关于机电控制系统自动控制技术与一体化设计的研究

朱进

摘   要：目前机电控制系统正受到现代化生产模式的影响，不断提高一体化设计，最终优化生产效率与生产质量。结合机电一体化控制系统概念，讨论系统设计时控制任务录入、传感设备选择、PLC结构应用、伺服系统连接、数据自动检索、电子通信线路等要点，为推进控制系统的顺利应用提供有利参考。

关键词：机电控制;自动化;一体化设计

机电系统的使用涉及很多学科知识，例如信息工程学、机械学、物理学、材料工程学、电子工程学等，因其体积小、集成效果好，在制造业、工艺业以及社会其他行业中都得到了良好应用。机电一体化控制系统可以将信息通信与驱动控制两个大模块综合起来，使机械运动变得更加现代化与智能化。

1    机电一体化控制系统的发展

为满足经济社会中各行各业日益增长的产品需求，机电生产的速度也在不断加快。同时，为了保证质量与工作效率，技术人员开始将机械技术、计算机技术、电子技术综合起来，利用其优势对机电系统的生产流程进行整体优化。日本是世界上首次使用机电一体化技术的国家，代表传统机械生产模式开始向着集约化、规模化、现代化方向转型。20世纪前期是机电一体化系统发展的第一阶段，通过技术人员对设备的改良以及对性能的优化，电子技术得到了进一步更新。在战争结束后，机电一体化技术就开始逐渐从军用转变为民用。20世纪后期，机电技术开始向着PC端以及集成电路中心转变。直到20世纪末，随着大数据、云计算、互联网等信息技术的成熟，机电一体化技术开始变得更加智能，衍生出光电一体化、微机电一体化等新技术，并开始与人工智能、专家神经网络、光纤技术融合[1]。

2    机电一体化控制技术的特征

机电一体化控制技术在应用时会呈现出几个明显特征。首先，为确保精准性，在设计机电系统时要考虑到设计理念与实际操作之间的差异性，确保二者的平衡，为后期设计的质量与控制效果提供保障，提高系统运作的稳定性，为内部操作提供可靠的空间，避免产品出现严重的质量问题。例如，一旦机电控制系统的设计不完善，闭环运作时出现数据异常，就很容易导致整体控制系统的运作故障。另外，我国现代化工业生产对设备性能与参数的要求越来越精细，一体化控制系统运行时的精准度会直接对生产效果产生影响。为了确保产品符合标准，就需要保证设计指令与输出指令的一致性，减少系统操作的误差。1993年开始，表面贴装技术（Surface Mounted Technology，SMT）深刻地影响着电子设备的体积设计，全球范围内开始有近50%的电子元件以片状进行生产，因此机电一体化控制系统也具有微型化的特点。

近几年，计算机技术凭借自身的高效率与高速度得到社会各行各业的一致认可，在机电系统优化过程中，同样要具备高效率与高速度的特点，强调操作的便捷性。例如，在系统发生故障时，机电系统能够第一时间作出判断与处理，缩短处理时间，以免系统运作差值过大。作为一个完整的系统，机电设备想要完成一体化控制，就必须保证内部有充足的动力，并实现检测、控制等操作。机电一体化系统的主要功能是实现动力和运动的转换和传递，动力功能是向系统提供动力，能量应与动力和运动的传递和转换相匹配[2]。

3    机电控制自动控制技术设计要点

3.1  控制任务录入

机电一体化控制系统想要实现后期的顺利生产，需要技术人员在前期做好任务内容的录入工作。专家学者与技术人员经过长时间的实践与测试后，总结出了一套适用性较强且录入速度较快的系统描述方法，即自然语言表达法。对于机电一体化控制系统来说，自然语言表达控制方法适用性最强，能够模仿人类的思维逻辑和操作习惯。但是，在实际应用过程中不难发现，因为不同设计人员的工作方式有明显差异，所以在数据计算与生成时，很容易出现失误。因为人力活动时产生的行为语言比较繁杂，如果未经处理直接应用到机电控制系统中，会产生一定的歧义，所以需要根据这种情况对系统做出更加科学的设计和规划，以免因为语音或语法的不确定问题导致控制任务时的模糊效果，不利于最终控制任务的生成。另外，通过实践经验整合，技术人员为了提高控制系统表述指令时的精准性，把自由格式文本输入方式作为机电一体化控制系统的主要任务输入手段，还提供固定格式文本输入作为自由格式文本输入法的补充和修改，提高了控制系统的灵活性和便捷性。

3.2  传感设备选择

传感器是机电控制系统中不可缺少的一部分，作为现代化科学技术的产物之一，传感器在我国社会各行各业中都有良好应用。从机电系统的实际应用内容来看，传感器可以具体分析其实践时的工作能力，并且展开合理控制，提高最终的时间效果，确保技术质量合理提升。传感器也可以作为一种检测设备安装在机电生产线上，及时获取目标信息，并记录数据信息的变化规律，从而确保信息在传输、储存、记录、显示、应用时可以达到预期效果。目前我国机电自动化系统中投入使用的传感器具有数字化、信息化、网络化等优势，能够促进一体化控制技术的成熟，通过增加光敏元件、气敏元件、温感元件、放射线敏感元件，扩大其对机电设备的感知范围。传感器能够替代以往的限位开关，取代触摸式检测技术，不需要进入实践场地就能够对目标物体的状态进行判断。对于机电系统来说，在测控范围内，传感器能够判断设备运行的速度、位置、状态、温度，为保证测量控制效果准确，需要布置编码器与接近开关。编码器可以测量设备运行的速度，并将获取数据转化成信号，输送到可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）端口，进行下一步控制操作[3]。

