機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用

馬治貴

【摘 要】機(jī)電一體化又稱(chēng)為機(jī)械電子學(xué)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)械制造技術(shù)的不斷提升，機(jī)電一體化系統(tǒng)獲得了空前的發(fā)展，通過(guò)機(jī)械與微電子技術(shù)的緊密結(jié)合，將簡(jiǎn)單的輔助操作設(shè)備變成了具有自主分析、判斷能力的智能化機(jī)電設(shè)備。對(duì)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的研究有利于提升系統(tǒng)的智能化水平，不斷提升機(jī)電一體化設(shè)備的自主分析能力，改善設(shè)備運(yùn)行性能。本文通過(guò)介紹機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的組成、原理、分類(lèi)及應(yīng)用現(xiàn)狀，探討機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；控制系統(tǒng)；原理；分類(lèi)；應(yīng)用；分析

0.引言

機(jī)電一體化技術(shù)是將機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、微電子技術(shù)、信息機(jī)電一體化技術(shù)傳感器技術(shù)、接口技術(shù)、信號(hào)變換技術(shù)等多種技術(shù)進(jìn)行有機(jī)地結(jié)合，并綜合應(yīng)用到實(shí)際中去的綜合技術(shù)，是現(xiàn)代化的自動(dòng)生產(chǎn)設(shè)備幾乎可以說(shuō)都是機(jī)電一體化的設(shè)備。

控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中處于核心地位，主要用于信息處理和動(dòng)作控制，通過(guò)計(jì)算機(jī)接口與外部設(shè)備和相應(yīng)驅(qū)動(dòng)設(shè)備相連接，協(xié)調(diào)機(jī)電一體化系統(tǒng)各部位的運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.控制系統(tǒng)的組成及工作原理

控制系統(tǒng)由控制裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、被控對(duì)象和傳感與檢測(cè)裝置組成，各設(shè)備之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)接口連接，形成控制回路。主要工作方式為：首先輸入指定信號(hào)，設(shè)置控制參數(shù)，并通過(guò)傳感與檢測(cè)裝置接收外界信號(hào)，然后傳遞至控制器進(jìn)行信息處理，將分析結(jié)構(gòu)傳遞至執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)作運(yùn)轉(zhuǎn)，將指定作用于被控對(duì)象，使得被控對(duì)象處于控制器設(shè)計(jì)狀態(tài)，最終通過(guò)被控對(duì)象輸出被控參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)控制的目的。

2.控制系統(tǒng)分類(lèi)

2.1按照控制系統(tǒng)所依據(jù)的判斷原則中是否存在被控對(duì)象的運(yùn)行函數(shù)，可以將控制系統(tǒng)分為順序控制系統(tǒng)和反饋控制系統(tǒng)

2.1.1順序控制系統(tǒng)

其運(yùn)行原理是：通過(guò)對(duì)時(shí)間、運(yùn)行邏輯、外部條件等參數(shù)進(jìn)行分析，輸出具體的被控對(duì)象運(yùn)行步驟，屬于開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。優(yōu)勢(shì)在于操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行成本低、維護(hù)成本低，但是其操作精度過(guò)低，并且對(duì)外界環(huán)境的不利因素和干擾過(guò)于敏感。

2.1.2反饋控制系統(tǒng)

其運(yùn)行原理是：通過(guò)傳感器接收被控對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，實(shí)時(shí)反饋給控制器，然后進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整，屬于閉環(huán)控制系統(tǒng)。雖然該結(jié)構(gòu)的運(yùn)行成本高且維修復(fù)雜，但是該系統(tǒng)的運(yùn)行精度高、且動(dòng)態(tài)調(diào)整性能好，對(duì)外界干擾的抵抗能力也較強(qiáng)。

2.2按照控制系統(tǒng)輸出信號(hào)的變化規(guī)律可將控制系統(tǒng)分為鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)、隨動(dòng)控制系統(tǒng)和程序控制系統(tǒng)

