機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的物理建模解決方案

羅凡 方光輝

摘要：近年來，科技發(fā)展速度不斷提升，機(jī)電一體化作為一項綜合性技術(shù)，并不是簡單的技術(shù)融合。正因機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用有著諸多優(yōu)勢，機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)迫在眉睫。然而實際情況是機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)面臨諸多挑戰(zhàn)。因此，有必要通過物理建模尋找有效解決方案。本課題主要以機(jī)電一體化系統(tǒng)為主題，在闡述機(jī)電一體化系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容的基礎(chǔ)上，分析了當(dāng)前機(jī)電一體化系統(tǒng)所面臨的諸多挑戰(zhàn)，最后從物理建模中探索出有效解決方案。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化系統(tǒng);物理建模;解決方案

Abstract：In recent years， the speed of scientific and technological development is constantly improving. As a comprehensive technology， mechatronics is not a simple technology integration. Because the application of mechatronics technology has many advantages， the development of mechatronics system is extremely urgent. However， the reality is that the development of electromechanical integration system is facing many challenges. Therefore， it is necessary to find effective solutions through physical modeling. This topic mainly takes the electromechanical integration system as the subject， on the basis of elaborating the electromechanical integration system related content， analyzes the current electromechanical integration system faces many challenges， and finally explores the effective solution from the physical modeling.

Key words： electromechanical integration system; Physical modeling; The solution

1.機(jī)電一體化系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容概述

“機(jī)電一體化”的提出，至今超過了40年，當(dāng)前比較通俗的理解，就是指機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、傳感器測試技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、接口技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等融合在一起的綜合性技術(shù)。相應(yīng)的，機(jī)電一體化系統(tǒng)也是建立在機(jī)電一體化技術(shù)的機(jī)電系統(tǒng)。基于機(jī)電一體化技術(shù)功能角度而言，機(jī)電一體化系統(tǒng)主要由機(jī)械部分、電子部分、控制部分以及軟件部分等四個部分構(gòu)成[1]。機(jī)電一體化系統(tǒng)相比一般系統(tǒng)而言，具有著顯著的整體性，由多個部分有機(jī)整合在一起，并為同一目的完成各項操作的集合體。值得注意的是機(jī)電一體化并不是簡單的多種技術(shù)融合在一起。基于機(jī)電一體化概念的不同，工業(yè)界對機(jī)電一體化系統(tǒng)的定義遲遲無法統(tǒng)一。

2.機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)面臨的諸多挑戰(zhàn)分析

2.1管理不同領(lǐng)域復(fù)雜性問題

機(jī)電一體化技術(shù)作為一種集機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等技術(shù)的綜合性技術(shù)，在應(yīng)用方面，自然是面向多個不同領(lǐng)域。相應(yīng)的機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)，必然需要基于子系統(tǒng)或者是更多子系統(tǒng)，并且子系統(tǒng)必須是機(jī)電一體化系統(tǒng)四個領(lǐng)域的集合[2]。由此可知，機(jī)電一體化系統(tǒng)在開發(fā)過程中，需要管理不同領(lǐng)域的復(fù)雜性問題。然而不同領(lǐng)域復(fù)雜性問題有著其特殊的一面，一旦將其綜合起來處理，自然提升了機(jī)電一體化系統(tǒng)的開發(fā)難度。

2.2設(shè)計缺陷

傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)的制作方法是將樣機(jī)制作出來，之后將其進(jìn)行集合，并測驗是否能夠可以進(jìn)行正常工作。然而這種設(shè)計方法所存在的不足之處，可以說是十分顯著的。究其原因在于樣機(jī)集成之后，發(fā)現(xiàn)問題，再做前期修理，勢必會增加成本。

2.3設(shè)計流程優(yōu)化問題

機(jī)電一體化系統(tǒng)基于多個子系統(tǒng)構(gòu)成，當(dāng)中某一個子系統(tǒng)優(yōu)化或者是具備一個更好的設(shè)計方案，并不能體現(xiàn)系統(tǒng)整體性能的優(yōu)化。因此，機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)過程中，設(shè)計流程的優(yōu)化問題可謂是最大的挑戰(zhàn)。具體言之，系統(tǒng)開發(fā)需充分考慮各個子系統(tǒng)的靈活性與成本，同時需要考慮整體性能。

