系统(动力源)、传感检测系统(传感器)、执行元件系统(如电机)等五个子系统组成。机电一体化系统的基本特征是给”机械”增添了头脑(计算机信息处理与控制)，因此是要求传感器技术、控制用接口元件、机械结构、控制软件水平较高的系统。

从所要实现功能上来看，因为机电一体化系统(或产品)是由若干具有特定功能的机械与微电子要素组成的有机整体，要有满足人们使用要求的功能(目的功能)，所以根据不同的使用目的，要求系统能对输入的物质、能量和信息(即工业三大要素)进行某种处理，输出所需要的物质、能量和信息。因此，系统必须具有以下三大“目的功能”：①变换(加工、处理)功能；②传递(移动、输送)功能；③储存(保持、积蓄、记录)功能,不管是实现哪类“目的”功能的系统(或产品)，其系统内部必须具备如下图所示的五种内部功能，即主功能、动力能功能、检测功能、控制功能、构造功能。其中“主功能”是实现系统“目的功能”直接必需的功能，主要是对物质、能量、信息或其相互结合进行变换、传递和存储。“动力功能”是向系统提供动力、让系统得以运转的功能。“检测功能和控制功能”的作用是根据系统内部信息和外部信息对整个系统进行控制，使系统正常运转，实施“目的功能”。而“构造功能”则是使构成系统的子系统及元、部件维持所定的时间和空间上的相互关系所必需的功能。从系统的输入／输出来看，除有主功能的输入／输出之外，还需要有动力输入和控制信息的输入／输出。此外，还有因外部环境引起的干扰输入以及非目的性输出(如废弃物等)。

既然机电一体化系统(产品)可以分解成一系列要素或子系统构成，那么怎样使各要素或子系统之间顺利地进行物质、能量和信息的传递与交换呢?这就涉及到了接口的概念。所谓接口就是各要素或各子系统之间的联系条件。从系统外部看，机电一体化系统的输入／输出是与人、自然及其他系统之间的接口；从系统内部看，机电一体化系统是由许多接口将系统构成要素的输入／输出联系为一体的系统。从这一观点出发，系统的性能在很大程度上取决于接口的性能，各要素或各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。机电一体化系统是机械、电子和信息等功能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素或子系统之间的接口极为重要，在某种意义上讲，机电一体化系统设计归根结底就是“接口设计”。广义的接口功能有两种，一种是输入／输出的功能；另一种是变换、调整的功能。

二、机电一体化控制系统的设计要点

随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展。现在的机电一体化技术，是机械和微电子技术紧密集合的一门技术，它的发展使冷冰冰的机器有了人性化、智能化。从企业角度分析，开辟新工业生产模式是行业科技的创新要求，也是实现经济收益最大化的必要条件。笔者认为，机电一体化控制系统设计应注重几大模块的控制：

（1）结构模块。机械本体是系统的所有功能要素的机械支持结构，一般包括有机身、框架、支撑、联接等，这是机电系统控制的主要对象。设计一体化系统要考虑设备本身的结构设置，使机电、机械等设备发挥出预期的功效，这样才可以加快控制系统的功能发挥。

（2）动力模块。动力驱动部分依据系统控制要求，为系统提供能量和动力以使系统正常运行。无论是哪一种类型的机械设备，都要借助动力系统才能正常地运转，这是机电一体化设计的主要内容。动力模块设计可选用变频调节技术，根据主电机传输能量的大小，由变频器自动控制电传动速率，进而对设备动力供应系统进行调节，这样能够方便机电系统的自动化运转。

（3）感知模块。测试传感部分对系统的运行所需要的本身和外部环境的各种参数和状态进行检测，并变成可识别的信号，传输给信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息。传感器是信息传递的主要设备，用其作为信号感应与自处理装置，对机电设备调度具有指导作用。无线传感技术的普及应用，能够帮助控制系统快速地分析数据信息，避免其他信号传递造成的干扰。

（4）指令模块。控制及信息处理部分将来之测试传感部分的信息及外部直接输入的指令进行集中、存储、分析、加工处理后，按照信息处理结果和规定的程序与节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的的运行。机电一体化控制系统设计应考虑指令的控制，尤其是自然语言与计算机语言之间的转换，更应该朝着一体化方向转变，这是保证机电信号稳定传输的重点条件。

三、机电一体化系统的相关关键技术

（1）机械技术：机电一体化的机械产品与传统的机械产品的区别在于：机械结构更简单、机械功能更强、性能更优越。在设计和制造机械系统时除了考虑静态、动态刚度及热变形等问题外，还应考虑采用新型复合材料和新型结构及新型的制造工艺和工艺装置。

（2）传感检测技术：传感检测技术的内容，一是研究如何将各种被测量转换为与之成比例的电量；二是研究对转换的电信号的加工处理。机电一体化系统要求传感检测装置能快速、准确、可靠地获取信息。

（3）信息处理技术：信息处理的发展方向是提高信息处理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技术的范畴。

（4）自动控制技术：机电一体化系统中的自动控制技术主要包括位置控制、速度控制、最优控制、自适应控制以及模糊控制、神经网络控制等。

（5）伺服传动技术：伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，常见的伺服驱动系统主要有电气伺服和液压伺服。

（6）系统总体技术：机电一体化系统是一个技术综合体，它利用系统总体技术将各有关技术协调配合、综合运用而达到整体系统的最佳化。

四、机电一体化控制系统是工业生产调度的主要趋势，也是基于信息科技的自动化控制平台，用其作为工业生产控制模块，有助于加强生产设施的工作性能，带动了生产效率的全面提升。同时，借助控制及信息处理部分发出的指令，可快速完成规定的动作和功能。除此之外，新型机电控制系统应用还表现在其它方面：

（1）人机智能化。从未来科学技术的发展角度考虑，我国机电一体化控制系统也将朝着智能方向改进，这种智能性特点是在原控制模式上的升级，应用了多功能控制技术作为辅助方案。随着计算机应用技术的不断推广，机电一体化作业模式的智能系数更高，大部分人工操作均可通过计算机控制平台处理，这些改变了传统工业生产模式的不足。

（2）数字一体化。数字一体化是对机电一体化控制的延伸，其选用高科技数字系统作为支撑，对机电设备动作指令进行合理地调度，帮助工业系统解决实际生产中的问题。数字一体化以微型计算机为控制平台，这种小型计算机具备了常规计算机的数据处理功能，因其外形轻巧而适合安装于机电设备。利用数字传感器对控制系统实时感应，发现异常信号后及时调整指令，加快了数字系统的自处理效率。

参考文献

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