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傳統(tǒng)的機械工程包括機械設備動力與制造工藝的研究，通過運用機械運動原理實現(xiàn)機械設備的正常運行。而機械電子工程重視實現(xiàn)傳統(tǒng)機械系統(tǒng)能量的連接，信息連接是信息連接的重點。隨著機械工程與電子工程的融合度越來越高，機械電子工程的智能化會成為未來的發(fā)展趨勢。

1 機械電子工程概述

1.1 機械電子工程的定義

機械電子工程與其他相關學科之間有著緊密的聯(lián)系，結合了各學科的優(yōu)點，是一門比較復雜的綜合性學科。機械電子工程以電子、機械、計算機技術為核心，通過科學合理的設計將各個模塊優(yōu)點發(fā)揮到最大。雖然機械電子技術需要運用各方面知識，但是機械電子產(chǎn)品的內(nèi)部結構并不復雜，只需要將一些簡單的機械電子元件按照規(guī)劃進行科學的組合，就可以最大限度的提高產(chǎn)品的性能，減少成本的投入，在提高產(chǎn)品質量的同時提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。

1.2 機械電子工程的發(fā)展

在機械電子工程發(fā)展的初期，人們并沒有認識到機械電子工程的廣闊的發(fā)展前景，由于缺乏必要的資源支持，機械電子工程的技術水平也極低，機械電子產(chǎn)品主要以手工制作為主，其工業(yè)化水平十分低下，機械電子工程的發(fā)展受到了極大的限制。隨著機械電子工程的重要性日益凸顯和其市場需求的擴大，人們開始重視對機械電子工程技術的開發(fā)，為了進一步提高其生產(chǎn)效率，機械電子工程逐漸實現(xiàn)在機械工業(yè)中的應用，并獲得了飛速的發(fā)展。隨著機械電子工程與機械工業(yè)的結合，實現(xiàn)了機械電子產(chǎn)品的流水線的生產(chǎn)，促進了生產(chǎn)水平的提高，提高了生產(chǎn)效率，可以實現(xiàn)機械電子產(chǎn)品可以在短時間內(nèi)投入市場。但是目前我國主要引進國外的標準生產(chǎn)線，產(chǎn)品的生產(chǎn)模式與我國實際的生產(chǎn)需求差距很多，生產(chǎn)線本身的靈活性極弱，生產(chǎn)出的產(chǎn)品并不能夠滿足國內(nèi)市場的需求。為了促進機械電子工程的進一步發(fā)展，需要結合我國國內(nèi)市場的實際需求，將機械電子工程與人工智能相結合，充分發(fā)揮機械電子工程的優(yōu)點，逐步實現(xiàn)其產(chǎn)業(yè)化與智能化。

2 人工智能概述

2.1 人工智能的學科定義

人工智能通過計算機的使用極大的延伸了自身的智能，主要通過對計算機功能的深入研究得到的一門學科，這門學科具有極大的發(fā)展前景，是21世紀的最重要的學科之一。計算機技術的發(fā)展是人工智能學科得以發(fā)展的關鍵，因此計算機技術是人工智能學科的基礎。但是人工智能學科并不是單一涉及到一門學科，此外還與信息論、心理學、控制論等多個學科存在著交叉關系，因此，人工智能學科吸收了其他各個學科的優(yōu)點，具有極強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2.2 人工智能的發(fā)展階段

2.2.1 萌芽階段

隨著世界第一臺計算器的誕生標志著人工智能研究之路的開始，但是這個階段的發(fā)展十分緩慢，但是這個階段為人工智能的研究積累了大量的經(jīng)驗。直到世界第一臺計算機誕生之后，加快了人工智能研究的角度，依舊沒有取得實質性進展。所以這個階段屬于經(jīng)驗積累階段，為之后發(fā)展奠定基礎。

2.2.2 第一個發(fā)展階段

1956年“人工智能”命題的提出標志著人工智能的發(fā)展進入了第一個高峰期。這個階段主要是博弈、和基本原理的證明，這個階段最大的貢獻大大解放了人們的思想，為之后的發(fā)展提供了理論支持。

2.2.3 第二個發(fā)展階段

人工智能第二個發(fā)展階段的標志是1977年全球第五屆人工智能會議的召開，經(jīng)過這個會議逐漸促使了人工智能與實際生產(chǎn)的結合，使人工智能獲得了一個巨大的飛躍，使其進入了知識層面的發(fā)展。

3 機械電子工程與人工智能的關系

隨著社會信息化的進一步推進，為機械電子工程技術的發(fā)展帶來了契機，人工智能的加入為了機械電子工程的發(fā)展開拓了巨大的發(fā)展空間。傳統(tǒng)的機械電子系統(tǒng)，缺乏必要的穩(wěn)定性，面對逐漸增多的信息量，單純通過人工的方式進行處理顯得力不從心，急需要一種可以處理多種不同類別信息的技術。在這種情況下人工智能的加入為機械電子工程的發(fā)展提供了巨大支持。人工智能通過建立相關模型、控制模型，實現(xiàn)對信息的處理，最終根據(jù)處理的信息能夠很好的完成故障的診斷。除此之外人工智能使用模糊推力系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)這兩種方法實現(xiàn)了對系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息進行全面的描述，最終實現(xiàn)對機械電子系統(tǒng)的科學合理的控制。

在人工智能漫長的發(fā)展過程中，每個階段的發(fā)展都十分緩慢，并沒有實現(xiàn)人工智能的實質性的變革。但是隨著人工智能與機械電子工程逐漸結合之后，形成了由量變到質變的巨大飛躍，使世界進入了機械電子工程時代。隨著人工智能在機械電子工程領域的廣泛應用，人工智能逐漸形成了神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)和模糊邏輯系統(tǒng)，通過這兩個系統(tǒng)對人類的思維模式進行模擬來解決多變的工程應用問題。人工智能在機械電子工程中的廣泛應用過程中逐步完善了自身的缺陷，為自身的發(fā)展提供了一個新的發(fā)展路徑。

從以上可以看出發(fā)展過程機械電子工程與人工智能二者具有密不可分的聯(lián)系。一方面在機械電子工程的發(fā)展過程中正是由于人工智能的加入是機械電子工程的發(fā)展帶來新的契機。另一方面，人工智能通過在機械工程領域的應用，為自身的發(fā)展提供了一個新的路徑。

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關鍵詞：機械電子工程；傳感器和轉換器；測量系統(tǒng)

1 機械電子工程的概念

機械電子工程是20世紀70年代由日本提出的用于描述機械工程和電子工程一體化的一個技術術語。這個詞的英文名字是取C械學的前半部分和電子學的后半部分組合而成的。

在工業(yè)發(fā)達國家，人們已經(jīng)意識到，未來的工業(yè)系統(tǒng)，尤其是先進的機電系統(tǒng)的設計，制造和運行，將屬于那些懂得怎么樣去優(yōu)化機械和電子系統(tǒng)之間聯(lián)系的人，在這些系統(tǒng)中，信息將起著至關重要的作用；人工智能、專家系統(tǒng)、智能機器人將構成未來機械電子系統(tǒng)的驅動、監(jiān)測、控制、和診斷的主導技術。

機械電子工程的本質是：機械與電子技術的規(guī)劃應用和有效的結合，以構成一個最優(yōu)的產(chǎn)品或系統(tǒng)。在激烈競爭的環(huán)境中，只有將電子學和機械工程有效的結合在一起生產(chǎn)出來的產(chǎn)品才更具有競爭力。

2 機械電子工程的應用

在制造業(yè)的廣大領域中，采用機械電子方法設計的優(yōu)點是：制造系統(tǒng)的結構易于改變，且產(chǎn)品的質量可以順利的上升檔次。日本人認為產(chǎn)品革新的未來屬于那些能將電子系統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機結合在一起的人，并已經(jīng)在這些方面取得了卓有成效。日本的公司充分考慮市場需求，將機械電子方法用于高速紡織機械、計量和監(jiān)測系統(tǒng)以及諸如集成電路自動檢測等具有特殊用途的機械的設計中，并開創(chuàng)了新的局面。機械電子工程在產(chǎn)品中的應用從目前情況來看，有以下兩類產(chǎn)品：1將現(xiàn)有產(chǎn)品進行機械電子改造以提高其性能；2用機械電子方法設計開發(fā)全新的產(chǎn)品。

3 機械電子工程的設計

在工程設計中，機械電子方法能將系統(tǒng)的大量材料和信息集中起來，使系統(tǒng)具有更高的性能、更強的靈活性。因此，要做到萬無一失，機械電子工程的設計必須包括初步設計和具體設計兩個階段。用機械電子方法進行工程設計的核心是將電子技術和計算機技術與機械系統(tǒng)有機的結合在一起。對現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，也常用機械電子方法來改善其性能。工程設計的機械電子方法與系統(tǒng)結構的配置有關，在這種方法中，可以實現(xiàn)各種技術的集成，并對其進行評估。為達到這個目的，通常采用一種基于信息的自頂向下策略，就可以將系統(tǒng)分解成一些模塊。例如：環(huán)境模塊、裝配模塊、測量模塊、通訊模塊、處理器模塊、軟件模塊、執(zhí)行模塊、界面模塊等。從初級階段的概念來說，在每一階段都定義其下一級的模塊子集，最終，整個系統(tǒng)中的每個部件的設計，都可以從該部件與其他部件的相關處著手。

4 測量系統(tǒng)

