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。

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 Tolerance，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，对诊断对象进行试验性测试，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试验来建立，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。