机电一体化:你不能说一个系统是可靠的

“一个人应该知道自己的极限。”这是克林特·伊斯特伍德在电影《马格南力》中最令人难忘的台词之一，蕴含着巨大的智慧。但是这与工程系统的可靠性有什么关系呢?

当我们说一个人可靠时，我们指的是什么?有没有可能说一个人在所有情况下或某些情况下都是可靠的?同样的问题需要应用到工程系统设计中，因为可靠性不可能是事后才考虑的。

随着我们越来越依赖复杂的机电系统，仅仅了解它们是如何工作的是不够的;我们还必须了解它们是如何失败的。容错系统设计，而不仅仅是容错组件或子系统设计，已经变得至关重要。可靠性是指某件物品在规定的条件下，在规定的时间内完成规定功能的概率。因此，工程师需要定义系统必须执行的功能、系统运行的边界条件以及需要可靠性的持续时间。

为了更好地理解可靠性，我采访了密尔沃基工程学院流体动力研究所的流体动力咨询工程师Tim Kerrigan，他的工作是确保工业和政府系统的设计具有可靠性。

可靠性的物理失效方法与现代机电系统设计的基于模型的方法是一致的。它使用建模和分析将可靠性设计到系统中，执行可靠性评估，并在最有效的地方进行可靠性测试。该方法涉及对潜在失效机制(如疲劳、磨损和温度)、失效部位和失效模式(失效机制的激活)的理解和建模。机电系统的故障模式包括机械、电气、计算机和控制子系统的故障模式，即硬件故障和软件故障。故障物理方法可以提高可靠性，减少到现场系统的时间，减少测试和成本，并提高客户满意度。

随着机电系统变得越来越复杂，子系统之间的相互作用-机械，电气，计算机和控制-变得更加难以管理，整个系统的可靠性受到这种集成的影响。因此，对整个系统可靠性的评估必须有足够的安全裕度。这里一个有用的类比是反馈控制系统。它提供了很大的好处，但是如果纠正措施的强度(增益)和系统动态滞后(相位滞后)之间不平衡，反馈控制系统就会变得不稳定。模型不确定性通过假设发生增益变化或相位变化来量化，而增益或相位不确定性的容差分别为稳定裕量、增益裕量和相位裕量。真实的系统必须有足够的稳定裕度。真实的系统也必须有足够的可靠性裕度。

机电一体化可以通过预测、诊断和内置测试功能增强系统的可靠性和容错性。额外的传感器和控制元件必须非常可靠，也会增加额外的成本。但与可靠性的初始设计成本相比，不可靠性的长期成本是巨大的。此外，可靠性设计提高了能源效率和可持续性。可靠性和容错性是商业市场的竞争优势，也是医疗保健、军事和运输部门的绝对要求。

Kevin C. Craig，博士，Robert C. Greenheck工程设计讲座教授，马凯特大学工程学院机械工程教授。

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