測量系統(tǒng)的任務是獲取機械電子系統(tǒng)中需要的各種狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息來控制系統(tǒng)的運行。將傳感器配合某些特定功能的電路，可以構成一個測量系統(tǒng)。在測量系統(tǒng)中，由于測量的范圍不同，并且測量系統(tǒng)的任一環(huán)節(jié)都可能存在內(nèi)部的噪音或者外界的干擾，使測量系統(tǒng)的性能受到影響，因此也需要一些指標來表示測量系統(tǒng)的性能如：精度、穩(wěn)定性、輸入輸出特性等等。對于測量系統(tǒng)的設計來說，機械電子系統(tǒng)中的測量系統(tǒng)大多是自動測量系統(tǒng)，他爸檢測、數(shù)據(jù)處理、故障診斷和報警、校驗等技術結合在一起。往往是多個敏感器件、多路信號有機的構成一個測量系統(tǒng)，而不是若干臺儀器儀表的簡單合并。簡單系統(tǒng)往往采用直接連接。通用總線系統(tǒng)主要用于計算機和各種常規(guī)外部設備及I/O部件，構成通用計算機系統(tǒng)。測量系統(tǒng)的設計是為了保證能夠得到所需要的信息，因此測量系統(tǒng)是設計中的一個重要環(huán)節(jié)。

5 傳感器和轉換器

在很多測量系統(tǒng)中，傳感器和轉換器都是用來提供系統(tǒng)狀態(tài)信息的。傳感器是在測量系統(tǒng)中，對所測物理參數(shù)發(fā)生響應的器件。轉換器是能吧信息和能量從系統(tǒng)某一部分傳送到系統(tǒng)另一部分的器件。在傳送過程中的同時，能量形式也可能發(fā)生變化。在使用時通常不作區(qū)分。其分類可按功能分為：位移、速度、加速度、幾何量、質量、力、等等。根據(jù)性能分：可以用精度、穩(wěn)定性、線性度、靈敏度、量程等靜態(tài)性能和響應特性的動態(tài)指標來評估。根據(jù)輸出信號分：模擬量輸出、數(shù)字量輸出、頻率輸出、代碼輸出等等。在選用傳感器或轉換器時，用什么樣的輸出信號形式并不重要，因為用模/數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器都可以獲得多需形式。重要的是測量元件的功能和系統(tǒng)的總體性能指標必須滿足需求。

6 微處理器

控制和信息處理是機械電子系統(tǒng)兩種主要功能，期通常是由微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)的。去其他控制和處理方式相比，微處理器有許多優(yōu)勢，其中最重要的是如下機電：1可存儲、可編程控制2數(shù)字處理3工作速度4設計的靈活性5集成化6費用低。對于嵌入式微機系統(tǒng)的設計方法有：1基于模板的設計2基于模塊的設計3基于芯片的設計。

參考文獻

[1]蔡自興，智能控制基礎與應用，國防工業(yè)出版社，1998

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1機械電子工程簡介

1.1機械電子工程定義

機械電子工程是由以下幾個方面組成的，它們分別是機械工程、電子工程、信息工程等。近些年來，我國信息技術發(fā)展速度較快，機械電子工程也隨之不斷發(fā)生改變。它主要經(jīng)歷了以下幾個階段：第一，針對萌芽初期，這個時期主要是手工加工為主，并且它是這個階段的主要生產(chǎn)力，但是對于這個時期來說，生產(chǎn)力相對低下，人力資源匱乏，這對于機械電子工程來說是非常不利的，而且在一定程度上抑制了其長遠發(fā)展；第二，機械電子工程生產(chǎn)標準發(fā)生改變，主要以流水線為主，不斷提高生產(chǎn)力，進而促進了生產(chǎn)數(shù)量以及次數(shù)的不斷增多。但是仍然有一些問題出現(xiàn)，比如工件生產(chǎn)的嚴要求導致生產(chǎn)技術與設備不能滿足生產(chǎn)所需，進而無法適應市場的長遠發(fā)展；第三，這個階段機械電子工程發(fā)展速度較快，究其原因在于電子技術的快速發(fā)展，并且其與機械工程在某種程度上實現(xiàn)了完美融合?，F(xiàn)代社會發(fā)展速度不斷加快，而隨之加快了人類生活水平的提高速度，機械電子產(chǎn)業(yè)也在尋求變革，其需要更好的生產(chǎn)方式，不僅要具有較強的靈活性，而且還應具備極強的適應性。除此之外，機械電子產(chǎn)業(yè)還需要縮短生產(chǎn)周期，并且不斷提高產(chǎn)品質量。在這個階段的機械電子工程生產(chǎn)呈現(xiàn)出了新的特點，即柔性制造系統(tǒng)，并結合以下幾種元素，即生產(chǎn)加工、物理、信息流等等，不僅能夠使產(chǎn)品生產(chǎn)擺脫人工化，逐步形成自動化操作，而且還可以使信息實現(xiàn)自動化。

1.2機械電子產(chǎn)品特點

針對電子工程，它可以看成是由以下兩種因素共同構成的一個分支，分別是機械工程和自動化，它涵蓋了多方面的技術總和，比如機械設計制造技術、計算機硬件技術，除此之外還包含其它學科知識的精華。所以這項研究產(chǎn)業(yè)相對來說存在一定的發(fā)展難度，并且綜合性極強。對于機械電子工程而言，它的發(fā)展始終沒有離開機械工程，基本上是以該工程知識為主，然后以計算機技術為輔，以電子工程為主要內(nèi)容，這在某種程度上是一種技術的進步，不僅在結構上有所體現(xiàn)，還體現(xiàn)在系統(tǒng)配置上，相較于傳統(tǒng)機械工程而言，它具有一定的優(yōu)勢。機械電子產(chǎn)品結構形式發(fā)生了巨大的改變，主要體現(xiàn)在結構越來越簡單，相對于以往笨重型機械可謂是一種極大的進步，不僅如此還大大提高了產(chǎn)品性能。

2人工智能在機械電子工程中的應用

社會的發(fā)展進步在一定程度上推動了信息技術范圍的不斷擴大，并在某種程度上促使信息傳遞方式實現(xiàn)不斷更新，促進我國信息時代的到來。人工智能技術就是信息技術快速發(fā)展的產(chǎn)物，它在機械電子工程領域的應用取得了良好的效果，為其實現(xiàn)智能化與自動化發(fā)揮了重要作用，這種智能技術不僅能夠及時處理信息，還能夠將信息傳遞出去，有利于機械電子工程的長遠發(fā)展。但是由于機械電子工程自身的一些特點，如綜合性較強、復雜多變，還有不穩(wěn)定性，這在一定程度上阻礙了其快速發(fā)展，其中主要表現(xiàn)在機械電子系統(tǒng)上，在描述輸入或是輸出過程中，電子系統(tǒng)顯現(xiàn)出諸多困難。而在描述過程中運用的方法主要有以下幾種：它們分別是建設規(guī)則庫、推導數(shù)學方式等方法，針對上述幾種方法而言，它只適合簡單電子系統(tǒng)，一旦涉及較為復雜的系統(tǒng)，必須通過操作完成。針對電子系統(tǒng)而言，借助人工智能方法整合的方法有兩種：其一是神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，其二是模糊推理系統(tǒng)。

2.1神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)

針對人工智能來說，它是計算機技術發(fā)展的產(chǎn)物，也可以說是一個分支，它研究的主要內(nèi)容相對來說很好理解，即借助計算機技術模擬人，不僅模擬人的思維過程，而且還模擬人的行為，它屬于一門學科，并能夠促進計算機發(fā)揮更好的功能，實現(xiàn)高層次應用。神經(jīng)網(wǎng)絡聽起來較難理解，它主要是通過一定的渠道，即神經(jīng)元，建立一種特殊模式即興奮模式，將其并分布在網(wǎng)絡之上，并且可以實現(xiàn)互動。人工神經(jīng)系統(tǒng)是一種特殊的系統(tǒng)形式，并且其自身具有一定的特點，比如信息存儲方式主要以分布式為主，而且能夠實現(xiàn)并行協(xié)調處理。人工神經(jīng)系統(tǒng)雖然結構相對簡單，功能有限，但是該系統(tǒng)還具有一些其它方面的優(yōu)勢，比如針對其構成來說具有一定的特點，即神經(jīng)元的構成能夠促進該系統(tǒng)發(fā)揮最大的功能性作用，能夠實現(xiàn)相對豐富的行為。神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)在某種程度上已經(jīng)形成較為逼真的效果，它通過模擬結構的方式，進一步分析數(shù)字信號，然后根據(jù)分析結果給出參與值，最后借助網(wǎng)絡形式得出關聯(lián)函數(shù)。對于神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)來說，它運用的方式相對簡單，即點到點映射，在輸入過程中，針對所有神經(jīng)元來說，它們之間的聯(lián)系都是固定的，并且計算量都很大，無論是在信息輸入方面，還有信息輸出方面，都具有極高的精準度。

2.2模糊推理系統(tǒng)

模糊推理系統(tǒng)是另外一個相對完整的系統(tǒng)，它將模糊集合論作為基本理論指導，而它的設計工具也很簡單，即模糊理念，而它的信息處理能力也很強大，主要針對模糊信息進行。就現(xiàn)狀而言，該系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛運用，它不僅在自動化控制方面發(fā)揮了極佳的作用，而且在數(shù)據(jù)處理方面的能力也不容小覷，并取得了較為明顯的成果。機械電子系統(tǒng)在運用時，模糊推理系統(tǒng)借助一定的元素，即模擬人腦功能，進而分析語言信號，然后根據(jù)網(wǎng)絡結構的相關作用產(chǎn)生一組連續(xù)函數(shù)，這點相較于神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)具有異曲同工之妙。對于模糊推理系統(tǒng)而言，它的物理意義非常明確，其運用方式與神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)不同，即域到域方式，進而對信息實現(xiàn)規(guī)則儲備。但是該系統(tǒng)在運用過程中具有一定缺陷，比如計算量小、連接較為不固定，進一步導致該系統(tǒng)在輸入以及輸出過程中精準度受到一定的影響，相較于神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)，這種系統(tǒng)精準度很低。

