關于機電一體化系統概念設計過程和模型的研究

張 帆

（無錫商業職業技術學院，江蘇 無錫 214063）

和傳統的機械運動系統相比，機電一體化系統能夠實現更多的功能，生產更多的新產品，因此提高機電一體化系統設計的創新性以及可行性更有利于提高產品的價值。文章對機電一體化系統的基本特點、系統原理、設計思想以及過程模型進行了相關的探究。

1 機電一體化系統的基本特點

在進行機電一體化系統設計的時候，需要結合產品的生命周期來進行設計，設計者需要具備良好的發散思維以及創新思維，這樣才能更好地保證機電一體化系統的功能滿足當前的設計要求。在進行機電一體化系統設計的過程中，設計者還需要加強對設計方案的構思以及系統化設計，結合當前產品的功能需求以及結構需求來進行設計。機電一體化系統實現了對機電一體化技術、現代控制理論以及傳感檢測等多個技術之間的統一，所以機電一體化系統具有更加強大的功能，且具有多個基本特征。

1.1 創新性

在進行機電一體化設計時，所具備的創新性可以是多層次的，比如可以從多個方面來實現創新，如系統的結構、系統的結構替換、系統的工作原理、系統的功能等等，都可以進行創新。而設計者則可以總結所有的創新思路，從而形成一套具有可行性的創新性的機電一體化設計方案。

1.2 多目標性

機電一體化系統在設計的過程中具有多目標性的特點，因為機電一體化的系統設計需要在多個因素的共同約束以及制約下進行，比如一體化系統會受到經濟水平、科學技術水平等因素的影響，而且生產廠家對于系統的要求也會影響系統的設計。所以總結所有的客觀和主觀因素影響，逐漸形成了一些制約設計者進行系統設計的條件，設計者只有在滿足這些設計條件的前提下才能保證機電一體化系統設計的可行性。

1.3 多解性

機電一體化系統在設計過程中還體現出多解性，因為一體化系統的設計路徑多樣化，針對于不同的系統功能以及功能定義，都會產生不同的設計思想以及設計方法，所以形成多種不同的解決方案。根據相關專業人士的研究所得，復雜程度為一般的機電系統設計，其設計方案大概在一萬種以上，所以說機電一體化系統的設計方案是非常繁多，但是設計方案的成功率并不高，一般情況下，機電一體化的設計方案成功率低于百分之一。

1.4 層次性

機電一體化系統設計是一個從抽象到具體的過程，所以在進行機電一體化系統設計的時候，不僅要完成從功能層向結構層的映射，比如要將功能的定義以及分解作用到功能層上，要將結構的修改以及變異作用到結構層上，從而更好地借助映射關系來將兩個不同的層次練習起來。此外，機電一體化系統中的功能層以及結構層也要理清各自的層次關系，比如在進行功能分解的時候，就是將功能進行逐個層級的推進，因此功能的層次性也就決定了結構的層次性，不同層次的功能具有其對應層次的結構。

2 機電一體化的系統原理及局限

機電一體化是一種比較復雜的機械，通過將電子技術引入到系統的動力功能、信息功能以及控制功能當中，并且和軟件組成一個新的機械系統，所以一般情況下機電一體化系統主要包括八個組成要素，分別是能量供應、控制信息、信息處理及控制、驅動元件、執行元件、機械本體以及檢測元件。機電一體化主要是通過對各種技術的協調，比如加強對控制系統、計算機技術以及電子技術等多個技術的聯合應用，從而加強對運動行為的控制性，所以進行機電一體化設計并不是簡單的技術堆積，而是通過借助計算機的協調能力來提高驅動元件的可控性。

目前機電一體化的系統原理主要包含三個方面的內容，分別是三環論、五塊論以及兩個子系統理論。首先，三環論理論主要是指機電一體化主要由三個重要的功能模塊組成，分別是電子、機械和軟件。其次，五塊論理論是指機電一體化系統主要由五個功能模塊組成，分別是動力功能模塊、控制功能模塊、構造功能模塊、操作功能模塊以及傳感檢測功能模塊。第三，兩個子系統理論主要是指機電一體化系統主要由兩個分支系統組成，分別是控制系統和物理系統。雖然三種理論的提出具有很強的意義，但是不同的系統理論也具有不同的局限性，比如三種系統理論都缺乏對機械主體的強調，缺乏對機電一體化系統概念設計中復雜性、多面性以及模糊性的有效處理，所以這三個理論對于機電一體化系統概念設計的作用性不大。當前在進行機電一體化系統設計的時候，一般情況下都會將其劃分成為三個重要的子系統，分別是傳感檢測系統、執行機構系統以及信息控制處理系統，加強對這三個系統之間的分工合作，從而更好地提高系統的功能優化效果，提高系統的工作效率。

