文档介绍：第3章:机电一体化控制系统的组成与接口设计
控制系统的一般设计思路
、硬件与软件的权衡与抉择
控制系统的设计是综合运用各种知识的过程。不同产品所需要的控制功能、控制形式和动作控制方式也不尽相同。由于采用微机作为机电一体化系统或产品的控制器,因此,其控制系统的设计就是选用微机、设计接口、选用控制形式和动作控制方式的问题。这不仅需要微机控制理论、数字电路、软件设计等方面的知识,也需要一定的生活和生产工艺知识。通常由机电一体化设计人员首先提出总的设计要求,然后由各专业人员通力协作。在设计中,首先会遇到的问题有以下几种。

专用控制系统适合于大批量生产的机电一体化产品。在开发新产品时,如果要求具有机械与电子有机结合的紧凑结构,也只有专用控制系统才能做到。专用控制系统的设计问题,实际上就是选用适当的通用IC芯片来组成控制系统,以便与执行元件和检测传感器相匹配,或重新设计制作专用集成电路,把整个控制系统集成在一块或几块芯片上。对于多品种、中小批量生产的机电一体化产品来说,由于还在不断改进,结构还不十分稳定,特别是对现有设备进行改造时,采用通用控制系统比较合理。通用控制系统的设计,主要是合理选择主控制微机机型,设计与其执行元件和检测传感器之间的接口,并在此基础上编制应用软件的问题。这实质上就是通过接口设计和软件编制来使通用微机专用化的问题。

无论是采用通用控制系统还是专用控制系统,都存在硬件和软件的权衡问题。有些功能,例如运算与判断处理等,适宜用软件来实现。而在其余大多数情况下,对于某种功能来说,既可用硬件来实现,又可用软件来实现。因此,控制系统中硬件和软件的合理组成,通常要根据经济性和可靠性的标准权衡决定。在用分立元件组成硬件的情况下,不如采用软件。如果能用通用的LSI芯片(大规模集成电路)来组成所需的电路,则最好采用硬件。这是因为与采用分立元件组成的电路相比,采用软件不需要焊接,并且易于修改,所以采用软件有利。而在利用LSI芯片组成电路时,不仅价廉,而且可靠性高,处理速度快,因而采用硬件有利。
控制系统是一种电子装置,比起机械装置来,它的环境适应能力较差,并且存在电噪声干扰问题,例如在一般车间现场条件下使用就容易出故障。而且,电子装置的维修需要专门的技术工具,一般机械操作人员不易掌握。因此在设计控制系统时,对于提高包括环境适应性和抗干扰能力在内的可靠性时,必须特别注意采取必要的措施。

由于控制要求的不同,控制系统的设计方法和步骤也不相同,必需根据具体情况而定。就采用微机的控制系统而言,其一般设计步骤为:确定系统整体控制方案;确定控制算法;选用微型计算机;系统总体设计;软件设计等。

(1)应了解被控对象的控制要求,构思控制系统的整体方案。通常,先从系统构成上考虑是采用开环控制还是闭环控制,当采用闭环控制时,应考虑采用何种检测传感元件,检测精度要求如何。
(2)考虑执行元件采用何种方式。是电动、气动还是液动,比较其答案的优缺点,择优而选。
(3)要考虑是否有特殊控制要求,对于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系统,应采取哪些措施。
(4)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)应初步估算其成本。通过整体方案考虑,最后画出系统组成的初步框图,附以说明,以此作为下一步设计的基础和依据。

对任何一个具体控制系统进行分析、综合或设计,首先应建立该系统的数学模型,确定其控制算法。所谓数学模型就是系统动态特性的数学表达式。它反映了系统输入、内部状态和输出之间的数量和逻辑关系。这些关系式为计算机进行运算处理提供了依据,即由数学模型推出控制算法。所谓计算机控制,就是按照规定的控制算法进行控制,因此,控制算法的正确与否直接影响控制系统的品质,甚至决定整个系统的成败。
每个控制系统都有一个特定的控制规律,因此,每个控制系统都有一套与此控制规律相对应的控制算法。由于控制系统种类繁多,控制算法也很多,随着控制理论和计算机控制技术的不断发展,控制算法更是越来越多。例如,机床控制中常使用的逐点比较法的控制算法和数字积分法的控制算法;直接数字控制系统中常用的PID调节的控制算法;位置数字伺服系统中常用的实现最少拍控制的控制算法;另外,还有各种最优控制的控制算法、随机控制和自适应控制的控制算法。在系统设计时,按所设计的具体控制对象和不同的控制性能指标要求,以及所选用的微型机的处理能力选定一种控制算法。在选择控制算法时,应注意控制算法对系统的性能指