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一、信息處理和控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程

信息處理與控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是圍繞著執(zhí)行子系統(tǒng)的功能需求而進(jìn)行的，信息處理與控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：

1.確定控制子系統(tǒng)的整體方案。構(gòu)思控制子系統(tǒng)的整體方案必須深入了解被控對(duì)象的控制要求。關(guān)鍵問(wèn)題有：（1）控制方式及其與計(jì)算機(jī)的匹配條件。對(duì)于一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)某些功能可采用多種控制方案、多種控制方法。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)一定的控制策略和完成一定的信息處理。當(dāng)控制系統(tǒng)的功能和主要性能指標(biāo)確定后，對(duì)計(jì)算機(jī)的基本要求也就隨之確定了。由于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)有多種類型，每種類型又包含多種產(chǎn)品，往往有多種方案可以實(shí)現(xiàn)同一控制目標(biāo)。（2）應(yīng)考慮驅(qū)動(dòng)部件的類型和執(zhí)行部件（機(jī)構(gòu)）的類型。（3）應(yīng)考慮對(duì)可靠性、精度和快速性有什么要求。（4）應(yīng)考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處理。微機(jī)應(yīng)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)，微機(jī)應(yīng)具備哪些功能，需要哪些輸入/輸出通道，配備哪些外圍設(shè)備。（5）畫出控制子系統(tǒng)組成的初步框圖，作為下一步設(shè)計(jì)的依據(jù)。

2.確定控制算法。應(yīng)對(duì)控制子系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型，確定其控制算法。控制算法決定了控制系統(tǒng)的優(yōu)劣。應(yīng)根據(jù)不同的控制對(duì)象、不同的控制指標(biāo)要求選擇不同的控制算法。對(duì)于復(fù)雜的控制系統(tǒng)，其算法也較復(fù)雜，使控制較難實(shí)現(xiàn)。為此需進(jìn)行某些合理簡(jiǎn)化，忽略某些次要影響因素，使控制算法簡(jiǎn)化，以獲得較好的控制效果。

3.控制子系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。控制子系統(tǒng)要綜合考慮硬件和軟件措施，解決微型機(jī)、被控對(duì)象和操作者三者信息交換的通路和分時(shí)控制的時(shí)序安排問(wèn)題，保證系統(tǒng)能正常地運(yùn)行。通過(guò)總體設(shè)計(jì)，畫出系統(tǒng)的具體構(gòu)成框圖。

4.軟件設(shè)計(jì)。微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要分為系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，軟件設(shè)計(jì)主要指應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。控制子系統(tǒng)對(duì)應(yīng)用軟件的要求是具有實(shí)時(shí)性、針對(duì)性、靈活性和通用性。系統(tǒng)的硬件和軟件需合理結(jié)合。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，哪些功能用硬件實(shí)現(xiàn)、哪些功能用軟件實(shí)現(xiàn)等都是設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的重要問(wèn)題。對(duì)于運(yùn)算與判斷、處理等功能適宜用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而其余不少的功能既可用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)，又可用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。為了合理組成控制系統(tǒng)的硬件和軟件，通常根據(jù)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性綜合最優(yōu)來(lái)確定。

二、信息處理與控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.電子部件設(shè)計(jì)

電子系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)部件設(shè)計(jì)與機(jī)械部件設(shè)計(jì)過(guò)程大為不同。對(duì)于簡(jiǎn)單部件，如電容器、電阻器、電位計(jì)和變壓器等，可以像機(jī)械設(shè)計(jì)那樣，將部件設(shè)計(jì)理解為確定其所有基本性質(zhì)的過(guò)程。部件完全被單個(gè)元件的（機(jī)械）結(jié)構(gòu)所定義，每個(gè)元件又由其形狀、尺寸、材料、表面質(zhì)量所描述。當(dāng)然，電磁性質(zhì)對(duì)于材料的選擇是非常重要的。對(duì)于像半導(dǎo)體和集成電路這樣的復(fù)雜功能部件，對(duì)基本設(shè)計(jì)性質(zhì)的確定并不能充分地解釋所有可直接處理的設(shè)計(jì)性質(zhì)。隨著超大規(guī)模集成電路部件上晶體管數(shù)量的驚人增長(zhǎng)，電子部件設(shè)計(jì)只能在計(jì)算機(jī)輔助下，采用層次化、面向系統(tǒng)的方法來(lái)進(jìn)行。電子部件主要由專業(yè)化公司設(shè)計(jì)，在許多方面都實(shí)現(xiàn)了高度標(biāo)準(zhǔn)化，如部件值及公差、功能說(shuō)明、機(jī)械封裝（如雙列直插式封裝、表面貼裝技術(shù)封裝）、溫度范圍等。只有在一些特殊情況下，機(jī)電設(shè)計(jì)者才需要自行設(shè)計(jì)電子部件。

2.電路設(shè)計(jì)

