关于机电一体化系统概念设计过程和模型的研究

张 帆

（无锡商业职业技术学院，江苏 无锡 214063）

和传统的机械运动系统相比，机电一体化系统能够实现更多的功能，生产更多的新产品，因此提高机电一体化系统设计的创新性以及可行性更有利于提高产品的价值。文章对机电一体化系统的基本特点、系统原理、设计思想以及过程模型进行了相关的探究。

1 机电一体化系统的基本特点

在进行机电一体化系统设计的时候，需要结合产品的生命周期来进行设计，设计者需要具备良好的发散思维以及创新思维，这样才能更好地保证机电一体化系统的功能满足当前的设计要求。在进行机电一体化系统设计的过程中，设计者还需要加强对设计方案的构思以及系统化设计，结合当前产品的功能需求以及结构需求来进行设计。机电一体化系统实现了对机电一体化技术、现代控制理论以及传感检测等多个技术之间的统一，所以机电一体化系统具有更加强大的功能，且具有多个基本特征。

1.1 创新性

在进行机电一体化设计时，所具备的创新性可以是多层次的，比如可以从多个方面来实现创新，如系统的结构、系统的结构替换、系统的工作原理、系统的功能等等，都可以进行创新。而设计者则可以总结所有的创新思路，从而形成一套具有可行性的创新性的机电一体化设计方案。

1.2 多目标性

机电一体化系统在设计的过程中具有多目标性的特点，因为机电一体化的系统设计需要在多个因素的共同约束以及制约下进行，比如一体化系统会受到经济水平、科学技术水平等因素的影响，而且生产厂家对于系统的要求也会影响系统的设计。所以总结所有的客观和主观因素影响，逐渐形成了一些制约设计者进行系统设计的条件，设计者只有在满足这些设计条件的前提下才能保证机电一体化系统设计的可行性。

1.3 多解性

机电一体化系统在设计过程中还体现出多解性，因为一体化系统的设计路径多样化，针对于不同的系统功能以及功能定义，都会产生不同的设计思想以及设计方法，所以形成多种不同的解决方案。根据相关专业人士的研究所得，复杂程度为一般的机电系统设计，其设计方案大概在一万种以上，所以说机电一体化系统的设计方案是非常繁多，但是设计方案的成功率并不高，一般情况下，机电一体化的设计方案成功率低于百分之一。

1.4 层次性

机电一体化系统设计是一个从抽象到具体的过程，所以在进行机电一体化系统设计的时候，不仅要完成从功能层向结构层的映射，比如要将功能的定义以及分解作用到功能层上，要将结构的修改以及变异作用到结构层上，从而更好地借助映射关系来将两个不同的层次练习起来。此外，机电一体化系统中的功能层以及结构层也要理清各自的层次关系，比如在进行功能分解的时候，就是将功能进行逐个层级的推进，因此功能的层次性也就决定了结构的层次性，不同层次的功能具有其对应层次的结构。

2 机电一体化的系统原理及局限

机电一体化是一种比较复杂的机械，通过将电子技术引入到系统的动力功能、信息功能以及控制功能当中，并且和软件组成一个新的机械系统，所以一般情况下机电一体化系统主要包括八个组成要素，分别是能量供应、控制信息、信息处理及控制、驱动元件、执行元件、机械本体以及检测元件。机电一体化主要是通过对各种技术的协调，比如加强对控制系统、计算机技术以及电子技术等多个技术的联合应用，从而加强对运动行为的控制性，所以进行机电一体化设计并不是简单的技术堆积，而是通过借助计算机的协调能力来提高驱动元件的可控性。

目前机电一体化的系统原理主要包含三个方面的内容，分别是三环论、五块论以及两个子系统理论。首先，三环论理论主要是指机电一体化主要由三个重要的功能模块组成，分别是电子、机械和软件。其次，五块论理论是指机电一体化系统主要由五个功能模块组成，分别是动力功能模块、控制功能模块、构造功能模块、操作功能模块以及传感检测功能模块。第三，两个子系统理论主要是指机电一体化系统主要由两个分支系统组成，分别是控制系统和物理系统。虽然三种理论的提出具有很强的意义，但是不同的系统理论也具有不同的局限性，比如三种系统理论都缺乏对机械主体的强调，缺乏对机电一体化系统概念设计中复杂性、多面性以及模糊性的有效处理，所以这三个理论对于机电一体化系统概念设计的作用性不大。当前在进行机电一体化系统设计的时候，一般情况下都会将其划分成为三个重要的子系统，分别是传感检测系统、执行机构系统以及信息控制处理系统，加强对这三个系统之间的分工合作，从而更好地提高系统的功能优化效果，提高系统的工作效率。

