機電控制系統(tǒng)自動控制技術(shù)與一體化設(shè)計

李劍峰

摘 要：機電控制技術(shù)隨著科技發(fā)展?jié)u漸成為綜合性較強的技術(shù)，并且需要多方面技術(shù)配合完成。機電一體化設(shè)計更多的是體現(xiàn)產(chǎn)品的智能、綠色以及人性化特點，這是一種更加先進(jìn)的理念，對機電控制系統(tǒng)發(fā)展有較強的促進(jìn)作用。本文就機電控制系統(tǒng)進(jìn)行簡要概述，對機電一體化設(shè)計理念進(jìn)行探討，了解機電一體化設(shè)計優(yōu)勢。對機電控制系統(tǒng)、自動化控制技術(shù)、一體化設(shè)計方法理念進(jìn)行深入的認(rèn)識和研究，促進(jìn)相關(guān)方面的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：機電控制系統(tǒng)；自動控制技術(shù)；一體化設(shè)計；研究探討

機電系統(tǒng)的核心是控制，人們一般把機電系統(tǒng)稱為機電控制系統(tǒng)。從技術(shù)來說，現(xiàn)代機電控制技術(shù)是微電子、電力電子、計算機、信息處理、通信、傳感檢測、過程控制、伺服傳動及自動控制等多種技術(shù)相互交叉、滲透、融合而成的綜合性技術(shù)。機電控制的共性相關(guān)技術(shù)一般歸納為檢測傳感技術(shù)、信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、伺服傳動技術(shù)及系統(tǒng)總體技術(shù)。我國科技的提升與技術(shù)的發(fā)展都使得自動化控制技術(shù)得到了更多的重視，在各個領(lǐng)域都得到了更加廣泛的應(yīng)用。通過技術(shù)革新和一體化設(shè)計，使擴大生產(chǎn)規(guī)模、提升生產(chǎn)效率更加容易。

1 機電控制系統(tǒng)自動控制技術(shù)闡述

1.1 機電控制系統(tǒng)

機電控制系統(tǒng)是指在沒有人參與的情況下由機械、設(shè)備等按照人們設(shè)計好的方式運行實現(xiàn)生產(chǎn)，通過機電控制系統(tǒng)，可以將控制器和控制對象等各種部件組合到一起。在實現(xiàn)機電控制系統(tǒng)的過程中，運用到的技術(shù)主要包括信息處理技術(shù)、計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)等，此外還會應(yīng)用傳感檢測技術(shù)、通信技術(shù)、過程控制技術(shù)以及自動化控制技術(shù)來實現(xiàn)，并且這種技術(shù)并不是單獨使用的，在機電控制的過程，需要將這些技術(shù)融合在一起形成綜合技術(shù)，然后才能實現(xiàn)機電控制系統(tǒng)。機電控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為工業(yè)制造和工業(yè)生產(chǎn)帶來了很大的便捷，在很多領(lǐng)域和行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用，例如航海、航空以及生產(chǎn)領(lǐng)域。對于機電控制系統(tǒng)，雖然是設(shè)備和儀器的控制過程，但是需要人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，管理人員主要通過計算機網(wǎng)絡(luò)對機電控制的各種儀器和設(shè)備進(jìn)行控制，因此機電控制系統(tǒng)是在網(wǎng)絡(luò)平臺的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。

1.2 自動控制技術(shù)

