第二章机电控制工程设计方案的原则.docx
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第二章机电控制工程设计方案的原则
第二章机电控制工程设计的原则和关键技术
本章教案要点和要求：
1、通过学习使学生掌握机电控制工程设计的六大原则
2、学生能重点理解系统性原则、可靠性原则和适合性原则
3、掌握容错的方法
4、了解机电控制工程的关键技术
弟一节机电控制工程设计的原则
在机电控制系统的研发和设计中要重点考虑的原则有：
系统性原则、实用性原则、可靠性原则、经济性原则、时效性原则和适合性原则。
一系统性原则
1系统的概念
系统（System）是指具有特定功能的、相互间具有有机联系的许多要素构成的一个不可分割的整体。
联系的本质是信息的传输和交换。
一个系统可以进一步划分成一些更小的子系统，而且这些子系统也可以单独存在并对外呈现一定的特性，但这些分割开来的子系统都不具备原有系统的整体性质。
另外，这些子系统的简单叠加也不构成原来的系统，而仅仅是一个子系统间的简单集合。
例如：
汽车室由发动机、底盘、车身和电器设备四大系统组成
a、发动机发动机是汽车的动力装置。
其作用是使燃料燃烧产生动力，然后通过底盘的传动系驱动车轮使汽车行驶。
汽油发动机由曲柄连杆机构、配气机构和燃料供给系、冷却系、润滑系、点火系、起动系组成。
b、底盘底盘作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动,保证正常行驶。
底盘由传动系、行驶系、转向系和制动系四部分组成。
c、车身车身安装在底盘的车架上，用以驾驶员、旅客乘坐或装载货物。
轿车、客车的车身一般是整体结构，货车车身一般是由驾驶室和货箱两部分组成。
d、电气设备电气设备由电源和用电设备两大部分组成。
电源包括蓄电池和发电机。
用电设备包括发动机的起动系、汽油机的点火系和其它用电装置。
机电控制工程中的系统性原则有两层含意，一是指所研究开发的仪器、设备或工程是由多个子系统组成，在设计开发中要充分考虑各子系统既相互联系又相对独立的特点；二是指整个工程从开始到结束的全部环节的系统管理过程。
2系统的性质
1）目的性：
任何一个物理或组织系统都具有一定的目的。
例如，制造系统的目的是将制造资源有效地转变成有用的产品。
为了实现系统的目的，系统必须具有处理、控制、调节和管理的功能。
目的性就是解决机电控制系统的所要达到的什么样的主功能。
2）整体性：
系统是由两个或两个以上可以相互区别的要素，按照作为系统所应具有的综合整体性而构成。
系统的整体性说明，具有独立功能的系统要素以及要素间的相互关系是根据逻辑统一性的要求，协调存在于系统整体之中，对外呈现整体特性。
系统的整体性要求应从整体协调的角度去规划整个系统，从整体上确定各组成要素之间的相互联系和作用，然后再去分别研究各个要素。
离开整体性去研究系统的各要素，就失去了原来系统的意义，也就无法达到系统的目的。
其核心思想包括：
一个系统作为整体，具有其要素所不具有的性质和功能；整体的性质和功能，不等同于其各要素的性质和功能的迭加；整体的运动持征，只有在比其要素所处层次更高的层次上进行描述；整体与要素，遵从不同描述层次上的规律。
这便是通常所说的“整体大于部分之和”，即1+1>2。
例：
机器零件的胡乱堆积就不构成机器系统，只有当它们按照一定装配关系组合起来时，才能构成机器系统。
3）集成性：
任何系统都是由两个或两个以上的要素组成，每个要素都对外呈现出自身的特性，并有其自身的内在规律。
但这些要素都要通过系统的整体规划有机地集成为一个整体。
因此系统的集成性并不等于集合性，前者构成一个有机的整体，可以实现系统整体运行的最佳化；后者仅是各组成要素的简单叠加，不仅达不到最优，有时系统还会由于参数不匹配而无法运行。
在机电控制工程的开发过程中的系统集成是指，将不同生产厂家的不同产品、设备通过共同遵守的接口、协议、系统平台和应用软件组成为一个有机整体。
