摘要：智能机器控制设计是基于一个控制系统网络。 这需要一个无缝通信基础设施来处理时间要求严格的数据、优先级较低的数据和状态信息，并与监控系统进行通信。 为了应对日益增加的分布式嵌入式系统复杂性，机器制造商可以采用以软件为中心的系统设计方法。本文就智能控制器产品结构研发设计进行探讨。
关键词：智能控制器 产品 研发设计
引言：智能控制器是以自动控制技术和计算机技术为核心，集成微电子技术、电力电子技术、信息传感技术、显示与界面技术、通信技术、电磁兼容技术等诸多技术门类而形成的高科技产品。目前，智能控制器应用领域广泛，主要涉及家用电器、健康与护理产品、电动工具及工业设备装置、智能建筑与家居、汽车电子等极为广泛的领域，是部分新兴产业快速发展的牵引力，也是某些传统产业升级换代的重要驱动因素。随着市场需求的高速增长、市场应用领域的持续扩大，除了传统的制造业领域，智能控制器在电力、化工、农业、建筑、军事等其他领域及其相关产品中的应用将越来越普及，整个市场前景广阔。
1.智能控制器设计方法与挑战
现代机器控制系统通过获取环境、进程和机器参数等相关数据和信息来适应不断变化的条件、执行不完全重复的任务或者提高效率和性能。 传感器与测量技术扮演着越来越重要的角色，因为他们使得设备制造商能够开发出可感知环境以及实时监测执行过程的系统，从而确保重要机械部件的良好状态，并利用这些信息进行自适应控制。 这要求控制系统能够集成传感器数据、实时采集信息，并在高速运行控制循环的同时并行处理来自多个传感器的信息。 具有工业级耐用性的高性能嵌入式系统通过模块化 I/O 设备提供直接的传感器连接。当今领先的设备制造商采用实时处理器和可编程硬件相结合的异构计算架构来满足最苛刻的应用需求。 过去，设计团队是由机械、电气和控制工程师组成，各自负责自己的设计任务。 然而，当今的现代化机器需要不同的设计团队更紧密地合作。 面向机电一体化的设计工具可仿真整个设计过程中机械和电气子系统之间的交互，从而优化了机器开发。 以前，来自各个学科领域的工程师团队都各自独立地工作或按顺序进行开发。 设计决策都是独立做出的，导致开发时间和成本增加。 如今，为了通过机电一体化方法来简化开发，团队就需要同时并行工作，在设计、原型和部署上相互合作。 机电一体化方法的一个重要方面是构建虚拟原型的能力，因为它有助工程师和科学家在机器尚未实际成型之前就可以先对机器进行研究。
2.智能控制器产品结构研发设计——分散协同控制
现代机器采用的是模块化方法。 它们包含了一个智能子系统网络，这些子系统共同执行机器内的所有自动化任务，并与更高层次的控制系统进行机器设备层面的通信，从而使智能工厂成为可能。 如果要创建自适应且可扩展的系统，控制系统结构必须能够反映这种模块化特性。 互连多个子系统并保持定时和同步需要使用工业通信协议。 以软件为中心的设计方法和能够让单个设计工具实现多个不同自动化任务的编程工具可以帮助用户在控制软件中反映机械系统的模块化特性。
虽然简单的系统可能没有采用将一个中央控制器连接至分散 I/O 的典型概念，但现代机器采用了一个基于分层结构的控制架构， 其中较高层次的控制系统连接到从控制器，从
控制器负责执行定义清晰且受控制的自动化操作。
LabVIEW RIO 架构提供了一种混合的方法： 一个完全自定义的现成平台，搭载可编程 FPGA 模块，并且能够访问 NI 和第三方供应商提供的各种 I/O 模块。 通过使用 LabVIEW FPGA 模块所提供的功能和 IP，机器制造商可以专注于自定义算法的设计和优化，而不是花费数周甚至数月的时间在硬件设计上或者让第三方公司设计又一个针对特定应用的黑匣子嵌入式解决方案。 基于相同架构的自定义 I/O 前端和仅板卡模块提供了更高的灵活性。
3.异构计算架构
随着机器控制应用越来越复杂，硬件架构和嵌入式系统设计工具也必须满足日益苛刻的需求同时还要缩短设计时间。 过去，许多嵌入式系统仅采用单个 CPU，因此系统设计师都依赖于 CPU 时钟速度的提升、多核计算技术以及其他创新方法来满足复杂应用所需的处理能力。 然而，越来越多的系统设计工程师开始转向具有多个不同处理元件的计算架构上，这种架构保证了吞吐量、延迟、灵活性、成本等因素之间的最佳平衡。 异构计算架构便可提供所有这些优势，使先进机器应用所需的高性能嵌入式系统得以实现。