自動控制技術(shù)是通過控制器使被控對象或過程自動按預(yù)定的規(guī)律運行。因被控對象種類繁多，控制技術(shù)的內(nèi)容非常豐富，有高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷、校正、補償、示教再現(xiàn)、檢索等技術(shù)。自動控制技術(shù)可協(xié)調(diào)機械、電器各部分來有效完成動作過程，在機電控制系統(tǒng)中起重要作用。自動控制的理論基礎(chǔ)是自動控制原理，它分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。前者研究對象是單變量的線性時不變系統(tǒng)，它使用的數(shù)學(xué)工具是拉普拉斯變換，用傳遞函數(shù)方法在頻率域進(jìn)行系統(tǒng)分析。它的控制原理是負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)，以自動調(diào)節(jié)器作為反饋控制系統(tǒng)的中心環(huán)節(jié)，所以，經(jīng)典控制理論也叫自動調(diào)節(jié)原理。后者是以多變量、非線性、時變系統(tǒng)為研究對象，它運用的數(shù)學(xué)工具有線性代數(shù)、矩陣論和集合論等。它是用狀態(tài)空間法在時間域內(nèi)進(jìn)行系統(tǒng)分析，用狀態(tài)方程描述系統(tǒng)過程。根據(jù)狀態(tài)及條件，分析下一步的狀態(tài)?，F(xiàn)代控制理論研究的主要內(nèi)容是最優(yōu)控制、隨機控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等。經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，被人們統(tǒng)稱為傳統(tǒng)控制理論。它們的共性是基于被控對象的精確數(shù)學(xué)模型，就是控制對象和干擾均應(yīng)以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程和函數(shù)表示?？刂频娜蝿?wù)和目標(biāo)通常比較直接明確。而在現(xiàn)實世界中，許多系統(tǒng)，諸如智能機器人系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)、航空航天控制系統(tǒng)等用傳統(tǒng)的控制理論卻難以解決，從20世紀(jì)70年代以后，特別是21世紀(jì)以來，智能控制開始興起，已經(jīng)形成了一門新興學(xué)科。智能控制系統(tǒng)具有學(xué)習(xí)功能、自適應(yīng)功能和自行組織與協(xié)調(diào)功能。它主要采用的數(shù)學(xué)工具是符號推理與數(shù)值計算的結(jié)合以及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)和模糊理論等。智能控制是一門新興的多個領(lǐng)域交叉學(xué)科，它的理論尚未成熟，而實際的需要有力地推動了智能控制理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，具有廣闊的發(fā)展前景。在機電控制系統(tǒng)中會逐漸發(fā)揮其重要作用。在機電控制技術(shù)中，自動控制主要解決怎樣提高產(chǎn)品的精度、提高加工的效率、提高設(shè)備的有效利用率等諸多問題。它的主要技術(shù)的關(guān)鍵是現(xiàn)代控制理論在機電控制技術(shù)中的工程化與實用化、優(yōu)化控制模型的建立及邊界條件的確定等。計算機動態(tài)仿真技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展為在控制系統(tǒng)的物理模型建立之前就可預(yù)見其動態(tài)性能，并為正確選擇控制系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)提供了方便和條件。

2 一體化設(shè)計的理想

中國目前已經(jīng)成為世界制造業(yè)大國，隨著改革的深入，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)逐漸調(diào)整，電子信息產(chǎn)品制造業(yè)、機床電氣和電工電氣制造業(yè)等重點發(fā)展行業(yè)逐漸增加，機電一體化的呼聲越來越高。日本的機械整形協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所最早提出了機電一體化的概念，他們創(chuàng)造性的設(shè)想了將機構(gòu)中的主功能、動力功能等其他的功能都加入電子技術(shù)進(jìn)行控制，將接卸裝置、電子設(shè)計與軟件設(shè)計合而為一。機電一體化隨著社會的發(fā)展而不斷增加新的內(nèi)容，目前已經(jīng)形成一個學(xué)科，其要求在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計時，對設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行系統(tǒng)分析，將分析之后的結(jié)果綜合起來，最終所形成的產(chǎn)品就是機電一體化系統(tǒng)，這個分析與綜合是需要反復(fù)進(jìn)行的，只有在反復(fù)進(jìn)行的基礎(chǔ)上，才能對設(shè)計進(jìn)行修改完善，最終使之成為可以有效實現(xiàn)的目標(biāo)。從系統(tǒng)的角度出發(fā)，使產(chǎn)品具有智能化、模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、微型化、綠色化和系統(tǒng)人格化等特點，具有無可比擬的優(yōu)越性，這是機電一體化設(shè)計的理想。把機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)有機的結(jié)合起來，將系統(tǒng)功能化和優(yōu)化，合理地配置各個單元，保證其特殊功能的實現(xiàn)，使系統(tǒng)成為最優(yōu)化的系統(tǒng)，完成所要求的功能，這樣的產(chǎn)品就是機電一體化的產(chǎn)品。

3 機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計方法

不同類型的產(chǎn)品在設(shè)計中要采取不同的方法。對舊機床的技術(shù)改造，它的主體仍是機械系統(tǒng)，只是控制系統(tǒng)電子化了，而設(shè)計智能化的測量裝置，設(shè)計的主體則是電子技術(shù)問題。實現(xiàn)機電一體化設(shè)計的方法一般有取代法、整體設(shè)計法和組合法，要根據(jù)不同情況進(jìn)行選擇。