4）层次性：
从系统作为一个相互作用的诸要素的总体来看，它可以分解成由不同级别的分系统构成的层次结构，层次结构表达了不同层次分系统之间的从属关系和相互作用关系。
将系统适当分层，是研究和设计复杂大系统的有力手段。
5）相关性：
组成系统的要素是相互联系、相互作用的，相关性说明这些联系之间的特定关系。
研究系统的相关性可以弄清楚各个要素之间的相互依存关系，提高系统的延续性，避免系统的内耗，提高系统的整体运行效果。
弄清楚各要素的相关性也是实现系统有机集成的前提。
6）环境适应性：
任何系统都必然会受到周围环境的影响，受到外部环境的约束，与外部环境进行物质、能量和信息的交换。
一个好的系统应能适应外部环境的改变，能随着外部条件的变化而改变系统的内部结构，使系统始终运行在最佳状态。
二实用性原则
实用性原则：
是指性能良好，操作、使用与维修方便。
使用性是产品的目的，设计上要“形式服从功能”，遵循实用、合理、为消费者着想的设计原则。
设计出的产品或系统要物有所值，而不是华而不实。
三可靠性原则
1、可靠性原则指满足控制系统的技术要求所采用的技术应当是即先进的又可靠的，并且是开发者熟悉的技术。
而不是一味地追求先进。
为了使控制系统可靠常常采用容错的思想。
所谓容错是指在故障存在的情况下整个控制系统不失效，仍然能够正常工作的特性。
容错即是FaultTolerance，确切地说是容故障（Fault），而并非容错误（Error）。
容错的具体方法有
硬件容错：
①冗余技术
冗余技术又称为储备技术。
它利用系统的并联模型来提高系统可靠性的一种手段。
冗余有工作冗余和后备冗余两类。
a、工作冗余又称为工作储备和掩蔽储备，是一种两个或两个以上单元并行工作的并联模型。
平时，由各个单元平均负担工作应力，因此工作能力有冗余。
只有当所有单元都失效时，系统才失效，如果还有任何一个单元未失效，系统就能可靠地工作，不过这个单元要负担额定的全部工作应力。
b、后备冗余又称为非工作储备或待机储备。
平时只需一个单元工作，另一个单元是冗余的，用于待机备用。
这种系统的设置失效检测和转换装置必须绝对可靠，则后备冗余的可靠比工作冗余的高，如果不绝对可靠，就宁肯采用工作冗余法，因工作冗余系统还有一个优点，就是由于冗余单元分担了工作应力，各单元的工作应力都低于额定值，因此其可靠度比预定值高。
选择冗余法必须考虑产品性能上的要求，如果由多个单元同时完成同一工作显著影响系统的工作特性时，就不能采用工作冗余法。
产品设计必须考虑环境条件和工作条件的影响，例如，如果多个工作单元同时工作，因每个单元的温升而产生系统所不能容许的温升时，最好采用后备冗余法。
又如系统的电源有限，不足以使冗余单元同时工作，也以采用后备冗余法为好。
决定是否采用冗余技术时，要分析引起失效的真正原因。
当失效真正是随机失效时，冗余技术就能大大提高可靠度，但如果是由于过应力所引起的，冗余技术就没有用。
如果某一环境条件是使并联各单元失效的共同因素，则冗余单元也并不可靠。
②诊断技术。
从本质上来看，诊断技术是一种检测技术，用来取得有关产品中产生的失效（故障）类型和失效位置信息。
它的任务有两个：
一是出现故障时，迅速确定故障的种类和位置，以便及时修复；二是在故障尚未发生时，确定产品中有关元器件距离极限状态的程度，查明产品工作能力下降的原因，以便采取维护措施或进行自动调整，防止发生故障。
诊断的过程是：
首先对诊断对象进行特定的测试，取得诊断信号（输出参数）；再从诊断信号中分离出能表征故障种类和位置的异常性信号，即征兆；最后将征兆与标准数据相比较，确定故障的种类和故障的位置。
a．测试：
通常有两种测试，一是在故障出现之后，为了迅速确定故障的种类和故障的位置，对诊断对象进行实验性测试，这时诊断对象处于非工作状态，这种情况称为诊断测试；二是在故障发生之前，诊断对象处于工作状态，为了预测故障或及时发现故障而进行的在线测试，这种情况称为故障监测。
