機電控制系統(tǒng)自動控制技術的一體化設計分析

李敏

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院常州鐵道分院 江蘇省常州市 213000）

機電控制系統(tǒng)是各類技術的綜合體，在各個領域中都得到了運用，不僅提升了機械電氣行業(yè)的發(fā)展，也推動了我國經(jīng)濟的提升，自動控制技術與一體化設計的相結合，為機電控制系統(tǒng)增加了多種功能的技術模塊，使其具有多樣化、高性能等特點，為生產(chǎn)控制、工程管理、設備遠程控制發(fā)揮了最大功效，助推了機械工程的逐步發(fā)展。

1 控制系統(tǒng)的各類概念

1.1 機電控制系統(tǒng)

計算機信息技術的不斷發(fā)展，使機電控制系統(tǒng)應用更加廣泛，使用頻率越來越高。該系統(tǒng)主要作用是連接控制對象和控制裝置。預先設置機器的運行流程，然后利用控制裝置對設備進行管控，實現(xiàn)快速控制設備目標，達到生產(chǎn)要求。高效控制是該系統(tǒng)的關鍵指標，而且包含多類技術，比如，過程控制技術、信息處理技術、電子技術等[1]。為了實現(xiàn)該系統(tǒng)的流程化控制服務，需要利用一體化技術來配合完成。而機電控制系統(tǒng)最大優(yōu)勢為遠程控制，利用網(wǎng)絡控制模式，無需人員到現(xiàn)場操作，就可以實現(xiàn)控制目的。

1.2 自動控制系統(tǒng)

自動控制系統(tǒng)的關鍵組成部分就是控制器，其作用控制對象按照預先設定好的路線運行。自動控制的普及，使機電系統(tǒng)的各個部位能夠實現(xiàn)自動化運行，同時各部位之間相互連接更加緊密，而該控制主要就是以實用性為目的而設立的。其理論基礎分為兩類：經(jīng)典控制和現(xiàn)代控制。前者，局限于單輸入單輸出的線性定常系統(tǒng)；后者，屬于多輸入多輸出系統(tǒng)，不限定于線性定常系統(tǒng)。兩者在數(shù)學建模方面來看，系統(tǒng)控制中主要采取微分方程和差分方程，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制功能，前者是以傳遞函數(shù)進行分析，但僅限于輸入輸出的外部特性關系，無法滿足內(nèi)部動態(tài)變化的分析需求，后者主要以狀態(tài)空間進行分析，可以將系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生情況進行全面的描述分析[2]。前者已應用多年，理論基礎扎實，經(jīng)驗豐富，后者是在前者的基礎上發(fā)展起來的，具有其自身的優(yōu)越特點，因此，自動控制系統(tǒng)結合兩者的優(yōu)勢完成控制目的。結合兩者的特點，不難看出，兩者都有明確的控制目標，同時都是利用數(shù)學建模進行分析，以方程和函數(shù)來進行表達，實現(xiàn)控制系統(tǒng)的精準安全性能。

1.3 一體化設計

機電控制系統(tǒng)一體化設計是未來發(fā)展的趨勢，同時能夠縮短伸長時間，提供生產(chǎn)效率。而其設計上也打破了空間限制，利用現(xiàn)代計算機信息技術和遠程控制設備，實現(xiàn)高效能生產(chǎn)。該設計的要求更高，需要注意其功能模塊的使用方便性能、智能化分析能力以及安全方面的保障等，而該設計的完善，也會為生產(chǎn)工作帶來更加高質(zhì)高效的產(chǎn)能。

2 機電控制系統(tǒng)自動控制技術與一體化設計的意義和優(yōu)勢

機電控制系統(tǒng)的發(fā)展，為人們?nèi)粘Ｉ钜约肮I(yè)生產(chǎn)提供了便利，使其更加智能方便，減時高效。而其利用電子信息技術的判斷功能，進行遠程控制設備，減少了工人的工作量和現(xiàn)場運行設備的

時間，而電子信息遠程控制技術的應用，較少操作的失誤率，提升了設備安全性能[3]。一方面，按照自動控制系統(tǒng)角度來看，其不受外界環(huán)境影響，能夠持續(xù)的進行輸入和輸出，系統(tǒng)會按照設計指令運行，流于流程節(jié)點、操作指令方面有任何的異常情況，都會及時反饋，不會受到震蕩的環(huán)境而影響其運行。另一方面，一體化設計運用的范圍更廣，發(fā)展前景廣闊，而其對于不同設備不同生產(chǎn)情況可以統(tǒng)一管理，而其整體一體化，按不同功能分類管理，方便機電控制系統(tǒng)的更新升級，實現(xiàn)企業(yè)穩(wěn)定運營的目的?？傊?，一體化設計不斷發(fā)展，對機械電氣行業(yè)的發(fā)展起著促進作用，同時對于該行業(yè)的創(chuàng)新能力，提供了新的方向。