3.機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)的物理建模解決方案

3.1模塊化設(shè)計

針對機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)中存在的不同領(lǐng)域復(fù)雜性管理問題，主要是借助平臺實現(xiàn)模塊化設(shè)計。具體言之，國外相關(guān)學(xué)者提供兩個平臺，一是以科學(xué)計算為基礎(chǔ)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)語言MATLAB平臺，該平臺的主要作用在于為算法開發(fā)人員提供交互環(huán)境，實現(xiàn)了分析、可視化以及高級編程為一體，工程師可在交互環(huán)境中獲取各項數(shù)據(jù)，挖掘出相關(guān)信息，并進(jìn)行系統(tǒng)算法開發(fā)與結(jié)果共享。二是建立在MATLAB平臺基礎(chǔ)上的Simulink，主要是增加了模型設(shè)計以及系統(tǒng)仿真等功能，為建模、仿真等不同領(lǐng)域復(fù)雜性問題的解決提供可一個模塊化設(shè)計環(huán)境。

3.2聯(lián)合仿真

傳統(tǒng)設(shè)計方法無法將不同領(lǐng)域之間有機(jī)結(jié)合起來。聯(lián)合仿真方法便有助于解決此類問題，具體言之，在同一個平臺上，將被控對象細(xì)節(jié)設(shè)計或者是構(gòu)造，通過第三方軟件完成，自身產(chǎn)品僅僅是提供一些附件與接口，完成各項參數(shù)的轉(zhuǎn)遞。聯(lián)合仿真優(yōu)勢在于可以重復(fù)利用現(xiàn)有模型，并支持設(shè)計與驗證工作。

3.3多域物理仿真

平臺上建模勢必會出現(xiàn)繁瑣的工作，多域物理仿真則可以有效避免此類繁瑣工作。具體言之，SimscapeTM作為近些年出現(xiàn)的一項重要技術(shù)，作為多域物理建模基礎(chǔ)平臺，優(yōu)勢在于提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，便可以完成機(jī)械、電子、液壓以及熱等領(lǐng)域的建模。同時多域物理模型集成之后，可在后臺方程中自行求解模型。例如控制系統(tǒng)模塊的搭建，系統(tǒng)之間的連接線通常稱之為信號線，信號線箭頭方向可認(rèn)為信號流指示方向。值得注意的是在物理建模產(chǎn)品當(dāng)中，不同模塊的搭建，之間的信號線并沒有固定方向，僅僅是數(shù)據(jù)相互傳遞。因此，系統(tǒng)仿真時，往往會出現(xiàn)因果關(guān)系描述與非因果關(guān)系描述兩種問題。針對此類問題，多域物理仿真便可以有效解決，具體就是在單一平臺上，進(jìn)行多域物理仿真，可以在硬件制造之前發(fā)現(xiàn)并解決問題，由此優(yōu)化設(shè)計，開發(fā)出整體性能優(yōu)越的機(jī)電一體化系統(tǒng)。

4.結(jié)語

綜上，機(jī)電一體化技術(shù)作為機(jī)械技術(shù)、信息技術(shù)以及自動化控制技術(shù)等技術(shù)有機(jī)整合的綜合性技術(shù)，系統(tǒng)的開發(fā)對于技術(shù)應(yīng)用與作用的發(fā)揮具有著重要作用。因此，有必要針對機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)面臨的挑戰(zhàn)，通過物理建模解決此類難題，使得機(jī)電一體化技術(shù)及系統(tǒng)造福于人類。

參考文獻(xiàn)：

[1]任勝兵，黃飛，劉媛.信息物理融合系統(tǒng)建模的區(qū)間GMDH算法[J].小型微型計算機(jī)系統(tǒng)，2019，40（01）：13-19.

[2]孟得新.矩陣運算在Alice-Bob物理系統(tǒng)建模中應(yīng)用[J].科技資訊，2018（31）：212-214.

[3]覃金昌，王為慶.基于simulink的機(jī)電一體化系統(tǒng)案例仿真教學(xué)研究[J].技術(shù)與市場，2016，23（1）：9-11. DOI：10.3969/j.issn.1006-8554.2016.01.002.

[4]胡勝心，王浩，戴振東.機(jī)電液一體化仿真在腿式液壓機(jī)器人設(shè)計中的應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2015，（1）：152-156. DOI：10.3969/j.issn.1001-3997.2015.01.041.

作者簡介：

羅凡（1995—），男，漢族，四川省巴中市，本科，研究方向：機(jī)械電子工程。

方光輝（1995—），男，漢族，四川省遂寧市，本科，研究方向：應(yīng)用物理。