機(jī)電一體化控制系統(tǒng)中的可靠性分析

【摘要】機(jī)電一體化系統(tǒng)在人們的生產(chǎn)和生活中占有重要的地位。通過(guò)對(duì)影響機(jī)電儀控制系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行分析，提出了提高系統(tǒng)可靠性的措施。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；控制系統(tǒng)；可靠性；影響因素

機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展至今已經(jīng)成為了一種自動(dòng)化程度高、構(gòu)成要素復(fù)雜的有機(jī)系統(tǒng)。機(jī)電一體化技術(shù)集成了機(jī)械、電子、信息處理、測(cè)試控制、計(jì)算機(jī)以及伺服驅(qū)動(dòng)等多種先進(jìn)技術(shù)，并逐漸呈現(xiàn)出高附加值化、多功能化、高效率化、高精度化等趨勢(shì)。機(jī)電一體化設(shè)備廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)與生活，或作為工作母機(jī)用以加工各種精密復(fù)雜的零件。機(jī)電一體化系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，極有可能會(huì)造成生產(chǎn)上巨大的損失。因此，研究機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性，提高體系的安全性是十分必要的。

1.機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性

機(jī)電一體化系統(tǒng)的可靠性直接影響著系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，是產(chǎn)品或系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)條件或時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)特定功能的能力的體現(xiàn)，主要包括四項(xiàng)內(nèi)容。1）產(chǎn)品。產(chǎn)品是對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行探索的活動(dòng)主體，亦即可靠性研究的對(duì)象，可以是一套設(shè)備，或單一的零件。零件的質(zhì)量是系統(tǒng)可靠性的最直接表達(dá)，系統(tǒng)的任一故障出現(xiàn)都有可能引起產(chǎn)品的質(zhì)量問(wèn)題。2）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。所謂標(biāo)準(zhǔn)可以是具體的條件，比如溫度、壓力、載荷等；還可以是操作方法、維護(hù)手段或工作人員的自身能力等。標(biāo)準(zhǔn)條件的變化對(duì)系統(tǒng)的可靠性影響甚大，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中對(duì)系統(tǒng)要素中的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行，任何超越標(biāo)準(zhǔn)的反應(yīng)都可能會(huì)引發(fā)相應(yīng)的故障；工作人員的操作能力及失誤也會(huì)造成系統(tǒng)的損壞。3）規(guī)定時(shí)間。系統(tǒng)的可靠性是有時(shí)間界定的，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)呈現(xiàn)出一定的目標(biāo)可靠度；時(shí)間限定的差異，系統(tǒng)或產(chǎn)品的可靠性也有所不同。4）規(guī)定的能力。實(shí)現(xiàn)或達(dá)成一定的效果，完成所規(guī)定的能力結(jié)果是系統(tǒng)可靠性的終端體現(xiàn)。系統(tǒng)是否可靠就是指其實(shí)現(xiàn)規(guī)定的能力是否符合規(guī)定值，未能實(shí)現(xiàn)功能就稱(chēng)為失效，對(duì)于可修復(fù)的系統(tǒng)或短暫的失效也稱(chēng)之為故障。機(jī)電一體化系統(tǒng)類(lèi)型多種多樣，運(yùn)行狀態(tài)也千差萬(wàn)別，所需要的運(yùn)行條件也不盡相同，對(duì)可靠性的要求自然會(huì)有所差別。

2.影響機(jī)電一體化控制系統(tǒng)可靠性的因素

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)和設(shè)備的構(gòu)成復(fù)雜，往往由多種機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子元器件組成。因此，對(duì)其整體進(jìn)行可靠性評(píng)價(jià)是極為困難的，只能通過(guò)對(duì)一些具體故障的表現(xiàn)形式來(lái)分析。

2.1硬件邏輯故障

雖然機(jī)電一體化控制系統(tǒng)較之其它控制系統(tǒng)更加復(fù)雜，但從其功能結(jié)構(gòu)來(lái)看，可以劃分為具有一定邏輯功能的單元。這些邏輯單元通?？梢苑譃榻M合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路兩種。所謂組合邏輯電路，是指輸出信號(hào)可以用它的輸入信號(hào)的邏輯函數(shù)表示的邏輯電路。所謂時(shí)序邏輯電路，是指邏輯電路中某一時(shí)刻的輸出值，它不僅依賴(lài)于本次加于它的輸入端的信號(hào)，而且還依賴(lài)于先前加在該輸入端的信號(hào)。組合邏輯電路的故障是指電路不能按給定真值表實(shí)現(xiàn)其邏輯功能時(shí)；對(duì)于時(shí)序邏輯電路的故障，可以認(rèn)定為當(dāng)電路不能按照狀態(tài)轉(zhuǎn)換表要求實(shí)現(xiàn)其狀態(tài)轉(zhuǎn)換并輸出預(yù)定值時(shí)。

