摘要：目前，国内在机电一体化系统的设计中，普遍存在目标不明确及方法不合理的问题，必然导致机电一体化系统的设计难以达到规范的技术和质量标准，对于后期的产品加工和生产也是极其不利的。从系统工程角度去筹划各环节的设计和优化才能更好提高机电一体化系统的质量和性能。
关键词：机电；一体化；系统工程设计
引言
机电一体化是在机械的主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，并将机械装置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。它不是机械与电子的简单的叠加，而是在信息论（利用传感技术）、控制论（利用控制理论）和系统论（“系统”整体筹划，机械和电子分别只是“环节”）的基础上建立起来的应用技术。
一、机电一体化认识
日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics（机械学），词尾tronics取自Electronics（电子学）。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会，德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中，把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械（含液压，气动及微机械），电工与电子，光学等技术及其组合，其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下，相对于专门型人才来说，市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国，我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容，基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。因此，“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。
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二、机电一体化系统设计
1.机电一体化系统的构成
机电一体化系统的构成由5 部分组成：机械系统（机构）、电子信息处理系统（电子计算机）、动力系统（动力源）、传感检测系统（传感器）、执行元件系统（电动机等）。5 个部分组成的机电一体化系统可分为：闭环、半闭环 2 种控制方式，其中，闭环指对最终执行元件进行直接控制，而半闭环指对中间元件进行控制，从而推算出最终元件的状态。
2.机电一体化中的集成设计
由于机电一体化方法内在的并行性，或同时性工程，所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图，流程图，状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学，其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能，这是将执行器，传感器，控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件（部件）和软件（信息处理）的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的，将传感器、执行器和微处理器融入到机械系统中，软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户、市场分析、优化性能、生命周期性能、质量、可靠性和销售等因素。
3.系统中的从属功能设计
机电一体化系统的所有主功能的实现或期望目的的达成，都需要一些从属功能的协同配合。这些从属功能包括：结构功能、通讯功能、保护功能、接口功能、控制功能、动力功能。结构功能确保满足主要部件的正常工作所需空间条件。通讯功能保证环境状态与系统部件的信息得以交换。保护功能将系统重要部件各功能参数限制在可允许的工作范围内并防止系统中各部件产生对环境的不利影响。
4.变频调速系统设计
伺服电机作为驱动部分，目的在于执行控制系统的指令，将电能转化为相应的机械运动。直流电机由于其结构复杂，购置和维修成本过高等问题，难以得到广泛的应用。而随着电机制造工艺和电机控制理论发展，交流电机控制精度得到了大幅度地提高，再加上自身结构简单，维修方便，能满足在恶劣环境和大负载下运行，受到越来越多关注。随着矢量控制理论（VC），直接转矩控制（DTC）变频调速技术的发展及空间矢量脉宽调制技术（SVPWM）的应用，交流电机往往能达到极高的控制性能。SVPWM 是当今广泛采用的脉宽调制技术，与传统的SPWM相比，具有转矩与电流畸变小，易于数字化实现等优点，且其对电压利用率相对提高 16.7%。
5.伺服驱动子系统控制器设计
PID 控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID 控制器参数整定方法主要有两大种：一是理论计算整定法。依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数，但还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID 控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。
三、结束语
机电一体化系统的设计是一种复合技术，它需要很多部门产业的支持和配合，才能取得满意的结果，我们不仅要对机电一体化的各相关技术进行全面深入的了解，还要从系统工程的概念入手，通过系统总体设计来使各相关技术形成有机的结合，并且要注意分析和解决技术融合过程中出现的新问题，只有这样，才能满足机电一体化系统的飞速发展。
参考文献
[1]赵再军主编.机电一体化概论.浙江大学出版社，2014.
[2]张华主编.机电一体化技术应用.电子工业出版社，2012.7.
论文作者:邓小明
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/29
标签：机电一体化论文; 系统论文; 功能论文; 技术论文; 机械论文; 工程技术论文; 闭环论文; 《建筑学研究前沿》2018年第13期论文;