机电控制系统自动控制技术的一体化设计分析

2021-11-21李敏

电子技术与软件工程 2021年10期

李敏

（江苏联合职业技术学院常州铁道分院江苏省常州市 213000）

机电控制系统是各类技术的综合体，在各个领域中都得到了运用，不仅提升了机械电气行业的发展，也推动了我国经济的提升，自动控制技术与一体化设计的相结合，为机电控制系统增加了多种功能的技术模块，使其具有多样化、高性能等特点，为生产控制、工程管理、设备远程控制发挥了最大功效，助推了机械工程的逐步发展。

1 控制系统的各类概念

1.1 机电控制系统

计算机信息技术的不断发展，使机电控制系统应用更加广泛，使用频率越来越高。该系统主要作用是连接控制对象和控制装置。预先设置机器的运行流程，然后利用控制装置对设备进行管控，实现快速控制设备目标，达到生产要求。高效控制是该系统的关键指标，而且包含多类技术，比如，过程控制技术、信息处理技术、电子技术等[1]。为了实现该系统的流程化控制服务，需要利用一体化技术来配合完成。而机电控制系统最大优势为远程控制，利用网络控制模式，无需人员到现场操作，就可以实现控制目的。

1.2 自动控制系统

自动控制系统的关键组成部分就是控制器，其作用控制对象按照预先设定好的路线运行。自动控制的普及，使机电系统的各个部位能够实现自动化运行，同时各部位之间相互连接更加紧密，而该控制主要就是以实用性为目的而设立的。其理论基础分为两类：经典控制和现代控制。前者，局限于单输入单输出的线性定常系统；后者，属于多输入多输出系统，不限定于线性定常系统。两者在数学建模方面来看，系统控制中主要采取微分方程和差分方程，以实现系统的自动控制功能，前者是以传递函数进行分析，但仅限于输入输出的外部特性关系，无法满足内部动态变化的分析需求，后者主要以状态空间进行分析，可以将系统内发生情况进行全面的描述分析[2]。前者已应用多年，理论基础扎实，经验丰富，后者是在前者的基础上发展起来的，具有其自身的优越特点，因此，自动控制系统结合两者的优势完成控制目的。结合两者的特点，不难看出，两者都有明确的控制目标，同时都是利用数学建模进行分析，以方程和函数来进行表达，实现控制系统的精准安全性能。

1.3 一体化设计

机电控制系统一体化设计是未来发展的趋势，同时能够缩短伸长时间，提供生产效率。而其设计上也打破了空间限制，利用现代计算机信息技术和远程控制设备，实现高效能生产。该设计的要求更高，需要注意其功能模块的使用方便性能、智能化分析能力以及安全方面的保障等，而该设计的完善，也会为生产工作带来更加高质高效的产能。

2 机电控制系统自动控制技术与一体化设计的意义和优势

机电控制系统的发展，为人们日常生活以及工业生产提供了便利，使其更加智能方便，减时高效。而其利用电子信息技术的判断功能，进行远程控制设备，减少了工人的工作量和现场运行设备的

时间，而电子信息远程控制技术的应用，较少操作的失误率，提升了设备安全性能[3]。一方面，按照自动控制系统角度来看，其不受外界环境影响，能够持续的进行输入和输出，系统会按照设计指令运行，流于流程节点、操作指令方面有任何的异常情况，都会及时反馈，不会受到震荡的环境而影响其运行。另一方面，一体化设计运用的范围更广，发展前景广阔，而其对于不同设备不同生产情况可以统一管理，而其整体一体化，按不同功能分类管理，方便机电控制系统的更新升级，实现企业稳定运营的目的。总之，一体化设计不断发展，对机械电气行业的发展起着促进作用，同时对于该行业的创新能力，提供了新的方向。

3 机电控制系统自动控制技术的一体化设计分析

3.1 机电设计核心理念

机电一体化的优势已经得到了各行各业的认可，同时对于其设计要求也逐步提高，而面对市场需求，对于设计人员而言，需要拥有设计核心理念，需对机电产品的构造、功能特点进行研究，同时将概念化设计结果与实际研究结果进行比较分析，能够使机电产品的设计更符合实际，更加专业化、智能化，提高设计的实用性，使其为机电行业的发展提供助力。

3.2 机电运行线路设计

该线路设计是通过网络与控制器设备在机电控制系统中的应用，使其在提升工作效率的同时，利用健全的控制系统对各类生产目标、生产质量以及生产流程从实际情况出发，进行有效控制，提升经济效益。

3.3 机电功能模块设计

功能模块的设计，是为了使机电控制系统与自动控制技术相结合，促使各个环节以及各个流程能够实现综合运营，利用控制器连接各个环节，达到整体化的设计要求，而在设计中，需要将各个模块之间进行有效连接，实现多功能一体化目标。

4 一体化设计的构想与设计方法

4.1 一体化的设计构想

随着市场经济的不断发展，工业制作业也面临着转型扩增等发展形势，同时各类新兴行业的不断崛起，对一体化进程的呼声越来越高[4]。最早提出一体化理念的是日本，最初的构想是利用电子信息技术统一控制机构内的各项功能，同时能够将软硬件相结合，形成一个整体。而这一构想以在现代社会实现并已经发展成为一门学科，结合现代科学发展技术，不断的提升自身的功能价值。而使用一体化设计的各类产品，在市场中更具有竞争性，其智能化、简便化、流程化等特点深受各行各业的喜爱，而且全面功能化的服务，能够完成对其提出的所有要求。

