高精度、高性能復雜機電裝備被廣泛應用于國防建設、國民經(jīng)濟、高新技術(shù)等重要領(lǐng)域，其設計與制造水平是國家整體科技水平與實力的重要體現(xiàn)。

復雜機電裝備主要包括兩大類：

一類是以機械性能為主，電性能服務于機械性能的機電裝備，如大型數(shù)控機床、加工中心等加工裝備，以及兵器、化工、船舶、農(nóng)業(yè)、能源、挖掘與掘進等行業(yè)重大裝備，主要是運用電子信息技術(shù)來改造、武裝、提升傳統(tǒng)裝備的機械性能。

另一類則是以電性能為主，機械性能服務于電性能的電子裝備，如雷達、通信、計算機、導航、天線、射電望遠鏡等，其機械結(jié)構(gòu)主要用于保障特定電磁性能的實現(xiàn)，被廣泛應用于陸、海、空、天等各個關(guān)鍵領(lǐng)域，發(fā)揮著不可替代的作用。

這兩大類裝備從廣義上講，均屬于機電結(jié)合的復雜裝備，是機電一體化技術(shù)重點應用的典型代表。

機電一體化（Mechatronics）概念，最早出現(xiàn)于20世紀70年代，其英文是將Mechanical與Electronics兩個詞掐頭去尾組合而成，體現(xiàn)了機械與電磁（氣）技術(shù)不斷融合的內(nèi)涵演進和發(fā)展趨勢。

伴隨著機電一體化技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了諸如機-電-液一體化、流-固-氣一體化、生物-電磁一體化等概念，雖然說法不同，但實質(zhì)上基本還是機電一體化，目的都是研究不同物理系統(tǒng)或物理場之間的相互關(guān)系，從而提高系統(tǒng)或設備的整體性能。

高性能復雜機電裝備的機電一體化設計從出現(xiàn)至今，經(jīng)歷了機電分離、機電綜合、機電耦合三個不同的發(fā)展階段。在高精度與高性能電子裝備的發(fā)展上，這三個階段的特征體現(xiàn)得尤為突出。

機電分離（independent between mechanical and electronic technologies，IMET），指電子裝備的機械結(jié)構(gòu)設計與電磁設計分開、獨立進行，但彼此間的信息可實現(xiàn)在（離）線傳遞、共享，即機械結(jié)構(gòu)、電磁性能的設計仍在各自領(lǐng)域獨立進行，但在邊界或域內(nèi)可實現(xiàn)信息的共享與有效傳遞，例如反射面天線的結(jié)構(gòu)與電磁、有源相控陣天線的電磁-結(jié)構(gòu)-溫度等。

需要指出的是，這種信息共享在設計層面上仍是機電分離的，故傳統(tǒng)分離設計固有的諸多問題依然存在，最明顯的有兩點：

一是電磁設計人員提出的對機械結(jié)構(gòu)設計與制造精度的要求往往太高，時常超出機械的制造加工能力，而機械結(jié)構(gòu)技術(shù)人員因缺乏對電磁知識的深入了解，只能千方百計地設法去滿足，帶有一定的盲目性。

二是工程實際中，有時會出現(xiàn)奇怪的現(xiàn)象，即機械結(jié)構(gòu)技術(shù)人員費了九牛二虎之力制造出的產(chǎn)品，電性能又時常出現(xiàn)不滿足的情況。

相反，機械制造精度未達要求的產(chǎn)品，電性能又是滿足的。原因何在，知其然而不知其所以然。

因此，實際工程中，只好采用備份的辦法，最后由電調(diào)來決定選用哪一個。

這兩個問題的長期存在，導致電子裝備研制的性能低、周期長、成本高、結(jié)構(gòu)笨重，成為長期制約電子裝備性能提升并影響下一代裝備研制推進的一個懸而未決的制約瓶頸。

隨著電子裝備工作頻段的不斷提高，機電之間的相互影響愈發(fā)明顯，機電分離設計遇到的問題愈來愈多，矛盾也愈發(fā)突出。

于是，機電綜合（syntheses between mechanical and electronic technologies，SMET）的設計概念出現(xiàn)了。機電綜合是機電一體化的較高層次，它比機電分離前進了一大步，主要表現(xiàn)在兩個方面：