b．征兆：
征兆是有利于判断故障种类和故障位置的异常性诊断信号，可分为直接征兆和间接征兆两类。
直接征兆是在检测产品整机的输出参数或可能出现故障的元部件输出参数时，取得的异常性诊断信号。
例如，产品的主要性能参数异常或有关机械零件的磨损量、变形量等参数变化的信号。
间接征兆是从那些与产品工作能力存在函数关系的间接参数中取得的异常性诊断信号。
例如，产品的音响信号、温度变化、润滑油中的磨损产物、系统动态参数（幅频特性），都可作为取得间接征兆的信号。
采用间接征兆进行诊断的主要优点是，可以在产品处于工作状态及不作任何拆卸的情况下，评价产品的工作能力。
其缺点是，间接征兆与产品输出信号之间往往存存某种随机关系，此外，一些干扰因素也会影响间接征兆的有效性。
尽管如此，间接征兆在诊断技术中还是得到了广泛的应用。
c．诊断：
诊断就是将测试取得的诊断信号与设定的标准数据相比较，或利用事先确定的征兆与故障之间的对应关系，来确定故障的种类与部位。
标准数据是根据产品或元部件输出参数的极限值来设定的。
征兆与故障之间的对应关系，可根据理论分析或模拟仿真实验来建立，当这种关系用列表形式来表示时，称为故障诊断表。
软件容错：
软件容错就是提高软件的可靠性技术，软件的可靠性技术大致包含利用软件提高系统可靠性和提高软件可靠性两方面的内容。
（1）用软件提高系统可靠性要得到理想的可靠度，还要利用软件来进一步提高系统的可靠性。
具体措施有：
a．增加系统信息管理软件与硬件的配合，对信息进行保护，包括防止信息被破坏，在出现故障时保护信息，在故障排除后恢复信息等；
例：
现场数据采集网络系统中的采集器数据发送程序
b．利用软件冗余，防在输入／输出过程及传送过程中出错，如对关键数据采用重复校验方式，对信息采用重复传送并进行校验等；
c．编制诊断程序，及时发现故障，找出故障的部位，以便缩短修理时间；
d．利用软件进行系统调度，包括在发生故障时，进行现场保护、迅速将故障装置切换成备用装置；在过负荷时或环境条件变换时，采取应急措施；在排除故障后，使系统迅速恢复正常并投入运行等。
（2）提高软件可靠性为了提高软件本身的可靠性，减少出错，可采取以下措施：
a、程序分段和层次结构。
在进行程序结构设计时，将程序分成若干具有独立功能的子程序块，各程序块可单独，也可和其他程序一起使用，各程序块之间通过一个固定的通信区和一些指定的单元进行通信。
每个程序块能进行调整和修改而不影响其他程序块。
这些各自独立的程序块在连接时，尽量减少程序之间的依赖关系，按层次进行排列，而各程序块具有独立功能，因而结构简单、故障少，易于修改和扩充。
b、软件测试：
对软件进行充分的测试，尽量消除软件中的隐患，是提高软件自身可靠性的最根本方法。
软件测试的基本方法是，首先给软件一个典型的输入，然后观测输出是否符合要求，如发现输出结果有错，则设法找出原因并加以修正。
由于软件中有些错误往往只在满足一定条件组合的情况下才能表现出来，因此应对所有可能的输入及条件组合事先列出清单，然后一一加以测试和检查。
c、容错设计：
容错设计是把程序设计得能够缓解错误的影响，不致造成死锁或崩溃等严重后果，并能指出错误原因。
例如，在除法程序前增加除数为零的检查，若除数为零，则将其置成最小单位，并报警显示。
容错设计常用的方法是在程序中插入或安排具有中间测试或周期检查功能的程序段或子程序。
d、纠错设计：
纠错设计是在发现系统运行结果有错时，使之自动恢复到正确状态，以防止对系统造成损坏。
纠错设计常用的方法是，在程序中设置一个标准状态入口，在各程序模块中增加状态检查。
若在运行过程中发现非法状态，则将程序运行引导到标准状态入口，使系统继续按正常方式运行。
应用软件的可靠性除了取决于设计阶段的固有特性外，还取决于使用条件。
必须根据现场条件，在实际系统中，按照设计、使用双方共同拟定的验收标准进行验收调试，直到满足用户要求、达到验收标准为止，使得发生软件故障的可能性降至最低。
