【转】机械设计的巧妙可以简化相应的控制系统吗？

注：这是一个转自 西门子中国 在 知乎 上的问答，跟大家分享一下，话题很赞！

作者：西门子中国
原文链接：https://www.zhihu.com/question/264381487/answer/317691131
来源：知乎
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对于这个问题，我们认为还是要「对产品的质量、功能、成本和交付时间，来平衡机械结构和系统控制的复杂程度」。

毕竟，在现实生活中，设备的使用者其实不关心究竟产品设计过程中哪个结构更加巧妙。而设备的功能、价格以及维护的便捷程度，以及设备带来的便利和财富才是最终用户所看重的。

虽然如此，机电产品作为一个整体，机械结构和控制系统的关系就如同两个亲兄弟，合理的分工还是有必要的。否则两个兄弟闹起别扭来，那可是会要了做设计的爸爸的命。

归结起来，哥俩儿在产品中承担着不同的角色：控制系统负责「采集信息并进行运算和处理，然后根据运算结果输出信号」。例如，收到传感器的信号后，经过对信息的处理，指挥继电器按照一定的次序进行闭合或打开，从而实现对机械构件的驱动。而机械结构则是「在接收到外界的驱动后，执行特定的动作，即对外做功」。

下图是常见机电系统的工作流程：


如果我们想利用机械来简化控制系统，就必须把前面的四个控制步骤都用机构来完成。怎么做的呢？其实获得方式和控制系统的采集信息过程利用传感器有点类似：「自力式控制器」。

比如知友@resurrectcore 提到的瓦特所发明的离心调速器就是自力式控制器应用的一个很好的例子。

类似的例子还有如：我们生活中非常常用的抽水马桶的水阀：当水位降低的时候，阀门打开进水；当到达指定水位的时候，关闭阀门。这里就不再展开了。

更多的，早期的自动化产品其实都是依靠机械来实现各个机构之间的时序排列的。例如在制药机械、包装机械中就大量通过使用凸轮和槽轮来调整时序和形成复杂的运动轨迹来实现这些机械的功能。

此外，在现在的防呆设计中，我们也利用一些逻辑关系去控制一些错误的发生。这也是一个利用机械结构来实现控制的例子。比方说在输配电行业中非常常见的中压开关设备，根据GB3906-2006 的要求：“为了防护和便于操作，设备的不同元件间应装设联锁，在设计时，应优先考虑机械联锁。”

所以在高压开关柜中，我们为了防止接地开关在闭合时，有人将闭合断路器推入柜体，从而导致电路直接短路。设计者便使用了一个小技巧：在接地开关操作轴上固定一个销钉，阻挡联锁板向上运动。此时将无法打开断路器推入的摇杆的操作孔(如下图)，这样，就无法将断路器推入到工作位置，自然也就无法闭合断路器了。


尽管机械结构也能实现部分控制功能，但是由于机械结构实现控制的功能大部分是利用零部件的几何特征或者材料的特性等物理性能来实现控制，缺少信息收集和反馈过程。因此机械地实现自动控制虽然直接，却也是非常局限。成本虽低廉，但功能简单，调整起来还有困难。

还是以离心调速器为例：假设当火车在下坡，即使离心调速器把阀门全部关闭后，车速还是在不断的上升，这样就无法控制车速带来的风险。但是如果采用系统控制，则可以在关闭阀门的同时也可以让刹车机构进行动作。这取决于控制系统的综合判断。

现在来回答题主的第二个问题，究竟应该把复杂性偏向于系统控制还是机械结构？

毫无疑问的是，「技术的进步让控制系统可以承担更加复杂的工作和功能」。尤其在现阶段，正在经历着制造业的大变革，制造业生产开始走向信息化、数字化、智能化。在未来的制造业中，机械设备基本上处于整个信息链的执行层面的位置。

在机械结构实现的自动化中，跳过了信息采集、比较判断和反馈的阶段，没有信息的收集，显然面对复杂的情况需要协同执行动作的时候就非常困难了。也就是说，机械结构无法承担起复杂系统控制的任务。下表中是《国家智能制造标准体系建设指南(2018年版)》(征求意见稿)中的截图，可以看到，在未来制造的整个系统中，机械设备只是其中很小的一部分。


事实上，由于系统控制的不断发展，在一些自动化生产线中常常采用伺服电机、气缸、液压缸等标准化的执行元件协同动作从而简化机械结构。这样做的优点是既保证了质量的可靠，也缩短了制造周期。

如果有机会，我们在以后也会邀请知友来西门子的数字化体验中心参观。在这里，你可以直接感受到复杂的数字化系统所带来的生产力和效率的巨大提升。通过智能网络，可以及时获得设备、仓储以及物流的信息，并经过运算达到整个系统的最优，避免了大量时间在等待中的浪费。这是用纯粹的机械结构所是望尘莫及的。

综上，产品设计中的重点不是如何对复杂程度的分配，而是对用户需求的甄别和大的发展趋势的把握。如果一定要区分的话，「把产品的复杂度放在系统控制上，这样在未来升级换代时将具备极大的优势」。


本文作者：
宋凤权 @顾此失彼

西门子大型特种电机（山西）有限公司