一是建立了同時考慮機械、電磁、熱等性能的綜合設計的數(shù)學模型，可在設計階段有效消除某些缺陷與不足。二是建立了一體化的有限元分析模型，如在高密度機箱機柜分析中，可共享相同幾何空間的電磁、結(jié)構(gòu)、溫度的數(shù)值分析模型。

21世紀初以來，電子裝備呈現(xiàn)出高頻段、高增益，高密度、小型化，快響應、高指向精度的發(fā)展趨勢，機電之間呈現(xiàn)出強耦合的特征。

于是，機電一體化邁入了機電耦合的新階段。

機電耦合（coupling between mechanical and electronic technologies，CMET），是比機電綜合更進一步的理性機電一體化，其特點主要包括兩點：

一是分析中不僅可實現(xiàn)機械、電磁、熱的自動數(shù)值分析與仿真，且可保證不同學科間信息傳遞的完備性、準確性與可靠性。

二是從數(shù)學上導出了基于物理量耦合的多物理系統(tǒng)的耦合理論模型，探明了非線性機械結(jié)構(gòu)因素對電性能的影響機理。設計是基于該耦合理論模型和影響機理的機電耦合設計?？梢姡瑱C電耦合與機電綜合相比具有本質(zhì)不同，有了質(zhì)的飛躍。

從機電分離、機電綜合到機電耦合，機電一體化技術(shù)發(fā)生了鮮明的代際演進，為高端裝備設計與制造提供了理論與關(guān)鍵技術(shù)支撐，而復雜裝備制造的未來發(fā)展，將不斷趨于多物理場、多介質(zhì)、多尺度、多元素的深度融合，機械、電氣、電子、電磁、光學、熱學等融于一體，巨系統(tǒng)、極端化、精密化將成為新的趨勢，以機電耦合為突破口的設計與制造技術(shù)也將迎來更大的挑戰(zhàn)。

隨著新一代電子技術(shù)、信息技術(shù)、材料、工藝等學科的快速發(fā)展，未來高性能電子裝備的發(fā)展將呈現(xiàn)出兩個極端特征。

一是極端頻率，如對潛通信等極低頻段，天基微波輻射天線等應用的毫米波、亞毫米波乃至太赫茲頻段。二是極端環(huán)境，如南北極、深空與臨近空間、深海等。

這些都對機電耦合理論與技術(shù)提出了前所未有的挑戰(zhàn)，亟待開展如下研究：

第一，電子裝備涉及到的電磁場、結(jié)構(gòu)位移場、溫度場的場耦合理論模型（electro-mechanical coupling，EMC）的建立。

因為它們之間存在著相互影響、相互制約的關(guān)系，需揭示它們之間的影響與耦合機理，廓清多場、多域、多尺度、多介質(zhì)的耦合機制，多工況、多因素的影響機理，并描述為定量的數(shù)學關(guān)系式。

第二，電子裝備存在的非線性機械結(jié)構(gòu)因素（結(jié)構(gòu)參數(shù)、制造精度）與材料參數(shù)，對電子裝備的電磁性能影響明顯，亟待探索這些非線性因素對電性能的影響規(guī)律，進而發(fā)現(xiàn)它們對電性能的影響機理（influence mechanism，IM）。

第三，機電耦合設計方法。需綜合分析耦合理論模型與影響機理的特點，進而提出電子裝備機電耦合設計的理論與方法，這其中將伴隨機、電、熱各自分析模型以及它們之間的數(shù)值分析網(wǎng)格間的滑移等難點的處理。

第四，耦合度的數(shù)學表征與度量。理論上講，任何耦合都應該是可度量的。

為深入探索多物理系統(tǒng)間的耦合，有必要建立一種通用的度量耦合的數(shù)學表征方法，進而導出可定量計算耦合度的數(shù)學表達式。

第五，應用中的深度融合。機電耦合技術(shù)不僅存在于幾乎所有的機電裝備中，而且在高端裝備制造轉(zhuǎn)型升級中扮演著十分重要的角色，是迭代發(fā)展的共性關(guān)鍵技術(shù)，在裝備制造業(yè)的發(fā)展中有諸多重大行業(yè)應用，進而貫穿于我國工業(yè)化與信息化的整個歷史進程中。

隨著新科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的到來，尤其是隨著以數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化為標志的智能制造的出現(xiàn)，工業(yè)與信息技術(shù)的深度融合勢在必行，而該融合在理論與技術(shù)層面上則體現(xiàn)為機電耦合理論的應用，由此可見其意義深遠、前景廣闊。