四经济性原则
现在的工程工程一般都要经过竞标才能得到，因此竞标的报价就成为了一个关键性的条件。
经济性原则又两层含义：
一是指我们在研究和开发一个机电控制工程中所考虑采用的技术方案，在满足系统功能要求的前提下，所花费的资金越少越好，即性价比最高，竞争力强。
二是指在工程的实施过程中要合理安排，使所有投入不能超过投入的资金总额的限度，而且在保证质量的前提下还应当有合理的利润（单纯的基础科学研究除外）。
这就要求加强工程的过程管理
五时效性原则
时效性原则指一个机电控制工程都必须在一定的时间内完成，否则将会使先进性打折或满足不了生产、科研的时间要求。
或者在竞争中处于落后状态。
要保证时间就的对工程的进度进行严格的控制
六适合性原则
决策的概念：
决策是决定采取某种行动。
管理学所讲的决策，是指管理者为了实现一定的目标和在处理管理中的实际问题时，从各种备选方案中选择方案的活动。
在做决策的时候，不追求绝对最优的决策，转而追求简洁高效的满意解甚至非劣解（Pareto解）即可。
最优解只存在于数学逻辑和理念中，现实世界中的最优解其实是不存在的。
这不仅是因为人的理性和精力是有限的，人的“有限理性”从根本上否认得到绝对意义上最优解的可能；而且因为得到最优解通常需要足够的信息，而信息的获得是需要代价的，这自然就引出一个在这些信息支持下获得最优解产生的收益（得）与为得到这些信息所付出成本（失）之间的权衡问题，会不会出现“得”不偿“失”的情况？
再则，也是在此处要特别强调的是，突变论指出高度优化的设计（最优解）很可能有许多不理想的性质，因为在结构上、性能上追求最优，常常鲁棒性（Robustness,即系统的健壮性，编者注）很差，稳定性不高，对方案中可能的缺陷具有高度敏感性。
最优解要求系统各部分衔接每次都准确无误，而当系统一旦有问题（现在的系统几乎都是多因素、共时、互动的复杂巨系统，出问题的概率是很高的！
），其承载能力将会突然变小，出现突然的全面的“灾变”，产生无法弥补的破坏性，以致让系统彻底瘫痪。
美国“哥伦比亚”号航天飞机失事后，事故调查小组专家的调查表明，航天飞机机翼上的碳制高温保护板是导致整个航天飞机坠毁的罪魁祸首。
更深层次的原因是航天飞机的设计者们“理想化地将星际物质撞击航天器的风险假定为零”，将设计强度定得过低（寻求最优），最终导致航天飞机不堪一击。
在商业界中，也不乏这样的例子。
一些企业为了使自己产品的价格在竞争中更有威慑力，追求最优（低）的生产成本，到了不惜一切可能手段的地步。
比如，在原本已经十分廉价的劳动力基础上，进一步延长上班时间，进一步加大劳动强度，进一步压低员工工资，其结果是产品的质量不能保证，售后服务严重不足，员工“是可忍，孰不可忍”纷纷离职，出现民工荒，企业几近倒闭。
将“不求最优但求满意”的意义稍加拓展，就得出“最好的技术未必有最好的市场”。
许多时候一项受欢迎的技术不是最好的，而最先进的技术却在市场上碰壁—“协和”超音速客机的退役，就是一个很好的例子。
又比如，就当今无线通信技术来说最先进的技术当属CDMA，现在的3G网络都采用CDMA技术，GSM的技术其实是“TDMA”，不可与CDMA相提并论。
但是国内的CDMA就是火不起来。
道理很简单，最先进的技术未必有最好的收益，这句话对技术出身的高管人员尤其重要。
有技术背景的高管人员，对技术有一种本能的偏好，他们往往追求产品在技术上是最先进的、最尖端的，总以为自己所做的就是最重要的。
然而，技术固然很重要，但更为重要的是如何市场认可，技术战略必须与企业业务和市场认知相平衡。
商业不仅是最好的技术和产品，而且还关乎商业的基本逻辑和原则。
许多失败的企业，它们有最先进的技术或产品，却违反了基本的商业逻辑。
例：
嫦娥1、2号的变轨飞行
嫦娥1号飞往月球到开始绕月飞行一共用了14天，经过7次变轨；嫦娥2号则采用“直航”（直接发射到地月转移轨道），一共用了不到5天，经过3次变轨。