1）取代法。一般用于以電子線路取代機械式控制機構(gòu)，這類機械電子化產(chǎn)品設(shè)計。例如，用可編程序控制器或微型計算機來取代機械式的變速機構(gòu)、凸輪等控制機構(gòu)，代替氣動、液壓控制系統(tǒng)，代替插銷板、撥碼盤、步進(jìn)開關(guān)、時間繼電器等接觸式控制器等。不僅能簡化機械結(jié)構(gòu)，還可以提高產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。這種方法接近原來的產(chǎn)品或同類產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計容易實現(xiàn)；而缺點是跳不出原產(chǎn)品的框架，在開發(fā)全新產(chǎn)品時有其局限性。

2）整體法。使設(shè)計的產(chǎn)品要取得較高的性價比，開發(fā)出全新產(chǎn)品，設(shè)計時要把機械部分與電氣部分融為一體，從整體上進(jìn)行設(shè)計。在電液比例控制系統(tǒng)中，比例電磁鐵與液壓控制閥構(gòu)成一體化的比例閥；直線式伺服電動機的定子繞組埋藏在機床導(dǎo)軌中等均為整體化設(shè)計的結(jié)果。

3）組合法。這是把各種標(biāo)準(zhǔn)功能模塊組合成各個機電一體化系統(tǒng)。例如，把一臺車床改造為數(shù)控車床時，可以外購一套供車床專用的數(shù)控裝置、一套伺服驅(qū)動裝置、一套位移測量裝置、一套與主軸電機相配合的變頻器，就能組合一臺具有自動調(diào)速、自動進(jìn)給、能完成多種切削功能的數(shù)控車床。采用組合法開發(fā)機電一體化，周期短、質(zhì)量可靠、節(jié)約工裝設(shè)備費用，便于生產(chǎn)管理、使用和維修。隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，機電控制技術(shù)在不斷地深入到各個領(lǐng)域并迅速向前推進(jìn)。發(fā)展的重點和具體做法不盡相同，但總的趨勢趨于一致。從性能上看，它向高精度、高效率、高性能、智能化的方向發(fā)展；從功能上看，它向小型化、輕型化、多功能方向發(fā)展；從層次上看，它向系統(tǒng)化、復(fù)合集成化方向發(fā)展。機電控制技術(shù)綜合利用各相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢，揚長避短，取得系統(tǒng)優(yōu)化效果，有顯著的社會效益、技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益。它可以提高精度；增強功能；提高生產(chǎn)效率，降低成本；節(jié)約能源，降低消耗；提高安全性、可靠性；改善操作性和使用性；減輕勞動強度，改善勞動條件；簡化結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量；降低價格；增強柔性應(yīng)用功能。

4 結(jié)束語

機電控制系統(tǒng)融合了多方面技術(shù)，這使得其在制造、生產(chǎn)、設(shè)備管理等等多方面領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，并發(fā)揮著越來越重要的作用。機電一體化是新世紀(jì)具有創(chuàng)新特性的技術(shù)產(chǎn)物，不僅給企業(yè)生產(chǎn)以及設(shè)備應(yīng)用帶來了很高的經(jīng)濟(jì)效益，同時創(chuàng)造了社會效益，這為機械工業(yè)、制造業(yè)以及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。機電一體化產(chǎn)品設(shè)計在今后發(fā)展過程中仍然需要不斷進(jìn)行創(chuàng)新和完善，并提供更加人性化服務(wù)，在質(zhì)量方面不斷進(jìn)行提升和進(jìn)步。機械控制系統(tǒng)自動控制技術(shù)與一體化設(shè)計在今后的發(fā)展中將起到越來越重要的作用，并體現(xiàn)更大的價值。

機電一體化已經(jīng)成為了產(chǎn)品設(shè)計與開發(fā)的發(fā)展要求，筆者從機電控制與自動控制的內(nèi)涵入手，闡述了機電一體化設(shè)計的理念，在這個基礎(chǔ)上闡述了三種機電一體化的設(shè)計方法：電子代替機械控制機構(gòu)，是在一個系統(tǒng)內(nèi)部實現(xiàn)機電一體化；機械部分與電子部分的有機整合，是在一個機械裝置中實現(xiàn)機電一體化；功能與模塊的整合，是在一個大的功能系統(tǒng)中實現(xiàn)機電一體化。

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