3結語

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計算機仿真技術中Matlab是一款強大的可視化軟件，是MathWorks公司在2009年推出的一套高效率的數(shù)值分析軟件。它的超強數(shù)值分析能力，在工程機械電子電工的模型建設和機械化改造中起到了很好的作用。目標實驗在基于Matlab的工程機械電子電工仿真方案中，在矩陣的單位模塊下，形成電工的模型結構，對于信號上的鏈接更加直觀，使得數(shù)據(jù)可以通過數(shù)學函數(shù)的計算形成具體的圖像和音頻文件，直接顯示在電腦屏幕上，對于一些動態(tài)的影像還可以實時撲捉，在圖像幀數(shù)上也有了很大的提高，可以很清晰地控制工程機械開挖中，現(xiàn)場的施工情況，以備監(jiān)控的技術人員對工作的整個流程有直觀的了解，并且在第一時間做出可行性判斷。使用Matlab技術后，其模擬仿真功能可以直接使用在機械設備上，生產(chǎn)方式改良，生產(chǎn)效率提升?；贛atlab的工程機械電子電工仿真實驗方案主要是從機械設備使用中降低原材料的消耗和減少對機械自身磨損兩個方面入手，通過利用最為合理有效的生產(chǎn)模式將機械的運轉情況發(fā)揮到最佳狀態(tài)，利用機械設備中的高強度和穩(wěn)定性來對生產(chǎn)產(chǎn)品質量進行保證。在基于Matlab的計算機分析程序中，利用計算機高度智能化的相關特點，對生產(chǎn)方式進行逐步優(yōu)化，通過智能識別系統(tǒng)在自動管理方式上加以改良，不僅凸顯了在材料處理中的優(yōu)勢特性，還能達到設計的準確性。拿機床電子加工為例，在利用識別系統(tǒng)進行優(yōu)化后，機床打磨出的產(chǎn)品原件具有更強的耐磨性，同時設計生產(chǎn)出的樣品有更高的使用精度，具有很強的市場競爭能力。接下來就仿真的方法進行簡單的敘述。

（1）非線性的仿真實驗法非線性關系的模擬仿真是在數(shù)據(jù)存儲的方式上的優(yōu)化，使得算法出現(xiàn)了差異。計算方式的改變得到的數(shù)據(jù)可以在實驗中加以利用，通常情況下，計算機得出數(shù)據(jù)存在兩種主要的計算類型：在目標函數(shù)中利用高斯公式進行計算，得到的函數(shù)再進行乘法運算，最終得到的數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)進行加權求平均，得到的最終數(shù)據(jù)用在數(shù)據(jù)參數(shù)中，定義為機械適用的函數(shù)值。這種方式利用了高斯公式可以對大型數(shù)據(jù)進行運算的優(yōu)勢，在共軛負數(shù)的變化中得到模型的優(yōu)化方程，利用除權方式有效避免在計算中出現(xiàn)錯誤。在利用Matlab計算中，仿真方案的研究表現(xiàn)出較好的準確性，計算簡便的同時達到了算法的優(yōu)化。此外，另一種辦法是在多個定義域內(nèi)的函數(shù)值進行區(qū)域界定，將得到合理區(qū)間計算的函數(shù)值加以區(qū)分，在多個變量的條件下，對目標函數(shù)進行計算。這種方式在操作中十分簡單，而且計算量很小，在一些小型的算法計算中可以使用，但是在一些大型的機械操作設計中，這類的模擬仿真方式無法發(fā)揮出作用，也無法將計算的結果在整套機械設計中體現(xiàn)出來，得出的計算命令較為單一。后期使用中，機械得到的命令較為混亂，無法達到指令清晰的狀態(tài)。

（2）線性仿真實驗法電子電工的仿真研究中，函數(shù)的線性問題是最為關鍵的問題，在設計方案中，如何處理線性和非線性之間的算法關系也是十分重要的。函數(shù)在直接函數(shù)和間接函數(shù)計算后得到的數(shù)值可以通過矩陣互換的方式進行推導，在利用多個線性仿真實驗結果后可以得到相關的復雜數(shù)學模型，在以往電子電工實驗中，一些人力無法計算的復雜算法很難得到相應的答案，利用智能化的計算機可以有效的解決這個問題。使用電子電工自帶的數(shù)值跟蹤器，在設定的區(qū)域內(nèi)對函數(shù)值進行復核，在迭代方程中，根據(jù)函數(shù)的模型得到的方程解可以在線性計算中進行使用，最終得到的數(shù)據(jù)可以在仿真實驗中作為設計方案進行使用，大大增加了實驗計算的準確性。

2基于Matlab的工程機械計算機電子電工仿真實驗分析

基于Matlab的工程機械電子電工仿真實驗從編程的方式上進行了修改，不同于以往單一的計算模式，現(xiàn)代化的計算手段更注重對于計算的迭代方式的改變。機械設備效率的提高在實踐中很難進行改良，通過仿真實驗得到的結果具有很強的指導意義。利用模擬仿真的方式可以使得機械產(chǎn)出的產(chǎn)品具有高效能、低損耗的特點，對于仿真技術中，使用最為廣泛的技術為Matlab仿真方案中的遺傳算法。遺傳算法（GeneticAlgorithm簡稱GA），是20世紀70年代初期由美國密執(zhí)根（Michigan）大學霍蘭（Holland）教授提出的一種基于Matlab下全新電子電工全帶概率仿真方法。GA是一種在人為施工條件下非確定性的擬自然算法，這種算法是根據(jù)自然界仿照生物的固有進化規(guī)律，對一個大的群體進行隨機抽樣，觀測其繁衍變化以及淘汰機制。其中就會有適者生存，不適者就會被淘汰，使整個群體在繁衍的素質上和種群的數(shù)量上都會有很大的提高，時間變長，最終會以一種仿真平衡的態(tài)勢趨于平衡，并且保持最優(yōu)配合比。遺傳算法具有魯棒性、自適應性、全局仿真性和隱含并行性?；贛atlab下的實驗仿真就是選取這樣的實驗理念，在優(yōu)勢上有了很大的突顯，主要表現(xiàn)在：

（1）工程機械電子電工結構仿真實驗：在工程機械生產(chǎn)中，多考慮到機械的方便和使用性，遺傳算法在結合Matlab軟件后，利用遺傳算法中的模量改變和動態(tài)模擬，對電子電工中機械運行頻率進行改變，在運行過程中利用仿真的模式實現(xiàn)電子機械的波段變化。

（2）可行性分析：在機械的整個框架系統(tǒng)中，模擬了固定模式中的運行，加上基于Matlab下的運轉方式，把整個系統(tǒng)的仿真性再次提升，能夠在加工材料和零件的加工都有很好的保護作用。

（3）故障診斷：提出了一種新的基于Matlab的遺傳算法，并在此基礎上實驗出一種基于遺傳算法和有毒性氣體分析的技術，使得工程機械電子電工會在滿負荷工作時自動的對整個電路系統(tǒng)起到測試的作用。盡管遺傳算法在Matlab指導下已解決工程機械行走系統(tǒng)、轉向系統(tǒng)、工作系統(tǒng)的電氣控制優(yōu)化等生產(chǎn)中的許多難題，通過仿真過程，得到最優(yōu)參數(shù)，但還存在許多不足之處。用遺傳算法求解線性和非線性仿真問題時，一般采用共軛發(fā)散函數(shù)法。共軛因子取得過小時，可能造成整個發(fā)散函數(shù)的極小解不是原目標函數(shù)的極小解；共軛因子取得過大時，搜索過程運算量過大。所以對基于Matlab的工程機械電子電工仿真中遺傳算法中的一系列問題還有待于進一步研究、討論。

3結束語

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關鍵詞:人工智能；機電一體化；信息技術；工業(yè)機器人

0 引言

近年來，隨著中國經(jīng)濟的快速發(fā)展和國內(nèi)外金融環(huán)境的不斷變化，人力成本上漲、利率和匯率的波動，給國內(nèi)生產(chǎn)制造業(yè)的生存發(fā)展帶來了巨大的挑戰(zhàn)。針對生產(chǎn)制造企業(yè)急需在保證品質的前提下，滿足既要提高生產(chǎn)效率，又想降低勞動成本的需求，利用人工智能的機器人產(chǎn)品和高效的自動化裝配、輸送等操作，無疑是企業(yè)的理想之選，同時也有助于制造業(yè)自動化的發(fā)展，使得工業(yè)生產(chǎn)過程綜合自動化，工藝過程能夠達到最優(yōu)控制。另一方面工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)中也能代替人做某些單調、頻繁和重復的長時間作業(yè)和在危險、惡劣環(huán)境下的作業(yè)，例如在沖壓、壓力鑄造、熱處理、焊接、涂裝、塑料制品成形、機械加工和簡單裝配等工序上、在原子能工業(yè)等部門中，以及完成對人體有害物料的搬運或工藝操作。

1 機電一體化的內(nèi)容

機電一體化又稱機械電子學，亦可稱為機電整合，英語稱為Mechatronics，最早出現(xiàn)在1971年日本雜志《機械設計》的副刊上，隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發(fā)展，現(xiàn)在的機電一體化技術，是機械、微電子和信息這三項技術相互融合、交叉的產(chǎn)物。

機電一體化技術的內(nèi)容包括機械技術、計算機與信息技術、系統(tǒng)技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術等。機械技術是機電一體化的基礎，在機電一體化系統(tǒng)制造過程中，經(jīng)典的機械理論與工藝應借助于計算機輔助技術，同時采用人工智能與專家系統(tǒng)等，形成新一代的機械制造技術，而其中的信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統(tǒng)技術、神經(jīng)網(wǎng)絡技術均屬于計算機信息處理技術；控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)、檢索等；傳感檢測技術是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)，其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高，現(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證；伺服系統(tǒng)則是實現(xiàn)電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統(tǒng)的動態(tài)性能、控制質量和功能有決定性的影響。