机电控制中的决策是在几种的技术方案中做出选择的活动。
方案的选择原则是适合性。
适合性原则：
指一个机电控制工程的最后方案选定都是技术要求、资金投入和完成时间三者综合平衡的结果，是在三种因素的平衡中选择最适合的一种方案或控制过程。
即没有最好，只有最适合。
第二节机电控制工程的关键技术
如果说系统论、信息论、控制理论是机电控制工程的基础，那么微电子技术、精密机械技术就是它的技术基础。
同时机电控制工程还面临的共同关键性技术还包括传感器技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、接口技术、精密机械技术及系统总成技术等。
1传感检测技术
在机电控制工程中，工作过程的各种参数、工作状态以及与工作过程有关的相应信息都要通过传感器进行接收，并通过相应的信号检测装置进行测量，然后送入信息处理装置以及反馈给控制装置，以实现产品工作过程的自动控制。
机电控制工程要求传感器能快速和准确地获取信息，并且不受外部工作条件和环境的影响。
同时，检测装置能不失真地对信息信号进行放大、传输和转换。
传感器技术自身就是一门多学科、知识密集的应用技术。
传感原理、传感材料及加工制造、装配技术是传感器开发的3个重要方面。
作为一个独立器件，传感器的发展正进入集成化、智能化研究阶段。
把传感器件与信号处理电路集成在一个芯片上，就形成了信息型传感器；若再把微处理器集成到信息型传感器的芯片上，就是所谓的智能型传感器。
2信息处理技术
信息处理技术是指在机电控制工程工作过程中，与工作过程各种参数和状态以及自动控制有关的信息输入、识别、变换、运算、存储、输出和决策分析等技术。
信息是否处理得及时、准确，直接影响机电一体化系统或产品的质量和效率，因而也是机电一体化的关键技术。
在机电控制工程中，实现信息处理的主要工具是计算机。
计算机技术包括硬件和软件技术、网络与通信技术、数据处理技术和数据库技术等。
在机电控制工程中，计算机信息处理装置是产品的核心，它控制和指挥整个机电控制工程的运行。
信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机应用及信息处理技术已成为促进机电控制技术发展和变革的最活跃的因素。
3自动控制技术
所谓自动控制，就是在没有人直接参与的情况下，通过控制器，使被控对象或过程自动地按照预定的规律运行。
自动控制技术的广泛应用，不仅大大提高了劳动生产率和产品质量，改善了劳动条件，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术与改善人类物质生活等方面起着极为重要的作用。
自动控制技术这一学科主要讨论控制原理，包括控制规律、分析方法和系统构成等。
机电控制工程将自动控制作为重要的支撑技术，自动控制装置是它的重要组成部分。
主要以传递函数为基础，研究单输入、单输出、线性自动控制系统分析与设计问题的经典控制技术发展较早，且日臻成熟。
在工程上，成功地解决了诸如伺服系统自动控制的实践问题。
随着科学技术发展和工程实践的需要而发展起来的现代控制技术主要以状态空间法的基础，研究多输入、多输出、变参量、非线性、高精度、高效能等控制系统工程和模仿人类活动的智能控制等领域取得了重大进展。
在机电控制工程技术中，诸如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿等自动控制技术都是重要的关键技术。
现代控制理论的工程化与实用化以及优化控制模型的建立、复杂控制系统的模拟仿真、自论断监控技术及容错技术等都是有待开发研究的课题。
先进的控制技术包括：
模糊控制、神经网络、专家系统、综合智能技术等。
4伺服驱动技术
伺服驱动技术主要是指机电控制工程中的执行元件和驱动装置设计中的技术问题，它涉及设备执行操作的技术，对所加工产品的质量具有直接的影响。
