131406 机电控制系统设计

产品的规格和性能参数包括如下几个方面：
1．运动参数 表征机器工作部件的运动轨迹和形成、速 度和加速度。 2．动力参数 表征机器为完成加工动作应输出的力（或 力矩）和功率。
3．品质参数 表征机器工作的运动精度、动力精度、稳 定性、灵敏度和可靠性。
4．环境参数 入电源。 表征机器工作的环境，如温度、湿度、输
机械能、摩擦能
工作状态显示
冲床 （黑箱）
控制信号
温度、振动
1.2、功能结构分析
1、功能结构示意图和功能元 总功能 分功能
分功能的原理方案
总功能
Ⅰ层

2
3
Ⅱ层
1.1
1.2
1.3
3.1
3.2
Ⅲ层
1.2.1
1.2.2
3.1.1 功能结构示意图
3.1.2
最小的基本分功能或满足功能要求的最小单位称之为功能元。 机电控制系统基本功能元 物理功能元：变换、合并分离、传导隔阻、储存 逻辑功能元：与、或、非 数学功能元：加、减、乘、除、乘方、开方、微分、积分 2、功能元实施原理方案的选择 各种功能实施的基础：以自然科学原理为基础的技术效 应，例如以物理学为主要技术基础的力学、机械学、电 学、磁学、光学等原理广泛应用于工程技术的各个领域， 即所谓的物理效应。
实施的要点：同一种功能可以用不同的技术效应来实现， 选出最佳的功能元实施原理方案，有以下途径可以参考： 参考资料、专利、产品； 利用创造性思维； 利用设计目录。
机电一体化系统的功能要素是通过具体的技术物理效 应实现的，一个功能要素可能是一个功能模块，也可 能由若干个功能模块组合而成，或者就是一个机电一 体化子系统。功能模块则是实现某一特定功能的具有 标准化、通用化或系列化的技术物理效应。功能模块 在形式上，对于硬件表示为具体的设备、装置或电路 板，对于软件则表示为具体的应用子程序或软件包。 进行机电一体化系统的设计时，将功能模块视为构成 系统的基本单元，根据系统构成的原理和方法，研究 它们的输入输出关系，并以一定的逻辑关系连接起来 ，实现系统的总功能。因此可以说机电一体化系统的 设计过程是一个从模块到系统的设计过程。
销售阶段
信息反馈、修改完善
二、机电控制系统的设计步骤 2.1、用户需求的抽象
用户的需求虽然是设计所要达到的最终目标，但 它并不全是设计的技术参数，因为用户对产品提 出的要求往往面向产品的使用目的。
需要对用户的要求进行抽象，要在分析对象工作 原理的基础上，澄清用户需求的目的、原因和具 体内容，经过理论分析和逻辑推理，提炼出问题 的本质和解决问题的途径，并用工程语言描述设 计要求，最终形成产品的规格和性能参数。
2.4、制作与调试 制作与调试是系统设计方案实施的一项重要内容 。根据循环设计及系统设计的原理，制作与调试 分为两个步骤：第一步是功能模块的制作与调试 ；第二步是系统整体安装与调试。 功能模块的制作与调试是由专业技术人员根据分 工，完成各功能模块的硬件组配、软件编程、电 路装配、机械加工等细部物理效应的实现工作， 对各功能模块的输入输出参数仿真（模拟）、调 试和再线调试，使他们满足系统设计所规定的电 气、机械规范。
基本原则
简单
安全可靠 保证系统功能可靠的 方法：
冗余配置
并联冗余
串联冗余
原理冗余
规划阶段
可行性研究 报告、任务书 原理方案图、结构设 计图、总装图 零、部件工作 图、设计技术文件
用户对产 品的需求 总体设 计关键
总体阶段
详细施工阶段
绘制生产图纸、 设计说明书、 使用说明书、 明细表
调试生产阶段
工艺文件、样机试 制试验、鉴定文件
2、黑箱法求解方法 黑箱法求解过程就是黑箱白化的过程，步骤如图所示：
详细表达输入和输出量 建立输入和输出间关系
如: 切削机床、精密测量 设备、轻工机械、包 装机械、运输机械
寻找合适的实例
设定系统的总功能 进行总功能分解 寻找系统的功能解 评价与决策
例1：冲床的黑箱法表述
振动、噪声 板料 电能 成型工件
1.4、系统原理方案选择
进行方案构思选择系统原理方案时，用“穷尽法”将各分功能 的解全部列出，就可写出功能-功能解的形态学矩阵，形态即相 应的实现各分功能的执行机构和技术手段。 形态学矩阵建立在功能分解和功能求解的基础上，得到多种 可行方案，经筛选、评价可以获得最佳方案。 形态学矩阵 的运用步骤： 形态构想和功能求解 方案组成 总功能分解
