机电一体化信息处理与控制子系统设计

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机电一体化信息处理与控制子系统设计

　　【摘 要】信息处理与控制子系统是由传感器提供信息，根据工艺动作过程而实施对执行系统（执行单元）的控制。控制的实现应按执行部件（机构）的运动学模型、动力学模型来进行，它是由计算机和软件具体实施的。信息处理与控制子系统是实现机电一体化系统智能化、自动化的关键。执行子系统模型建立的好坏直接影响到信息处理与控制子系统的构思和设计。
　　【关键词】信息处理 控制子系统 设计
　　
　　一、信息处理和控制子系统设计过程
　　
　　信息处理与控制子系统的设计是围绕着执行子系统的功能需求而进行的，信息处理与控制子系统设计的主要内容有：
　　1.确定控制子系统的整体方案。构思控制子系统的整体方案必须深入了解被控对象的控制要求。关键问题有：（1）控制方式及其与计算机的匹配条件。对于一个机电一体化系统，要实现某些功能可采用多种控制方案、多种控制方法。计算机系统的主要作用是实现一定的控制策略和完成一定的信息处理。当控制系统的功能和主要性能指标确定后，对计算机的基本要求也就随之确定了。由于工业控制计算机有多种类型，每种类型又包含多种产品，往往有多种方案可以实现同一控制目标。（2）应考虑驱动部件的类型和执行部件（机构）的类型。（3）应考虑对可靠性、精度和快速性有什么要求。（4）应考虑微机在整个控制系统中的作用，是设定计算、直接控制还是数据处理。微机应承担哪些任务，为完成这些任务，微机应具备哪些功能，需要哪些输入/输出通道，配备哪些外围设备。（5）画出控制子系统组成的初步框图，作为下一步设计的依据。
　　2.确定控制算法。应对控制子系统建立数学模型，确定其控制算法。控制算法决定了控制系统的优劣。应根据不同的控制对象、不同的控制指标要求选择不同的控制算法。对于复杂的控制系统，其算法也较复杂，使控制较难实现。为此需进行某些合理简化，忽略某些次要影响因素，使控制算法简化，以获得较好的控制效果。
　　3.控制子系统总体设计。控制子系统要综合考虑硬件和软件措施，解决微型机、被控对象和操作者三者信息交换的通路和分时控制的时序安排问题，保证系统能正常地运行。通过总体设计，画出系统的具体构成框图。
　　4.软件设计。微机控制系统的软件主要分为系统软件和应用软件，软件设计主要指应用软件的设计。控制子系统对应用软件的要求是具有实时性、针对性、灵活性和通用性。系统的硬件和软件需合理结合。在机电一体化系统中，哪些功能用硬件实现、哪些功能用软件实现等都是设计时应考虑的重要问题。对于运算与判断、处理等功能适宜用软件来实现，而其余不少的功能既可用硬件来实现，又可用软件来实现。为了合理组成控制系统的硬件和软件，通常根据系统的经济性和可靠性综合最优来确定。

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　　二、信息处理与控制系统硬件设计
　　
　　1.电子部件设计
　　电子系统的标准部件设计与机械部件设计过程大为不同。对于简单部件，如电容器、电阻器、电位计和变压器等，可以像机械设计那样，将部件设计理解为确定其所有基本性质的过程。部件完全被单个元件的（机械）结构所定义，每个元件又由其形状、尺寸、材料、表面质量所描述。当然，电磁性质对于材料的选择是非常重要的。对于像半导体和集成电路这样的复杂功能部件，对基本设计性质的确定并不能充分地解释所有可直接处理的设计性质。随着超大规模集成电路部件上晶体管数量的惊人增长，电子部件设计只能在计算机辅助下，采用层次化、面向系统的方法来进行。电子部件主要由专业化公司设计，在许多方面都实现了高度标准化，如部件值及公差、功能说明、机械封装（如双列直插式封装、表面贴装技术封装）、温度范围等。只有在一些特殊情况下，机电设计者才需要自行设计电子部件。
　　2.电路设计
　　在电子系统中，可以进行电路的功能设计而几乎独立于其物理实现，其结果就是电路设计（二维）与电子封装设计（三维）的分离。电路基本上是由具有传导联系的功能部件所构成的二维结构。很少从头开始设计一个电路。对于典型的功能需求，在技术资料中存在着大量的概念原理解，如放大器、振荡器、滤波器、模/数转换器、微处理器电路等。电路设计是利用已有元器件创造出新的结构。在设计时，可将设计任务由顶向下地细分为子问题，直至其对应于已知方案解或已知集成部件。电路设计主要基于分析和尺寸确定方法。一旦确定电路图结构，就可详细地计算其性能并进行仿真。因而通常的做法是快速提出一个方案解用于电路分析，然后修改该方案直至满足设计要求。由于一些因素的存在，使得电路功能难以完全独立于电路图的物理实现（即封装），例如：导体尺度限制了能量传输和转换率；电路中的热功耗完全依赖于机械结构；电磁屏蔽对于微处理器的正常运行极其关键；过小的尺寸会引起信号载体间的反馈和串扰；制造公差使得一些规定功能产生了偏差。需要注意的是，以上多数问题都与信号中的能量因素有关，它们实际上是电路设计师和封装、机械设计师的“接口”问题。与机械设计相比，电子系统的功能设计和物理实现相互之间更加独立。在描述电子变换功能、部件结构的图形建模方面，都有相应理论和方法存在，但设计综合理论非常少。在一定程度上，机械设计理论可以应用于电子部件设计和电子封装设计。
　　
　　三、信息处理与控制系统软件设计
　　
　　在软件系统方案设计中，主要问题是生成必需的变换和数据的整体结构。对于一个给定的系统，这个结构通常是唯一的，而其中的程序模块（如算法）则往往能够再次应用于其它设计。但是目前，能够明确软件模块的功能和输入输出的标准化方法还不存在，这就意味着难于进行功能的分类，软件模块的重用也极其有限。所以，软件设计中的问题通常是“新”的，需要寻求未知解。软件工程中的设计建模是个薄弱环节。软件设计非常抽象，只有进入编程阶段，设计者才能使用文字和图表来表达设计的结构和功能。即使在编程阶段，设计工作也只能通过程序清单和输入/输出数据来进行追溯和记录。这样就不可避免地在软件设计者和外行之间产生了隔阂，因为只有在设计即将完成、程序即将嵌入硬件中时，才能够对系统的功能进行测试——而这时再想做出任何重大的修改往往就为时已晚了。为了解决这类问题，已经出现了一些方法，例如快速原型设计，即对早期、粗略的程序思想进行功能建模，以期尽快得到用户反馈、及早发现错误，做出修改。但即使应用快速原型设计方法，设计者也有必要大量使用图形，以便与外行就它的程序功能进行交流。
　　
　　参考文献：
　　[1]张帅.基于循环映射模型的概念设计自动化策略研究[J].机算机辅助设计与图形学学报，2005，17(3)：491-497.
　　[2]曹东兴.基于功能分解的机械产品概念设计[J].机械工程学报，2005，37(11)：13-17.