机电控制系统与机电一体化产品设计

　　摘要：文章讨论了机电控制系统与机电一体化产品设计，从机电控制系统的含义与控制方法理念着手，介绍了现代机电一体化产品的设计思路和理念，讨论了机电一体化产品的设计方法。

　　关键词：机电控制系统；机电一体化；产品设计

　　现代生产力的进步越来越快，技术水平越来越高，产值数量也日益增大，使现在的机电控制系统的用途越来越广泛，已经成为现代科技水平发展的一个标志性技术。

　　一、机电控制系统的涵义

　　在现有的科学技术里，所谓机电控制系统是指在无人控制的情况之下，利用自动控制设备，让生产设备或者机器按照预先编辑好的程序进行动作，还可以利用通讯设备组成一个完整的工作系统，实现特定的任务要求。其中机电控制系统里最主要的组成是控制方面。而从技术层面看，机电控制系统是单片机技术、电力电子技术、电机拖动技术、通信与信息技术等技术的结合体，而且这些技术并非是孤立的，而是这些技术互相结合、互相利用的综合性技术，并将这些技术整合而成，包括自动控制技术、传感器技术、通信与信息技术、伺服变频技术。机电控制系统的发展其实是依靠微机系统的飞速发展，以及相应的软件开发技术配套使用而慢慢发展的。现在这方面的技术已经在航空航天、生产实践的各个方面得到了非常广泛的应用。

　　机电控制系统的发展趋向于无线远程异地控制，可以使系统操作人员利用以太网络或者其他通信网络连接控制系统，实现本地上位机的计算处理去控制异地的智能机电控制系统。在已经实现的无线远程监控系统中，其中的一种系统是需要操作技术人员不断进行监控运行，且如果系统发生情况，则需要人员及时处置以恢复系统的稳定运行，这样的系统我们称为保持型远程控制。还有一种系统是不需要技术人员实时进行监控操作的，只需要等到该系统运行完成以后，通过网络向技术人员通告，这样的系统我们称为完成型控制系统。如果系统在进行的过程中，技术人员与系统可以实时进行通讯，则技术人员可以监控操作，也可以让系统自动运行，这样的系统我们称为人机交互型控制系统。

　　二、自动控制系统

　　自动控制系统的定义是操作控制器，让被控对象能够按照预先设定的程序任务操作执行。自动控制系统的分类中按照被控参数可以分成这几类：位移控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正控制等。自动控制系统具有很强的实用性能，它的工作主要是通过自身系统中的各个机械电子等部件的协调工作实现预先设定的程序任务，这是自动控制技术的主要内容。

　　自动控制系统分为经典控制理论和现代控制理论两类，其中经典控制理论讲的是在分析控制系统中利用拉普拉斯变换来建立自动控制系统在复数域中的数学模型，然后进行系统的动态和静态分析，一般来说，主要分析系统的稳定性、快速性和准确性三大性能，而且一般这样的系统都是负反馈闭循环系统，采用比例、积分、微分等算法的调节器，所以，这种控制理论我们称为自动调节原理。另一种现代控制理论主要研究的方式和前面所说的控制理论相比较，采用的分析方法是利用数学工具中的线性代数和矩阵，把自动控制系统的整个运行的状态采用状态空间法在时间域内用时域方程进行客观表述，可以利用这些方程和现在正在表现的状态把系统将要出现的下一种状态分析出来。其中分析的主要精髓就是最优控制、随机控制和自适应控制这三类。其实综合来看，以上介绍的这两类控制理论都有一个共同特点，就是对系统进行精确的分析和控制，都必须建立该系统的数学模型，当然数学模型的表述都是时域数学方程或者是复数域数学方程。

　　三、一体化的设计理念

　　我国经过这些年的发展，在制造业已经有了蓬勃发展，但是随着改革的深入，中国面临巨大挑战，高耗能高污染的产业逐渐被淘汰，中国的改革要继续就必须经历大的产业结构调整。其中的一些行业，如电子信息产业、数控机床的电气制造等都需要进行机电一体化改造。在这一行业中，日本走在了前面，他们率先提出把机械系统中的动力部分等其他部分与电子控制技术相结合，把机械运动与电子设计完美地融合在一起，并且在不断的发展过程中，不断吸收新的材料、新的技术。而机电一体化目前已成为一个专业、一个学科，要求设计者们对机电产品进行设计规划时，就把产品当做一个完整的自动控制系统进行分析，把机械、电子、自动控制加入进去以后完成的产品就是一个机电一体化的机电控制系统。当然在进行设计的过程中需要对产品进行不断完善和补充修改，最终形成一个能够高效运行并完成任务的系统，同时让该产品具有智能化、模块化网络化、微型化、绿色化和系统人格化等特点，这是机电一体化产品的设计目标。

　　四、机电一体化产品的设计方法

　　机电一体化的产品设计在设计过程中需要非常高的准确度，机电控制系统的任务实现必须依靠机械和电子的相互协调才可以实现。所以在设计中这两者就需要紧密联系，当机械装置无法单独实现预定的目标时，就需要融入电子电气控制，让更多的技术加入产品设计开发中，软件硬件相配合。同时设计开发的过程要兼顾该产品的成本、准确度、市场的需求等多个因素。根据以上开发过程，我们总结出机电一体化的控制系统设计一般需要经过两个过程，开发阶段和产品试运行阶段。开发阶段的任务是达到设计目标，而产品试运行阶段的任务是对产品进行修改，让该产品更加适应和满足客户的需求。对机电一体化的产品设计，我们认为可以采取以下几种方法：

　　1.利用电子控制代替机械结构控制

　　如果采用单独的机械结构，则采用的控制方式一般是简单的机械控制结构，如果采用机电一体化产品的设计，则可以使用电子电气控制对简单机械控制进行改进，这样可以改变机械运行过程，还可以实现预期目标。首先可以使用可编程控制器件（PLC）或者单片机控制器件，将电子控制与机械控制相结合，其次可以使用变速器件替代机械控制中的接触器等老式控制方式，这种设计理念，不但可以整体提高设计产品的性能，而且可以提高该产品的质量，实现机电一体化的设计理念。

　　2.让电子控制部分与机械控制部分完美的结合

　　机电一体化产品的设计过程中，非常重要的一步就是改变原先旧的产品设计理念，打造一种全新的设计思路。而实现产品功能的原理性东西没有动，只是采用一个新的方法创造该产品，也就是让电子控制部分与机械控制部分完美结合，两者成为一个不可分割的有机整体。

　　3.功能模块的整合

　　如果在设计过程中发现机械控制与电子控制的结合没有实现需要达到的功能，就需要采取别的方法，就是对产品中的各个功能性的模块进行功能性整合，让它们成为一个有机整体，构成一个完整的系统。这样的系统是一个由多种模块构成的大综合系统，从而实现客户或者设计者的预期目标。现在所使用的数控机床就是这种设计方法的一个很好例子，在设计时，购买好供机床装备的电子电器模块，包括伺服模块、电机模块、CNC模块等和各种机械模块装置，再对这些模块进行有机整合，使之成为一个可靠的数控机床机电一体化产品。这样的设计方式节约了设计时间和设计成本，而且方便维修和管理。