3 机电一体化系统的设计思想

3.1 静态设计

在进行机电一体化系统设计的时候，一般具备两个基本的设计环节，分别是静态设计以及动态设计。静态设计是指设计者要结合系统的功能要求，然后制定出机电一体化系统的初步方案。在进行初步方案设计的时候，需要将机电一体化系统的主要零部件的种类、各个部件之间的连接方式以及系统的控制方式等等都概括描述出来。完成初步设计方案后，设计人员就要加强对各个结构、结构之间的关系以及相关的参数进行设计，确定好系统所采用的零件材料、生产商等信息，做好对元件的参数以及功率等信息的验算，做好对元部件的选择，确定好相关系统的阻尼配置等等。所以当完成以上工作的时候，此时的设计方案就可以称之为稳态设计，能够有效地满足静态设计的要求。在进行静态设计的时候，设计人员可以忽略系统自身运动因素以及其他干扰因素来进行产品的机电一体化系统设计，所以如果是设计伺服精度以及响应速度要求都不是很高的系统，可以采用静态设计的方式。

3.2 动态设计

动态设计主要是对在频率域的系统特性进行研究，所以动态设计需要结合静态设计的系统结构，并且构建出系统中不同环节的数学模型，将系统整体的传递函数进行推导，设计人员需要结合自动控制理论的方法将系统的频率特性求解出来。系统的频率特性能够将系统对不同频率信号的反应表现出来，所以系统的频率对于系统的稳定性、抗干扰能力以及最大工作频率起到很大的决定性作用。针对伺服精度要求以及响应速度要求都比较高的系统，系统自身的运动因素以及其他的干扰因素对系统的影响非常大，所以设计人员必须要采取对各个环节的相关参数进行调节的方式来保证当前的动态设计能够符合系统的功能要求，所以在进行动态设计的时候，设计人员通常需要对前期的设计方案进行调整，甚至需要对整个初步设计方案都进行推翻，重新进行静态设计。

4 机电一体化系统的设计模型

在机电一体化系统设计当中，执行机构依然是完成系统主要功能的主体，而信息检测系统以及信息处理系统则是保证系统主要功能实现的保障，所以在进行机电一体化系统设计过程模型当中，要以执行机构的运动方案作为设计的核心内容，所以机电一体化系统设计过程模型和传统的机械运动系统设计过程模型有着一定的相同之处，而机电一体化系统过程模型的设计主要是加入了计算机技术以及电子技术等。机电一体化系统设计过程模型是基于各种设计理论的，目前机电一体化系统设计过程模型主要有四种，分别是功能-结构模型、功能-逻辑模型、功能-行为-状态模型以及功能-行为-结构模型，文章主要对功能-行为-结构模型进行探讨。

采用功能-行为-结构模型主要有四个优点，第一，该设计过程模型能够充分地将机电一体化系统设计过程中的从功能层面到结构层面中的映射关系表现出来，因为在进行机电一体化设计时，主要是为了实现生产商的设计功能要求，由此设计出来的机电一体化系统所包含的任何一个结构元素也就对应着任何一个子功能，如果所设计出来的结构元素没有对应任何一个子功能的话，则这个结构元素时没有存在的意义。通过采用功能-行为-结构设计过程模型来进行机电一体化系统设计，能够通过对工艺动作进行分解、执行，确定信息检测以及信息处理的构思，从而获取相应的功能载体，然后再进行系统的继承，最终完成整个设计过程中的建模仿真以及评价。第二，由于机电一体化系统在设计过程中的功能存在多异性以及领域相关性，因此很难完成直接完成功能层面到结构层面的直接映射，而添加上行为层面，形成功能-行为-结构过程模型，则能够很好地完成功能层面到结构层面上的映射关系。第三，功能-行为-结构过程模型不仅整个过程模型具有层次性，不同的层面也是具有各自的层次性，比如在功能层面，具有总功能层次和子功能层次之分，所以只要在任何一个层面上进行任何一个层次的修改，都能够实现对过程模型的设计创新，所以功能-行为-结构过程模型更加适用运用计算机来实现功能。最后机电一体化系统设计是一个有机集成的过程，是要以计算机基础以及智能化技术为基础的，所以实现机电一体化系统设计需要大量的知识作为基础，而设计过程更是一个推理过程，因此在采用功能-行为-结构过程模型设计的过程中，需要加强对功能知识库、运动行为知识库、结构知识库等知识库的引入。

总的来说，虽然当前我国的机电一体化设计已经取得了较为成功的成就，但是我国的机电一体化系统设计依然处于初级阶段，因此相关设计人员应当加强对设计过程以及过程模型的研究，提高设计的创新性，从而更好地完善机电一体化的设计思想以及设计过程模型，实现更多的功能。