機電一體化系統(tǒng)一般由機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源五個組成部分構成。機電一體化指的是在機械的主功能、動力功能、控制功能和信息功能的基礎上引進微電子技術,并且將機械設備和電子設備用軟件有機結合而構成的系統(tǒng)的總稱,傳統(tǒng)的機械工程可以分為制造和動力兩大類。

2 人工智能的定義及其用途

智能化即全息系統(tǒng)化,是對機器的行為狀態(tài)進行描述，是吸收了計算機科學、模糊數(shù)學、運籌學、混沌動力學、人工智能和生理學等新的學科方法、新的設計思想，從而模擬出人類的思維能力，使它如同人一樣具有思維、意識和行為等能力，以達到更高水平的控制目標。

人工智能（Artificial Intelligence）也稱機器智能，它是研究用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術及應用系統(tǒng)的一門新的技術科學，又是計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學等多種學科相互滲透而發(fā)展起來的一門綜合性學科。

人工智能的目的就是讓計算機能夠指揮機器象人一樣地思考和行動，它始終是計算機科學的前沿學科，在一些地方計算機利用編程語言和其它一些軟件幫助人們進行原來只屬于人類的工作，計算機以它的高速和準確為人類發(fā)揮了很大的作用。美國麻省理工學院的溫斯頓教授認為人工智能就是研究如何使計算機去做過去只有人才能做的智能工作，這說明了人工智能是研究人類智能活動的規(guī)律，構造具有一定智能的人工系統(tǒng)，也就是研究如何應用計算機的軟硬件來模擬人類某些智能行為的基本理論、方法和技術。

人工智能技術的發(fā)展，使得機械電子在傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)能量和功能連接的基礎上，更加強調了信息連接和驅動，并逐步使機械電子系統(tǒng)向具有一定智能化的方向發(fā)展。目前，人工智能在推理功能方面已經(jīng)獲得突破，學習和聯(lián)想功能正在研究之中，下一步要研究的就是模仿人類右腦的模糊處理功能和整個大腦的并行化處理功能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡是未來人工智能應用的新領域，未來智能計算機的構成，可能就是作為主機的馮?諾依曼型機與作為智能的人工神經(jīng)網(wǎng)絡的結合。在人工智能的應用當中最有意思的是機器人，其實機器人有很多種類型，不僅包括各種外型獨特的智能機器人，還包括一些用于工業(yè)生產(chǎn)代替人類勞動的機器人，現(xiàn)在的機器人技術在制造上還很欠缺，只在某一種功能的機器人方面取得了一定的成果，要研制一種多功能、人性化的智能機器人還需要進一步努力。除了機器人之外，在我們生活中的許多地方都能找到人工智能的影子，例如我們許多的家用電器里都有智能芯片、汽車和飛機的導航系統(tǒng)里都有人工智能程序。

3 人工智能在機電一體化中的應用

機電一體化是目前人工智能研究的目標，研究目的主要是把機械技術、微電子技術和信息技術有機地結合為一體，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的最優(yōu)化。機電一體化可以充分發(fā)揮機械技術、微電子技術和信息技術的各自的優(yōu)勢，促進機械產(chǎn)品的快速更新?lián)Q代，這樣就使得機電一體化的人格化，怎樣將人的智能、情感、行為賦予到機電一體化產(chǎn)品中顯得越來越重要。隨著機電一體化技術的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品智能化特征也將越來越明顯，智能化水平也會上升,人工智能在機電一體化的研究中也將進一步得到更加重視，其中機器人與數(shù)控機床的智能結合就是一項重要應用，在日歐美等發(fā)達國家，工業(yè)機器人應用于工廠自動化生產(chǎn)中已有很多年的歷史了。

隨著計算機網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，它帶動了科學技術發(fā)生巨大進步，同時也給日常生活帶來了嶄新的面貌，全球經(jīng)濟、生產(chǎn)等都被各種網(wǎng)絡連成了一片，企業(yè)間的競爭也將面臨網(wǎng)絡全球化，一旦研制出機電一體化某種新產(chǎn)品，只要其質量和功能可靠必然會暢銷全球。由于網(wǎng)絡在全球的進一步普及，只要是關于網(wǎng)絡的各種遠程控制技術也就會持續(xù)發(fā)展，因為遠程控制的終端設備就是機電一體化產(chǎn)品，因此，機電一體化產(chǎn)品也必然會朝著網(wǎng)絡全球化方向發(fā)展。

參考文獻：

[1] 王孫安.機械電子工程系統(tǒng)設計.西安交通大學機械工程學院，1996.

[2] 王士同.神經(jīng)模糊系統(tǒng)及其應用.北京航空航天大學出版社，1998.

篇6

【關鍵詞】機電一體化;農(nóng)業(yè);機械;應用

引言

隨著電子技術的發(fā)展，具有高科技含量的半導體集成電路的出現(xiàn)，為機電一體化技術在農(nóng)業(yè)機械上的應用提供了便利。這種高科技產(chǎn)物提高機械的運作效率，降低了操作危險系數(shù)。目前，國內(nèi)外對機電一體化研究力度也明顯的加強了，大量的科技產(chǎn)物涌向市場，贏得了人們的注意力。近幾十年來，機電一體化在農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)中得到了廣泛運用，使得農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效率大大提高，為國民經(jīng)濟的進步提高了幫助。

一、機電一體化的基本特征

1.機電一體化的基本定義

機電一體化又名為機械電子學，是機械與電子科技結合為一體的技術。這項技術的技術基礎是機械制造和電子配合電腦軟件進行工作。因此機電一體化是整合了機械、電子、電動機和電腦等多領域的一門技術。機電一體化主要由機械本體、檢測傳感部分、電子控制單元、執(zhí)行器和動力源五大部分組成。

2.機電一體化的具體內(nèi)容

機電一體化是將電子器件的信息處理和控制功能附加或融合在機械裝置中的一種復合化技術。其主要內(nèi)容包括以下4個方面：

（1）機械技術

經(jīng)典的機械理論借助于技術在人工智能和專家系統(tǒng)的幫助下形成新一代的機械制造技術。

（2）系統(tǒng)技術

系統(tǒng)技術就是以整體出發(fā)，組織利用各種相關的技術，將總體分解問相互關聯(lián)的若干功能單元。

（3）自動控制技術

在控制理論的控制下，設計仿真系統(tǒng)，再進行現(xiàn)場調試。

（4）伺服傳動技術

包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置。

3.機電一體化的原則

機電一體化技術有四大原則：

（1）接口耦合

為保證對信息的邏輯控制功能，使信息按規(guī)定的模式進行交換與傳遞。

（2）能量轉換

在傳輸和交換的環(huán)節(jié)進行能量交換與交流。

（3）信息控制

在軟、硬件的保證下，系統(tǒng)控制單元對信息進行控制

（4）運動傳遞

是不同類型的運動進行變換與傳輸來達到控制的目的。

二、機電一體化在農(nóng)業(yè)機械應用的實際情況

1.傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式是指主要通過生產(chǎn)工具、動力、水利設施等方法進行耕種收獲的農(nóng)業(yè)方式。其是自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟，主要生產(chǎn)滿足自家的生活需要和繳納稅收等開支，商品率低。農(nóng)民有固定的農(nóng)耕田地，以人力和畜力為主要動力，以有機肥為主要肥料，實現(xiàn)豐衣足食的目標。是一種相對穩(wěn)定卻又低效率的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。

2.現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)是集科學化、商品化、集約化和產(chǎn)業(yè)化于一身，它突破了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的局限性。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械是將自動化、智能化、多功能方向發(fā)展。隨著機電一體化的不斷革新，越來越多的自動化機械出現(xiàn)在勞動場地，機械耕種機代替了人畜犁耙;拖拉機代替了人工扛輸。大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的機電一體化，提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)水平，增加農(nóng)民收入的渠道，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要基石。

3.機電一體化技術在農(nóng)業(yè)機械的應用

機電一體化與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相比，有明顯的優(yōu)勢。機電一體化產(chǎn)品的使用改變以前比較落后的生產(chǎn)方式，一般都是使用自動化的機械進行操作，解放生產(chǎn)力。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，機電一體化使農(nóng)業(yè)機械的工作效率和產(chǎn)能都得到了提高。工作人員在操作過程中的人身安全安全得到保障，機械故障率也隨之降低。隨著技術的多樣性，機械設備的制造使得機電一體化設備功能多種多樣滿足市場需求，適應能力也很強。簡單的安裝原理，使得機械便于調試和維護，大大降低了維修成本。

三、機電一體化在農(nóng)業(yè)機械上的發(fā)展前景

當今的世界可謂是高速信息的電子時代，電腦和電子信息各項技術的飛速發(fā)展使得農(nóng)業(yè)機械生產(chǎn)逐漸向機電一體化方向前進。隨著時代潮流的推進，農(nóng)業(yè)機械控制技術勢必將成為發(fā)展主流。一些著名農(nóng)機廠商大量使用現(xiàn)代高端技術，例如GPS全球定位系統(tǒng)、激光掃信息遙感等，并將其裝備應用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)機械上。農(nóng)用激光平地機是用激光調平傳感微機處理技術進行地面平整作業(yè)，一次便可成形，效果非常顯著。廣大技術人員應及時更新知識結構，找準時代信息科學技術的發(fā)展方向，在滿足市場需要的前提下，生產(chǎn)具有足夠的競爭力的農(nóng)業(yè)機械，以保證從市場獲得最大的技術經(jīng)濟效益和社會效益。

四、總結

綜上所述，機電一體化的出現(xiàn)是許多科學技術發(fā)展的結晶，是社會生產(chǎn)力發(fā)展到一定階段的必然要求。 對機電一體化的研究目的在于將機械技術與信息技術結合為一體，實現(xiàn)工作系統(tǒng)的最優(yōu)化。因此，在農(nóng)業(yè)機械化的生產(chǎn)上必然離不開機電一體化。隨著科學技術的發(fā)展，各種高科技技術也相互融合，這種發(fā)展趨勢也證明了機電一體化技術在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中將越來越主導地位。

參考文獻

[1]張建敏，張達敏，陳靜，易從琴，冉寒偉.農(nóng)業(yè)機械虛擬現(xiàn)實設計――基于數(shù)字媒體技術及人機工程學[J].農(nóng)機化研究，2011（12）.

