船舶機電傳動控制

主講：李錦云

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課程教學目標掌握機械電子系統中具有普遍性和規律性的基本理論及其應用掌握機械電子系統中元件及設備的工作原理,了解學科發展前沿具有機械電子系統分析、設計能力課程概述授課方式及要求：

1、課堂講解、討論

2、讀書筆記考試：開卷成績評定：（滿分100分）

平時考核10%、讀書筆記20%、期末考試70%先修課程：

電工電子技術、機械設計、工程測試技術、微機原理及接口技術、控制工程等學時學分：32/2教學內容與學時安排一、機械電子中的共性關鍵技術（4h）機械技術計算機與信息處理技術檢測與傳感技術自動控制技術伺服驅動技術系統總體技術二、傳感器與檢測系統（9h）檢測系統的功用、組成及基本要求傳感器的分類與選用常用的傳感器及其檢測系統教學內容與學時安排三、可編程控制器(PLC)（5h）可編程控制器的定義和特點PLC的基本結構和工作原理PLC的編程語言PLC控制系統的設計步驟四、伺服驅動及其控制（14h）概述步進式伺服驅動系統直流伺服驅動系統交流伺服驅動系統直接驅動伺服系統其它伺服驅動形式伺服系統設計

參考書籍機械電子學，劉政華等，國防科技大學出版社*，2005機電一體化系統設計，姜培剛等，機械工業出版社*，2003機電一體化原理，裴仁清等編著，上海大學出版社，1998從控制角度研究現代機械的結構，研究其系統的組成、信息處理的規律和方法以及信息系統和機械結構之間的協調等問題。光機電一體化系統設計，方建軍等編著，化學工業出版社，2003圍繞光、機、電有機融合的主線，闡述了光機電一體化系統各組成部件的選型和設計，并通過伺服系統設計實例來討論光機電一體化系統的設計原理和方法。參考期刊ScienceDirectOnSite(SDOS)數據庫中的《Mechatronics》雜志，由國際自動控制聯合會創辦，主要刊登面向工程應用的機械電子學領域的文章IEEE/ASMETransactiononMechatronics，由美國電氣工程師協會和機械工程師協會聯合創辦，主要刊登以下方向的高水平文章：建模與設計、制造、運動控制、系統集成、振動與噪聲控制、驅動器與傳感器、微器件與光電子系統、智能控制、自主系統、機器人國內的期刊主要有《機械與電子》、《機電一體化》、《無損檢測》、《自動化儀表》等第一章緒論機械電子學的概念

機電一體化系統的功能構成和組成要素機械電子學的共性關鍵技術機械電子學的應用與發展前景

第一節機械電子學的概念

機械電子學(Mechatronics)，亦稱機電一體化，是隨著生產和技術的發展，在以機械技術、電子技術、計算機技術為主的多門學科相互滲透、互相結合的過程中逐漸形成和發展起來的一門新興邊緣技術學科。MechanicsMechatronicsEletronics一、機械電子學的定義

歐洲經濟共同體(

EEC)

：機械電子學是指在設計機械產品和生產過程的初始階段就考慮將精密機械技術和電子控制系統有機的結合。

日本機械振興協會經濟研究所：機械電子學是指在機械的主功能、動力功能、信息與控制功能上引進了電子技術，并將機械裝置與電子設備以及軟件等有機結合而成系統的總稱。

美國機械工程師協會(ASME)：機電一體化系統是由計算機信息網絡協調與控制的，用于完成機械力、運動和能量流等動力學任務的機械和(或)機電部件相互聯系的系統。定義分析和理解