第六章
机电控制系统设计
一．机电控制系统的设计要点
二．机电控制系统设计步骤 三．机电控制系统的输入输出装置 四．抗干扰技术
一、机电控制系统的设计要点
总体设计是机电控制系统设计的重要环节。
整体目标、功能 分析产品性能要求 选择合理的单 元组合方案 实现机电控制系统整体优化设计过程，主 要内容包括： 系统原理方案设计； 结构方案的设计； 总体布局与环境设计； 技术参数与技术指标确定； 总体方案评价与决策。
（1）系统的主要功能、技术指标、原理图及文 字说明；
（2）控制策略及方案； （3）各功能模块的性能要求，模块实现的初步 方案及输出输入逻辑关系的参数指标；
（4）方案比较和选择的初步印象；
（5）为保证系统性能指标所采取的技术措施；
（6）抗干扰及可靠性设计策略；
（7）外观造型方案及机械主体方案； （8）人员组织要求； （9）经费和进度计划的安排。
伴生输出 黑 箱 法 的 表 达 物料 能量 信息 伴生输入 物料′ 能量′ 信息′
机电一体化产品 （黑箱）
物料：固体、液体、气体等任何物体； 能量：机械能、电能、热能、化学能、光能等； 信息：数据、指示值、测量值、控制信号、波形等。 物料的转换指如何将毛坯、半成品转换成成品； 能量的转换指如何将其它形式的能量转换成机械能或机械能 变成其它形式能量； 信息的传输或转换指将物理量的测量和显示、控制信号的传 递等。
两者在设计内容和设计分工上是不同的。 不同类型的接口，其设计要求有所不同。
从系统设计的角度讨论接口设计的要求
2.2.1 传感接口要求传感器与被测机械量信号源具有 直接关系，要使标度转换及数学建模精确、可行， 传感器与机械本体的连接简单、稳固，能克服机械 谐波干扰，正确反映对象的被测参数。 2.2.2变送接口应满足传感器模块的输出信号与微机 前向通道电气参数的匹配及远距离信号传输的要求 ，接口的信号传输要准确、可靠，抗干扰能力强， 具有较低的噪声容限；接口的输入阻抗应与传感器 的输出阻抗相匹配；接口的输出电平应与微机的电 平相一致；接口的输入信号与输出信号关系应是线 性关系，以便于微机进行信号处理。
总体设计是纲，给具体设计规定总的基本原理、原则 和方法。
1.1、功能分析设计法
一切从系统的功能出发， 复杂的设计 分析 1.1.1、为什么要抽象化？ 突出基本的、必要的 要求，摈弃偶然情况 和枝节问题，便于抓 住设计问题核心 抽象
将设计任务抽象化
简单的模式 避免构思方案前形成 的条条框框，放开视 野，寻求更为理想的 设计方案
(b) 模拟量输入输出通道抗干扰技术 信号采用电流传送 采用RC滤波网络滤去高频干扰信号 使用高输入阻抗的差动运算放大器作为通道 的前置放大 器，达到抑制共模干扰的作用 利用变压器或光耦合器件把“模拟地”与“数字地”断开， 使共模干扰Ucm不能构成回路 屏蔽信号传输线路 采用浮地输入双层屏蔽放大器抑制共模干扰 采用双绞线传输
系统总体调试是在功能模块调试的基础上进行的 ，整体调试以系统设计规定的总目标为依据，调 试功能模块的工作参数及接口参数。 由于物质流、能量流、信息流均融汇在系统中， 系统中的各薄弱环节以及影响系统主功能正常发 挥的“瓶颈”会充分暴露出来，系统还受到内外 部各种干扰的影响，因此，系统整体的调试还要 进一步解决系统可靠性、抗干扰等问题。
干扰按作用可分为常态干扰和共态干扰 常态干扰和被测信号在信号输入回路中地位相同，所以它 以电压源的形式与信号源串联。 共态干扰常称共模干扰，是指输入电路上共有的干扰。
3.2、抗干扰技术
1、 硬件抗干扰技术 (a) 电源系统抗干扰技术 采用电子交流稳压器；采用低通滤波器；采用隔离变压 器：变压器的一次侧按三角形接法联结，二次侧按星型 接法联结。选用供电比较稳定的交流电源；电源分组供 电；直流电源的抗干扰措施： 每块集成芯片的电源与地线引入端间应接一片0.0l～ 0.1μ F的无感瓷片电容。一个装置中有多块逻辑印刷线 路板时，每块板的电源和地线引入处应并接一个10～ 100μ F的电解电容和一个0.01～0.1μ F的无感瓷片电容， 防止板间的相互干扰。