篇7

【關鍵詞】機電一體化；發(fā)展現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢

中圖分類號：F407文獻標識碼： A

一、前言

隨著我國科技的不斷進步與發(fā)展，機電一體化技術越來越受到企業(yè)及科研人員的重視，本文就該部分內(nèi)容進行了探討。

二、機電一體化的內(nèi)容

1.機電一體化技術是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā),應用機械、電子等有關技術,使機械、電子有機結合,實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術。機電一體化技術,主要包括技術原理和使用機電一體化產(chǎn)品(或系統(tǒng))得以實現(xiàn)、使用和發(fā)展的技術。機電一體化技術是一個技術群(族)的總稱。

2.機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)由若干具有特定功能的機械和電子要素組成的有機整體,具有滿足人的使用要求的最佳功能,機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)。主要是指機械系統(tǒng)(或部件)與微電子系統(tǒng)(或部件)相互置換和有機結合,從而賦予新的功能和性能的新一代產(chǎn)品,有良好的人機協(xié)作關系。一個機電一體化的系統(tǒng)主要是由機械裝置、執(zhí)行裝置、動力源、傳感器、計算機這5個要素構成。

3.機電一體化工程(機械電子工程)是機械工程與電子工程的綜合集成,即給定機電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)“目的功能”與“規(guī)格”后,機電一體化技術人員利用機電一體化技術進行設計、制造的整個過程體系。機電一體化工程是系統(tǒng)工程在機電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)中的具體應用。

4.機電一體化思想體現(xiàn)了“系統(tǒng)設計原理”和“綜合集成技巧”。系統(tǒng)工程、控制論和信息論是機電一體化技術的方法論。從某種意義上講、機電一體化思想相當于“一體化”思想。它帶來了諸如光電機一體化、機電液一體化、科工貿(mào)一體化、人機一體化等技術及其產(chǎn)品。

20世紀80年代中期以來,計算機特別是微型計算機已日益廣泛應用于機械產(chǎn)品和生產(chǎn)過程的控制,使機、電有機地結合,發(fā)展成機電一體化技術。機電一體化技術的應用,給機械行業(yè)帶來了顯著的效益,提高了生產(chǎn)率,提高了產(chǎn)品的性能和質量,降低了原材料消耗,節(jié)約了能源,減輕了操作工人的勞動強度,增強了企業(yè)在市場中的競爭力?！皺C電一體化”是微電子技術、計算機技術、信息技術與機械技術相結合的綜合性高新技術,是機械技術與微電子技術的有機結合。

三、機電一體化技術設計原理

從方法學的觀點出發(fā),機電一體化技術應遵循以下設計原理：

1.整體最優(yōu)化原理

機電一體化技術要求從系統(tǒng)的觀點出發(fā),綜合機械技術和信息技術,實現(xiàn)整體最優(yōu)化。其實,“最優(yōu)化原理”是人類進行科學技術活動的基本思想動力?！熬媲缶笔沁@一思想的生動描述。人們?yōu)檫_到一定的目標,采用直接或間接的方法求得達到該目標的最佳途徑。這里強調“整體最優(yōu)化”,正是運籌學思想在機電一體化技術中的體現(xiàn)。

2.智能化原理

這是機電一體化技術與傳統(tǒng)機械自動化技術的主要區(qū)別之一,也是21世紀機電一體化技術發(fā)展的主要方向。關于“智能”的定義。目前尚無確切和統(tǒng)一的說法。但是,它首先是對人類行為的描述?！爸悄堋敝饕爬ǔ鋈祟愑幸韵履芰?感知能力;記憶能力;思維能力―包括形成概念的能力、判斷能力、推理能力。

我們這里所說的“智能化”。是對機器行為的描述,是“仿人智能”,或者稱之為“人工智能”(artificialintelligence)。具體地說,智能化就是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,模擬人類智能,以求得到更高的控制目標。

3.仿生原理

如果說智能化是“仿人智能”,那么“仿生”便是對所有生物行為的模仿。生物世界是億萬年生物進化的結果,是“適者生存”這條自然規(guī)律“精雕細刻”的結果,是人類的學習寶庫?，F(xiàn)代信息技術和機械技術使這一“模仿”比較容易,成為可能。

4.柔性化原理

也可稱之為“軟化原理”。由于使用了微電子技術,可以而且應當盡量用軟件功能代替硬件功能。因為“軟化”可以使機械系統(tǒng)近乎完全“貼近”實際工況的需要,極大地提高產(chǎn)品的性能。例如,加工中心機床、電梯的“加減速無感控制”、汽車發(fā)動機的電噴技術、汽車的防抱死裝置… ,都廣泛地采用了軟件控制原理。

四、機電一體化技術的應用

在人們的日常生活當中,自動機械、信息處理設備、辦公室設備、車輛電子設備、醫(yī)療器械、光學裝置、智能家電、樓宇安全系統(tǒng)等機電一體化系統(tǒng)都離不開執(zhí)行元件為其提供動力。而執(zhí)行元件和電子控制裝置之間是無法直接連接的,因此需要一個驅動部件。該驅動部件在電子控制裝置的控制下,接收指令,進行能量轉換,從而得到目標輸出。對于精密傳動來說,需要在執(zhí)行元件輸出終端進行傳動測量,如測量其位置、速度、加速度,同時將所測得的數(shù)據(jù)反饋給電子控制裝置,讓其進行比較,進行誤差修正控制,最終實現(xiàn)精密傳動。

當有多個執(zhí)行元件,其輸出動作規(guī)律各不相同時,一方面要根據(jù)各執(zhí)行元件工作情況來考慮其控制的形式,另一方面需要確定它們之間是否存在輸出的聯(lián)系。如果它們之間沒有聯(lián)系,可以讓它們單獨來工作,也可以通過構建PC機上位控制來統(tǒng)一管理。若工作聯(lián)動內(nèi)容經(jīng)常變化,就應該構建一個可以直接識別聯(lián)動輸出的軟件,將聯(lián)動輸出寫入軟件當中,讓其直接轉化為控制程序,這樣就能靈活地應對動作輸出的需求。

五、機電一體化的發(fā)展趨勢

機電一體化是集機械、電子、光學、控制、計算機、信息等多學科的交叉綜合, 它的發(fā)展和進步依賴并促進相關技術的發(fā)展和進步。進入 21 世紀,在機電一體化技術的發(fā)展方向中,最主要的是:智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化、微型化、綠色化,下文對此略加探討:

1.智能化

智能化是 21 世紀機電一體化技術發(fā)展的一個重要發(fā)展方向。人工智能在機電一體化建設者的研究日益得到重視,機器人與數(shù)控機床的智能化就是重要應用。這里所說的“智能化”是對機器行為的描述,是在控制理論的基礎上,吸收人工智能、運籌學、計算機科學、模糊數(shù)學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法,模擬人類智能,使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力,以求得到更高的控制目標。誠然,使機電一體化產(chǎn)品具有與人完全相同的智能,是不可能的,也是不必要的。但是,高性能、高速的微處理器使機電一體化產(chǎn)品賦有低級智能或人的部分智能,則是完全可能而又必要的。

2.數(shù)字化

微控制器及其發(fā)展奠定了機電產(chǎn)品數(shù)字化的基礎,如不斷發(fā)展的數(shù)控機床和機器人;而計算機網(wǎng)絡的迅速崛起,為數(shù)字化設計與制造鋪平了道路. 如虛擬設計、計算機集成制造等。數(shù)字化要求機電一體化產(chǎn)品的軟件具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數(shù)字化的實現(xiàn)將便于遠程操作、診斷和修復。

3.網(wǎng)絡化

20 世紀 90 年代,計算機技術等的突出成就是網(wǎng)絡技術。網(wǎng)絡技術的興起和飛速發(fā)展給科學技術、工業(yè)生產(chǎn)、政治、軍事、教育義舉人么日常生活都帶來了巨大的變革。各種網(wǎng)絡將全球經(jīng)濟、生產(chǎn)連成一片, 企業(yè)間的競爭也將全球化。機電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來,只要其功能獨到,質量可靠,很快就會暢銷全球。由于網(wǎng)絡的普及, 基于網(wǎng)絡的各種遠程控制和監(jiān)視技術方興未艾,而遠程控制的終端設備本身就是機電一體化產(chǎn)品?，F(xiàn)場總線和局域網(wǎng)技術是家用電器網(wǎng)絡化已成大勢,利用家庭網(wǎng)絡(home net)將各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家電系統(tǒng)(computer integrated appliancesystem, CIAS),使人們在家里分享各種高技術帶來的便利與快樂。因此, 機電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡化方向發(fā)展。

六、結束語

只有加強對機電一體化技術發(fā)展的研究，才能使機電一體化技術的應用越來越廣泛，是非常具有現(xiàn)實意義的研究。

參考文獻：

[1] 彭海輝.機電一體化技術的發(fā)展及應用[J].工程技術.2013（3）:166-168.

