控制子系統設計
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信息處理與控制子系統的設計是圍繞著執行子系統的功能需求而進行的，信息處理與控制子系統設計的主要內容有：
1.確定控制子系統的整體方案。構思控制子系統的整體方案必須深入了解被控對象的控制要求。關鍵問題有：（1）控制方式及其與計算機的匹配條件。對于一個機電一體化系統，要實現某些功能可采用多種控制方案、多種控制方法。計算機系統的主要作用是實現一定的控制策略和完成一定的信息處理。當控制系統的功能和主要性能指標確定后，對計算機的基本要求也就隨之確定了。由于工業控制計算機有多種類型，每種類型又包含多種產品，往往有多種方案可以實現同一控制目標。（2）應考慮驅動部件的類型和執行部件（機構）的類型。（3）應考慮對可靠性、精度和快速性有什么要求。（4）應考慮微機在整個控制系統中的作用，是設定計算、直接控制還是數據處理。微機應承擔哪些任務，為完成這些任務，微機應具備哪些功能，需要哪些輸入/輸出通道，配備哪些外圍設備。（5）畫出控制子系統組成的初步框圖，作為下一步設計的依據。
2.確定控制算法。應對控制子系統建立數學模型，確定其控制算法。控制算法決定了控制系統的優劣。應根據不同的控制對象、不同的控制指標要求選擇不同的控制算法。對于復雜的控制系統，其算法也較復雜，使控制較難實現。為此需進行某些合理簡化，忽略某些次要影響因素，使控制算法簡化，以獲得較好的控制效果。
3.控制子系統總體設計。控制子系統要綜合考慮硬件和軟件措施，解決微型機、被控對象和操作者三者信息交換的通路和分時控制的時序安排問題，保證系統能正常地運行。通過總體設計，畫出系統的具體構成框圖。
4.軟件設計。微機控制系統的軟件主要分為系統軟件和應用軟件，軟件設計主要指應用軟件的設計。控制子系統對應用軟件的要求是具有實時性、針對性、靈活性和通用性。系統的硬件和軟件需合理結合。在機電一體化系統中，哪些功能用硬件實現、哪些功能用軟件實現等都是設計時應考慮的重要問題。對于運算與判斷、處理等功能適宜用軟件來實現，而其余不少的功能既可用硬件來實現，又可用軟件來實現。為了合理組成控制系統的硬件和軟件，通常根據系統的經濟性和可靠性綜合最優來確定。
二、信息處理與控制系統硬件設計
1.電子部件設計
電子系統的標準部件設計與機械部件設計過程大為不同。對于簡單部件，如電容器、電阻器、電位計和變壓器等，可以像機械設計那樣，將部件設計理解為確定其所有基本性質的過程。部件完全被單個元件的（機械）結構所定義，每個元件又由其形狀、尺寸、材料、表面質量所描述。當然，電磁性質對于材料的選擇是非常重要的。對于像半導體和集成電路這樣的復雜功能部件，對基本設計性質的確定并不能充分地解釋所有可直接處理的設計性質。隨著超大規模集成電路部件上晶體管數量的驚人增長，電子部件設計只能在計算機輔助下，采用層次化、面向系統的方法來進行。電子部件主要由專業化公司設計，在許多方面都實現了高度標準化，如部件值及公差、功能說明、機械封裝（如雙列直插式封裝、表面貼裝技術封裝）、溫度范圍等。只有在一些特殊情況下，機電設計者才需要自行設計電子部件。
2.電路設計
在電子系統中，可以進行電路的功能設計而幾乎獨立于其物理實現，其結果就是電路設計（二維）與電子封裝設計（三維）的分離。電路基本上是由具有傳導聯系的功能部件所構成的二維結構。很少從頭開始設計一個電路。對于典型的功能需求，在技術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/數轉換器、微處理器電路等。電路設計是利用已有元器件創造出新的結構。在設計時，可將設計任務由頂向下地細分為子問題，直至其對應于已知方案解或已知集成部件。電路設計主要基于分析和尺寸確定方法。一旦確定電路圖結構，就可詳細地計算其性能并進行仿真。因而通常的做法是快速提出一個方案解用于電路分析，然后修改該方案直至滿足設計要求。由于一些因素的存在，使得電路功能難以完全獨立于電路圖的物理實現（即封裝），例如：導體尺度限制了能量傳輸和轉換率；電路中的熱功耗完全依賴于機械結構；電磁屏蔽對于微處理器的正常運行極其關鍵；過小的尺寸會引起信號載體間的反饋和串擾；制造公
差使得一些規定功能產生了偏差。需要注意的是，以上多數問題都與信號中的能量因素有關，它們實際上是電路設計師和封裝、機械設計師的“接口”問題。與機械設計相比，電子系統的功能設計和物理實現相互之間更加獨立。在描述電子變換功能、部件結構的圖形建模方面，都有相應理論和方法存在，但設計綜合理論非常少。在一定程度上，機械設計理論可以應用于電子部件設計和電子封裝設計。
三、信息處理與控制系統軟件設計
在軟件系統方案設計中，主要問題是生成必需的變換和數據的整體結構。對于一個給定的系統，這個結構通常是唯一的，而其中的程序模塊（如算法）則往往能夠再次應用于其它設計。但是目前，能夠明確軟件模塊的功能和輸入輸出的標準化方法還不存在，這就意味著難于進行功能的分類，軟件模塊的重用也極其有限。所以，軟件設計中的問題通常是“新”的，需要尋求未知解。軟件工程中的設計建模是個薄弱環節。軟件設計非常抽象，只有進入編程階段，設計者才能使用文字和圖表來表達設計的結構和功能。即使在編程階段，設計工作也只能通過程序清單和輸入/輸出數據來進行追溯和記錄。這樣就不可避免地在軟件設計者和外行之間產生了隔閡，因為只有在設計即將完成、程序即將嵌入硬件中時，才能夠對系統的功能進行測試——而這時再想做出任何重大的修改往往就為時已晚了。為了解決這類問題，已經出現了一些方法，例如快速原型設計，即對早期、粗略的程序思想進行功能建模，以期盡快得到用戶反饋、及早發現錯誤，做出修改。但即使應用快速原型設計方法，設計者也有必要大量使用圖形，以便與外行就它的程序功能進行交流。
參考文獻：
[1]張帥.基于循環映射模型的概念設計自動化策略研究[J].機算機輔助設計與圖形學學報，2005，17(3)：491-497.
[2]曹東興.基于功能分解的機械產品概念設計[J].機械工程學報，2005，37(11)：13-17.
【摘要】信息處理與控制子系統是由傳感器提供信息，根據工藝動作過程而實施對執行系統（執行單元）的控制。控制的實現應按執行部件（機構）的運動學模型、動力學模型來進行，它是由計算機和軟件具體實施的。信息處理與控制子系統是實現機電一體化系統智能化、自動化的關鍵。執行子系統模型建立的好壞直接影響到信息處理與控制子系統的構思和設計。
【關鍵詞】信息處理控制子系統設計
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