機械技術與微電子技術、計算機技術等高新技術的有機結合是機械電子學的靈魂。這種結合，不是簡單的組合、拼湊，而是相互融合。

在技術上體現為：橫向交叉、滲透和綜合集成，產生一種新的學術思想和技術手段，達到各自單獨所不能達到的境界。

在產品結構上體現為：機械裝置與電子設備、計算機硬件與軟件合理配置，形成互相聯系的有機整體，協調一致地實現其目的功能。

目的在于：設計和開發性能優良、功能完善、效率高、柔性自動化的工程系統，為人類的生產和生活領域的自動化服務。產生原因及發展發展階段：①20世紀60年代前為第一階段，“萌芽階段”②70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發展階段”③90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”發展基礎：①人類在開發利用大自然的過程中需要智能化、自動化和柔性化的機械設備②20世紀信息技術的飛速發展二、機械電子學的研究內容

①微型計算機（包括大規模集成電路LSI），通過計算與控制實現智能功能，相當于人的頭腦②傳感器，通過信息流通實現感知功能，相當于人的感覺器官③軟件，實現信息功能，相當于人的神經系統

三、機械電子學的特點和范疇

特點①機械電子學的技術是機械技術和電子技術有機結合而成的一種高級技術。（控制論）②計算機硬件和軟件共同組成的信息處理技術，是機電一體化技術不可缺少的組成部分。③

系統工程的觀點和方法是機械電子學的基本方法，機電一體化系統是一種含有高新技術的比較復雜的工程系統。

范疇

屬于機械工程范疇，是其中新興學科。多種學科相互交叉、滲透的產物，涵蓋面相當寬凡是由各種現代高新技術與機械和電子技術相結合而形成的各種技術、產品(或系統)都應屬于機電一體化的范疇。柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)及自動化生產工程也包括在機電一體化之內嶄新的學術思想，除了強調機械與電子的有機結合，還具有更深刻更廣泛的涵義，并且將隨著科學技術的發展而不斷被賦予新的內容，范疇還將繼續延伸。（光機電一體化技術、魯棒控制、被（主）動減振等）第二節機電一體化系統的功能構成和組成要素一、機電一體化系統的功能構成實例二、機電一體化系統的組成要素機電一體化系統要素與人體要素之比較機電一體化產品的五大要素1．機械本體

包括：機身、框架、機械連接等實現：系統的構造功能要求：高效、多功能、可靠和節能、小型、輕量、美觀2．動力源

包括：電源、電動機等驅動裝置作用：提供能量，轉換成需要的形式實現：動力功能要求：效率高、響應快、可靠性好3．執行機構

包括：機械傳動與操作機構作用：接收控制信息，完成要求的動作實現：產品的主功能要求：高性能4．檢測與傳感裝置

包括：各種傳感器及其信號檢測電路作用：檢測產品內部狀態和外部環境實現：計測功能要求：體積小、便于安裝和連接、精度高、抗干擾能力強等5.控制與信息處理裝置包括：計算機及其相應硬件、軟件構成的控制系統作用：處理、運行和決策實現：控制功能要求：高可靠性、柔性和智能化

典型實例：機器人世界第一臺氣動機器人機械電子學的關鍵組成第三節機械電子學的共性關鍵技術機械技術計算機與信息處理技術檢測與傳感技術自動控制技術伺服驅動技術系統總體技術

一、機械技術

機電一體化技術的基礎。主功能和結構功能，往往是以機械技術為主實現的。機械與電子相互結合的實踐中，不斷對機械技術提出更高的要求，使現代機械技術相對于傳統機械技術發生了很大變化。新材料、新工藝、新原理、新機構等不斷出現，現代設計方法不斷發展和完善，以滿足機電一體化產品對減輕重量、縮小體積、提高精度和剛度、改善性能等多方面的要求。

新材料對機械技術的影響

半導體材料的加工需要超聲焊接、超聲清洗、光刻、刻蝕、離子注入等新型尖端設備納米科技給機械行業帶來了大量輕質高強度的材料，同時也需要微細加工技術和掃描探針技術高硅鋁合金用于制造汽車活塞，玻璃纖維、碳素纖維等陸續用于航空等高技術領域高效能的光電轉換材料的發展極大促進了航空科技的發展新工藝對機械技術的影響

