第二章机电控制工程设计的原则

第二章

机电控制工程设计的原则和关键技术

本章教学要点和要求：

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。

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、设备或项目是

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 是指整个项目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，

才能起动系统 点火系绽 涧滑乐统 燃料供辭系统 配气机构 IINII 柄连朴机肉

制动系统 转向系统 厅便系统 传动系统 或货Im —

•

III.-.'.

发电机・ 电池

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Fault Toleranee,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。