關(guān)于機電控制系統(tǒng)自動控制技術(shù)與一體化設(shè)計的研究

朱進

摘? ?要：目前機電控制系統(tǒng)正受到現(xiàn)代化生產(chǎn)模式的影響，不斷提高一體化設(shè)計，最終優(yōu)化生產(chǎn)效率與生產(chǎn)質(zhì)量。結(jié)合機電一體化控制系統(tǒng)概念，討論系統(tǒng)設(shè)計時控制任務(wù)錄入、傳感設(shè)備選擇、PLC結(jié)構(gòu)應(yīng)用、伺服系統(tǒng)連接、數(shù)據(jù)自動檢索、電子通信線路等要點，為推進控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用提供有利參考。

關(guān)鍵詞：機電控制;自動化;一體化設(shè)計

機電系統(tǒng)的使用涉及很多學(xué)科知識，例如信息工程學(xué)、機械學(xué)、物理學(xué)、材料工程學(xué)、電子工程學(xué)等，因其體積小、集成效果好，在制造業(yè)、工藝業(yè)以及社會其他行業(yè)中都得到了良好應(yīng)用。機電一體化控制系統(tǒng)可以將信息通信與驅(qū)動控制兩個大模塊綜合起來，使機械運動變得更加現(xiàn)代化與智能化。

1? ? 機電一體化控制系統(tǒng)的發(fā)展

為滿足經(jīng)濟社會中各行各業(yè)日益增長的產(chǎn)品需求，機電生產(chǎn)的速度也在不斷加快。同時，為了保證質(zhì)量與工作效率，技術(shù)人員開始將機械技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)綜合起來，利用其優(yōu)勢對機電系統(tǒng)的生產(chǎn)流程進行整體優(yōu)化。日本是世界上首次使用機電一體化技術(shù)的國家，代表傳統(tǒng)機械生產(chǎn)模式開始向著集約化、規(guī)?；?、現(xiàn)代化方向轉(zhuǎn)型。20世紀前期是機電一體化系統(tǒng)發(fā)展的第一階段，通過技術(shù)人員對設(shè)備的改良以及對性能的優(yōu)化，電子技術(shù)得到了進一步更新。在戰(zhàn)爭結(jié)束后，機電一體化技術(shù)就開始逐漸從軍用轉(zhuǎn)變?yōu)槊裼谩?0世紀后期，機電技術(shù)開始向著PC端以及集成電路中心轉(zhuǎn)變。直到20世紀末，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、互聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的成熟，機電一體化技術(shù)開始變得更加智能，衍生出光電一體化、微機電一體化等新技術(shù)，并開始與人工智能、專家神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光纖技術(shù)融合[1]。

2? ? 機電一體化控制技術(shù)的特征

機電一體化控制技術(shù)在應(yīng)用時會呈現(xiàn)出幾個明顯特征。首先，為確保精準性，在設(shè)計機電系統(tǒng)時要考慮到設(shè)計理念與實際操作之間的差異性，確保二者的平衡，為后期設(shè)計的質(zhì)量與控制效果提供保障，提高系統(tǒng)運作的穩(wěn)定性，為內(nèi)部操作提供可靠的空間，避免產(chǎn)品出現(xiàn)嚴重的質(zhì)量問題。例如，一旦機電控制系統(tǒng)的設(shè)計不完善，閉環(huán)運作時出現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，就很容易導(dǎo)致整體控制系統(tǒng)的運作故障。另外，我國現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)對設(shè)備性能與參數(shù)的要求越來越精細，一體化控制系統(tǒng)運行時的精準度會直接對生產(chǎn)效果產(chǎn)生影響。為了確保產(chǎn)品符合標準，就需要保證設(shè)計指令與輸出指令的一致性，減少系統(tǒng)操作的誤差。1993年開始，表面貼裝技術(shù)（Surface Mounted Technology，SMT）深刻地影響著電子設(shè)備的體積設(shè)計，全球范圍內(nèi)開始有近50%的電子元件以片狀進行生產(chǎn)，因此機電一體化控制系統(tǒng)也具有微型化的特點。

近幾年，計算機技術(shù)憑借自身的高效率與高速度得到社會各行各業(yè)的一致認可，在機電系統(tǒng)優(yōu)化過程中，同樣要具備高效率與高速度的特點，強調(diào)操作的便捷性。例如，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，機電系統(tǒng)能夠第一時間作出判斷與處理，縮短處理時間，以免系統(tǒng)運作差值過大。作為一個完整的系統(tǒng)，機電設(shè)備想要完成一體化控制，就必須保證內(nèi)部有充足的動力，并實現(xiàn)檢測、控制等操作。機電一體化系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)動力和運動的轉(zhuǎn)換和傳遞，動力功能是向系統(tǒng)提供動力，能量應(yīng)與動力和運動的傳遞和轉(zhuǎn)換相匹配[2]。