5．结构参数 表征机器空间几何尺寸、结构、外观造型 6．界面参数 表征机器的人—机对话方式和功能。
2.2、接口设计要点 接口设计的总任务是解决功能模块间的信号匹配 问题，根据划分出来功能模块，在分析研究功能 模块输入输出关系的基础上，计算制定出各功能 模块相互连接时所必须共同遵守的电气和机械的 规格和参数约定，使其在具体实现时能够“直接 ”相连。 系统设计过程中的接口设计是对接口输入输出 参数或机械结构参数的设计 功能模块设计中的接口设计则是遵照系统设计 制定的接口参数进行细部设计，实现接口的技术 物理效应。
系统功能分解应综合运用机械技术和电子技术各自的优 势，力求系统构成简单化、模块化。常用的设计策略如 下： 1．减少机械传动部件，使机械结构简化，体积减小，提 高系统动态响应性能和运动精度。 2．注意选用标准、通用的功能模块，避免功能模块在低 水平上的重复设计，提高系统在模块级上的可靠性，加 快设计开发的速度。 3．充分运用硬件功能软件化原则，使硬件的组成最简单 ，使系统智能化。 4．以微机系统为核心的设计策略。 一项设计通常有几种不同的设计方案，每一种方案都 有其优点和缺点，因此，在设计阶段应对不同的方案进 行整体评价，择优选择综合指标最优的设计方案。
2.2.3 驱动接口应满足接口的输入端与微机系统的 后向通道在电平上一致，接口的输出端与功率驱动 模块的输入端之间不仅电平要匹配还应在阻抗上匹 配。另外接口必须采取有效的抗干扰措施，防止功 率驱动设备的强电回路反窜入微机系统。
2.2.4 传动接口是一个机械接口，要求它的联接结 构紧凑、轻巧，具有较高的传动精度和定位精度， 安装、维修、调整简单方便，传动效率高，刚度高 ，响应块。
设计经验、资料积累、 创新能力 专业知识、情报资料
相容条件、连接条件等
新颖性、先进性实用性
方案评价和选择
保证实现预期的功能 总目标 降低制造成本 保障人和环境的安全 功能载体工作原理明确 明确
功能载体使用工况明确
零件数目尽可能减少 几何形状简单规则 采用标准零件 构件的可靠性 功能可靠性 工作安全性和环境适应性
2.3、系统整体方案拟定和评价 拟定系统整体方案一般分为两个步骤，首先根据 系统的主功能要求和构成系统的功能要素进行主 功能分解，划分出各功能模块，确定它们之间的 逻辑关系；然后对各功能模块输入输出关系进行 分析，确定功能模块的技术参数和控制策略，系 统的外观造型和机械总体结构；最后以技术文件 的形式交付设计组讨论、审定。系统总体方案文 件的内容应包括：
1.3、功能结构图
1、三种基本功能结构类型：
串联结构 并联结构 环型结构
又称顺序结构，反映分功 能时间、空间顺序或因果
关系
F1 F1
F2 F2
F3
F3
F1 F2
又称选择结构，几个分功 能作为手段共同完成一个 目的 又称回路结构，输出反馈
F3
为输入的循环
2、功能结构图的建立 从上层分功能的结构考虑起，逐层向下细化。
三、抗干扰技术
3.1.干扰源与干扰种类 干扰按其特性可分为直流干扰、交流干扰和随机干扰三类。 直流干扰是指以直流电压或直流电流的形式出现，一般由 热电效应和电化学效应引起的干扰。 交流干扰是最容易出现的一种干扰，由交流电感应引起， 因为过程通道往往处于杂散电场和磁场分布较多的场所， 当信号反馈线与动力线在电缆槽中平行布线时，经耦合进 入通道的干扰尤为明显。 随机干扰一般是瞬变的，为尖峰或脉冲形式，多由电感负 载的间断工作引起，如各种电源整流器和电动工具的电火 花都是这种干扰的来源。这种干扰的时间短，幅度大，会 给系统带来很大的危害。
1.1.2、如何把设计问题抽象化？
工程设计中常用的的抽想方法是“黑箱法” 1、黑箱法的基本原理：
将所要实现给定功能的机电系统看作为一个未知内部功能 结构、功能载体的“黑箱”，通过对输入量和输出量的分析， 逐步掌握输入和输出的基本特征和转换关系，寻求能实现这种 基本特征和转换关系的工作原理和功能载体。 功能载体求解即： 未知 已知 黑色 白化