篇8

[關鍵詞]物聯(lián)網(wǎng)傳感器

一、物聯(lián)網(wǎng)概念與定義

物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofthings)的概念是在1999年提出的,它的定義很簡單:把所有物品通過射頻識別(RFID)、紅外感應器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來,進行信息交換和通訊,實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。

現(xiàn)在對物聯(lián)網(wǎng)的定義至少有幾十種,都是不同領域專家從不同領域定義的,我們?nèi)追N有代表性的供大家參考:

1.英語中“物聯(lián)網(wǎng)”一詞:InternetofThings,可譯成物的互聯(lián)網(wǎng)。

2.2005年ITU關于物聯(lián)網(wǎng)的定義:是一個具有可識別,可定位的傳感網(wǎng)絡。

3.經(jīng)過與無線網(wǎng)絡(也含固定網(wǎng)絡)連接,使物體與物體之間實現(xiàn)溝通和對話,人與物體之間實現(xiàn)溝通與對話。能實現(xiàn)上述功能的網(wǎng)稱為物聯(lián)網(wǎng)。

4.作者比較贊成一種基于泛網(wǎng)及其多制式、多系統(tǒng)、多終端等綜合的物聯(lián)網(wǎng)的定義——或稱為廣義物聯(lián)網(wǎng)。

二、國內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀

從國際上看,歐盟、美國、日本等國都十分重視物聯(lián)網(wǎng)的工作,并且已作了大量研究開發(fā)和應用工作。如美國把它當成重振經(jīng)濟的法寶,所以非常重視物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,它的核心是利用信息通信技術(ICT)來改變美國未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式和結構(金融、制造、消費和服務等),改變政府、企業(yè)和人們的交互方式以提高效率、靈活性和響應速度。按歐盟專家講,歐盟發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)先于美國,確實歐盟圍繞物聯(lián)網(wǎng)技術和應用作了不少創(chuàng)新性工作。在北京全球物聯(lián)網(wǎng)會議上,他們介紹了《歐盟物聯(lián)網(wǎng)行動計劃》(Internetofthings-AnactionplanforEurope)其目的也是企圖在“物聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展上引領世界。

我國在“物聯(lián)網(wǎng)”的啟動和發(fā)展上與國際相比并不落后,我國中長期規(guī)劃《新一代寬帶移動無線通信網(wǎng)》中有重點專項研究開發(fā)“傳感器及其網(wǎng)絡”,國內(nèi)不少城市和省份已大量采用傳感網(wǎng)解決電力、交通、公安、農(nóng)漁業(yè)中的“M2M”等信息通信技術的服務。

在溫總理關于“感知中國”的講話后我國“物聯(lián)網(wǎng)”的研究、開發(fā)和應用工作進入了,江蘇省無錫市一馬當先率先提出建立“感知中國”研究中心,中國科學院、運營商、知名大學云集無錫共同協(xié)力發(fā)展我國的物聯(lián)網(wǎng)。

三、傳感器在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

一說到傳感器,可能大家就會往小的方面想,在物聯(lián)網(wǎng)的大概念下,一個泛在的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng),隨著參照物的不同,傳感器可以是一個“大”的“智能物件”,它可以是一個機器人、一臺機床、一列火車,甚至是一個衛(wèi)星或太空探測器。物聯(lián)網(wǎng)關注傳感器的實際應用,下面是按應用方式進行的分類。

1.液位傳感器:利用流體靜力學原理測量液位,是壓力傳感器的一項重要應用,適用于石油化工、冶金、電力、制藥、供排水、環(huán)保等系統(tǒng)和行業(yè)的各種介質的液位測量。

2.速度傳感器:是一種將非電量(如速度、壓力)的變化轉變?yōu)殡娏孔兓膫鞲衅?適應于速度監(jiān)測。

3.加速度傳感器:是一種能夠測量加速力的電子設備,可應用在控制、手柄振動和搖晃、儀器儀表、汽車制動啟動檢測、地震檢測、報警系統(tǒng)、玩具、結構物、環(huán)境監(jiān)視、工程測振、地質勘探、鐵路、橋梁、大壩的振動測試與分析,以及鼠標,高層建筑結構動態(tài)特性和安全保衛(wèi)振動偵察上。

4.濕度傳感器:分為電阻式和電容式兩種,產(chǎn)品的基本形式都為在基片涂覆感濕材料形成感濕膜?？諝庵械乃羝接诟袧癫牧虾?元件的阻抗、介質常數(shù)發(fā)生很大的變化,從而制成濕敏元件,適用于濕度監(jiān)測。

5.氣敏傳感器:是一種檢測特定氣體的傳感器,適用于一氧化碳氣體、瓦斯氣體、煤氣、氟利昂(R11、R12)、呼氣中乙醇、人體口腔口臭的檢測等。

6.壓力傳感器:是工業(yè)實踐中最為常用的一種傳感器,廣泛應用于各種工業(yè)自控環(huán)境,涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產(chǎn)自控、航空航天、軍工、石化、油井、電力、船舶、機床、管道等眾多行業(yè)。

7.激光傳感器:利用激光技術進行測量的傳感器,廣泛應用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學和非電測量等。

8.MEMS傳感器:包含硅壓阻式壓力傳感器和硅電容式壓力傳感器,兩者都是在硅片上生成的微機械電子傳感器,廣泛應用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學和非電測量等。

9.紅外線傳感器:利用紅外線的物理性質來進行測量的傳感器,常用于無接觸溫度測量、氣體成分分析和無損探傷,應用在醫(yī)學、軍事、空間技術和環(huán)境工程等。

10.超聲波傳感器:是利用超聲波的特性研制而成的傳感器,廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等。

11.遙感傳感器:是測量和記錄被探測物體的電磁波特性的工具,用在地表物質探測、遙感飛機上或是人造衛(wèi)星上。

12.視覺傳感器:能從一整幅圖像捕獲光線數(shù)以千計的像素,工業(yè)應用包括檢驗、計量、測量、定向、瑕疵檢測和分撿。

雖然,物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)業(yè)供應鏈包括傳感器和芯片供應商、應用設備提供商、網(wǎng)絡運營及服務提供商、軟件與應用開發(fā)商和系統(tǒng)集成商。但是,作為“金字塔”的塔座,傳感器將會是整個鏈條需求總量最大和最基礎的環(huán)節(jié)?！皞鞲衅魇俏锫?lián)網(wǎng)技術的支撐、應用的支撐和未來泛在網(wǎng)的支撐,傳感器感知了物體的信息,RFID賦予它電子編碼,傳感網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的演變是信息技術發(fā)展的階段表征。”

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【關鍵詞】機電；傳感檢測；技術

1 機電一體化

機電一體化又稱機械電子學，英語稱為Mechatronics，它是由英文機械學Mechanics的前半部分與電子學Electronics的后半部分組合而成?，F(xiàn)在的機電一體化技術，是機械和微電子技術緊密集合的一門技術，它的發(fā)展使冷冰冰的機器有了人性化，智能化。

機電一體化具體包括以下內(nèi)容：機械技術、計算機與信息技術、系統(tǒng)技術、自動控制技術、傳感檢測技術。

2 傳感檢測技術

傳感檢測技術是系統(tǒng)的感受器官，是實現(xiàn)自動控制、自動調節(jié)的關鍵環(huán)節(jié)。其功能越強，系統(tǒng)的自動化程序就越高。現(xiàn)代工程要求傳感器能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境的考驗，它是機電一體化系統(tǒng)達到高水平的保證。

檢測傳感部分包括各種傳感器及其信號檢測電路，其作用就是檢測機電一體化系統(tǒng)工作過程中本身和外界環(huán)境有關參量的變化，并將信息傳遞給電子控制單元，電子控制單元根據(jù)檢查到的信息向執(zhí)行器發(fā)出相應的控制。

國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉換元件組成”。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。

可以用不同的觀點對傳感器進行分類：

按傳感器的物理量分類，可分為位移、力、速度、溫度、流量、氣體成份等傳感器。

按傳感器工作原理分類，可分為電阻、電容、電感、電壓、霍爾、光電、光柵、熱電偶等傳感器。

電阻式傳感器是將被測量，如位移、形變、力、加速度、濕度、溫度等這些物理量轉換式成電阻值這樣的一種器件。主要有電阻應變式、壓阻式、熱電阻、熱敏、氣敏、濕敏等電阻式傳感器件。

電阻應變式傳感器。傳感器中的電阻應變片具有金屬的應變效應，電阻應變片主要有金屬和半導體兩類，金屬應變片有金屬絲式、箔式、薄膜式之分。半導體應變片具有靈敏度高（通常是絲式、箔式的幾十倍）、橫向效應小等優(yōu)點。

壓阻式傳感器。壓阻式傳感器是根據(jù)半導體材料的壓阻效應在半導體材料的基片上經(jīng)擴散電阻而制成的器件。其基片可直接作為測量傳感元件，擴散電阻在基片內(nèi)接成電橋形式。用作壓阻式傳感器的基片（或稱膜片）材料主要為硅片和鍺片，硅片為敏感材料而制成的硅壓阻傳感器越來越受到人們的重視，尤其是以測量壓力和速度的固態(tài)壓阻式傳感器應用最為普遍。

熱電阻傳感器。熱電阻傳感器主要是利用電阻值隨溫度變化而變化這一特性來測量溫度及與溫度有關的參數(shù)。在溫度檢測精度要求比較高的場合，這種傳感器比較適用。目前較為廣泛的熱電阻材料為鉑、銅、鎳等，它們具有電阻溫度系數(shù)大、線性好、性能穩(wěn)定、使用溫度范圍寬、加工容易等特點。用于測量-200℃～+500℃范圍內(nèi)的溫度。