（1）鎮(zhèn)定控制系統(tǒng)的特點(diǎn)在于不受外界干擾，輸出信號(hào)維持系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)，主要用于恒溫系統(tǒng)、恒定速度系統(tǒng)等機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制。

（2）隨動(dòng)系統(tǒng)即跟蹤系統(tǒng)，特點(diǎn)在于系統(tǒng)的輸出信號(hào)可以在一定范圍內(nèi)進(jìn)行任意變化，不需遵循一定的規(guī)律，因此信號(hào)輸出不存在固定函數(shù)，設(shè)備的動(dòng)作需要無(wú)間斷的進(jìn)行精確指令發(fā)送，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行和分析能力要求極高，常用于瞄準(zhǔn)設(shè)備、無(wú)定向探測(cè)設(shè)備等。

（3）程序控制系統(tǒng)即過(guò)程控制系統(tǒng)，特點(diǎn)在于按照提前設(shè)定的函數(shù)進(jìn)行輸出信號(hào)的變化，信號(hào)的輸出屬于預(yù)先設(shè)定信號(hào)，但是信號(hào)的變化按照固定函數(shù)進(jìn)行，常用于車(chē)床等預(yù)先已知?jiǎng)幼髯兓?guī)律的機(jī)電一體化設(shè)備中。

3.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)原則

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的種類(lèi)繁多，但是其控制基本特點(diǎn)及原則都是一致的。主要有以下三方面：

3.1準(zhǔn)確性

在進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)控過(guò)程中，輸出制定與設(shè)計(jì)指令之間的偏差不能超出允許范圍內(nèi)，并且在不影響控制穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上不斷減小誤差。準(zhǔn)確度決定著加工產(chǎn)品的精度，也關(guān)系著控制系統(tǒng)的最終效果。

3.2穩(wěn)定性

保持系統(tǒng)穩(wěn)定的意義在于保障產(chǎn)品質(zhì)量與預(yù)期設(shè)計(jì)相同，并且在外界存在干擾的情況下，不會(huì)引起產(chǎn)品質(zhì)量降低。尤其是閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋機(jī)制，容易受到參數(shù)不匹配的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)震蕩進(jìn)而影響工作能力。

3.3快速性

快速性的含義是系統(tǒng)消除偏差值的速度以及處理異常信號(hào)的速度必須快，因?yàn)楫?dāng)系統(tǒng)存在偏差值時(shí)會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行或產(chǎn)品質(zhì)量降低，因此必須在短時(shí)間內(nèi)快速消除系統(tǒng)偏差，保障系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)應(yīng)用及發(fā)展方向

4.1機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用廣泛，典型的設(shè)計(jì)應(yīng)用有以下幾點(diǎn)：

（1）挖掘機(jī)的制造過(guò)程中，通過(guò)模擬控制理論及控制系統(tǒng)，檢測(cè)液壓系統(tǒng)中泵的輸油壓力、控制壓力和其它參數(shù)，進(jìn)而將運(yùn)行參數(shù)輸入到控制系統(tǒng)中，調(diào)整挖掘機(jī)控制器工作方式，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

（2）壓縮機(jī)的制造過(guò)程中，通過(guò)控制系統(tǒng)檢測(cè)震動(dòng)輪內(nèi)部偏心塊震動(dòng)曲線，進(jìn)而分析震動(dòng)輪加速度，通過(guò)傅里葉變換等方式，求解地面壓實(shí)數(shù)據(jù)，最終實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)工作模式調(diào)整的目的。

（3）在國(guó)外的大型起重機(jī)械制造領(lǐng)域，已經(jīng)開(kāi)始使用控制系統(tǒng)的模糊控制功能，將實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論操作參數(shù)項(xiàng)結(jié)合，通過(guò)微處理技術(shù)使得控制系統(tǒng)可以像人工操作一樣自如，效率和安全性能更高。

4.2機(jī)電一體化控制系統(tǒng)應(yīng)用方向

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備的智能化發(fā)展，隨著光學(xué)、通信、微電子以及機(jī)械等技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的發(fā)展方向也不斷細(xì)化，此外，人工智能、光纖和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)，也大幅提升了機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的性能。當(dāng)前，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展方向主要有以下幾個(gè)方面：

