谈机电系统控制技术的发展前景

摘要：在现代机械工程控制中，机电一体化控制已成为当前的主流。机械技术、电力电子技术、信息技术和自动控制技术的结合进一步提高了生产效率，促进了制造业发展。机电一体化产品小到玩具，大到机器人，机电一体化产品几乎已经设计社会的各个方面，给人们的生产生活带来了极大便利。

关键词：机电；控制系统；分类

前言：机电控制技术是机电一体化系统或产品制造的重要基础技术。那么什么是机电一体化系统呢？“机电一体化控制”（Mechatronics）是各相关技术有机结合所形成的一个新概念，对于机电一体化控制至今尚未得到公认和统一的定义。 以运动员练习高尔夫球的击打过程来类比机电设备控制系统在运行时的基本控制方式。机电控制系统所需要完成的基本任务则是在于使得被控制对象的控制值等于目标值。在实际控制过程当中，这种类似于“监察”的基本任务是利用专门的机电传感装置来实现的。其中响应比较分析的任务则是通过系统的控制装置来完成的，执行阶段则有专门的执行装置予以落实。

一 机电控制系统的分类

机电控制系统分类的原则性非常强，根据不同的原则可以划分出不同的机电控制系统。下面我们将主要从输出量、控制信号的变量形式、系统输入信号三个方面进行分类。

1.输出量

机电控制系统根据输出量的反馈可以分为开环式和闭环式两种。开环式机电控制系统是利用电机的转角和脉冲的连续保证精准度，所以精度比较低；闭环式机电控制系统相对于开环式而言，构造更为复杂，精度也较高。对于系统的控制被外界造成的误差而言，闭环式机电控制系统具有修正能力，而开环式机电控制系统却不具备。

2. 控制信号的变量形式

机电控制系统按照控制信号变量形式的不同可以分成模拟式和数字式两种机电控制系统。模拟式机电控制系统构造简单，实时性能好，但不能实现较复杂的控制监督工作；数字式机电控制系统的精度也比较高，而且其相对于模拟式的机电控制系统而言灵活性更强，监督系统异常状态的处理功能也更强。

3.系统输入信号

机电控制系统根据系统输入信号的变化规律可以分为自动调节系统、随动系统和程序控制系统三种。自动调节系统即为定值控制系统，它主要控制系统内的基本任务；随动控制系统主要特点就是可以精确地复现系统的输入信号；程序控制系统主要是在有两个或两个以上同时执行任务的系统机构工作时，它可以执行指挥每一个环节的控制信号，从而使其依次有序的工作。

二 机电系统的感知器件

任何机电系统都需要从外界获取信息，类似于人的五官，传感器是获取信息的源头。传感器种类繁多，性能各异，针对不同的控制系统，需要对传感器作出不同的选择。

传感器简介：

传感器是机电控制的基础，是系统对外感知的基本器件，没有传感器就没有外界信号的准确输入。传感器将感知量转换成另一种便于测量和输出的物理量，其中主要以电学量为主，从而大大降低信号分析的难度。

传感器一般由敏感元件和转换元件两大部分组成。传感器作为一个完整的器件，绝大部分都是把转换电路及必要的辅助电源单元与敏感元件、转换元件一起做成一体化的器件。传感器通过敏感元件进行控制信息的收集，通过转换元件进行信号数据的转换。可以说没有传感器就没有检测和控制系统。以现在的智能手机为例，重力感应器，加速传感器，光线传感器，距离传感器，三轴陀螺仪都是传感器技术的实际应用，在传感器技术和接口技术，信息技术的支持下，智能手机才能实现真正的智能。

三 机电系统控制中心单元

控制单元是机电系统的核心，负责将来自各传感器的检测信号和外部输入命令进行集中、存储、计算、分析，根据信息处理结果，按照一定的程度和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地进行运转。

单片机是将CPU、RAM、ROM、I/O接口等单元集成到一块硅片上构成的微型计算机系统，它在的控制单元中可以说是最小的，但是其重要性却是其他控制单元无法比拟的。

单片机数量庞大，小到计算器，大到各种精密控制系统，它实际已成为世界上数量最多的处理器。单片机的学习和开发充满无穷的魅力，造就了一批智能化控制的技术人才。由于单片机的超低功耗、其强大的处理能力以及丰富的片上外围模块和方便高效的开发环境，它已经成功吸引了人们对单片机的发展和开发，单片机的功能甚至在逐步逼近传统的计算机，目前已经发展到32位300M的高速单片机，可以预见单片机的发展前景是无可估量的。

四 机电系统控制技术的发展前景

随着社会生产力的发展和科学技术的进步，机电系统工程及其相应的理论、技术愈来愈呈现出两个显著的特性：

（1）系统科学性，即涉及系统理论和系统工程的方法越来越多；（2）学科综合性或技术集成性，即机电系统工程和机电一体化技术绝非单一学科知识所能够支撑，而是依赖于多门学科知识的有机结合。

应该说世界各先进工业国家发展机电控制技术各有其特点，其发展的重点和具体做法不尽相同，但总体趋势是一致的。归纳起来，主要是以下三方面：

①从性能上看。向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展。如以数控机床为例，其控制精度能实现0.1�eM，的高精度，其进给速度可达24-100m/min，甚至更高，其联动和控制的轴数能实现9-15轴，同时增加了人机对话功能，设置了智能I/O通道和智能工艺数据库，给使用、操作和维护带来了极大的方便。今后，随着专用集成电路特别是超大集成电路的发展，机电一体化产品将越来越向高性能方向发展。

②从功能上看。向小型化、轻型化、多功能方向发展。所谓小型化、轻型化，乃是精细加工技术发展的必然，也是提高效率的需要。通过结构优化设计和精细加工，刻蚀机械的质量減轻到与人的体重相称的程度。所谓多功能，也是自动化发展的必然要求和必然结果。一般机电一体化产品，为了适应自动化控制规模的不断扩大和高技术的发展，不仅要求他们具有数据采集、检测、记忆、监控、执行、反馈、自适应、自学习等各种功能，甚至要求具有神经系统的功能，以便能实现整个生产系统的最佳化和最优化。

③从层次上看。向系统化、复合集成化方向发展。复合集成，既包括了各种分技术的相互渗透、相互融合和各种产品不同结构的优化与复合，又包括在生产过程中同时处理加工、装配、检测、管理等多种工序。为了实现多品种、小批量生产的自动化和高效率，应使系统具有更广泛的柔性。首先可将系统先分解为若干个层次，使系统功能分散，并使各部分协调而又安全的运转，然后，再通过硬、软件将各个层次有机的连接起来，使其性能最优、功能最强。柔性制造系统就是这种层次结构的典型。

五 结束语

机电控制技术是精密机械、计算机技术、电子技术（包括电力电子）等技术交互融合的产物，是社会生产力发展到一定阶段的必然结果。伴随着科学技术与社会经济的发展，各种技术将具有越来越明显的融合趋势，而机电一体化也将成为机械工业进一步发展的必然要求。机电控制技术在各方面均可带来显著的社会效益和经济效益，主导着二十一世纪的机械工业，其发展前景不可估量。

参考文献

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