3? ? 機電控制自動控制技術(shù)設(shè)計要點

3.1? 控制任務(wù)錄入

機電一體化控制系統(tǒng)想要實現(xiàn)后期的順利生產(chǎn)，需要技術(shù)人員在前期做好任務(wù)內(nèi)容的錄入工作。專家學(xué)者與技術(shù)人員經(jīng)過長時間的實踐與測試后，總結(jié)出了一套適用性較強且錄入速度較快的系統(tǒng)描述方法，即自然語言表達法。對于機電一體化控制系統(tǒng)來說，自然語言表達控制方法適用性最強，能夠模仿人類的思維邏輯和操作習慣。但是，在實際應(yīng)用過程中不難發(fā)現(xiàn)，因為不同設(shè)計人員的工作方式有明顯差異，所以在數(shù)據(jù)計算與生成時，很容易出現(xiàn)失誤。因為人力活動時產(chǎn)生的行為語言比較繁雜，如果未經(jīng)處理直接應(yīng)用到機電控制系統(tǒng)中，會產(chǎn)生一定的歧義，所以需要根據(jù)這種情況對系統(tǒng)做出更加科學(xué)的設(shè)計和規(guī)劃，以免因為語音或語法的不確定問題導(dǎo)致控制任務(wù)時的模糊效果，不利于最終控制任務(wù)的生成。另外，通過實踐經(jīng)驗整合，技術(shù)人員為了提高控制系統(tǒng)表述指令時的精準性，把自由格式文本輸入方式作為機電一體化控制系統(tǒng)的主要任務(wù)輸入手段，還提供固定格式文本輸入作為自由格式文本輸入法的補充和修改，提高了控制系統(tǒng)的靈活性和便捷性。

3.2? 傳感設(shè)備選擇

傳感器是機電控制系統(tǒng)中不可缺少的一部分，作為現(xiàn)代化科學(xué)技術(shù)的產(chǎn)物之一，傳感器在我國社會各行各業(yè)中都有良好應(yīng)用。從機電系統(tǒng)的實際應(yīng)用內(nèi)容來看，傳感器可以具體分析其實踐時的工作能力，并且展開合理控制，提高最終的時間效果，確保技術(shù)質(zhì)量合理提升。傳感器也可以作為一種檢測設(shè)備安裝在機電生產(chǎn)線上，及時獲取目標信息，并記錄數(shù)據(jù)信息的變化規(guī)律，從而確保信息在傳輸、儲存、記錄、顯示、應(yīng)用時可以達到預(yù)期效果。目前我國機電自動化系統(tǒng)中投入使用的傳感器具有數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化等優(yōu)勢，能夠促進一體化控制技術(shù)的成熟，通過增加光敏元件、氣敏元件、溫感元件、放射線敏感元件，擴大其對機電設(shè)備的感知范圍。傳感器能夠替代以往的限位開關(guān)，取代觸摸式檢測技術(shù)，不需要進入實踐場地就能夠?qū)δ繕宋矬w的狀態(tài)進行判斷。對于機電系統(tǒng)來說，在測控范圍內(nèi)，傳感器能夠判斷設(shè)備運行的速度、位置、狀態(tài)、溫度，為保證測量控制效果準確，需要布置編碼器與接近開關(guān)。編碼器可以測量設(shè)備運行的速度，并將獲取數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成信號，輸送到可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）端口，進行下一步控制操作[3]。

傳感器使用的編碼器可分為增量型、絕對型兩種，其中增量編碼器能夠用于位移測量，累計脈沖總位移量，然后測算出設(shè)備位移速度的快慢。該類型編碼器的工作原理是利用光電轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)變主軸內(nèi)的信號，使其成為脈沖信號，例如ISC3806系列的編碼器在增量要求下應(yīng)用頻率較高。另外，無觸點行程開關(guān)也是傳感器的重要組成設(shè)備，不用觸摸即可完成對目標的加工與控制，并為其提供限位保護。在選擇具體傳感器時，需要根據(jù)機電實際使用要求來布置傳感點，確保其運行得順利、有效。

3.3? PLC結(jié)構(gòu)應(yīng)用

PLC屬于一種能夠完成編程操作的內(nèi)部儲存程序，在獲取用戶指令后，對目標模擬器進行控制，PLC可完成的指令有很多，例如邏輯運算、順序調(diào)整、計數(shù)定時等。PLC在運作時會經(jīng)過3個環(huán)節(jié)，分別是指令采樣、用戶執(zhí)行和刷新輸出，并一直保持與重復(fù)上述3項內(nèi)容。因為PLC是一種電子型計數(shù)，所以抗惡劣環(huán)境的能力很強，十分適用于工業(yè)生產(chǎn)的大環(huán)境，能夠?qū)?shù)字量展開操作，在很多工業(yè)生產(chǎn)中都有應(yīng)用。在對機電一體化系統(tǒng)進行PLC結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要滿足工業(yè)測量以及整體系統(tǒng)的需求，并且具備易于擴充的特點。從結(jié)構(gòu)內(nèi)部板塊來看，PLC與計算機有很多相似之處，例如都具備CPU處理器、輸出（入）板塊、儲存設(shè)備、編程器等。因為PLC的工作形式為循環(huán)掃描，所以其程序運作順序為自上到下，在設(shè)計一體化系統(tǒng)時，要做好PLC的出入點設(shè)置，確保其輸出端口能夠有效對接伺服系統(tǒng)，保證可觀的經(jīng)濟性與穩(wěn)定性[4]。