4.2.1模塊化

模塊化系統(tǒng)設(shè)備的模塊化屬于機(jī)電一體化發(fā)展的重要進(jìn)步，由于當(dāng)前整個(gè)一體化系統(tǒng)設(shè)備來(lái)自于不同的生產(chǎn)廠家和設(shè)備制造商，因而需要對(duì)信號(hào)接口、轉(zhuǎn)換接口、電氣接口等連接部位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定，而模塊化使得單獨(dú)控制設(shè)備得以通用于任何一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中，為行業(yè)發(fā)展和交流掃除了設(shè)備參數(shù)不同的障礙。

4.2.2智能化

智能化的發(fā)展得益于人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新技術(shù)的發(fā)展，賦予機(jī)電一體化控制系統(tǒng)自主分析和控制能力，極大的解放了生產(chǎn)力，降低了操作繁瑣程度。但是，這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要高標(biāo)準(zhǔn)的硬件設(shè)備和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)支撐。

4.2.3網(wǎng)絡(luò)化

網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使得科技的傳播范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)于機(jī)電一體化控制系統(tǒng)而言，只要機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的性能足夠優(yōu)越，便能夠迅速的被國(guó)際市場(chǎng)所認(rèn)可，因此，不斷擴(kuò)張的市場(chǎng)規(guī)模有利于刺激行業(yè)的進(jìn)步和科研的深入探索，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)性能的快速提升。

4.2.4環(huán)境化

環(huán)?；I(yè)的發(fā)達(dá)給人們生活帶來(lái)了巨大變化。一方面，物質(zhì)豐富，生活舒適；另一方面，資源減少，生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重污染。于是，人們呼吁保護(hù)環(huán)境資源，回歸自然。綠色產(chǎn)品概念在這種呼聲下應(yīng)運(yùn)而生，綠色化是時(shí)代的趨勢(shì)。綠色產(chǎn)品在其設(shè)計(jì)、制造、使用和銷(xiāo)毀的生命過(guò)程中，符合特定的環(huán)境保護(hù)和人類(lèi)健康的要求，對(duì)生態(tài)環(huán)境無(wú)害或危害極少，資源利用率極高。設(shè)計(jì)綠色的機(jī)電一體化控制產(chǎn)品，符合當(dāng)前的環(huán)保要求。機(jī)電一體化產(chǎn)品的綠色化主要是指設(shè)備在使用時(shí)不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，設(shè)備報(bào)廢后能夠回收利用。

5.結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前機(jī)電一體化控制系統(tǒng)已經(jīng)在機(jī)械設(shè)備制造行業(yè)廣泛使用，其優(yōu)越的性能和便捷的操作使得用戶(hù)在進(jìn)行機(jī)電設(shè)備選擇是更傾向于此類(lèi)設(shè)備。雖然機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)非常完備，各類(lèi)輔助設(shè)備和控制軟件也非常的完善，但是應(yīng)該看到當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中的不足與缺陷，從最優(yōu)化角度出發(fā)，將機(jī)電一體化控制系統(tǒng)繼續(xù)的細(xì)分和具體化，面向各具體領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)針對(duì)性強(qiáng)、實(shí)用性高的一體化設(shè)備控制系統(tǒng)。對(duì)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的研究也應(yīng)立足當(dāng)前，不斷提升計(jì)算機(jī)技術(shù)與機(jī)械制造技術(shù)，為我國(guó)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的發(fā)展貢獻(xiàn)應(yīng)有的力量。

【參考文獻(xiàn)】

[1]胡玉琴.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案研究[J].科技與生活，2011（9）：203-203.

[2]韋朝陽(yáng).機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的干擾處理[J].華東科技.學(xué)術(shù)版，2012（8）：291-291.

[3]袁芳.機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].中國(guó)科技博覽，2011（28）：80-80.