3 機電控制系統(tǒng)自動控制技術的一體化設計分析

3.1 機電設計核心理念

機電一體化的優(yōu)勢已經(jīng)得到了各行各業(yè)的認可，同時對于其設計要求也逐步提高，而面對市場需求，對于設計人員而言，需要擁有設計核心理念，需對機電產(chǎn)品的構造、功能特點進行研究，同時將概念化設計結果與實際研究結果進行比較分析，能夠使機電產(chǎn)品的設計更符合實際，更加專業(yè)化、智能化，提高設計的實用性，使其為機電行業(yè)的發(fā)展提供助力。

3.2 機電運行線路設計

該線路設計是通過網(wǎng)絡與控制器設備在機電控制系統(tǒng)中的應用，使其在提升工作效率的同時，利用健全的控制系統(tǒng)對各類生產(chǎn)目標、生產(chǎn)質(zhì)量以及生產(chǎn)流程從實際情況出發(fā)，進行有效控制，提升經(jīng)濟效益。

3.3 機電功能模塊設計

功能模塊的設計，是為了使機電控制系統(tǒng)與自動控制技術相結合，促使各個環(huán)節(jié)以及各個流程能夠實現(xiàn)綜合運營，利用控制器連接各個環(huán)節(jié)，達到整體化的設計要求，而在設計中，需要將各個模塊之間進行有效連接，實現(xiàn)多功能一體化目標。

4 一體化設計的構想與設計方法

4.1 一體化的設計構想

隨著市場經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工業(yè)制作業(yè)也面臨著轉型擴增等發(fā)展形勢，同時各類新興行業(yè)的不斷崛起，對一體化進程的呼聲越來越高[4]。最早提出一體化理念的是日本，最初的構想是利用電子信息技術統(tǒng)一控制機構內(nèi)的各項功能，同時能夠將軟硬件相結合，形成一個整體。而這一構想以在現(xiàn)代社會實現(xiàn)并已經(jīng)發(fā)展成為一門學科，結合現(xiàn)代科學發(fā)展技術，不斷的提升自身的功能價值。而使用一體化設計的各類產(chǎn)品，在市場中更具有競爭性，其智能化、簡便化、流程化等特點深受各行各業(yè)的喜愛，而且全面功能化的服務，能夠完成對其提出的所有要求。

4.2 三種常規(guī)設計方法

4.2.1 組合法

組合法的設計思路為，機電系統(tǒng)中的電子與機械整合，形成一個整體，而其性能與質(zhì)量都會得到有效的提升，同時不會改變產(chǎn)品原理，實現(xiàn)一體化設計。

4.2.2 取代法

取代法設計想法是利用電子線路控制機械運行過程，實現(xiàn)計劃結果，相較于傳統(tǒng)機械單一控制，更具靈活性。首先，利用微型計算機，將電子線路與機械控制相組合；其次，電子線路取代了原有機械控制的開關、插銷板等，使用了凸輪與變速機構，簡化了機械結構，實現(xiàn)了一體化設計的構想。

4.2.3 整體法

首先，利用控制器將各類相關的機械裝置進行組合，形成一整套設備；其次，將各項功能模塊進行一體化組合，實現(xiàn)一套設備多種功能。而這樣的設計，在實際應用中，不僅節(jié)省時間，使用上更加方便。而機電一體化的設計構想中，如遇到單一部分與機械整體無法達到要求，就需要組合建造出一個整體，利用多功能模塊實現(xiàn)預期效果。

以上三種設計方法，有其各自的優(yōu)勢，對其進行比較：組合法其優(yōu)點為功能多、設計時間短、成本低，應用的領域是數(shù)控機床方面；取代法的優(yōu)勢是優(yōu)化了機械結構，使其大多數(shù)應該在電子產(chǎn)品上；整體法的表現(xiàn)點在與創(chuàng)新性和完整性，使其能夠應用在機電一體化的全領域。

4.3 機電控制系統(tǒng)自動控制技術與一體化設計分析

對于該系統(tǒng)一體化設計分析，以液壓沖擊器來舉例說明，通過對機械一體化的設計，來提升機械工作質(zhì)量。

4.3.1 系統(tǒng)硬件設計

（1）單片機控制芯片，在機電一體化產(chǎn)品設計中，系統(tǒng)硬件選擇尤為重要，對于單片機控制芯片需選擇存儲量大、功能全面的芯片，而其主要組成部分為串行口、存儲器等。而利用該芯片以在系統(tǒng)內(nèi)連接總線的方式，減少資源空間占用率，不需要改變硬件的布局方式，只需在接口處實施仿真操作即可。所以，對于控制芯片的選擇，穩(wěn)定可靠才能達到設計要求[5]。