按傳感器輸出信號的性質分類，可分為：輸出為開關量的開關型傳感器；輸出為模擬量的模擬型傳感器；輸出為脈沖或代碼的數(shù)字型傳感器。

按傳感器材料分類：可分為金屬、聚合物、陶瓷、混合物傳感器。

按傳感器制造工藝分類：可分為集成傳感器、薄膜傳感器、厚膜傳感器、陶瓷傳感器。

集成傳感器是用標準的生產(chǎn)硅基半導體集成電路的工藝技術制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。

薄膜傳感器是通過沉積在介質襯底(基板)上的，相應敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。

厚膜傳感器是利用相應材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器采用標準的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。

完成適當?shù)念A備性操作之后，已成形的元件在高溫中進行燒結。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。

每種工藝技術都有自己的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

3 機器視覺技術

采用機器代替人眼來做測量和判斷的“機器視覺”，第一步靠的就是傳感器技術。

機器視覺系統(tǒng)是通過圖像攝取裝置把圖像抓取到，然后將該圖像傳送到處理單元，再通過數(shù)字化處理，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，來進行尺寸、形狀、顏色等的判別。進而根據(jù)判別的結果來控制現(xiàn)場的設備動作。

機器視覺技術日臻成熟，在現(xiàn)代加工制造業(yè)中，廣泛應用于食品和飲料、化妝品、制藥、建材和化工、金屬加工、電子制造、包裝、汽車制造等行業(yè)。在現(xiàn)代自動化生產(chǎn)過程中，廣泛地用于工況監(jiān)視、成品檢驗和質量控制等領域。機器視覺系統(tǒng)能提高生產(chǎn)的柔性和自動化程度，提高了生產(chǎn)效率和生產(chǎn)的自動化程度，機器視覺易于實現(xiàn)信息集成，是實現(xiàn)計算機集成制造的基礎技術。

4 機器視覺工業(yè)檢測系統(tǒng)類型

機器視覺工業(yè)檢測系統(tǒng)從檢測性質和應用范圍而言，分為定量和定性檢測兩大類，每類又分為不同的子類。機器視覺在工業(yè)在線檢測的各個應用領域十分活躍，如：印刷電路板的視覺檢查、鋼板表面的自動探傷、大型工件平行度和垂直度測量、容器容積或雜質檢測、機械零件的自動識別分類和幾何尺寸測量等。此外，在許多其它方法難以檢測的場合，利用機器視覺系統(tǒng)可以有效地實現(xiàn)。機器視覺的應用正越來越多地代替人去完成許多工作，這無疑在很大程度上提高了生產(chǎn)自動化水平和檢測系統(tǒng)的智能水平。

用微波作為信號源，根據(jù)微波發(fā)生器發(fā)出不同波濤率的方波，測量金屬表面的裂紋，微波的波的頻率越高，可測的裂紋越狹小。

自動光學檢測 (AOI) 指的是通過在受控照明條件下使檢測目標（如 PCB 的一部分）成像進行的目標檢測。

在AOI 系統(tǒng)中，捕獲和重建3-D 形狀的能力是非常必要的。3-D AOI從檢測圖像中可以萃取出不同類型的信息。其表面顏色一直被成功用于檢查零部件情況，對于焊點檢測，精確確定焊點質量，形狀信息比顏色信息更有用。

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Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.

關鍵詞:機電一體化;傳感器;發(fā)展趨勢

Key words: mechatronics;sensor;development trend

中圖分類號:TH122 文獻標識碼:A文章編號:1006-4311(2010)11-0084-03

0 引言

現(xiàn)代科學技術的不斷發(fā)展,極大地推動了不同學科的交叉與滲透,導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域,由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化,使機械工業(yè)的技術結構、產(chǎn)品機構、功能與構成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。

1機電一體化認識

日本在1971年提出一個新的英文集成名詞“Mechatronics”詞首Mecha取自Mechanics(機械學),詞尾tronics取自Electronics(電子學)。我國經(jīng)常譯為機電一體化或機械電子學。在1981年德國工程師協(xié)會,德國電氣工程技術人員協(xié)會共同組成的精密工程技術專家組提出的“關于大學精密工程技術專業(yè)的建議書”中,把精密工程技術定義為光-機-電一體化的綜合技術。它包括機械(含液壓,氣動及微機械),電工與電子,光學等技術及其組合,其核心為精密工程技術。在當前“信息爆炸”的形式下,相對于專門型人才來說,市場對復合型人才的需求更加迫切。在中國,我們認為機械發(fā)展新階段是機電一體化階段。機電一體化是指在機構的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術,將機械裝置與電子化設計及軟件結合起來所構成的系統(tǒng)的總稱。機電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學科,隨著科學技術的不但發(fā)展,還將被賦予新的內(nèi)容,基本特征可概括為:機電一體化是從系統(tǒng)的觀點出發(fā),綜合運用機械技術、微電子技術、自動控制技術、計算機技術、信息技術、傳感測控技術、電力電子技術、接口技術、信息變換技術以及軟件編程技術等群體技術,根據(jù)系統(tǒng)功能目標和優(yōu)化組織目標,合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質量、高可靠性、低能耗的意義上實現(xiàn)特定功能價值,并使整個系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術。因此,“機電一體化”涵蓋“技術”和“產(chǎn)品”兩個方面。只是,機電一體化技術是基于上述群體技術有機融合的一種綜合技術,而不是機械技術、微電子技術以及其它新技術的簡單組合、拼湊。這是機電一體化與機械加電氣所形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機械工程技術有純技術發(fā)展到機械電氣化,仍屬傳統(tǒng)機械,其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外,還能賦予許多新的功能,如自動檢測、自動處理信息、自動顯示記錄、自動調節(jié)與控制自動診斷與保護等。即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的眼神,具有智能化的特征是機電一體化與機械電氣化在功能上的本質區(qū)別。

2機電一體化的設計過程

機電一體化的機械動力部分由一般電動機演變?yōu)榭刂齐妱訖C,里程碑式地引入了電子和計算機等先進技術,代替人完成機器的檢測與控制等工作。在知識經(jīng)濟中體現(xiàn)了制造業(yè)高科技化,促進了高科技產(chǎn)業(yè)和知識經(jīng)濟的發(fā)展。它是一種用于機電產(chǎn)品最優(yōu)設計的方法學。它包括4個基本學科:電氣、機械、計算機科學和信息技術。如圖1所示。

機電一體化系統(tǒng)和多學科系統(tǒng)之間的區(qū)別不在于它們的組成要素,而在于這些組成要素設計的次序。一直以來,多學科系統(tǒng)設計使用一種按學科順序設計的方法。比如,機電系統(tǒng)的設計一般通過以機械設計開始的三個步驟完成。當機械設計完成后,設計電源和微電子系統(tǒng),接著是控制算法的設計及其實施。按學科順序設計的方法的最大缺點是對整個過程中各個點的固定設計導致新的限制,這種限制源于對這些點的設計,而且會傳遞到下一個學科點的設計。使用并行方法進行預先設計可以使產(chǎn)品更具協(xié)同性。它補充了信息系統(tǒng)以指導設計,這種指導貫穿于設計的各個階段,而不只是預先設計階段,從而使之更加綜合。在將機械,電氣及計算機系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進行集成以設計制造產(chǎn)品和過程時,需要進行協(xié)同。最終產(chǎn)品的功能應大于其各部分功能之和。如果沒有協(xié)同組合的話,機電一體化產(chǎn)品具有的性能特征是很難實現(xiàn)的,機電一體化的關鍵要素如圖2。

機電一體化系統(tǒng)是在物理系統(tǒng)中使用信息系統(tǒng)的結果。物理系統(tǒng)包括機械系統(tǒng),計算機系統(tǒng),執(zhí)行器,傳感器和實時接口。機電一體化系統(tǒng)不只是機電系統(tǒng),而且還是一個控制系統(tǒng)。傳感器和執(zhí)行器用來把能量從動力大的一邊(通常是機械的一邊),轉換到動力小的一邊(通常是電氣和計算機的一邊)。上圖中的機械系統(tǒng)不僅包括機械零部件,還可能包括流體,氣動,熱,聲,化學及其它學科。傳感技術已經(jīng)出現(xiàn)了新的發(fā)展以適應對特殊監(jiān)測應用解決方案不斷增長的需要。

2.1 機電一體化中的集成設計問題由于機電一體化方法內(nèi)在的并行性,或同時性工程,所以樣機試制階段的建模與仿真很重要。因為模型來自于各學科的綜合應用。所以應用一種可視化的編程軟件是很重要的。這樣就涉及到了框圖,流程圖,狀態(tài)轉換圖和波特圖。機電一體化是一種設計哲學,其產(chǎn)品或設備有一個重要的特點就是它們內(nèi)部的智能,這是將執(zhí)行器,傳感器,控制系統(tǒng)和計算機組合設計實現(xiàn)的。系統(tǒng)的集成是通過硬件(部件)和軟件(信息處理)的聯(lián)合實現(xiàn)的。硬件集成是將機電一體化系統(tǒng)看成一個整體系統(tǒng)來設計的,將傳感器,執(zhí)行器和微處理器融入到機械系統(tǒng)中,軟件集成主要基于高級控制功能在設計時應首先分析客戶要求以及系統(tǒng)集成的技術環(huán)境。在制作時應考慮了解客戶,市場分析,優(yōu)化性能,生命周期性能,質量,可靠性和銷售。

