浅析机电控制系统自动控制技术与一体化设计

李进生

（武汉软件工程职业学院，湖北 武汉430033）

随着生产力的发展、生产技术的提高，生产规模越来越大，自动化控制技术的应用日益广泛，成为当今科技发展不可或缺的重要组成部分。

1 机电控制系统与自动控制系统的内涵

1.1 机电控制系统

在现代科技领域中，机电控制系统是指在没有人参与的情况下，使用控制装置，使机器、设备或生产过程自动的按照设计好的方式运行，通过整套的系统把控制器与控制对象等部件组合在一起，来完成一定的任务，机电控制系统最重要的部分是控制。从技术内容来分析，机电控制运用了微电子、电力电子、计算机、信息处理等技术，而且也会用到通信、传感检测、过程控制、伺服传动及自动控制技术，且这些技术不是单独使用，而是包含了这些技术生成的综合性技术，最终形成了具有检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术于一身的系统的技术。机电控制系统的出现是随着计算机的发展、软件的开发而出现并逐步应用的，现在它已经广泛地应用到了生产、航空、航海等领域。

机电控制系统主要进行远程控制，即管理人员在异地通过计算机网络异地拨号或双方都网络连接而控制计算机，从而达到通过对本计算机的处理而完成异地业务的一种控制系统，它是在网络平台的基础上形成的，也必将成为机电控制一个新的发展趋势。

在远程控制中，如果工作人员需要对系统运行的每一个步骤实施关注，并且在必要时随时进行干预，这样的远程控制叫做保持型远程控制；而不需要随时进行关注，在系统完成运行后，由系统向远程监控的服务器进行报告，称为完成型控制系统；在系统运行的时候，人机可以随时建立联系，可以干预，也可以不干预，称为人机交互型控制系统。

1.2 自动控制系统

自动控制系统通过控制器的使用，使被控制对象在运行中，自动按照预定规律运行。自动控制系统根据控制内容的不同可以分为：高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正控制等。自动控制系统的实用性，以及它可以协调机械、电器各个部分来有效地完成预定的内容，这是自动控制技术的核心。

经典控制理论和现代控制理论是自动控制系统的两大理论依据。经典控制理论采用数学工具拉普拉斯变换来进行传递函数的计算，并且进行系统的分析，研究单变量的线性时不变系统。控制原理是负反馈闭循环系统，采用自动调节器作为反馈控制系统的中心环节，因而经典控制理论也叫自动调节原理。现代控制理论的研究对象是相对经典控制理论而言的，它主要以线性代数、矩阵论和集合论为主要的数学工具，将系统运行的过程采用状态空间法在时间域内分析之后，用状态方程描述出来，根据现行状态及其条件分析下一步的状态，其主要内容是最优控制、随机控制和自适应控制。这两种理论的控制对象极为明确，都需要建立精确的数据模型，其数据模型都可以用严格的数学方程和函数表示，这是两种控制理论的共性。

2 一体化设计的理想

中国目前已经成为世界制造业大国，随着改革的深入，产业结构逐渐调整，电子信息产品制造业、机床电气和电工电气制造业等重点发展行业逐渐增加，机电一体化的呼声越来越高。

日本的机械整形协会经济研究所最早提出了机电一体化的概念，他们创造性的设想了将机构中的主功能、动力功能等其他的功能都加入电子技术进行控制，将接卸装置、电子设计与软件设计合而为一。机电一体化随着社会的发展而不断增加新的内容，目前已经形成一个学科，其要求在进行产品设计时，对设计的产品进行系统分析，将分析之后的结果综合起来，最终所形成的产品就是机电一体化系统，这个分析与综合是需要反复进行的，只有在反复进行的基础上，才能对设计进行修改完善，最终使之成为可以有效实现的目标。

从系统的角度出发，使产品具有智能化、模块化、网络化、微型化、绿色化和系统人格化等特点，具有无可比拟的优越性，这是机电一体化设计的理想。把机械技术、微电子技术、自动控制技术有机的结合起来，将系统功能化和优化，合理地配置各个单元，保证其特殊功能的实现，使系统成为最优化的系统，完成所要求的功能，这样的产品就是机电一体化的产品。

3 机电一体化产品的设计

机电一体化设计是一种高精度的设计，机电产品的性能必须通过机电配合才能实现，因而要求这两种技术相互联系、相互补充。当电子元件和机械装置无法完成预期的要求时，必须加入电子元件进行控制，多种技术共存，软硬件相结合。因此这是一种高精度的设计，而且在设计过程中还要考虑产品的成本、可靠性、精度、市场需求等方面。有鉴于此，机电一体化的设计往往都会经历两个不同的阶段，开发设计阶段与适应性设计阶段。开发设计阶段主要是为了满足性能要求，而适应性设计阶段是为了对原有的产品设计进行修改，完善其功能和局部改进，使得机电一体化产品的性能有所提高。机电一体化产品的设计要求具有高精度，这在设计中是有规律可循的，笔者认为主要可采用以下几种方法。

（1）电子线路代替机械控制机构

在单纯的机械运行中，出现的控制往往都是单一的机械控制机构，而在机电一体化的产品设计中，可以采用电子线路来改进这样的控制机构，从而改变机械的运行过程，从而达到预期的效果。第一步，采用可以编程的控制器或者微型计算机，将电子线路与机械控制结构有机的结合起来。第二步，用变速机构、凸轮来代替原有的插销板、薄码盘、步进开关等接触式的控制器，用电子线路代替原有的机械结构，不仅能简化机械结构，而且能提高产品的性能和质量，实现机电一体化的构想。

（2）机械部分与电子部分的有机整合

机电一体化的设计，最为关键的部分是打破原有的产品设计模式，实现一种全新思路的产品设计理念，但是与产品相关的原理没有变动，只是采用了一种全新的思路去完成设计理念来提高产品的质量与性能，也就是将电子技术与机械技术有机的整合，使之成为一个不可分割的有机整体。例如，在电液比例控制系统中，将比例电磁铁与液压阀这两个部分有机的整合，形成了一体化的比例阀，该有机整体的设计理念就是机电一体化的理念；将直线伺服电动机的定子绕阻埋藏在机床导轨中，也是践行机电一体化的理念。

（3）功能模块的整合

在机电一体化的设计过程中，当采用简单的机械与电子整合不能达到预期效果时，我们需要将各个功能模块进行精心整合，使之成为一体化的系统，而这个系统是一个多功能模块的综合系统，通过系统设计方能达到想要的效果。比如数控车床的设计采用的就是这种方式，首先采购可供车床使用的专用数控装置、伺服驱动装置、以及相关的各种机械装置各一套，然后再将各个部分实行整合，就能组成一台功能模块相整合的机电一体化数控车床，完成多种切削功能。这样功能模块的整合能够保证质量可靠，同时节省了设备费用，便于生产的管理、实用和维修。

4 结束语

机电一体化已经成为了产品设计与开发的发展要求，笔者从机电控制与自动控制的内涵入手，阐述了机电一体化设计的理念，在这个基础上阐述了三种机电一体化的设计方法：电子代替机械控制机构，是在一个系统内部实现机电一体化；机械部分与电子部分的有机整合，是在一个机械装置中实现机电一体化；功能与模块的整合，是在一个大的功能系统中实现机电一体化。

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