王伟梁 ,江苏省扬州技师学院,扬州225003的一篇期刊
ValueEngineering
与机械电气化在功能上的本质区别。
2机电一体化的设计过程
机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机，里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术，代替人完成机器的检
测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化，促进了高科技
产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科：电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。
机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素，而在于这些组成要素设计的次序。一直以来，多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如，机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后，设计电源和微电子系统，接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制，这种限制源于对这些点的设计，而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计，这种指导贯穿于设计的各个阶段，而不只是预先设计阶段，从而使之更加综合。在将机械，电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时，需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话，机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的，机电一体化的关键要素如图2。
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使目标函数的扰动最小化，可用最优化过程反复迭代公式（Pk+1=Pk+τ·Sk）这里k是迭代次数，Sk是P空间内的探索方向，τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长，当P值不能再改进时这个过程结束，此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的，可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统，都依赖于物理学中的基本定
电源系统和通讯系统。律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成：
通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储，处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面，电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能，而不是信息，例如：发电机是把机械能转化为电能，而电动机是把电能转化为机械能。
3传感器和变换器
仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件，其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面，为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利，可应用于过程前，过程中及过程后。有时，传感器可以
智能系统用传感器来将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。
监测由环境变化影响的特定场合，然后通过校正动作对其控制。
实际上在所有的应用中，传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号，因此可定义为：传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器，应用范围广泛，甚至可
它们作为一次元以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。
件，连续的将变化着的信息转变成另一种形式，也就是说，传感装置检测被测量，并将其转换成系统可接受形式的信号，通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决
在测控系统中，任何参数的变化，不论是在被测量中还是在信号定。
修整中，都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统（电，光，机械或流体系统）的两个重要组成部分，传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一
机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系
个复杂控制系统，测量装置必须能够满足快速，灵敏和精确的要求。
统包括机械系统，计算机系统，执行器，传感器和实时接口。机电一
随着使用要求的不断提高，传感器的体积也不断的小型化，并通常
体化系统不只是机电系统，而且还是一个控制系统。传感器和执行
根将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类：
器用来把能量从动力大的一边（通常是机械的一边），转换到动力小
据传感器的输出信号形式，电源，工作模式以及被测变量可将传感
的一边（通常是电气和计算机的一边）。上图中的机械系统不仅包括
器分为以下两大类。模拟传感器：模拟是指连续的，不中断的一系列
机械零部件，还可能包括流体，气动，热，声，化学及其它学科。传感
事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的，输出信
技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增
号以连续方式变化，根据其幅值取得信息，通常其输出要经过A/D
长的需要。
转换后输到计算机。数字传感器：数字是指一系列离散的事件，各个
2.1机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在
事件前后分开，如果传感器的逻辑电平输出是数字的，则称其为数
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。
字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点，与计算机监
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
控系统相连时不需要任何转换器。
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
4A/D,D/A转换
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
在计算机控制系统中，主机输入数据或向外部发布命令，都是
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
通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为
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
过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥
硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设联合实现的。
梁。生产对象的各种模拟信号，不能直接输入计算机，而要经过模/
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
数转换，转换成数字信号，才能输入计算机进行加工处理。同样，经
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
过计算机加工处理得到的数字信号，也不可能直接作用与被控对
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
象。而要经过数/模转变成模拟信号，才能输出到被控对象。
周期性能，质量，可靠性和销售。
数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量
2.2机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输
以便于计算机进行存储，计算和处理。由于绝大多数物理量都是模
的所有方面，从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了
拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统，而且是计算
以下四种学科：通讯系统，信号处理，控制系统和数值计算方法。在
机控制系统的极重要的组成部分。
机电一体化应用中，我们最关心的是建模，仿真，自动控制和用于优
一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系
化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生
统输入的物理量（压力，温度，湿度，位置等），首先由传感器变成点
的学科，认为在低阶系统（三阶或三阶以下）系统的稳定性依赖于特
信号，然后送
征方程的根和劳思（Routh）判据，这是一个很好的判断系统稳定性
到放大器和滤
的分析工具。③最优化:就是先确认最优轨迹，最优轨迹是根据系统
波器。传感器
的要求即约束条件确定的，然后设计控制系统，在设计控制系统的
的输出信号一
时候应使系统的各参数最终满足控制要求，使误差最小化，或者说
般比较微弱，