2.2軟件故障

機(jī)電一體化系統(tǒng)的控制中軟件部分占有十分重要的地位，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所占的比重越來(lái)越大，其故障的可靠性也日益受到人們的重視?？刂葡到y(tǒng)的軟件主要包括系統(tǒng)軟件與應(yīng)用軟件兩部分，其故障的表現(xiàn)形式也主要分為兩種。系統(tǒng)軟件是機(jī)電一體化控制系統(tǒng)為用戶(hù)提供的一種計(jì)算環(huán)境和開(kāi)發(fā)手段，包括了操作系統(tǒng)、編譯和轉(zhuǎn)換程序，其故障的發(fā)生往往是由于軟件設(shè)計(jì)缺陷導(dǎo)致的。在系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)者由于對(duì)系統(tǒng)功能的掌握程度不足，在算法和定義上存在漏洞，而缺陷一旦形成便不能自動(dòng)修復(fù)，并會(huì)始終存在。在系統(tǒng)進(jìn)行某種操作時(shí)，設(shè)計(jì)缺陷可能就會(huì)暴露出來(lái)，引起軟件故障。應(yīng)用軟件中一部分是由設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)者根據(jù)系統(tǒng)要求固化在程序中，另一部分則是用戶(hù)在使用設(shè)備的過(guò)程中輸入的內(nèi)容。應(yīng)用系統(tǒng)的故障主要出現(xiàn)在程序結(jié)構(gòu)上，由于是人為輸入，可能會(huì)出現(xiàn)編寫(xiě)或格式的錯(cuò)誤，進(jìn)而導(dǎo)致程序無(wú)法運(yùn)行。這種故障的避免也比較簡(jiǎn)單，主要是嚴(yán)格對(duì)輸入內(nèi)容進(jìn)行把關(guān)，并在系統(tǒng)的硬、軟件上增加一些對(duì)應(yīng)用軟件的檢查能，如防止輸入出錯(cuò)的硬件奇偶校驗(yàn)電路，軟件的自診斷或自測(cè)試功能等。

2.3電磁干擾

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是由各種電磁元器件組成的，在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中必然伴隨著電磁能量的轉(zhuǎn)換，這就造成了系統(tǒng)本身會(huì)產(chǎn)生干擾波來(lái)影響周?chē)脑骷δ埽浔旧硪彩艿酵饨绛h(huán)境中出現(xiàn)的電磁干擾。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的電磁干擾是一個(gè)更為復(fù)雜的問(wèn)題，通常難以來(lái)劃定和描述。電磁干擾對(duì)系統(tǒng)的可靠性也有著相當(dāng)?shù)挠绊懽饔?，主要情況有：1）交流供電系統(tǒng)受鄰近大功率用電設(shè)備啟動(dòng)、制動(dòng)影響，造成電源電壓波動(dòng)，以及電器開(kāi)關(guān)接通斷電時(shí)由電火花產(chǎn)生的高頻電磁干擾；2）當(dāng)直流電源的壓力不夠，沒(méi)有相對(duì)穩(wěn)定的功率儲(chǔ)備時(shí)，電壓會(huì)隨著負(fù)載的變化而呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)。

3.提高機(jī)電一體化系統(tǒng)可靠性的措施

機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的可靠性是其穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，采取必要的措施來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性是十分必要的。由以上對(duì)系統(tǒng)可靠性的影響因素分析可知，系統(tǒng)的故障出現(xiàn)不僅是使用中的問(wèn)題導(dǎo)致，還與系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造階段有著必要的聯(lián)系。首先，在系統(tǒng)的整個(gè)周期中的各個(gè)階段，即確定系統(tǒng)的要求、軟件需求分析、軟件設(shè)計(jì)、程序編碼、軟件測(cè)試和驗(yàn)證、軟件維護(hù)等階段，都要有周密的要求和說(shuō)明，詳細(xì)的分析和論證，以提高系統(tǒng)軟件的可靠性。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造及裝配階段要采用可靠性高的元件，重要部位采用的元件必須進(jìn)行測(cè)試、檢驗(yàn)。其次，采用容錯(cuò)法設(shè)計(jì)可以提高系統(tǒng)的可靠性。采用備用的軟、硬件來(lái)參與系統(tǒng)的運(yùn)行，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)了該部分的故障，在更換備用件后系統(tǒng)仍可以正常運(yùn)行。雖然這種方法可以使系統(tǒng)提高可靠性，但冗余設(shè)計(jì)必然會(huì)增加系統(tǒng)的造價(jià)和復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)針對(duì)故障常出現(xiàn)的部件或重要的部件采取這種方法。

機(jī)電一體化系統(tǒng)通常都是十分復(fù)雜的，若想不出現(xiàn)故障幾乎是沒(méi)有可能的。因而，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中增強(qiáng)系統(tǒng)的自診斷、自適應(yīng)、自調(diào)整和自修復(fù)功能，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)可以自動(dòng)運(yùn)行預(yù)備措施，避免事故的出現(xiàn)，這也是提高系統(tǒng)的可維護(hù)性、安全性和可靠性的重要措施。

4.結(jié)束語(yǔ)

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，人們對(duì)其可靠性的重視程度越來(lái)強(qiáng)。機(jī)電一體化系統(tǒng)往往在生產(chǎn)中占有重要的地位，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障，對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)的損失是巨大的。因此，研究和分析影響機(jī)電一體化系統(tǒng)可靠性的因素，并采取有效的措施來(lái)提高機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，對(duì)于人們的生產(chǎn)和生活都有十分重要的意義。

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