机电控制工程中的执行元件有电动、气动和液压等类型，其中多采用电动式执行元件，驱动装置主要是各种电动机的驱动电源电路，目前多由电力电子器件及集成化的功能电路构成。
执行元件一方面通过接口电路与计算机相连，接受控制系统的指令；以实现规定的动作。
因此，伺服驱动技术直接影响着机电控制工程的功能执行和操作，对产品的动态性能、稳定性能、操作精度和控制质量等产生决定性的影响。
例如，直流伺服电动机控制性能、速度与转矩特性的稳定性；交流电动机系统的变频调速、电流逆变技术，电磁铁的体积大小、工作可靠性问题；液压与气动执行机构的精度、响应速度等技术问题，都是机电控制系统设计中必须研究的技术。
5接口技术
机电控制系统是机械、电子和信息等性能各异的技术融为一体的综合系统，其构成要素和子系统之间的接口极其重要。
从系统外部看，输入/输出是系统与人、环境或其他系统之间的接口；从系统内部看，机电控制系统是通过许多接口将各组成要素的输入/输出联系成一体的系统。
因此，各要素及各子系统之间的接口性能就成为综合系统性能好坏的决定性因素。
机电一体化系统量重要的设计任务之一往往就是接口设计。
6精密机械技术
精密机械技术是机电控制工程的基础，因为机电控制工程的主要功能和构造功能大都以机械技术为主来实现。
随着高新技术引入机械行业，机械技术面临着挑战和变革。
在机电控制工程中，它不再是单一地完成系统间的连接，系统结构、质量、体积、刚性与耐用性方面对机电控制系统有着重要的影响。
机电控制工程对机械部分零部件的静态刚度、动态刚度、热变形等力学性能有更高的要求。
特别是关键零部件，如导轨、滚珠丝杆、轴承、传动部件等的材料、精度对机电控制工程的性能、控制精度影响极大。
机械技术的着眼点在于如何与机电控制系统的技术相适应，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减轻质量、缩小体积、提高精度、提高刚度、改善性能的要求。
在制造过程的机电控制系统中，经典的机械理论与工艺借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。
这里原有的机械技术以知识和技能的形式存在，是任何其他技术代替不了的。
如计算机辅助工艺规划（CAPP）是目前CAD/CAM系统研究的瓶颈，其关键问题在于如何将广泛存在于各行业、企业、技术人员中的标准、习惯和经验进行表达和陈述，从而实现计算机的自动工艺设计与管理。
7系统总体技术
机电控制系统的多功能、高精度、高效能要求和多领域技术的交叉不可避免地使产品本身及其开发设计技术复杂化。
系统的总体性能不仅与各构成要素的功能、精度、性能相关，而且有赖于各构成要素是否进行了很好的协调和融合。
系统总体技术就是从整体目标出发，用系统的观点和方法，将机电控制工程的总体功能分解成若干功能单元，找出能够完成各个功能的可能技术方案，再把功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价，综合优选出适宜的技术方案。
系统总体技术的目的是在机电控制工程各组成部分的技术成熟、组件的性能各可靠性良好的基础上，通过协调各组件的相互关系和所用技术的一致性来保证产品实现经济、可靠、高效率和操作方便等。
系统总体技术是最能体现机电控制工程设计特点的技术，也是保证其产品工作性能和技术指标得以实现的关键技术。
在机电控制工程中，机械、电气和电子是性能、规律截然不同的物理模型，因而存在匹配上的困难；电气、电子又有强电与弱电、模拟与数字之分，必然遇到相互干扰与耦合的问题；系统的复杂性带来的可靠性问题；产品的小型化增加了状态监测与维修的困难；多功能化造成论断技术的多样性等。
因此就要考虑产品整个寿命周期的总体综合技术。
为了开发出具有较强竞争能力的机电控制系统，系统总体设计除考虑优化设计外，还包括可靠性设计、标准化设计、系列化设计以及造型设计。
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