适应智能机器的控制体系结构

智能机器的兴起和扩散是显而易见的。这些系统以极高的速度和精度执行重复性任务，能够适应不断变化的条件，并且比以往任何时候都更加自主。就像之前几代技术一样，智能机器将影响生活的几乎每一个领域。它们将改变我们生产商品的方式、医生做手术的方式、物流公司组织仓储的方式，甚至未来几代人接受教育的方式。

围绕这一主题的争论从担心失去中低技能工作，到希望刺激高收入国家制造业的复苏。当研究机构、经济学家和媒体争论注入信息技术(IT)的机器的影响时，工程师和科学家的任务是提供更加灵活和通用的制造系统。这些系统必须帮助制造业满足对产品多样性的需求，并处理消费品日益缩短的生命周期。

智能机器特点

驱动制造设备创新的因素有两方面:一是产品的个性化和复杂性，二是对生产率和质量不断提高的需求。智能机器有五个特点:

1.灵活性:机器和设备制造商不再设计单一用途的机器。他们创造灵活的多用途机器，以满足当今的制造需求，例如较小的批量生产，客户特定的产品变化，以及在一个设备中结合不同功能的高度集成产品的趋势。

2.自动操作:现代机器的操作比以往任何时候都更加自主。

3.诊断:智能机器还可以防止和纠正由干扰引起的加工错误，如原材料条件的变化、热工作点的漂移或机械部件的磨损。通过广泛的传感器网络，智能机器可以保存有关过程、机器状态和环境的信息。这改善了正常运行时间并提高了质量水平。

4.自适应改进:机器系统可以随着时间的推移提高性能，并通过挖掘数据、利用仿真模型或应用特定于应用程序的学习算法来学习。

5.通讯:机器与其他自动化系统交换信息，并向更高一级的控制系统提供状态信息。这使得智能工厂和自动化生产线能够适应不断变化的条件，平衡机器之间的工作量，并在机器发生故障之前通知服务人员。

设计方法、挑战

现代机器控制系统利用有关环境、过程和机器参数的数据和信息来适应不断变化的条件，执行不纯粹重复的任务，或提高效率和性能。传感器和测量技术发挥着越来越重要的作用，因为它们使机器制造商能够创建了解环境的系统，执行实时过程监控，确保关键机械部件的健康，并使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，实时收集信息，并在运行高速控制回路时并行使用来自多个传感器的信息。具有工业级坚固性的高性能嵌入式系统通过模块化输入/输出(I/O)设备提供直接传感器连接。今天，领先的机器制造商采用异构计算架构，将实时处理器和可编程硬件相结合，以解决最苛刻的应用。

为了满足当今的制造需求，机器制造商必须设计高度模块化的系统，以满足客户的特定要求，或根据不同的制造工艺和产品变化进行现场调整，有时甚至不需要操作员的交互。尽管模块化方法可以帮助原始设备制造商(oem)开发可重复使用的组件，这些组件可以在他们的机器产品中使用，并简化了现成子组件的集成，但它极大地改变了oem完成系统设计的方式。机械系统的模块化需要体现在控制系统架构中。现代机器不是使用传统的单片系统，而是基于控制系统的网络。需要一个无缝的通信基础设施，可以处理时间关键型数据、低优先级数据以及状态信息和与监控系统的通信。

智能机差异化

领先的机器制造商通过需要采用以下关键技术的功能来区分他们的智能机器:

• 多种控制系统和异构计算体系结构的结合
• 提供信号分析工具、高速控制回路和算法的硬件和软件平台;仿真和建模工具;以及网络和通信能力
• 一种以软件为中心的设计方法，帮助处理这些系统日益增加的复杂性。

智能机器技术

现代机器使用分散的协同控制，一种模块化的方法。它们包含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，并与工厂级别的更高级别控制系统通信，使智能工厂成为可能。为了使系统具有适应性和可扩展性，控制系统体系结构也需要反映这种模块化。需要工业通信协议来互连子系统并保持定时和同步。

向以软件为中心的设计方法和编程工具的转变，提供了使用一种设计工具来实现不同自动化任务的能力，使客户能够在其控制软件中反映机械系统的模块化。

虽然简单的系统可能会摆脱一个中央控制器连接到分散I/O的经典概念，但现代机器实现了具有分层结构的控制体系结构，其中高级控制系统连接到执行明确定义和包含自动化操作的从控制器。

传统的可编程逻辑控制器(plc)仍然在这种设置中发挥重要作用，特别是在实现逻辑或安全功能方面，但现代机器控制系统包含嵌入式控制和监测系统，以实现先进的控制，机器视觉和运动控制功能或机器状态监测。除了与主控制器的连接外，智能子系统通常还可以与同一级别的系统进行交互，以触发和同步任务，从而实现高性能、视觉引导运动或基于位置的触发和数据采集等应用。