3.4? 伺服系統(tǒng)連接

對于機電一體化控制系統(tǒng)來說，伺服系統(tǒng)屬于一種操作性元件，具有很強的執(zhí)行性，目前工業(yè)生產(chǎn)中使用的伺服電機主要有兩種，分別為直流與交流。直流伺服結(jié)構(gòu)的工作效率比較高，但是線性調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)矩性比較弱;交流電機雖然在效率上有所降低，但是其運作時不需要滑環(huán)、電刷，使用比較簡單，能夠滿足高轉(zhuǎn)速要求，并且無零點漂移。因此，在沒有特殊要求下，會優(yōu)先采用交流伺服設(shè)計。技術(shù)人員只需要在系統(tǒng)中錄入目標電壓量、輸出量，以此計算電機角位移，并根據(jù)目標電機的特點，設(shè)置轉(zhuǎn)矩、位置、速度3種控制方法。例如，三菱伺服電機中的HF-KP系列數(shù)據(jù)低慣量電機可使用在負載較低的控制系統(tǒng)中。另外，為保證伺服效率，需要技術(shù)人員對目標電機進行預(yù)估算，并對參數(shù)、型號進行單獨分析。

3.5? 數(shù)據(jù)自動檢索

當前，我國在進行現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計活動時，基本上都是按照開放式的體系結(jié)構(gòu)理念進行，采用組合優(yōu)化的設(shè)計方法，降低目標系統(tǒng)設(shè)計時的片面性，確保整體性和適用性。硬件設(shè)計和軟件設(shè)計是控制系統(tǒng)設(shè)計的兩大方面，在進行硬件模塊選型之前可以先構(gòu)建相應(yīng)的系統(tǒng)硬件庫，在實際設(shè)計過程中，可以根據(jù)具體的要求在硬件庫中檢索出合適的硬件型號，提高設(shè)計效率。明確用戶常用的控制系統(tǒng)運算模塊和任務(wù)模塊，將硬件模塊視作系統(tǒng)的特定組件，在此基礎(chǔ)上對軟件構(gòu)造模塊進行設(shè)計與構(gòu)建。未來機電系統(tǒng)的一體化控制技術(shù)仍將不斷發(fā)展，需要從業(yè)人員提高認知，并對現(xiàn)有問題不斷改善，確保一體化系統(tǒng)適應(yīng)性良好，從而推進我國自動化技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。

3.6? 電子通信線路

隨著我國社會經(jīng)濟水平的不斷提升，傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)方式已經(jīng)逐漸無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的實際需求，需要使用電子通信技術(shù)來代替。這種方法也就是常說的替代法，電子通信線路替代傳統(tǒng)的機械控制，在效率與精準度上有明顯優(yōu)勢。雖然工業(yè)生產(chǎn)中機械制造是重要環(huán)節(jié)，但是存在運行結(jié)構(gòu)單一、生產(chǎn)速度慢等劣勢。采用電子通信線路后，機電系統(tǒng)的運行效果得到明顯改善，生產(chǎn)活動也能夠以更加多元化的方式開展，提高生產(chǎn)效率。在使用電子通信線路時，要借助計算機技術(shù)對目標電機做好計算處理，合理分析數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)的采集、分析、處理，不斷提高生產(chǎn)質(zhì)量。

4? ? 結(jié)語

綜上所述，本研究針對機電自控系統(tǒng)設(shè)計展開討論，分析了傳感器、PLC等現(xiàn)代化技術(shù)的優(yōu)勢及應(yīng)用特點。一體化系統(tǒng)包含了機械、驅(qū)動、執(zhí)行、傳感等子系統(tǒng)，需要有良好的集成效果與中控能力，未來需要技術(shù)人員對系統(tǒng)進行深入了解，并從驅(qū)動力方面展開更進一步的研究，確保機電系統(tǒng)順利運作。

[參考文獻]

[1]劉? 川.工業(yè)自動化控制中計算機控制技術(shù)應(yīng)用路徑研究[J].湖北農(nóng)機化，2019（18）：129.

[2]余金永，李玉琴.基于多傳感器融合結(jié)合單片機在溫棚環(huán)境控制系統(tǒng)中的應(yīng)用探究[J].科技與創(chuàng)新，2019（17）：56-57.

[3]童保軍.綜合運用PLC技術(shù)和計算機自動控制設(shè)計差壓鑄造過程自動化控制系統(tǒng)[J].中國設(shè)備工程，2019（6）：193-194.

[4]佚? 名.廣東省科學(xué)院自動控制與信息處理技術(shù)助理研究員資格評審委員會簡介[J].自動化與信息工程，2018，39（6）：51.