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摘 要：基于机电一体化系统是现代机械系统这一基本认识探寻其基本原理,提出了机电一体化产品控制系统概念设计的一种方法：建立机电一体化产品用户需求模型,提出控制系统多种控制方案并选取出最佳的控制方案.
关 键 词：机电一体化；控制系统；概念设计
中图分类号：TH39文献标识码：A文章编号：1674-7712（2013）10-0005-02
一、引言
机电一体化（Mechatronics）这一概念,是日本学者在1971年首次提出来的.至今,经历了40多年的发展,随科技的发展不断丰富,不断更新,机电一体化的内涵也发生了根本性的变化.尤其是进入21世纪以来,人们的消费观念不断变化,围绕消费者之间的市场竞争日趋激烈和白热化,重点是针对机电一体化产品的输出柔性、工作性能及可靠性等方面,在这些方面的,人们的要求越来越高.
新时代背景下,机电一体化技术在计算机技术、人工智能技术、网络技术、信息技术、传感器技术等相关学科的快速发展下得到了飞跃发展,面临着更加广阔的应用前景和发展空间.电子产品结构也在集成技术、新材料、微电子的快速发展背景下发生了革命性的变化,传统的机械产品向智能化、小型化、网络化、模块化、自动化、柔性化、机电一体化迈进,已经步入了一个新的发展阶段.再就是随着传感、信息技术和传统机械产品的融合,机电一体化技术已成为一个新兴的跨学科的技术,它涉及到的信息处理技术、制造技术、驱动技术、传感技术、自动控制技术、接口技术等关键技术.
总之,科学技术越是向更新更高层次发展,就越能给人们带来更多的惊喜和生活空间,也能给人们更加丰富物质、文化和精神享受.可以说,机电一体化技术在21世纪的机械产品的设计和发展中发挥着重要的作用,重点研究机电一体化产品控制系统概念原理及设计方法具有重要的理论意义及现实意义.
二、机电一体化系统及其组成原理
机电一体化系统是一个各种技术之间相互协调和整合的有机的、完整的体系,不是一个简单的各种技术拼凑和堆积.机电一体化系统从技术层面来说综合保函和运用了控制系统、机械工程、计算机技术、电子技术、电子技术和其他技术.尤其是机电一体化系统的中的驱动元件和执行器子系统是核心的执行机构,是实现可控电动机行为的终极目标,充分利用计算机信息处理和控制功能,利用现代控制驱动元件特性的机械系统.
(一)机电一体化系统概述
1.由计算机进行信息处理和控制的现代机械系统最终目的就是要实现机械运动和动作协调,这个也是机电一体化系统功能设计的根本出发点.
2.机电一体化系统从完成工艺动作过程这一总功能的角度来看,可划分为：信息处理及控制子系统、传感检测子系统、广义执行机构子系统（如图1）,它们分别完成信息处理及控制、信息检测、机械运动和动作.
3.由驱动元件和执行件（或执行机构）融为一体的广义执行机构执行子系统,具有它的特殊性、可控性.
(二)机电一体化系统的组成原理
1.广义执行机构子系统.由刚性物件组成的形形色色机构组合而成的传统,他们的缺乏可控性是传动和执行机构系统上最大的问题.而驱动元件与执行件（或执行机构）融为一体是广义执行机构的一个特点（如图2）,从而实现可控运动.
电机、气动马达和动作缸是驱动元件中的一两种,同时还有液压、电磁铁、弹性元件、形状记忆合金、光能马达等,这足以说明驱动元件种类繁多.机电一体化系统得到更加有效工作就必须依靠驱动元件的多样性.传统机构中的输出件可以为执行件,单一构件也可以是执行件.同时,驱动元件与执行件（或执行机构）的集成应用使机电一体化系统更加有效地工作.
2.信息处理及控制子系统.信息处理和控制子系统检测传感器所提供的信息,技术和控制策略和执行的广义执行机构控制的基础上采取行动的过程中.应执行的控制来实现,广义的运动学模型是由一台计算机和软件实现.信息处理和控制子系统是实现智能化的现代机械系统,自动化的关键.
3.检测传感子系统.检测传感器是实现物理量的检测和信号采集的功能载体,也是连接广义执行子系统的中间纽带.
三、机电一体化产品控制系统概念设计过程
总体而言,要从功能需求出发建立机电一体化产品控制系统概念设计图3所示：
用户需求模型1.用户需求调查与分解.用户需求表达的是用户自己的意愿,要想获得这些意愿与想法,需要通过市场调查,但是这样的可操作性不强,很难使设计者完全把握用户的需求,对此可以将用户需求进行细分.机电一体化系统用户需求可分为控制域、机械域和其他域,控制域又可分为硬件域和软件域.将最初的用户需求（父需求）对应于所设计的产品向各个领域进行分解（图4：用户需求调查与分解）,获得最终的用户需求（叶需求）.分解后的需求可以更具体的体现设计目标.
图4用户需求调查与分解
用户需求分解后,要进一步对客户需求进行评估,尤其是重点对每一个叶需求进行重审核,以此进一步用衡量的方法进行分析.
2.衡量过程.衡量用户需求的优先次序,在关键的用户需求中做出挑选.衡量方法的原理是：如果一个“希望需求”与一定数量的“必须需求”之间存在相关性,那么这个希望需求也应该“必须”满足,作为额外的必须需求.衡量过程如下：
（2）标记0表示希望需求与必须需求之间没有相关性.
（3）标记1表示希望需求与必须需求之间有很强的相关性.
（4）如果希望需求的综合值在[3,5]之间或更高的作为额外的必须需求.
建立功能模型功能是系统输出量和输入量之间的关系,常被称为流,通常分为物料流、能量流和信息流.功能结构是功能模型或功能分析结果的一种表达形式.产品的总功能分解成若干功能元,将系统的各个功能元用流有机的组合起来就得到功能结构.
使用功能基建立功能结构的步骤如下：
1.确定系统的总功能及输入、输出流.
2.对于每一个输入流创建功能链.成立为每个输入的功能链.设计者设想成为流,考虑从输入到输出,或在每个操作发生对流的转换操作每个功能组按时间顺序排列,并建立功能链.可分为两个时间顺序,串行和并行的功能链.串行函数链对流操作发生的时间顺序,并联功能链的基础上发生的操作一次,串行并行功能链的功能链,共享一个或多个公共流的数量.在功能结构所表达的支流.
3.连接各功能链得到功能结构.信号的检测,处理和反馈的过程其实就是所控制的过程.创建功能框图,对所有信号进行分析.通过分析,可以得出不同类型的信号和复杂的控制系统,尤其是进一步的功能的控制系统,然后在此基础上提出若干控制方案.
四、结束语
在本文中,对机电一体化系统做出了新的认识,提出了一种在机电一体化产品的概念设计过程中,并促进机电一体化系统的理解,尤其是提出了如何设计一个控制系统的分析方法,使控制系统满足用户的需求,并确保控制系统是最合理的.