4.2 三种常规设计方法

4.2.1 组合法

组合法的设计思路为，机电系统中的电子与机械整合，形成一个整体，而其性能与质量都会得到有效的提升，同时不会改变产品原理，实现一体化设计。

4.2.2 取代法

取代法设计想法是利用电子线路控制机械运行过程，实现计划结果，相较于传统机械单一控制，更具灵活性。首先，利用微型计算机，将电子线路与机械控制相组合；其次，电子线路取代了原有机械控制的开关、插销板等，使用了凸轮与变速机构，简化了机械结构，实现了一体化设计的构想。

4.2.3 整体法

首先，利用控制器将各类相关的机械装置进行组合，形成一整套设备；其次，将各项功能模块进行一体化组合，实现一套设备多种功能。而这样的设计，在实际应用中，不仅节省时间，使用上更加方便。而机电一体化的设计构想中，如遇到单一部分与机械整体无法达到要求，就需要组合建造出一个整体，利用多功能模块实现预期效果。

以上三种设计方法，有其各自的优势，对其进行比较：组合法其优点为功能多、设计时间短、成本低，应用的领域是数控机床方面；取代法的优势是优化了机械结构，使其大多数应该在电子产品上；整体法的表现点在与创新性和完整性，使其能够应用在机电一体化的全领域。

4.3 机电控制系统自动控制技术与一体化设计分析

对于该系统一体化设计分析，以液压冲击器来举例说明，通过对机械一体化的设计，来提升机械工作质量。

4.3.1 系统硬件设计

（1）单片机控制芯片，在机电一体化产品设计中，系统硬件选择尤为重要，对于单片机控制芯片需选择存储量大、功能全面的芯片，而其主要组成部分为串行口、存储器等。而利用该芯片以在系统内连接总线的方式，减少资源空间占用率，不需要改变硬件的布局方式，只需在接口处实施仿真操作即可。所以，对于控制芯片的选择，稳定可靠才能达到设计要求[5]。

（2）A/D 模数转换器，该转换器的接口主要是与单片机进行连接，实现与主处理器的通信功能。其带有11 个输入端和串行控制，在进行模数转换时，利用12 位开关电容主次逼近途径。

（3）接口设计。其设计主要目的是连接各个控制器直接的接口，同时保证信息命令的准确传输。例如，字符型液晶控制器，对其显示作用的接口，要求能够使控制器与驱动器相结合，确保能够控制驱动集成电路。而存储用户自定义设置的字符发生器就在该芯片上。对于字符型液晶控制器与单片机的接口设计时，选择8 位数据线，P0数据接口，该设计的目的是确保数据传递的有效性和及时准确性。关于二通插装阀启闭延时量的问题，可利用非编码键盘来进行控制，同时也可以控制二通插装阀的压力反馈值，能够实现液压冲击器对冲击频率和效果的高效控制。而在自动控制系统下，非编码键盘与单片机P1 接口，可构架成为4×4 的电路，结合定时扫描技术，在单片机发生10ms 中断时，中央处理器快速响应并且对键盘进行自动扫描，两者的相互配合，对命令信号进项及时高效的结束操作。第四，电路设计，以往的自动控制系统仅能够利用IC 元件，进行输出电压信号的处理，电流范围仅在4 到20mA 之间，能够输出的信号以及范围相对狭小，功能规模利用率不高。而机电一体化设计中，对于电压和电流的升级，需要进行电路转换，利用电压调节装置，实现电流向电压的转换，也就是将4 到20mA 的电流转换成0到5V 的电压，同时需要干扰数据进行扣除，相应的得到了固定的电阻值。可将固定电阻与微调电阻进行串联设计在自动控制系统中。利用+12V 的电压作为开关控制电源，实现电路驱动。

4.3.2 软件设计

对于液压冲击器的软件设计，需要考虑两个方面：其一，软件方面进行有机调节，首先，在程序内预设时间组，上文中提到的非编码键盘不仅可以控制开光，同时能够科学调动时间组[6]。而在系统设计中，需要满足机电一体化产品受工作人员的控制，能够利用停止运行案件对冲击器实施相应的控制命令，确保系统的安全运行。其次，对于主程序，需设施初始化操作功能，在其进行初始化后，对存储单元进行彻底清理，使主程序对子系统进行全面监控并能够及时准确的进行控制。子系统对时间组进行操作，需要打开定时器，完成循环操作后，子系统能够自动关闭或者开启定时器。最后，系统能够对键盘中断，进行抖动消除的操作，同时根据其闭合状态，判断其是否需要处理，最终结束工作流程返回即可。其二，智能化工作软件，对于控制系统设计时，压力变送器的使用要求较高，以此判断压力信号的传输情况来控制开关阀的开启关闭时间。而控制系统中的控制模块，主要执行命令是对系统进行初始化，对制定模块进行驱动，并执行处理接口命令等。对于系统中的A/D 子系统，对其转换通道规范化设置，然后进行片选通道，同时，对其转换器设置为自动开启和延时操作。完成转换则转换结束，如未完成，需进行延时处理，结束后再进行全部转换，方可完成。对于自动控制中子程序对油锥阀的要求，首先，要么是按照开进和开回的步骤，要么是关进和开回的顺序阿里执行操作的；其次，对氮气室进行压力值采集，根据其压力实际情况，对油锥阀实施第一步的操作，压力值采集过大或不符合标准则返回第一步操作，直到采集到压力最小值，利用系统自带的运算能力得出反弹速度；最后，确定反弹速度的变化规律得出变化率与最大值。结合上文中的步骤，才能使设备在复杂的环境中安全平稳运行。