机电一体化系统开发的物理建模解决方案

罗凡 方光辉

摘要：近年来，科技发展速度不断提升，机电一体化作为一项综合性技术，并不是简单的技术融合。正因机电一体化技术的应用有着诸多优势，机电一体化系统的开发迫在眉睫。然而实际情况是机电一体化系统开发面临诸多挑战。因此，有必要通过物理建模寻找有效解决方案。本课题主要以机电一體化系统为主题，在阐述机电一体化系统相关内容的基础上，分析了当前机电一体化系统所面临的诸多挑战，最后从物理建模中探索出有效解决方案。

关键词：机电一体化系统;物理建模;解决方案

Abstract：In recent years， the speed of scientific and technological development is constantly improving. As a comprehensive technology， mechatronics is not a simple technology integration. Because the application of mechatronics technology has many advantages， the development of mechatronics system is extremely urgent. However， the reality is that the development of electromechanical integration system is facing many challenges. Therefore， it is necessary to find effective solutions through physical modeling. This topic mainly takes the electromechanical integration system as the subject， on the basis of elaborating the electromechanical integration system related content， analyzes the current electromechanical integration system faces many challenges， and finally explores the effective solution from the physical modeling.

Key words： electromechanical integration system; Physical modeling; The solution

1.机电一体化系统相关内容概述

“机电一体化”的提出，至今超过了40年，当前比较通俗的理解，就是指机械技术、电子技术、传感器测试技术、信息技术、自动控制技术、接口技术以及计算机技术等融合在一起的综合性技术。相应的，机电一体化系统也是建立在机电一体化技术的机电系统。基于机电一体化技术功能角度而言，机电一体化系统主要由机械部分、电子部分、控制部分以及软件部分等四个部分构成[1]。机电一体化系统相比一般系统而言，具有着显著的整体性，由多个部分有机整合在一起，并为同一目的完成各项操作的集合体。值得注意的是机电一体化并不是简单的多种技术融合在一起。基于机电一体化概念的不同，工业界对机电一体化系统的定义迟迟无法统一。

2.机电一体化系统开发面临的诸多挑战分析

2.1管理不同领域复杂性问题

机电一体化技术作为一种集机械技术、信息技术、自动控制技术以及计算机技术等技术的综合性技术，在应用方面，自然是面向多个不同领域。相应的机电一体化系统的开发，必然需要基于子系统或者是更多子系统，并且子系统必须是机电一体化系统四个领域的集合[2]。由此可知，机电一体化系统在开发过程中，需要管理不同领域的复杂性问题。然而不同领域复杂性问题有着其特殊的一面，一旦将其综合起来处理，自然提升了机电一体化系统的开发难度。

2.2设计缺陷

传统机电系统的制作方法是将样机制作出来，之后将其进行集合，并测验是否能够可以进行正常工作。然而这种设计方法所存在的不足之处，可以说是十分显著的。究其原因在于样机集成之后，发现问题，再做前期修理，势必会增加成本。

2.3设计流程优化问题

机电一体化系统基于多个子系统构成，当中某一个子系统优化或者是具备一个更好的设计方案，并不能体现系统整体性能的优化。因此，机电一体化系统开发过程中，设计流程的优化问题可谓是最大的挑战。具体言之，系统开发需充分考虑各个子系统的灵活性与成本，同时需要考虑整体性能。

3.机电一体化系统开发的物理建模解决方案

3.1模块化设计

针对机电一体化系统开发中存在的不同领域复杂性管理问题，主要是借助平台实现模块化设计。具体言之，国外相关学者提供两个平台，一是以科学计算为基础的工业标准语言MATLAB平台，该平台的主要作用在于为算法开发人员提供交互环境，实现了分析、可视化以及高级编程为一体，工程师可在交互环境中获取各项数据，挖掘出相关信息，并进行系统算法开发与结果共享。二是建立在MATLAB平台基础上的Simulink，主要是增加了模型设计以及系统仿真等功能，为建模、仿真等不同领域复杂性问题的解决提供可一个模块化设计环境。

3.2联合仿真

传统设计方法无法将不同领域之间有机结合起来。联合仿真方法便有助于解决此类问题，具体言之，在同一个平台上，将被控对象细节设计或者是构造，通过第三方软件完成，自身产品仅仅是提供一些附件与接口，完成各项参数的转递。联合仿真优势在于可以重复利用现有模型，并支持设计与验证工作。

3.3多域物理仿真

平台上建模势必会出现繁琐的工作，多域物理仿真则可以有效避免此类繁琐工作。具体言之，SimscapeTM作为近些年出现的一项重要技术，作为多域物理建模基础平台，优势在于提供基础数据库，便可以完成机械、电子、液压以及热等领域的建模。同时多域物理模型集成之后，可在后台方程中自行求解模型。例如控制系统模块的搭建，系统之间的连接线通常称之为信号线，信号线箭头方向可认为信号流指示方向。值得注意的是在物理建模产品当中，不同模块的搭建，之间的信号线并没有固定方向，仅仅是数据相互传递。因此，系统仿真时，往往会出现因果关系描述与非因果关系描述两种问题。针对此类问题，多域物理仿真便可以有效解决，具体就是在单一平台上，进行多域物理仿真，可以在硬件制造之前发现并解决问题，由此优化设计，开发出整体性能优越的机电一体化系统。

4.结语

综上，机电一体化技术作为机械技术、信息技术以及自動化控制技术等技术有机整合的综合性技术，系统的开发对于技术应用与作用的发挥具有着重要作用。因此，有必要针对机电一体化系统开发面临的挑战，通过物理建模解决此类难题，使得机电一体化技术及系统造福于人类。

参考文献：

[1]任胜兵，黄飞，刘媛.信息物理融合系统建模的区间GMDH算法[J].小型微型计算机系统，2019，40（01）：13-19.

[2]孟得新.矩阵运算在Alice-Bob物理系统建模中应用[J].科技资讯，2018（31）：212-214.

[3]覃金昌，王为庆.基于simulink的机电一体化系统案例仿真教学研究[J].技术与市场，2016，23（1）：9-11. DOI：10.3969/j.issn.1006-8554.2016.01.002.

[4]胡胜心，王浩，戴振东.机电液一体化仿真在腿式液压机器人设计中的应用[J].机械设计与制造，2015，（1）：152-156. DOI：10.3969/j.issn.1001-3997.2015.01.041.

作者简介：

罗凡（1995—），男，汉族，四川省巴中市，本科，研究方向：机械电子工程。

方光辉（1995—），男，汉族，四川省遂宁市，本科，研究方向：应用物理。