淺談機(jī)電控制系統(tǒng)的自動控制技術(shù)與一體化設(shè)計(jì)

摘 要：機(jī)電控制技術(shù)隨著時(shí)代的發(fā)展和科技的進(jìn)步已經(jīng)逐漸成為一項(xiàng)綜合性技術(shù)，需要多項(xiàng)技術(shù)相互滲透、交叉來共同完成，其中包括自動控制技術(shù)、信息處理技術(shù)、伺服傳動技術(shù)等等。機(jī)電一體化的構(gòu)想使其產(chǎn)品具有智能化、綠色化、人性化等特點(diǎn)，體現(xiàn)了一種進(jìn)步思想，也對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生了巨大的推動和促進(jìn)作用。本文首先對機(jī)電控制系統(tǒng)和自動控制技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)的介紹，幫助認(rèn)識技術(shù)特點(diǎn)和要領(lǐng)；然后描述了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想，表現(xiàn)該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢；最后討論了機(jī)電一體化產(chǎn)品的三種主要的設(shè)計(jì)方法，對不同類型的產(chǎn)品進(jìn)行不同的加工，對機(jī)電控制技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展有很大的幫助。

關(guān)鍵詞：機(jī)電控制系統(tǒng)；自動控制技術(shù)；一體化設(shè)計(jì)

隨著我國生產(chǎn)力的不斷發(fā)展和科學(xué)水平的提高，自動化控制技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用，已經(jīng)成為人類社會發(fā)展不可缺少的重要部分。利用自動化生產(chǎn)控制技術(shù)，不僅有利于擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模，而且體現(xiàn)了技術(shù)上的先進(jìn)性，對其進(jìn)行深入研究和分析意義重大。機(jī)電一體化在我國制造業(yè)地位顯著，具有卓越的創(chuàng)新思維，在產(chǎn)品上的應(yīng)用也越來越完善。當(dāng)然，不同類型的產(chǎn)品在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中需要采取不同的方法，根據(jù)實(shí)際情況選擇最合理的方法才能確保產(chǎn)品制作過程的順利。

一、機(jī)電控制系統(tǒng)和自動控制技術(shù)的介紹

（一）機(jī)電控制系統(tǒng)。機(jī)電控制系統(tǒng)的核心元素是控制，它是指在無人參與和指導(dǎo)下，利用控制裝置的作用使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)的過程能夠自動按照設(shè)計(jì)好的方式運(yùn)行，共同完成指定任務(wù)。機(jī)電控制通過一套完整的系統(tǒng)把控制器、控制對象和其他部件組合在一起，需要多種技術(shù)的共同配合來完成，例如微電子、信息處理、通信、自動控制等技術(shù)。所以，機(jī)電控制技術(shù)是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，主要包括檢測傳感、自動控制、信息處理、伺服傳送這四種技術(shù)方式。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和開發(fā)，機(jī)電控制系統(tǒng)出現(xiàn)之后便得到大力推廣，現(xiàn)已經(jīng)在生產(chǎn)制造、航空航天等領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用著，占據(jù)較為穩(wěn)定的地位。

機(jī)電控制系統(tǒng)主要進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，管理人員可以通過異地?fù)芴柣蛘呔W(wǎng)絡(luò)連接來遠(yuǎn)程控制異地的計(jì)算機(jī)，來完成相應(yīng)的任務(wù)或指令。這種控制技術(shù)基于網(wǎng)絡(luò)平臺，可以對系統(tǒng)的每一個(gè)過程實(shí)時(shí)監(jiān)督，保證人機(jī)之間可以隨時(shí)建立聯(lián)系。

（二）自動控制技術(shù)。自動控制技術(shù)是指通過控制器使被控制的對象或過程能夠自動按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行的一種技術(shù)方式。這一技術(shù)的理論基礎(chǔ)是自動控制原理，通過協(xié)調(diào)機(jī)械、電器的各部件共同工作來有效完成動作過程，在機(jī)電控制系統(tǒng)中扮演著重要的角色。自動控制原理分為經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論，統(tǒng)稱為傳統(tǒng)控制理論。第一種理論的研究對象是針對單變量的線性時(shí)不變系統(tǒng)，這種理論要借助數(shù)學(xué)工具拉普拉斯變換，利用函數(shù)傳遞的方法在頻率域進(jìn)行系統(tǒng)分析。經(jīng)典控制理論也叫自動調(diào)節(jié)原理，在負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)中，通過自動調(diào)節(jié)器的反饋?zhàn)饔脕砜刂葡到y(tǒng)的中心環(huán)境。第二種理論的研究對象則是多變量、非線性和時(shí)變系統(tǒng)，借助的數(shù)學(xué)工具為矩陣論、線性代數(shù)和集合論等。它的研究內(nèi)容主要是“四種控制”，分別是最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、隨機(jī)控制和魯棒控制，利用狀態(tài)空間的方法在時(shí)間域內(nèi)作系統(tǒng)分析，根據(jù)所處的狀態(tài)或條件來分析下一步會出現(xiàn)的狀態(tài)，然后用狀態(tài)方程來描述整個(gè)系統(tǒng)過程。這兩種理論存在的共同之處就是把被控制對象的精確數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)，把控制對象和其他干擾因素都用嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方程和函數(shù)來表示。但是隨著時(shí)代的發(fā)展，21世紀(jì)的智能化進(jìn)程更進(jìn)一步，傳統(tǒng)控制理論越來越顯得有氣無力，而新興的智能控制系統(tǒng)則完全得心應(yīng)手，表現(xiàn)出強(qiáng)大的功能和優(yōu)勢。智能控制是多個(gè)領(lǐng)域相互交叉的學(xué)科，目前發(fā)展也只是初步階段，還需要根據(jù)實(shí)際情況不斷補(bǔ)充和完善才能發(fā)揮出更加重要的作用和優(yōu)勢。