2.2 機電一體化關鍵要素①信息系統(tǒng):信息系統(tǒng)包括信息傳輸?shù)乃蟹矫?從信號處理到控制系統(tǒng)到分析技術。信息系統(tǒng)結合了以下四種學科:通訊系統(tǒng),信號處理,控制系統(tǒng)和數(shù)值計算方法。在機電一體化應用中,我們最關心的是建模,仿真,自動控制和用于優(yōu)化的數(shù)字方法。②自動控制:控制系統(tǒng)工程學是在19世紀晚期產(chǎn)生的學科,認為在低階系統(tǒng)(三階或三階以下)系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于特征方程的根和勞思(Routh)判據(jù),這是一個很好的判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析工具。③最優(yōu)化: 就是先確認最優(yōu)軌跡,最優(yōu)軌跡是根據(jù)系統(tǒng)的要求即約束條件確定的,然后設計控制系統(tǒng),在設計控制系統(tǒng)的時候應使系統(tǒng)的各參數(shù)最終滿足控制要求,使誤差最小化,或者說使目標函數(shù)的擾動最小化,可用最優(yōu)化過程反復迭代公式(Pk+1=Pk+τ?S k)這里k是迭代次數(shù),S k是P空間內(nèi)的探索方向,τ是該方向上的探索步長空間內(nèi)的探索步長,當P值不能再改進時這個過程結束,此時為最優(yōu)化。④機械系統(tǒng):機械系統(tǒng)考慮力作用下物體的特性。這樣的系統(tǒng)按其性質可分為剛性的,可變形的和可流動的。大多數(shù)機電一體化系統(tǒng)應用的剛體系統(tǒng),都依賴于物理學中的基本定律。⑤電氣系統(tǒng):電氣系統(tǒng)由兩個分支組成:電源系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)以低能量的電信號形式在各點之間傳輸信息。諸如信息存儲,處理和交換是通信系統(tǒng)的常見組成部分。電氣工程的這個領域也稱電子學。另一方面,電源系統(tǒng)用來在各點之間有效的傳遞大量的電能,而不是信息,例如:發(fā)電機是把機械能轉化為電能,而電動機是把電能轉化為機械能。

3傳感器和變換器

儀器儀表在現(xiàn)代科技領域中起著關鍵的作用。傳感器是與儀器儀表緊密相關的機電一體化系統(tǒng)中一個非常重要的組件,其作用是為特定工業(yè)過程提供收集不同信息的機制。傳感器廣泛應用于過程檢測以及工況評價方面,為用計算機系統(tǒng)對制造作業(yè)作較高級的監(jiān)控提供便利,可應用于過程前,過程中及過程后。有時,傳感器可以將一種物理現(xiàn)象轉化為決策分析的可用信號。智能系統(tǒng)用傳感器來監(jiān)測由環(huán)境變化影響的特定場合,然后通過校正動作對其控制。

實際上在所有的應用中,傳感器是將各種現(xiàn)實世界的數(shù)據(jù)轉化為電信號,因此可定義為:傳感器是一種把被測物理量轉換成輸出信號的裝置。因此傳感器也可以稱為變換器,應用范圍廣泛,甚至可以用于分辨那些人類感官無法覺察到的環(huán)境變化。它們作為一次元件,連續(xù)的將變化著的信息轉變成另一種形式,也就是說,傳感裝置檢測被測量,并將其轉換成系統(tǒng)可接受形式的信號,通常為電信號。整個系統(tǒng)的最大準確度由傳感器的靈敏度和其內(nèi)部噪聲干擾所決定。在測控系統(tǒng)中,任何參數(shù)的變化,不論是在被測量中還是在信號修整中,都會直接影響系統(tǒng)的準確度。傳感器和變換器是現(xiàn)代控制系統(tǒng)(電,光,機械或流體系統(tǒng))的兩個重要組成部分,傳感器和變換器選用的程度取決于控制系統(tǒng)的自動化水平和復雜程度。要構成一個復雜控制系統(tǒng),測量裝置必須能夠滿足快速,靈敏和精確的要求。隨著使用要求的不斷提高,傳感器的體積也不斷的小型化,并通常將多個傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組合固定在一起。傳感器的分類:根據(jù)傳感器的輸出信號形式,電源,工作模式以及被測變量可將傳感器分為以下兩大類。模擬傳感器:模擬是指連續(xù)的,不中斷的一系列事件。典型的模擬傳感器的輸出與被測變量是成正比例的,輸出信號以連續(xù)方式變化,根據(jù)其幅值取得信息,通常其輸出要經(jīng)過A/D轉換后輸?shù)接嬎銠C。數(shù)字傳感器:數(shù)字是指一系列離散的事件,各個事件前后分開,如果傳感器的邏輯電平輸出是數(shù)字的,則稱其為數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器有著準確度和精密度高的特點,與計算機監(jiān)控系統(tǒng)相連時不需要任何轉換器。

4A/D,D/A轉換

在計算機控制系統(tǒng)中,主機輸入數(shù)據(jù)或向外部命令,都是通過接口及輸入輸出通道進行的,完成信息傳遞和交換的裝置稱為過程輸入輸出通道。這些通道是聯(lián)系主機與被控對象的紐帶和橋梁。生產(chǎn)對象的各種模擬信號,不能直接輸入計算機,而要經(jīng)過模/數(shù)轉換,轉換成數(shù)字信號,才能輸入計算機進行加工處理。同樣,經(jīng)過計算機加工處理得到的數(shù)字信號,也不可能直接作用與被控對象。而要經(jīng)過數(shù)/模轉變成模擬信號,才能輸出到被控對象。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務是將模擬量即連續(xù)量轉換為數(shù)字量以便于計算機進行存儲,計算和處理。由于絕大多數(shù)物理量都是模擬量。因而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但本身就是一種獨立系統(tǒng),而且是計算機控制系統(tǒng)的極重要的組成部分。

一個典型的計算機控制系統(tǒng)如圖3所示。其工作原理是作為系統(tǒng)輸入的物理量(壓力,溫度,濕度,位置等),首先由傳感器變成點信號,然后送到放大器和濾波器。傳感器的輸出信號一般比較微弱,放大器的作用是將傳感器輸出的電信號放大到適當?shù)拇笮?。以利于進一步處理。濾波器的作用是消除干擾信號。然后,信號送到模擬多路開關,它在計算機的控制作用下對各個模擬通道進行分時處理,將各通道信號接到后面的采樣保持電路和A/D轉換器。采樣保持電路在規(guī)定的時刻對送來的模擬信號進行采樣并在A/D轉換期間保持被采樣的電壓不發(fā)生變化。A/D轉換器在保持時間內(nèi)完成模/數(shù)轉換后將數(shù)字量送到計算機。采樣保持電路及A/D轉換的定時和控制信號均由計算機產(chǎn)生。計算機對A/D轉換器送來的各路數(shù)字量進行各種處理計算,然后用分時方法將處理結果送到各路D/A轉換器變成模擬信號去完成各種模擬控制。有時為了提高速度和精度,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不用模擬多路轉換開關,而是每條通道用一個A/D轉換器。

4.1 傳感器的作用傳感器是工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。如沒有傳感器對生產(chǎn)過程的原始參數(shù)進行精確可靠的測量,那么無論是信號轉換,信息處理,或數(shù)據(jù)的顯示與控制,都將成為一句空話?？梢哉f,沒有精確可靠的傳感器就沒有精確可靠的測量系統(tǒng)。

4.2 A/D轉換器的原理經(jīng)過多路轉換開關和采樣/保持的模擬量必須被變成數(shù)字量才能送入計算機。完成這一轉換任務的器件叫做模擬/數(shù)字轉換器,簡稱A/D轉換器。如圖4是逐次逼近型A/D轉換器原理圖。由圖4可以看出,由N位寄存器,N位D/A轉換器、比較器以及控制邏輯四部分組成。其工作原理:當啟動信號作用后,時鐘信號在控制邏輯作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的數(shù)字量一方面作為輸出用,另一方面,經(jīng)D/A轉換器轉換成模擬量Vx后,送到比較器,在比較器中與被轉換的模擬量Vx進行比較,控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進行判斷。若Vx≥Vc,則保留這一位;若Vx

4.3 D/A轉換器的原理D/A轉換器的作用是將數(shù)字量轉換為模擬量。它實際上是一種由二進制譯碼控制的電流疊加電路。通常包括四個組成部分:精密的電壓基準;模擬二進制數(shù)字電壓(或電流)開關;產(chǎn)生二進制權電流或權電壓的精密電阻網(wǎng)絡;提供電壓或電流輸出相加的運算放大器。其原理如圖5為倒T型電阻D/A轉換器。其輸出電壓表達式很容易用基準電流和響應的倍數(shù)表示出來。與權電流型的D/A轉換器相比,倒T型電阻D/A轉換器具有電路簡單、轉換速度快的優(yōu)點,但其轉換誤差較大。在實際的D/A轉換器中,開關S是電子式的模擬開關。為了減小轉換誤差,開關必須具有導通電阻小,截止電阻大的特點。

5機電一體化綜述

機電一體化系統(tǒng)開發(fā)過程的第一步就是分析客房需求以及系統(tǒng)集成的技術環(huán)境。解決問題的復雜技術系統(tǒng)往往是一個具有數(shù)字或模擬形式并由復雜軟件支持其硬件的機械、電子、液壓和熱動力部件的結合體。典型機電一體化系統(tǒng)使用傳感器從技術環(huán)境中收集數(shù)據(jù)和信息。接下來的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一種集成的方式來涵蓋這個系統(tǒng)的所有子任務。這包括在初始階段對子系統(tǒng)間必要接口的有效描述。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和解釋轉化為執(zhí)行器的動作。機電一體化系統(tǒng)能夠縮短開發(fā)周期,降低成本,提高質量。在機電一體化產(chǎn)品的設計中,有必要在不同的專家組之間協(xié)調知識和需要的信息。并行工程是產(chǎn)品的設計和制造以特殊方式融合的一種設計方法。傳統(tǒng)設計和制造間的障礙得以排除。

6機電一體化的發(fā)展趨勢