机电一体化控制系统中的可靠性分析

来源:用户上传      作者: 官腾

　　【摘要】机电一体化系统在人们的生产和生活中占有重要的地位。通过对影响机电仪控制系统可靠性的因素进行分析，提出了提高系统可靠性的措施。
　　【关键词】机电一体化；控制系统；可靠性；影响因素
　　机电一体化系统发展至今已经成为了一种自动化程度高、构成要素复杂的有机系统。机电一体化技术集成了机械、电子、信息处理、测试控制、计算机以及伺服驱动等多种先进技术，并逐渐呈现出高附加值化、多功能化、高效率化、高精度化等趋势。机电一体化设备广泛地应用于工业生产与生活，或作为工作母机用以加工各种精密复杂的零件。机电一体化系统一旦出现故障，极有可能会造成生产上巨大的损失。因此，研究机电一体化系统的可靠性，提高体系的安全性是十分必要的。
　　1.机电一体化系统的可靠性
　　机电一体化系统的可靠性直接影响着系统的正常运转，是产品或系统在标准条件或时间内实现特定功能的能力的体现，主要包括四项内容。1）产品。产品是对系统性能进行探索的活动主体，亦即可靠性研究的对象，可以是一套设备，或单一的零件。零件的质量是系统可靠性的最直接表达，系统的任一故障出现都有可能引起产品的质量问题。2）规定的标准。所谓标准可以是具体的条件，比如温度、压力、载荷等；还可以是操作方法、维护手段或工作人员的自身能力等。标准条件的变化对系统的可靠性影响甚大，在机电一体化系统中对系统要素中的标准规定应严格执行，任何超越标准的反应都可能会引发相应的故障；工作人员的操作能力及失误也会造成系统的损坏。3）规定时间。系统的可靠性是有时间界定的，在规定的时间内系统呈现出一定的目标可靠度；时间限定的差异，系统或产品的可靠性也有所不同。4）规定的能力。实现或达成一定的效果，完成所规定的能力结果是系统可靠性的终端体现。系统是否可靠就是指其实现规定的能力是否符合规定值，未能实现功能就称为失效，对于可修复的系统或短暂的失效也称之为故障。机电一体化系统类型多种多样，运行状态也千差万别，所需要的运行条件也不尽相同，对可靠性的要求自然会有所差别。
　　2.影响机电一体化控制系统可靠性的因素
　　机电一体化控制系统和设备的构成复杂，往往由多种机械结构和电子元器件组成。因此，对其整体进行可靠性评价是极为困难的，只能通过对一些具体故障的表现形式来分析。
　　2.1硬件逻辑故障
　　虽然机电一体化控制系统较之其它控制系统更加复杂，但从其功能结构来看，可以划分为具有一定逻辑功能的单元。这些逻辑单元通常可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两种。所谓组合逻辑电路，是指输出信号可以用它的输入信号的逻辑函数表示的逻辑电路。所谓时序逻辑电路，是指逻辑电路中某一时刻的输出值，它不仅依赖于本次加于它的输入端的信号，而且还依赖于先前加在该输入端的信号。组合逻辑电路的故障是指电路不能按给定真值表实现其逻辑功能时；对于时序逻辑电路的故障，可以认定为当电路不能按照状态转换表要求实现其状态转换并输出预定值时。
　　2.2软件故障
　　机电一体化系统的控制中软件部分占有十分重要的地位，在机电一体化系统中所占的比重越来越大，其故障的可靠性也日益受到人们的重视。控制系统的软件主要包括系统软件与应用软件两部分，其故障的表现形式也主要分为两种。系统软件是机电一体化控制系统为用户提供的一种计算环境和开发手段，包括了操作系统、编译和转换程序，其故障的发生往往是由于软件设计缺陷导致的。在系统软件的设计中，设计者由于对系统功能的掌握程度不足，在算法和定义上存在漏洞，而缺陷一旦形成便不能自动修复，并会始终存在。在系统进行某种操作时，设计缺陷可能就会暴露出来，引起软件故障。应用软件中一部分是由设计阶段设计者根据系统要求固化在程序中，另一部分则是用户在使用设备的过程中输入的内容。应用系统的故障主要出现在程序结构上，由于是人为输入，可能会出现编写或格式的错误，进而导致程序无法运行。这种故障的避免也比较简单，主要是严格对输入内容进行把关，并在系统的硬、软件上增加一些对应用软件的检查能，如防止输入出错的硬件奇偶校验电路，软件的自诊断或自测试功能等。
　　2.3电磁干扰
　　机电一体化控制系统是由各种电磁元器件组成的，在设备运行过程中必然伴随着电磁能量的转换，这就造成了系统本身会产生干扰波来影响周围的元器件功能，而其本身也受到外界环境中出现的电磁干扰。机电一体化控制系统的电磁干扰是一个更为复杂的问题，通常难以来划定和描述。电磁干扰对系统的可靠性也有着相当的影响作用，主要情况有：1）交流供电系统受邻近大功率用电设备启动、制动影响，造成电源电压波动，以及电器开关接通断电时由电火花产生的高频电磁干扰；2）当直流电源的压力不够，没有相对稳定的功率储备时，电压会随着负载的变化而呈现波动状态。
　　3.提高机电一体化系统可靠性的措施
　　机电一体化控制系统的可靠性是其稳定运行的重要保障，采取必要的措施来提高系统的可靠性是十分必要的。由以上对系统可靠性的影响因素分析可知，系统的故障出现不仅是使用中的问题导致，还与系统的设计、制造阶段有着必要的联系。首先，在系统的整个周期中的各个阶段，即确定系统的要求、软件需求分析、软件设计、程序编码、软件测试和验证、软件维护等阶段，都要有周密的要求和说明，详细的分析和论证，以提高系统软件的可靠性。在机电一体化控制系统的设计、制造及装配阶段要采用可靠性高的元件，重要部位采用的元件必须进行测试、检验。其次，采用容错法设计可以提高系统的可靠性。采用备用的软、硬件来参与系统的运行，一旦系统出现了该部分的故障，在更换备用件后系统仍可以正常运行。虽然这种方法可以使系统提高可靠性，但冗余设计必然会增加系统的造价和复杂性，在设计时应针对故障常出现的部件或重要的部件采取这种方法。
　　机电一体化系统通常都是十分复杂的，若想不出现故障几乎是没有可能的。因而，在系统设计中增强系统的自诊断、自适应、自调整和自修复功能，在系统出现故障时可以自动运行预备措施，避免事故的出现，这也是提高系统的可维护性、安全性和可靠性的重要措施。
　　4.结束语
　　随着机电一体化技术的应用越来越广泛，人们对其可靠性的重视程度越来强。机电一体化系统往往在生产中占有重要的地位，一旦出现系统故障，对产品生产的损失是巨大的。因此，研究和分析影响机电一体化系统可靠性的因素，并采取有效的措施来提高机电一体化控制系统的可靠性和安全性，对于人们的生产和生活都有十分重要的意义。
　　参考文献
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