在機(jī)電控制技術(shù)中，自動控制技術(shù)非常重要，主要負(fù)責(zé)提高產(chǎn)品精度、加工效率、設(shè)備利用率等問題，技術(shù)的關(guān)鍵就是依據(jù)現(xiàn)代控制理論，表現(xiàn)出工程化和實(shí)用化的特點(diǎn)，優(yōu)化控制模型，精確邊界條件等。不過，任何技術(shù)要想在社會快速發(fā)展的今天不被淘汰或取代，就必須不斷地進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化，全面適應(yīng)發(fā)展需求。所以，自動控制技術(shù)也應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況努力實(shí)現(xiàn)突破和創(chuàng)新。

二、機(jī)電一體化設(shè)計(jì)思想

根據(jù)調(diào)查，最早機(jī)電一體化是由日本的一家機(jī)械整形協(xié)會經(jīng)濟(jì)研究所提出的，他們設(shè)想將電子技術(shù)加入機(jī)構(gòu)中的動力功能、主功能等加以控制和管理，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和接卸裝置三者融合成一個(gè)統(tǒng)一的整體，非常具有創(chuàng)造性。后來隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，機(jī)電一體化的思想越來越成熟，也逐步發(fā)展成一個(gè)較為完善的學(xué)科。在對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)工作時(shí)，機(jī)電一體化要求系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)產(chǎn)品，反復(fù)審核，綜合結(jié)果，不斷進(jìn)行修改和完善，從而達(dá)到最理想的效果。作為世界制造業(yè)的大國，我國出現(xiàn)并推廣機(jī)電一體化思想是非常必要的，使產(chǎn)品表現(xiàn)出智能化、人性化、綠色化、微型化等先進(jìn)理念，具有一定優(yōu)越性。另外，機(jī)電一體化的產(chǎn)品有機(jī)融合了微電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)、自動控制技術(shù)等，系統(tǒng)的質(zhì)量和性能都得到了進(jìn)一步的提高，在特殊功能和任務(wù)的完成度上也有了良好的改善。

三、機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法

（一）整體法。這種方法就是將機(jī)械部分與電子部分進(jìn)行有機(jī)整合，也就是將機(jī)械技術(shù)與電子技術(shù)進(jìn)行有機(jī)整合，從整體上開展設(shè)計(jì)。機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)，最關(guān)鍵的就是表現(xiàn)出創(chuàng)新性的產(chǎn)品設(shè)計(jì)理論，打破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，全面提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。整體法通過把電子技術(shù)和機(jī)械技術(shù)整合成為一個(gè)不可分割的有機(jī)整體，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)上的新穎和獨(dú)特，也體現(xiàn)了一種創(chuàng)新的思維方式，具有一定的影響和價(jià)值。

（二）取代法。這一設(shè)計(jì)方法就是用電子線路代替機(jī)械控制結(jié)構(gòu)，一般用于電子化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。機(jī)械控制結(jié)構(gòu)在完成指定任務(wù)的運(yùn)行過程中形式過于單一，這種情況在機(jī)電設(shè)計(jì)一體化中就得到了改變，也就是利用電子線路來控制機(jī)構(gòu)。我們往往將電子線路控制分步驟進(jìn)行，首先在控制器或微型計(jì)算機(jī)上編出相應(yīng)的程序，用于把電子線路和機(jī)械控制結(jié)構(gòu)有機(jī)地相結(jié)合；然后，開始取代工作，即用電子線路代替原有機(jī)械結(jié)構(gòu)，用變速機(jī)構(gòu)、凸輪等代替那些接觸式控制器。這樣一來，傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)得到簡化，體現(xiàn)出機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)思想，而且產(chǎn)品的質(zhì)量和性能也能得到相應(yīng)的提高。

（三）組合法。組合法是功能模塊的整合，就是把各種標(biāo)準(zhǔn)功能的模塊組合成各個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)。當(dāng)簡單的機(jī)械與電子的有機(jī)整合并不能完成指定任務(wù)時(shí)，我們往往采取組合法，將各個(gè)功能模塊進(jìn)行整合，形成一個(gè)一體化的多功能模塊的綜合系統(tǒng)，然后對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)來達(dá)到預(yù)期效果?，F(xiàn)在組合法在數(shù)控機(jī)床上面的應(yīng)用效果顯著、優(yōu)勢明顯，拓展了多種使用功能，極大地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。另外，這一設(shè)計(jì)方法周期短、質(zhì)量高，還可以節(jié)約設(shè)備成本，在生產(chǎn)管理、使用和維修上都非常方便，今后也一定會得到進(jìn)一步的發(fā)展和完善。

四、結(jié)語

機(jī)電控制系統(tǒng)融合多種技術(shù)，在人類社會生產(chǎn)生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。而機(jī)電一體化是新時(shí)代下的產(chǎn)物，在帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的同時(shí)，為機(jī)械工業(yè)的發(fā)展注入新的生命力。關(guān)于機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法，雖然目前主要總結(jié)出三種，但今后肯定會出現(xiàn)更多的具有創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)理念，在產(chǎn)品的人性化服務(wù)和自身質(zhì)量性能上作出更大的提高和進(jìn)步。隨著未來科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的不斷提高，各種技術(shù)呈現(xiàn)相互融合的發(fā)展趨勢，不同學(xué)科相互滲透，因此，機(jī)電一體化發(fā)展前景一片光明，必將得到更優(yōu)質(zhì)的完善并發(fā)揮出更大的價(jià)值。

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