3 機電一體化系統的設計思想

3.1 靜態設計

在進行機電一體化系統設計的時候，一般具備兩個基本的設計環節，分別是靜態設計以及動態設計。靜態設計是指設計者要結合系統的功能要求，然后制定出機電一體化系統的初步方案。在進行初步方案設計的時候，需要將機電一體化系統的主要零部件的種類、各個部件之間的連接方式以及系統的控制方式等等都概括描述出來。完成初步設計方案后，設計人員就要加強對各個結構、結構之間的關系以及相關的參數進行設計，確定好系統所采用的零件材料、生產商等信息，做好對元件的參數以及功率等信息的驗算，做好對元部件的選擇，確定好相關系統的阻尼配置等等。所以當完成以上工作的時候，此時的設計方案就可以稱之為穩態設計，能夠有效地滿足靜態設計的要求。在進行靜態設計的時候，設計人員可以忽略系統自身運動因素以及其他干擾因素來進行產品的機電一體化系統設計，所以如果是設計伺服精度以及響應速度要求都不是很高的系統，可以采用靜態設計的方式。

3.2 動態設計

動態設計主要是對在頻率域的系統特性進行研究，所以動態設計需要結合靜態設計的系統結構，并且構建出系統中不同環節的數學模型，將系統整體的傳遞函數進行推導，設計人員需要結合自動控制理論的方法將系統的頻率特性求解出來。系統的頻率特性能夠將系統對不同頻率信號的反應表現出來，所以系統的頻率對于系統的穩定性、抗干擾能力以及最大工作頻率起到很大的決定性作用。針對伺服精度要求以及響應速度要求都比較高的系統，系統自身的運動因素以及其他的干擾因素對系統的影響非常大，所以設計人員必須要采取對各個環節的相關參數進行調節的方式來保證當前的動態設計能夠符合系統的功能要求，所以在進行動態設計的時候，設計人員通常需要對前期的設計方案進行調整，甚至需要對整個初步設計方案都進行推翻，重新進行靜態設計。

4 機電一體化系統的設計模型

在機電一體化系統設計當中，執行機構依然是完成系統主要功能的主體，而信息檢測系統以及信息處理系統則是保證系統主要功能實現的保障，所以在進行機電一體化系統設計過程模型當中，要以執行機構的運動方案作為設計的核心內容，所以機電一體化系統設計過程模型和傳統的機械運動系統設計過程模型有著一定的相同之處，而機電一體化系統過程模型的設計主要是加入了計算機技術以及電子技術等。機電一體化系統設計過程模型是基于各種設計理論的，目前機電一體化系統設計過程模型主要有四種，分別是功能-結構模型、功能-邏輯模型、功能-行為-狀態模型以及功能-行為-結構模型，文章主要對功能-行為-結構模型進行探討。

采用功能-行為-結構模型主要有四個優點，第一，該設計過程模型能夠充分地將機電一體化系統設計過程中的從功能層面到結構層面中的映射關系表現出來，因為在進行機電一體化設計時，主要是為了實現生產商的設計功能要求，由此設計出來的機電一體化系統所包含的任何一個結構元素也就對應著任何一個子功能，如果所設計出來的結構元素沒有對應任何一個子功能的話，則這個結構元素時沒有存在的意義。通過采用功能-行為-結構設計過程模型來進行機電一體化系統設計，能夠通過對工藝動作進行分解、執行，確定信息檢測以及信息處理的構思，從而獲取相應的功能載體，然后再進行系統的繼承，最終完成整個設計過程中的建模仿真以及評價。第二，由于機電一體化系統在設計過程中的功能存在多異性以及領域相關性，因此很難完成直接完成功能層面到結構層面的直接映射，而添加上行為層面，形成功能-行為-結構過程模型，則能夠很好地完成功能層面到結構層面上的映射關系。第三，功能-行為-結構過程模型不僅整個過程模型具有層次性，不同的層面也是具有各自的層次性，比如在功能層面，具有總功能層次和子功能層次之分，所以只要在任何一個層面上進行任何一個層次的修改，都能夠實現對過程模型的設計創新，所以功能-行為-結構過程模型更加適用運用計算機來實現功能。最后機電一體化系統設計是一個有機集成的過程，是要以計算機基礎以及智能化技術為基礎的，所以實現機電一體化系統設計需要大量的知識作為基礎，而設計過程更是一個推理過程，因此在采用功能-行為-結構過程模型設計的過程中，需要加強對功能知識庫、運動行為知識庫、結構知識庫等知識庫的引入。

總的來說，雖然當前我國的機電一體化設計已經取得了較為成功的成就，但是我國的機電一體化系統設計依然處于初級階段，因此相關設計人員應當加強對設計過程以及過程模型的研究，提高設計的創新性，從而更好地完善機電一體化的設計思想以及設計過程模型，實現更多的功能。