在電子系統(tǒng)中，可以進(jìn)行電路的功能設(shè)計(jì)而幾乎獨(dú)立于其物理實(shí)現(xiàn)，其結(jié)果就是電路設(shè)計(jì)（二維）與電子封裝設(shè)計(jì)（三維）的分離。電路基本上是由具有傳導(dǎo)聯(lián)系的功能部件所構(gòu)成的二維結(jié)構(gòu)。很少?gòu)念^開(kāi)始設(shè)計(jì)一個(gè)電路。對(duì)于典型的功能需求，在技術(shù)資料中存在著大量的概念原理解，如放大器、振蕩器、濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、微處理器電路等。電路設(shè)計(jì)是利用已有元器件創(chuàng)造出新的結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)時(shí)，可將設(shè)計(jì)任務(wù)由頂向下地細(xì)分為子問(wèn)題，直至其對(duì)應(yīng)于已知方案解或已知集成部件。電路設(shè)計(jì)主要基于分析和尺寸確定方法。一旦確定電路圖結(jié)構(gòu)，就可詳細(xì)地計(jì)算其性能并進(jìn)行仿真。因而通常的做法是快速提出一個(gè)方案解用于電路分析，然后修改該方案直至滿足設(shè)計(jì)要求。由于一些因素的存在，使得電路功能難以完全獨(dú)立于電路圖的物理實(shí)現(xiàn)（即封裝），例如：導(dǎo)體尺度限制了能量傳輸和轉(zhuǎn)換率；電路中的熱功耗完全依賴于機(jī)械結(jié)構(gòu)；電磁屏蔽對(duì)于微處理器的正常運(yùn)行極其關(guān)鍵；過(guò)小的尺寸會(huì)引起信號(hào)載體間的反饋和串?dāng)_；制造公

差使得一些規(guī)定功能產(chǎn)生了偏差。需要注意的是，以上多數(shù)問(wèn)題都與信號(hào)中的能量因素有關(guān)，它們實(shí)際上是電路設(shè)計(jì)師和封裝、機(jī)械設(shè)計(jì)師的“接口”問(wèn)題。與機(jī)械設(shè)計(jì)相比，電子系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和物理實(shí)現(xiàn)相互之間更加獨(dú)立。在描述電子變換功能、部件結(jié)構(gòu)的圖形建模方面，都有相應(yīng)理論和方法存在，但設(shè)計(jì)綜合理論非常少。在一定程度上，機(jī)械設(shè)計(jì)理論可以應(yīng)用于電子部件設(shè)計(jì)和電子封裝設(shè)計(jì)。

三、信息處理與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在軟件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)中，主要問(wèn)題是生成必需的變換和數(shù)據(jù)的整體結(jié)構(gòu)。對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)，這個(gè)結(jié)構(gòu)通常是唯一的，而其中的程序模塊（如算法）則往往能夠再次應(yīng)用于其它設(shè)計(jì)。但是目前，能夠明確軟件模塊的功能和輸入輸出的標(biāo)準(zhǔn)化方法還不存在，這就意味著難于進(jìn)行功能的分類，軟件模塊的重用也極其有限。所以，軟件設(shè)計(jì)中的問(wèn)題通常是“新”的，需要尋求未知解。軟件工程中的設(shè)計(jì)建模是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。軟件設(shè)計(jì)非常抽象，只有進(jìn)入編程階段，設(shè)計(jì)者才能使用文字和圖表來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和功能。即使在編程階段，設(shè)計(jì)工作也只能通過(guò)程序清單和輸入/輸出數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行追溯和記錄。這樣就不可避免地在軟件設(shè)計(jì)者和外行之間產(chǎn)生了隔閡，因?yàn)橹挥性谠O(shè)計(jì)即將完成、程序即將嵌入硬件中時(shí)，才能夠?qū)ο到y(tǒng)的功能進(jìn)行測(cè)試——而這時(shí)再想做出任何重大的修改往往就為時(shí)已晚了。為了解決這類問(wèn)題，已經(jīng)出現(xiàn)了一些方法，例如快速原型設(shè)計(jì)，即對(duì)早期、粗略的程序思想進(jìn)行功能建模，以期盡快得到用戶反饋、及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，做出修改。但即使應(yīng)用快速原型設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)者也有必要大量使用圖形，以便與外行就它的程序功能進(jìn)行交流。

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[1]張帥.基于循環(huán)映射模型的概念設(shè)計(jì)自動(dòng)化策略研究[J].機(jī)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(3)：491-497.

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【摘要】信息處理與控制子系統(tǒng)是由傳感器提供信息，根據(jù)工藝動(dòng)作過(guò)程而實(shí)施對(duì)執(zhí)行系統(tǒng)（執(zhí)行單元）的控制。控制的實(shí)現(xiàn)應(yīng)按執(zhí)行部件（機(jī)構(gòu)）的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型、動(dòng)力學(xué)模型來(lái)進(jìn)行，它是由計(jì)算機(jī)和軟件具體實(shí)施的。信息處理與控制子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)智能化、自動(dòng)化的關(guān)鍵。執(zhí)行子系統(tǒng)模型建立的好壞直接影響到信息處理與控制子系統(tǒng)的構(gòu)思和設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】信息處理控制子系統(tǒng)設(shè)計(jì)