復雜機電系統的研究

韓瑞+馬帥+閆科穎+趙長海

摘 要：現代機電裝備在不斷追求高效率、高精度、高品質和幾線功能的進程中，催生了一系列結構復雜、工況極端、信息融通、高效節能和精確穩定的復雜機電系統。復雜機電系統的功能日益豐富，載有的物理過程更趨極限，系統內各種物理過程的非線性、時變特征更為突出，過程之間的耦合、交融關系更為復雜，某些新的科學現象與規律將在更深層次上“凸顯”出來，需要從系統集成的角度探索各種新知識、新原理和新方法。未來的復雜機電系統將不斷提升多學科知識融合、高新技術集成的水平。復雜機電系統客觀上以裝備存在，其行為功能在集成演變中產生，有實效的研究最終應結合實際裝備來開展，服務于國家經濟建設與社會發展。

關鍵詞：機電系統；中國制造；制造裝備；集成科學

1 復雜機電系統的特點及內涵

1）特點

現代復雜機電系統是機、電、液、光等多物理過程融合于同一載體的復雜系統，其共有特性至少表現在下面四個方面：

1.集成了多種高新技術的多功能復雜機電系統，具有物理結構復雜、技術深度高與寬度廣、多學科知識密集交叉與融合的核心特征。

2.系統由多個相同或不同層次的子系統組成，各子系統之間通過耦合構成結構復雜的有機整體。

3.系統具有動態性和開放性，通過耦合和協同進行能量流.物質流與信息流的傳遞、轉換及演變，實現多個復雜的物理過程，并形成系統的基本功能。

1.由于復雜機電系統在功能、結構、耦合關系和物理過程等各方面所具有的復雜性，表現出一般復雜系統的典型特征。

2）內涵

系統集成是一種創造性的融合過程。只有當各個物理和功能搖蘇經過主動的優化、選擇搭配，相互之間以最合理的結構形式結合在一起，形成一個由適宜要素組成的、匹配的整體系統時，這樣的過程才能稱之為集成。因此，本文中復雜機電系統集成科學的內涵是指：運用系統科學的方法研究復雜機電系統的功能生成與躲屋里過程耦合機制，尋找和發現復雜機電系統集成、融合與演變過程的規律；從系統的角度研究機電裝備的“融合集成效應”，從融合集成過程中的預期效果與實際差異中研究和發現系統集成的復雜規律，從系統動態行為的奇異性中研究系統集成中的功能保障與突變機制；基于復雜機電系統集成融合的新知識、新原理和新方法，逐步構建復雜機電系統的集成科學理論體系。

當代科技發展趨勢表明，各領域各學科知識縱橫交錯，相互滲透，多種知識和技術的融合集成已成為科技創新的重要模式。因此，在加強原始性創新的同時，積極調整科技創新的模式，從注重單項創新轉變到更加強調各種技術的集成，強調在集成科學基礎上形成有競爭力的產品和產業，是我國建設創新型國家和新型工業化國家的戰略需求。復雜機電系統集成科學需要解決的多場、多過 程、多界面耦合及多尺度效應等問題，反映了當代科技多學科深度交叉融合的發展趨勢，是機械與制造科學的研究前沿。機械工程學科也正在形成“復雜機電系統設計制造的集成科學”，將“機械”設計提升到系統集成科學的層面，擴大與深化設計的科學內容，如界面科學、非線性科學和信息傳遞科學等；將傳統的注重“設計方法”變革為設計“機械”載有的物理過程如何經集成演化產生機械功能；將模塊化設計變革為“物質流-能量流-信息流全系統協同設計”。從集成科學的高度構建“設計-制造-運行”由物質流-能量流-信息流融合協同的理論體系，將促進多物理過程耦合、多技術模塊協同、多幾何結構選擇性增強、無奇異動力演化的功能極端強化以及高性能、高智能、節能環保型復雜機電裝備的創新研究、設計與開發。

2 發展現狀與發展趨勢的分析

1）復雜機電系統的發展現狀

全球經濟的飛速發展和不斷增長的世界人口使得人類賴以生存的能源、環境、食品、住房、水資源、交通、健康等問題日益突出，加速發展的現代科學技術為人類創造活動提供了良好的基礎，為了創造更為精彩的未來世界，人們對高速度、高功效、高精度、智能化機電產品的需求從來沒有像今天這樣迫切。

復雜機電系統的市場需求持續上升。節能環保基本上是所有現代機電系統必須具備的特性，對于生產能源的機電裝備顯得尤為重要。節約型和新型能源裝備技術市場需求強勁。例如，風能已成為世界上發展最迅速的綠色能源之一，被稱為“未來的能源”。截至2008年年底，全球風電總裝機容量已經超過了1.2億kW；2008年全球風電增長速度達到28.8%。中國風電發展強勁，2008年連續第四個年度新增裝機翻番，已實現風電裝機容量1324萬kW，成為亞洲第一、世界第四、裝機容量超千萬千瓦的風電大國。

復雜機電系統產業分布高度集中。復雜機電系統是高成本、技術密集型產品，容易出現“木桶效應”。一些技術難度大、成套性強、需跨行業配套制造的技術裝備，其設計與制造涉及多個學科、多種技術，需要多個企業和部門聯合開發制造，容易形成高度集中的產業鏈。例如，全球風機市場由老牌制造商主導，僅維斯塔斯、通用、歌美颯、Enercon、Suzlon和西門子六家公司就占據了全球市場份額的70%以上。

2）復雜機電系統的技術發展趨勢

總體來說，復雜機電系統的發展趨勢主要表現為兩個方面：復雜機電系統不斷挑戰技術極限；復雜機電系統不斷提升多學科知識融合、高新技術集成的水平。基于目前復雜機電系統的研究進展，可以預測未來機電系統的技術發展趨勢：

（1）系統功能愈加豐富，速度和精度大幅提高，運行工況進一步極端化。

（2）系統智能化程度顯著提高，先進機電設備能按照人的意圖進行自動控制和信息自動檢測采集及處理，具備自凋節、自診斷和自動保護等功能，甚至實現操作全自動化和智能化。

（3）復雜機電裝備的系統性更強，各子系統間協調性要求提高，多種技術的綜合及多個部分的組合更具科學性。

3 結語

近20年來，我國機械、力學、數學等領域內的學者在復雜機電系統動力與控制方面進行了廣泛、深入的研究，取得了不少創新性成果。基于復雜機電系統的研究現狀及現階段的發展趨勢，圍繞復雜機電系統的基礎性研究仍顯不足，明顯滯后于國家對重大機電裝備的發展應用需求，因此，未來仍應加強對復雜機電系統共性基礎科學問題的研究。并且，在這個過程中，研究應與實際裝備結合起來開展，特別是結合國家重大工程項目，有針對性地加強與深化相關應用基礎研究，產生一批既有理論創新、又有顯著社會經濟效益的重大標志性研究成果。

參考文獻

[1]國家自然科學基金委員會工程與材料科學部·學科發展戰略研究報告（2011～2020）：機械工程學科·北京：科學出版社，2010

[2]路甬祥·中國制造科技的現狀與發展·中國科學基金，2006，20（5）：257—261