机电控制系统自动控制技术与一体化设计

李剑峰

摘 要：机电控制技术随着科技发展渐渐成为综合性较强的技术，并且需要多方面技术配合完成。机电一体化设计更多的是体现产品的智能、绿色以及人性化特点，这是一种更加先进的理念，对机电控制系统发展有较强的促进作用。本文就机电控制系统进行简要概述，对机电一体化设计理念进行探讨，了解机电一体化设计优势。对机电控制系统、自动化控制技术、一体化设计方法理念进行深入的认识和研究，促进相关方面的发展。

关键词：机电控制系统；自动控制技术；一体化设计；研究探讨

机电系统的核心是控制，人们一般把机电系统称为机电控制系统。从技术来说，现代机电控制技术是微电子、电力电子、计算机、信息处理、通信、传感检测、过程控制、伺服传动及自动控制等多种技术相互交叉、渗透、融合而成的综合性技术。机电控制的共性相关技术一般归纳为检测传感技术、信息处理技术、自动控制技术、伺服传动技术及系统总体技术。我国科技的提升与技术的发展都使得自动化控制技术得到了更多的重视，在各个领域都得到了更加广泛的应用。通过技术革新和一体化设计，使扩大生产规模、提升生产效率更加容易。

1 机电控制系统自动控制技术阐述

1.1 机电控制系统

机电控制系统是指在没有人参与的情况下由机械、设备等按照人们设计好的方式运行实现生产，通过机电控制系统，可以将控制器和控制对象等各种部件组合到一起。在实现机电控制系统的过程中，运用到的技术主要包括信息处理技术、计算机技术、电力电子技术、微电子技术等，此外还会应用传感检测技术、通信技术、过程控制技术以及自动化控制技术来实现，并且这种技术并不是单独使用的，在机电控制的过程，需要将这些技术融合在一起形成综合技术，然后才能实现机电控制系统。机电控制系统的出现为工业制造和工业生产带来了很大的便捷，在很多领域和行业都得到了广泛的应用，例如航海、航空以及生产领域。对于机电控制系统，虽然是设备和仪器的控制过程，但是需要人进行远程控制，管理人员主要通过计算机网络对机电控制的各种仪器和设备进行控制，因此机电控制系统是在网络平台的基础上发展起来的。

1.2 自动控制技术

自动控制技术是通过控制器使被控对象或过程自动按预定的规律运行。因被控对象种类繁多，控制技术的内容非常丰富，有高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。自动控制技术可协调机械、电器各部分来有效完成动作过程，在机电控制系统中起重要作用。自动控制的理论基础是自动控制原理，它分为经典控制理论和现代控制理论。前者研究对象是单变量的线性时不变系统，它使用的数学工具是拉普拉斯变换，用传递函数方法在频率域进行系统分析。它的控制原理是负反馈闭环系统，以自动调节器作为反馈控制系统的中心环节，所以，经典控制理论也叫自动调节原理。后者是以多变量、非线性、时变系统为研究对象，它运用的数学工具有线性代数、矩阵论和集合论等。它是用状态空间法在时间域内进行系统分析，用状态方程描述系统过程。根据状态及条件，分析下一步的状态。现代控制理论研究的主要内容是最优控制、随机控制、自适应控制和鲁棒控制等。经典控制理论和现代控制理论，被人们统称为传统控制理论。它们的共性是基于被控对象的精确数学模型，就是控制对象和干扰均应以严格的数学方程和函数表示。控制的任务和目标通常比较直接明确。而在现实世界中，许多系统，诸如智能机器人系统、计算机集成制造系统、航空航天控制系统等用传统的控制理论却难以解决，从20世纪70年代以后，特别是21世纪以来，智能控制开始兴起，已经形成了一门新兴学科。智能控制系统具有学习功能、自适应功能和自行组织与协调功能。它主要采用的数学工具是符号推理与数值计算的结合以及神经元网络和模糊理论等。智能控制是一门新兴的多个领域交叉学科，它的理论尚未成熟，而实际的需要有力地推动了智能控制理论和技术的迅速发展，具有广阔的发展前景。在机电控制系统中会逐渐发挥其重要作用。在机电控制技术中，自动控制主要解决怎样提高产品的精度、提高加工的效率、提高设备的有效利用率等诸多问题。它的主要技术的关键是现代控制理论在机电控制技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。计算机动态仿真技术的产生和发展为在控制系统的物理模型建立之前就可预见其动态性能，并为正确选择控制系统的有关参数提供了方便和条件。

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方法

不同类型的产品在设计中要采取不同的方法。对旧机床的技术改造，它的主体仍是机械系统，只是控制系统电子化了，而设计智能化的测量装置，设计的主体则是电子技术问题。实现机电一体化设计的方法一般有取代法、整体设计法和组合法，要根据不同情况进行选择。

1）取代法。一般用于以电子线路取代机械式控制机构，这类机械电子化产品设计。例如，用可编程序控制器或微型计算机来取代机械式的变速机构、凸轮等控制机构，代替气动、液压控制系统，代替插销板、拨码盘、步进开关、时间继电器等接触式控制器等。不仅能简化机械结构，还可以提高产品的性能和质量。这种方法接近原来的产品或同类产品的结构原理，设计容易實现；而缺点是跳不出原产品的框架，在开发全新产品时有其局限性。

2）整体法。使设计的产品要取得较高的性价比，开发出全新产品，设计时要把机械部分与电气部分融为一体，从整体上进行设计。在电液比例控制系统中，比例电磁铁与液压控制阀构成一体化的比例阀；直线式伺服电动机的定子绕组埋藏在机床导轨中等均为整体化设计的结果。

3）组合法。这是把各种标准功能模块组合成各个机电一体化系统。例如，把一台车床改造为数控车床时，可以外购一套供车床专用的数控装置、一套伺服驱动装置、一套位移测量装置、一套与主轴电机相配合的变频器，就能组合一台具有自动调速、自动进给、能完成多种切削功能的数控车床。采用组合法开发机电一体化，周期短、质量可靠、节约工装设备费用，便于生产管理、使用和维修。随着社会生产和科学技术的发展与进步，机电控制技术在不断地深入到各个领域并迅速向前推进。发展的重点和具体做法不尽相同，但总的趋势趋于一致。从性能上看，它向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展；从功能上看，它向小型化、轻型化、多功能方向发展；从层次上看，它向系统化、复合集成化方向发展。机电控制技术综合利用各相关技术优势，扬长避短，取得系统优化效果，有显著的社会效益、技术效益和经济效益。它可以提高精度；增强功能；提高生产效率，降低成本；节约能源，降低消耗；提高安全性、可靠性；改善操作性和使用性；减轻劳动强度，改善劳动条件；简化结构，减轻质量；降低价格；增强柔性应用功能。

4 结束语

机电控制系统融合了多方面技术，这使得其在制造、生产、设备管理等等多方面领域应用广泛，并发挥着越来越重要的作用。机电一体化是新世纪具有创新特性的技术产物，不仅给企业生产以及设备应用带来了很高的经济效益，同时创造了社会效益，这为机械工业、制造业以及其他相关产业提供了坚实的技术基础。机电一体化产品设计在今后发展过程中仍然需要不断进行创新和完善，并提供更加人性化服务，在质量方面不断进行提升和进步。机械控制系统自动控制技术与一体化设计在今后的發展中将起到越来越重要的作用，并体现更大的价值。

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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