为了说明异构计算架构带来的好处，我们来设想一个由 CPU、FPGA 和 I/O 组成的架构。 FPGA 非常适用于处理并行计算，比如并行控制循环、在大量数据通道上运行信号处理，以及在一个系统中执行多个独立的自动化任务。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆 另外，由于 FPGA 可直接在硬件中执行计算，因而为自定义触发和高速闭环控制等任务提供了低延迟处理方法。 将 FPGA 集成到计算架构也可提高嵌入式系统的灵活性，使它们相比具有固定逻辑的系统更容易升级，也更能适应不断变化的 I/O 要求。 将 CPU 和 FPGA 集成到同一个异构架构意味着系统设计人员不需要在 FPGA 和和 CPU 之间做出抉择。 此外，相比尝试使用单元件解决方案来解决该元件并不擅长解决的问题，选择异构架构要明智得多。 例如，单个 FPGA 就可以处理通常使用大量 CPU 来执行的低延迟并行任务。
虽然包含多个处理单元的嵌入式系统设计有很多优点，但当涉及到软件开发时同样也存在诸多挑战。 嵌入式系统的专业架构包含了许多独立的处理单元和各种不同的工具，需要专业知识来对其进行编程，这意味着需要大型的设计团队。 例如，FPGA 编程通常需要具备 VHDL 编程知识，这个技能可能需要大量的培训投资、更多的员工或昂贵的外包。 此外，开发软件栈来支持异构架构的工作量非常大，涉及驱动集成、板卡支持、开发中间件来实现元件间通信、I/O 接口逻辑等。 系统设计工程师可以使用由标准异构架构、可互换 I/O 和高层系统设计软件组成的集成软硬件平台来解决这些挑战。 高层设计工具基于底层硬件知识，可在开发过程中抽象系统架构和 I/O，提高生产力以及减少系统设计人员管理低层实现细节的需求。 开发基于异构架构的嵌入式系统时，系统设计人员可以使用高层系统设计工具来抽象单个处理元件（如 FPGA）的架构，并提供一个统一的编程模型来帮助设计人员利用不同元件的性能优势。 此外，高层设计软件的抽象可进一步简化功能行为的描述，即使硬件或通信接口发生变化也可重复利用代码。
4.机电一体化设计方法
在现代机器设计中，每个决定都会产生连锁反应。 如果机械团队决定更改材料，就会改变机械部件的重量，进而影响电机规格，有时甚至会影响高效运行机器所需的电机类型。
从步进电机更换为伺服电动机会显著增加控制算法的复杂性以及对嵌入式系统算法处理性能的要求。 提高机械、电气和控制工程师之间的团队沟通和合作至关重要。 此外，如果工具在整个开发周期的各个阶段能够无缝集成以及帮助工程师共享数据和信息，就会大大提高合作效率。 机电一体化是整个业界优化现代机器设计过程的一个努力方向。 它集成了最优的开发实践和技术来简化设计、原型和部署。
软件工具在采用机电一体化设计方法上起到了关键作用。 LabVIEW 提供了多种不同的计算模型，可让工程师选择最适合其任务的方法，从而帮助工程团队降低机器设计的成本和风险。 LabVIEW 将多个计算模型与显式定时和并发结构相结合，对于开发和实现协同控制系统非常有用。 最重要的是该环境能够让系统设计人员顺利地从桌面仿真过渡到实时原型开发、硬件在环仿真再到最终的部署。 而 LabVIEW 支持微处理器、FPGA 以及图形处理器等不同异构终端的能力可确保不同的应用能够采用最合适的处理元件。
有用的机器控制计算模型包括数据流、状态图、ANSI C 和 VHDL 代码、文本数学、多速率、仿真和反馈控制。 数据流编程可以轻松地创建并行任务，如通信、监测和控制。 其他编程计算模型包括用于微处理器的 ANSI C 和用于 FPGA 的 VHDL。 面向数学的文本编程可以支持由研究人员和工程师为物理系统的各种组件开发的自定义.m 文件。多速率计算可以实现数字信号处理。 动态系统仿真和反馈控制也由一个包含信号流表示方法的独立计算模型来表示。 状态图是另一种常用来表示离散逻辑的计算模型。 虽然这些计算模型在早期可能需要在台式计算机上运行，但是 LabVEIW 系统开发环境可简化这些模型部署到嵌入式控制和监测平台的过程。
结束语
随着智能控制器渗透率的提高、产品性能及附加值的提升以及下游行业专业化分工的发展趋势变化，未来几年智能控制器市场需求将稳步增长。从终端产品发展方向看，随着微处理器的处理速度提高，各种检测控制算法的发展，以及智能控制器网络化、无线联接、小型便携化等技术的飞速进步，智能控制器终端产品的智能化特征将变得更为突出也更为重要。
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论文作者:阳金伟
论文发表刊物:《电力设备》2018年第13期
论文发表时间:2018/9/18
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