传感器使用的編码器可分为增量型、绝对型两种，其中增量编码器能够用于位移测量，累计脉冲总位移量，然后测算出设备位移速度的快慢。该类型编码器的工作原理是利用光电转化，转变主轴内的信号，使其成为脉冲信号，例如ISC3806系列的编码器在增量要求下应用频率较高。另外，无触点行程开关也是传感器的重要组成设备，不用触摸即可完成对目标的加工与控制，并为其提供限位保护。在选择具体传感器时，需要根据机电实际使用要求来布置传感点，确保其运行得顺利、有效。

3.3  PLC结构应用

PLC属于一种能够完成编程操作的内部储存程序，在获取用户指令后，对目标模拟器进行控制，PLC可完成的指令有很多，例如逻辑运算、顺序调整、计数定时等。PLC在运作时会经过3个环节，分别是指令采样、用户执行和刷新输出，并一直保持与重复上述3项内容。因为PLC是一种电子型计数，所以抗恶劣环境的能力很强，十分适用于工业生产的大环境，能够对数字量展开操作，在很多工业生产中都有应用。在对机电一体化系统进行PLC结构设计时，首先要满足工业测量以及整体系统的需求，并且具备易于扩充的特点。从结构内部板块来看，PLC与计算机有很多相似之处，例如都具备CPU处理器、输出（入）板块、储存设备、编程器等。因为PLC的工作形式为循环扫描，所以其程序运作顺序为自上到下，在设计一体化系统时，要做好PLC的出入点设置，确保其输出端口能够有效对接伺服系统，保证可观的经济性与稳定性[4]。

3.4  伺服系统连接

对于机电一体化控制系统来说，伺服系统属于一种操作性元件，具有很强的执行性，目前工业生产中使用的伺服电机主要有两种，分别为直流与交流。直流伺服結构的工作效率比较高，但是线性调节与转矩性比较弱;交流电机虽然在效率上有所降低，但是其运作时不需要滑环、电刷，使用比较简单，能够满足高转速要求，并且无零点漂移。因此，在没有特殊要求下，会优先采用交流伺服设计。技术人员只需要在系统中录入目标电压量、输出量，以此计算电机角位移，并根据目标电机的特点，设置转矩、位置、速度3种控制方法。例如，三菱伺服电机中的HF-KP系列数据低惯量电机可使用在负载较低的控制系统中。另外，为保证伺服效率，需要技术人员对目标电机进行预估算，并对参数、型号进行单独分析。

3.5  数据自动检索

当前，我国在进行现代工业设计活动时，基本上都是按照开放式的体系结构理念进行，采用组合优化的设计方法，降低目标系统设计时的片面性，确保整体性和适用性。硬件设计和软件设计是控制系统设计的两大方面，在进行硬件模块选型之前可以先构建相应的系统硬件库，在实际设计过程中，可以根据具体的要求在硬件库中检索出合适的硬件型号，提高设计效率。明确用户常用的控制系统运算模块和任务模块，将硬件模块视作系统的特定组件，在此基础上对软件构造模块进行设计与构建。未来机电系统的一体化控制技术仍将不断发展，需要从业人员提高认知，并对现有问题不断改善，确保一体化系统适应性良好，从而推进我国自动化技术的可持续发展。

3.6  电子通信线路

随着我国社会经济水平的不断提升，传统工业生产方式已经逐渐无法满足工业生产的实际需求，需要使用电子通信技术来代替。这种方法也就是常说的替代法，电子通信线路替代传统的机械控制，在效率与精准度上有明显优势。虽然工业生产中机械制造是重要环节，但是存在运行结构单一、生产速度慢等劣势。采用电子通信线路后，机电系统的运行效果得到明显改善，生产活动也能够以更加多元化的方式开展，提高生产效率。在使用电子通信线路时，要借助计算机技术对目标电机做好计算处理，合理分析数据信息，通过数据的采集、分析、处理，不断提高生产质量。

4    结语

综上所述，本研究针对机电自控系统设计展开讨论，分析了传感器、PLC等现代化技术的优势及应用特点。一体化系统包含了机械、驱动、执行、传感等子系统，需要有良好的集成效果与中控能力，未来需要技术人员对系统进行深入了解，并从驱动力方面展开更进一步的研究，确保机电系统顺利运作。

[参考文献]

[1]刘  川.工业自动化控制中计算机控制技术应用路径研究[J].湖北农机化，2019（18）：129.

[2]余金永，李玉琴.基于多传感器融合结合单片机在温棚环境控制系统中的应用探究[J].科技与创新，2019（17）：56-57.

[3]童保军.综合运用PLC技术和计算机自动控制设计差压铸造过程自动化控制系统[J].中国设备工程，2019（6）：193-194.

[4]佚  名.广东省科学院自动控制与信息处理技术助理研究员资格评审委员会简介[J].自动化与信息工程，2018，39（6）：51.