当今机器制造商面临的最大挑战之一是采用嵌入式技术。面对紧迫的上市时间要求和激烈的竞争，时间和资源是有限的，以证明开发定制嵌入式硬件是合理的。通常情况下，员工中没有嵌入式工程师，他们只能选择外包这些工作。

借助用于运动控制、机器视觉和控制设计与仿真的附加模块，机器预测和状态监测功能，以及对I/O硬件和通信协议的广泛支持，机器制造商能够巩固其开发工具链，并进一步简化设计过程。机器控制系统的硬件选择是一项艰巨的任务。系统工程部门通常需要在易于使用和低风险的黑盒解决方案与自定义嵌入式系统的性能和价格优势之间进行交易，允许他们构建差异化的功能，这些功能可以决定他们的机器在市场上的成功或失败。由于定制解决方案通常会将这些设计团队赶出他们的舒适区，因此他们通常倾向于使用传统解决方案，他们非常清楚这可能会限制他们为机器添加差异化智能的能力。

异构计算架构

随着机器控制应用变得越来越复杂，硬件架构和嵌入式系统设计工具必须不断发展，以满足日益苛刻的要求，并最大限度地减少设计时间。从历史上看，许多嵌入式系统都只有一个CPU，因此系统设计人员依靠CPU时钟速度的改进、向多核计算的转变以及其他创新来实现复杂应用程序所需的处理吞吐量。然而，越来越多的系统设计人员正在迁移到具有多个不同处理元素的计算架构，以便在吞吐量、延迟、灵活性、成本和其他因素之间提供更优的平衡。异构计算体系结构提供了所有这些优势，并为高级机器应用程序实现了高性能嵌入式系统。

为了说明异构计算体系结构可以提供的一些好处，考虑一个由CPU、现场可编程门阵列(FPGA)和I/O组成的体系结构。fpga非常适合处理并行计算，如并行控制回路，大量数据通道上的信号处理操作，以及在一个系统内执行独立的自动化任务。此外，由于fpga直接在硬件中实现计算，因此它们为自定义触发和高速闭环控制等任务提供了低延迟路径。而且，将fpga集成到计算架构中还可以提高嵌入式系统的灵活性，使它们比具有固定逻辑的系统更容易升级，并使它们能够适应不断变化的I/O要求。在相同的异构架构中耦合CPU和FPGA意味着系统设计人员不需要在FPGA的优势和CPU的相应优势之间进行选择。此外，异构体系结构可能比试图采用单元素解决方案来解决元素不太适合的问题更为理想。例如，一个FPGA可以处理需要低延迟的并行任务以及大量的cpu。

尽管以多处理元素为特征的嵌入式系统设计具有许多优点，但它们在软件开发方面提出了一些挑战。单个处理元素的专门架构以及编程所需的工具和专业知识的碎片集意味着它们通常需要大型设计团队。例如，FPGA编程通常需要具备VHDL编程的知识——这种技能可能需要大量的培训投资、更多的员工或昂贵的外包。VHSIC是一种非常高速的集成电路。VHDL是IEEE 1076中定义的VHSIC硬件描述语言。

开发支持异构架构的软件栈是一项相当大的工作，涉及驱动程序集成、主板支持、用于元素间通信的中间件、I/O接口逻辑等等。系统设计人员可以通过一个由标准异构架构、可互换I/O和高级系统设计软件组成的集成硬件和软件平台来解决这些挑战。基于底层硬件的知识，高级设计工具在开发过程中抽象了系统架构和I/O，从而提高了生产率并减少了系统设计人员管理低级实现细节的需要。

当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级系统设计工具，这些工具可以抽象出单个计算元素(如fpga)的架构，并提供统一的编程模型，帮助设计人员利用不同元素的功能。此外，高级设计软件中的抽象有助于对功能行为的简明描述，并促进代码重用，尽管硬件或通信接口发生了变化。

机械设计师

机器设计师的前景已经改变。缩短设计周期和设计功能增强的更复杂机器的需求深刻地改变了设计方法。设计工具现在可以提供前所未有的灵活性和速度。几年前仅用于高端研究的算法和工具，随着硬件和软件之间设计循环能力的增强，现在正进入工业市场。

- Christian Fritz是NI的首席产品经理。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程，mhoske@cfemedia.com。

关键概念

• 嵌入式系统正在创造更智能的机器。
• 智能机器是灵活的、自主的、自诊断的和自适应的。
• 智能系统设计需要更智能的设计工具。

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