淺析機電控制系統自動控制技術與一體化設計

李進生

（武漢軟件工程職業學院，湖北 武漢430033）

隨著生產力的發展、生產技術的提高，生產規模越來越大，自動化控制技術的應用日益廣泛，成為當今科技發展不可或缺的重要組成部分。

1 機電控制系統與自動控制系統的內涵

1.1 機電控制系統

在現代科技領域中，機電控制系統是指在沒有人參與的情況下，使用控制裝置，使機器、設備或生產過程自動的按照設計好的方式運行，通過整套的系統把控制器與控制對象等部件組合在一起，來完成一定的任務，機電控制系統最重要的部分是控制。從技術內容來分析，機電控制運用了微電子、電力電子、計算機、信息處理等技術，而且也會用到通信、傳感檢測、過程控制、伺服傳動及自動控制技術，且這些技術不是單獨使用，而是包含了這些技術生成的綜合性技術，最終形成了具有檢測傳感技術、信息處理技術、自動控制技術、伺服傳動技術于一身的系統的技術。機電控制系統的出現是隨著計算機的發展、軟件的開發而出現并逐步應用的，現在它已經廣泛地應用到了生產、航空、航海等領域。

機電控制系統主要進行遠程控制，即管理人員在異地通過計算機網絡異地撥號或雙方都網絡連接而控制計算機，從而達到通過對本計算機的處理而完成異地業務的一種控制系統，它是在網絡平臺的基礎上形成的，也必將成為機電控制一個新的發展趨勢。

在遠程控制中，如果工作人員需要對系統運行的每一個步驟實施關注，并且在必要時隨時進行干預，這樣的遠程控制叫做保持型遠程控制；而不需要隨時進行關注，在系統完成運行后，由系統向遠程監控的服務器進行報告，稱為完成型控制系統；在系統運行的時候，人機可以隨時建立聯系，可以干預，也可以不干預，稱為人機交互型控制系統。

1.2 自動控制系統

自動控制系統通過控制器的使用，使被控制對象在運行中，自動按照預定規律運行。自動控制系統根據控制內容的不同可以分為：高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正控制等。自動控制系統的實用性，以及它可以協調機械、電器各個部分來有效地完成預定的內容，這是自動控制技術的核心。

經典控制理論和現代控制理論是自動控制系統的兩大理論依據。經典控制理論采用數學工具拉普拉斯變換來進行傳遞函數的計算，并且進行系統的分析，研究單變量的線性時不變系統。控制原理是負反饋閉循環系統，采用自動調節器作為反饋控制系統的中心環節，因而經典控制理論也叫自動調節原理。現代控制理論的研究對象是相對經典控制理論而言的，它主要以線性代數、矩陣論和集合論為主要的數學工具，將系統運行的過程采用狀態空間法在時間域內分析之后，用狀態方程描述出來，根據現行狀態及其條件分析下一步的狀態，其主要內容是最優控制、隨機控制和自適應控制。這兩種理論的控制對象極為明確，都需要建立精確的數據模型，其數據模型都可以用嚴格的數學方程和函數表示，這是兩種控制理論的共性。

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

機電一體化設計是一種高精度的設計，機電產品的性能必須通過機電配合才能實現，因而要求這兩種技術相互聯系、相互補充。當電子元件和機械裝置無法完成預期的要求時，必須加入電子元件進行控制，多種技術共存，軟硬件相結合。因此這是一種高精度的設計，而且在設計過程中還要考慮產品的成本、可靠性、精度、市場需求等方面。有鑒于此，機電一體化的設計往往都會經歷兩個不同的階段，開發設計階段與適應性設計階段。開發設計階段主要是為了滿足性能要求，而適應性設計階段是為了對原有的產品設計進行修改，完善其功能和局部改進，使得機電一體化產品的性能有所提高。機電一體化產品的設計要求具有高精度，這在設計中是有規律可循的，筆者認為主要可采用以下幾種方法。

（1）電子線路代替機械控制機構

在單純的機械運行中，出現的控制往往都是單一的機械控制機構，而在機電一體化的產品設計中，可以采用電子線路來改進這樣的控制機構，從而改變機械的運行過程，從而達到預期的效果。第一步，采用可以編程的控制器或者微型計算機，將電子線路與機械控制結構有機的結合起來。第二步，用變速機構、凸輪來代替原有的插銷板、薄碼盤、步進開關等接觸式的控制器，用電子線路代替原有的機械結構，不僅能簡化機械結構，而且能提高產品的性能和質量，實現機電一體化的構想。

（2）機械部分與電子部分的有機整合

機電一體化的設計，最為關鍵的部分是打破原有的產品設計模式，實現一種全新思路的產品設計理念，但是與產品相關的原理沒有變動，只是采用了一種全新的思路去完成設計理念來提高產品的質量與性能，也就是將電子技術與機械技術有機的整合，使之成為一個不可分割的有機整體。例如，在電液比例控制系統中，將比例電磁鐵與液壓閥這兩個部分有機的整合，形成了一體化的比例閥，該有機整體的設計理念就是機電一體化的理念；將直線伺服電動機的定子繞阻埋藏在機床導軌中，也是踐行機電一體化的理念。

（3）功能模塊的整合

在機電一體化的設計過程中，當采用簡單的機械與電子整合不能達到預期效果時，我們需要將各個功能模塊進行精心整合，使之成為一體化的系統，而這個系統是一個多功能模塊的綜合系統，通過系統設計方能達到想要的效果。比如數控車床的設計采用的就是這種方式，首先采購可供車床使用的專用數控裝置、伺服驅動裝置、以及相關的各種機械裝置各一套，然后再將各個部分實行整合，就能組成一臺功能模塊相整合的機電一體化數控車床，完成多種切削功能。這樣功能模塊的整合能夠保證質量可靠，同時節省了設備費用，便于生產的管理、實用和維修。

4 結束語

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。

［1］ Keith Curtis.機電一體化設計的整體分析［J］.工業設計，2009，（2）：25－26.

［2］ 葛付存.現代機電控制技術的應用［J］.機電信息，2010，（12）：150.

［3］ 梁治河.機電控制系統自動控制技術與一體化設計［J］.科技風，2011，（9）：37.

［4］ 張廣生.機電控制技術應用問題［J］.科技致富向導，2011，（9）：209.