集成系统的复杂性不断增加CONTROL ENGINEERING China版权所有，这需要工程师切实解决设计阶段从物理上连接各种系统时可能发生的许多问题。
　　“机电一体化”一词最初是指由机械、电子、控制和软件系统一起组成的系统。如今，这个术语用来描述的系统的范围更加广泛。“机”延伸到包括机械在内的其他领域，而“电”则包括了软件和控制系统，不再仅仅是指电子学。
　　对工程师而言，通过综合多种不同的技术来创造一种有用、可靠又激动人心的设备具有不可抗拒的诱惑力。但这可不是一项轻松的任务，特别是当考虑到集成系统所达到的规模和复杂度的时候。电话不再仅仅是一部电话 – 它可能包含了照相机、键盘、加速计以及许多其他功能。承担此类系统设计任务的工程师必须充分了解和把握各方面的需求，并坚持不懈地解决集成此类异构系统时将会发生的所有问题。
　　在检测和解决集成问题方面，仿真技术的运用愈加频繁。对于单独的组件和子系统而言，仿真的运用已经有些时日，但是只有将这些单独的系统实实在在地整合在一起时，仿真的真实价值才能得到全面体现。众所周知，在部署硬件之前，如果能够发现问题，那么一定会节省巨大的成本。不仅如此，更重要的是，这样还能优化系统性能。这些目标只能通过仿真来实现。您可以在一个仿真的环境中将那些毫无关联的功能与控制器组合在一起。
　　混合动力电动汽车的 Simulink 模型。这个系统级机电一体化模型中整合了电子、机械、控制和软件等系统，以进行燃油经济性研究。
　　以混合动力电动汽车为例。其中部分架构包含电池、发电机、发动机和变速器，所有这些组件一起协同工作。虽然可以对每个组件进行独立仿真，但是为了优化燃油经济性，必须对汽车的整体性能进行评估。只有这样才能真正在测试车辆的行驶工况过程中最大限度地降低燃油消耗量。

混合执行器的Simulink模型。将一个直流电机以及导螺杆与压电叠堆串联在一起。这两种执行器技术相结合，产生了一个具备精确控制功能的大行程执行器。
　　最佳实践
　　卓越的工程组织不会等到选定组件之后才开始执行仿真。根据 Aberdeen Group 的调查，一个行业中最出色的组织使用仿真来验证系统级行为的可能性是其他组织的 5.3 倍。他们的设计流程往往从建模和仿真开始，这些虚拟测试可以确定系统需求。与使用硬件原型相比，采用仿真的方式来增大或减小电机、发电机、发动机和其他组件的尺寸更具成本效益，并且能够引导设计团队步向正轨www.cechina.cn，而不会出现考虑不周的情况。
　　许多汽车供应商开发了内部资源库，以促进建模、仿真和多领域优化。在这些实例中，一个由工程师组成的核心小组开发了一些覆盖电子、机械和热系统的模型库，可以与其他团队进行共享。这些团队采用所需要的组件，将这些组件与他们设计的系统模型进行结合CONTROL ENGINEERING China版权所有，从而对整个系统进行仿真。通过改变参数值或使用优化算法，这些小组可以查看系统是否能够达到设计目标。这些仿真的结果将纳入需求流程，以便采用最佳方式来确定组件的大小。
　　扩大机电一体化的范畴
　　随着新技术的不断发展，机电一体化系统所涵盖的范围正在迅速扩大。通过在设计流程的早期阶段执行仿真，工程师可以尝试运用新技术，以便了解是否能够改进设计。例如，将微电子机械系统 (MEMS) 中使用的压电装置与线性执行器相结合，可产生大行程执行器，而且还能提供精确的控制（± 0.1 毫米）。
　　对于最新的技术，这可能很困难，因为对于一种具体应用，市面上能够提供现成模型（具备适当保真度的相关效果）的产品即使有，也非常少。在这些情况下，如果工程师想要通过仿真得到好处控制工程网版权所有，他们需要创建自己的模型。
　　电池单元的 Simulink 模型。工程师通过具有以 Simscape 语言创建的自定义组件的自定义等效放电电路，可以在机电一体化系统中添加新的技术。
　　另一个示例是电池技术。随着新材料、新化学品和电池几何结构的产生，这已经成为炙手可热的开发领域。在某些情况下，不存在所使用的新化学作用的模型。这些模型可以通过许多方法来创建，但是最佳方法会提供创建可重用组件的能力，这些组件通过代表物理连接的接口相互连接。可以选择为单个组件定义复杂的电压/电流关系，然后即可在电路中的任何位置使用这个新组件模型，而不论它与什么组件相连接CONTROL ENGINEERING China版权所有，从而提高了团队设计系统的效率。
　　定义电池模型的常用方法是创建电池单元等效放电电路。该电路将使用一些组件，这些组件的属性取决于热量、荷电状态、充电深度和其他量值。这些隐含的关系通过物理建模语言按组件进行定义，然后让仿真工具为整个网络构造方程，这给工程师提供了灵活性，让他们可以将新电池化学作用快速融入设计流程。
　　仿真精度控制
　　机电一体化系统依赖多个控制器，这些控制器之间经常发生交互。为了达到这些系统所要求的精度，通常必须使用闭环控制。涉及两种不同技术以及两种不同控制器的混合执行器可能给工程师带来严峻的挑战。例如，采用串激压电电动机的气动执行器可提供大行程和精密控制。但是，每个系统的控制系统必须协同工作才能实现设计要求的定位精度。同样，为了确保设计的控制结构和参数达到最佳化，仿真的运用不可或缺。
　　混合执行器的 Simulink 模型，将一个直流电机以及导螺杆与压电叠堆串联在一起。这两种执行器技术相结合，产生了一个具备精确控制功能的大行程执行器。
　　印刷系统是另一个注重精度的机电一体化系统的典型例子。在印刷机中，切断调节器在切割各页之前确定印刷材料在辊刮刀下的位置。对于高质量的杂志印刷来说，切割必须精确到 0.3 毫米以内。但是由于印刷材料穿过印刷机的速度高达每秒钟 15 米，所以控制算法只有 10 毫秒的时间来调整切断调节器的位置。定位纸张的机电一体化系统不仅要十分精确，而且速度还要非常快。
　　manroland AG 是使用建模和仿真来开发高精度印刷系统的企业典范。在 Simulink 环境中，工程师们构建了印刷机的对象模型，其中整合了从印刷运转过程中收集的性能数据。然后，他们开发了基于比例积分微分 (PID) 控制器的控制系统模型。运用建模和仿真来开发系统的效率非常高，对实际系统进行测试时，控制器在生产环境中可以按照设计要求立即工作，并且始终符合客户对误差率、精度和响应时间的需求。凭借执行快速迭代的能力，manroland 工程师对质量和功能进行了优化，同时将设计迭代时间从数星期缩短到数分钟，这使得总体开发时间缩短了 50%。
　　文章编号：1109-11
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