（2）A/D 模數(shù)轉換器，該轉換器的接口主要是與單片機進行連接，實現(xiàn)與主處理器的通信功能。其帶有11 個輸入端和串行控制，在進行模數(shù)轉換時，利用12 位開關電容主次逼近途徑。

（3）接口設計。其設計主要目的是連接各個控制器直接的接口，同時保證信息命令的準確傳輸。例如，字符型液晶控制器，對其顯示作用的接口，要求能夠使控制器與驅動器相結合，確保能夠控制驅動集成電路。而存儲用戶自定義設置的字符發(fā)生器就在該芯片上。對于字符型液晶控制器與單片機的接口設計時，選擇8 位數(shù)據(jù)線，P0數(shù)據(jù)接口，該設計的目的是確保數(shù)據(jù)傳遞的有效性和及時準確性。關于二通插裝閥啟閉延時量的問題，可利用非編碼鍵盤來進行控制，同時也可以控制二通插裝閥的壓力反饋值，能夠實現(xiàn)液壓沖擊器對沖擊頻率和效果的高效控制。而在自動控制系統(tǒng)下，非編碼鍵盤與單片機P1 接口，可構架成為4×4 的電路，結合定時掃描技術，在單片機發(fā)生10ms 中斷時，中央處理器快速響應并且對鍵盤進行自動掃描，兩者的相互配合，對命令信號進項及時高效的結束操作。第四，電路設計，以往的自動控制系統(tǒng)僅能夠利用IC 元件，進行輸出電壓信號的處理，電流范圍僅在4 到20mA 之間，能夠輸出的信號以及范圍相對狹小，功能規(guī)模利用率不高。而機電一體化設計中，對于電壓和電流的升級，需要進行電路轉換，利用電壓調(diào)節(jié)裝置，實現(xiàn)電流向電壓的轉換，也就是將4 到20mA 的電流轉換成0到5V 的電壓，同時需要干擾數(shù)據(jù)進行扣除，相應的得到了固定的電阻值。可將固定電阻與微調(diào)電阻進行串聯(lián)設計在自動控制系統(tǒng)中。利用+12V 的電壓作為開關控制電源，實現(xiàn)電路驅動。

4.3.2 軟件設計

對于液壓沖擊器的軟件設計，需要考慮兩個方面：其一，軟件方面進行有機調(diào)節(jié)，首先，在程序內(nèi)預設時間組，上文中提到的非編碼鍵盤不僅可以控制開光，同時能夠科學調(diào)動時間組[6]。而在系統(tǒng)設計中，需要滿足機電一體化產(chǎn)品受工作人員的控制，能夠利用停止運行案件對沖擊器實施相應的控制命令，確保系統(tǒng)的安全運行。其次，對于主程序，需設施初始化操作功能，在其進行初始化后，對存儲單元進行徹底清理，使主程序對子系統(tǒng)進行全面監(jiān)控并能夠及時準確的進行控制。子系統(tǒng)對時間組進行操作，需要打開定時器，完成循環(huán)操作后，子系統(tǒng)能夠自動關閉或者開啟定時器。最后，系統(tǒng)能夠對鍵盤中斷，進行抖動消除的操作，同時根據(jù)其閉合狀態(tài)，判斷其是否需要處理，最終結束工作流程返回即可。其二，智能化工作軟件，對于控制系統(tǒng)設計時，壓力變送器的使用要求較高，以此判斷壓力信號的傳輸情況來控制開關閥的開啟關閉時間。而控制系統(tǒng)中的控制模塊，主要執(zhí)行命令是對系統(tǒng)進行初始化，對制定模塊進行驅動，并執(zhí)行處理接口命令等。對于系統(tǒng)中的A/D 子系統(tǒng)，對其轉換通道規(guī)范化設置，然后進行片選通道，同時，對其轉換器設置為自動開啟和延時操作。完成轉換則轉換結束，如未完成，需進行延時處理，結束后再進行全部轉換，方可完成。對于自動控制中子程序對油錐閥的要求，首先，要么是按照開進和開回的步驟，要么是關進和開回的順序阿里執(zhí)行操作的；其次，對氮氣室進行壓力值采集，根據(jù)其壓力實際情況，對油錐閥實施第一步的操作，壓力值采集過大或不符合標準則返回第一步操作，直到采集到壓力最小值，利用系統(tǒng)自帶的運算能力得出反彈速度；最后，確定反彈速度的變化規(guī)律得出變化率與最大值。結合上文中的步驟，才能使設備在復雜的環(huán)境中安全平穩(wěn)運行。

5 總結

總之，機電自動一體化的設計是根據(jù)其發(fā)展前景與市場需求而變化的，隨著建筑業(yè)和工業(yè)對其需求的逐步增大，而機電一體化技術需要不斷的創(chuàng)新發(fā)展，使其發(fā)揮最大功效，為企業(yè)發(fā)展提供助力，推動工業(yè)技術不斷發(fā)展。