光刻工藝的改進，使集成電路線寬降低為現在的90nm，帶來了IC業的迅猛發展；導電膠互連工藝、超聲焊接工藝直接導致了電子封裝行業的變革，如CPU的倒裝超聲焊，RFID封裝的導電膠互連等。注塑模(IMD)工藝的逐漸成熟與廣泛應用，給日常消費品和家電行業帶來巨大變革；激光加工通過控制激光束與工件的相對運動，可以在一臺機床上加工孔、槽、三維曲面等各種形狀，完成鉆、鏜、銑等動作；新原理對機械技術的影響

利用電極與工件之間的火花通電時，所產生的瞬時間的高溫，去層層蝕除工件表面上的材料，這即為電火花加工的原理；用帶電粒子轟擊靶材，加速的離子轟擊固體表面時，發生表面原子碰撞并發生能量和動量的轉移，使靶材原子從表面逸出并淀積在襯底材料上，稱為濺射；新機構

H4并聯機構實現三個方向的運動和繞Z軸的轉動，適合用于快速移動和姿態調整的場合，最高速度可達5m/s，加速度可達10g.Canadarm2andSpecial-PurposeDextrousManipulator(theCanadianSpaceAgency)A6DOFflightsimulator(CAEElectronicsLtd.)二、計算機與信息處理技術

信息的交換、存取、運算、判斷和決策等，主要工具是計算機，包括硬件技術和軟件技術、網絡與通信技術、數據庫技術等。計算機與信息處理裝置指揮整個產品的運行。信息處理是否正確、及時，直接影響到系統工作的質量和效率。因此，計算機應用和信息處理技術已成為促進機電一體化技術和產品發展的活躍因素。人工智能、專家系統、神經網絡技術等都屬于計算機與信息處理技術。

三、檢測與傳感技術

傳感器及其信號檢測裝置。傳感器作為感受器官，將各種內、外部信息通過相應的信號檢測裝置反饋給控制與信息處理裝置，是實現自動控制的關鍵環節。要求傳感器快速、精確地獲取信息，并能經受各種嚴酷環境的考驗。但是，由于目前檢測與傳感技術還不能與機電一體化的發展相適應，使得不少機電一體化產品不能達到滿意的效果或無法實現設計，因此，大力開展檢測與傳感技術的研究對發展機電一體化具有十分重要的意義。精密電位器角度傳感器壓力傳感器熱電偶溫度傳感器光學接近傳感器四、自動控制技術

包括自動控制理論、控制系統設計、系統仿真、現場調試、可靠運行等從理論到實踐的過程。由于被控對象種類繁多，所以控制技術的內容十分豐富，包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷、校正、補償、示教再現、檢索等控制技術。由于微型機的廣泛應用，自動控制技術越來越多地與計算機控制技術聯系在一起，成為機電一體化中十分重要的關鍵技術。

五、伺服驅動技術

主要研究伺服驅動單元及其驅動裝置。驅動單元有電、氣、液等多種類型，而多數采用步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機、電液馬達等，其驅動裝置即驅動電源電路，多數采用電力電子器件及集成化功能電路。驅動單元：通過電氣接口向上接受計算機的控制指令；通過機械接口向下與機械傳動和執行機構相聯，實現規定動作。伺服驅動技術是直接執行操作的技術，對動態性能、穩態精度、控制質量等具有決定性影響。*機電一體化系統與非機電一體化機械系統的區別，核心是其是否具有計算機控制的伺服驅動系統.直流電機-DCMotor交流電機-ACMotor步進電機-StepperMotor音圈電機-VoiceCoilMotor六、系統總體技術

按照系統工程的觀點和方法，以整體的概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將系統總體分解成相互有機聯系的若干功能單元，并以功能單元為子系統繼續分解，直至找到可實現的技術方案，然后再把功能和技術方案組合成方案組進行分析、評價和優選。系統總體技術包含的內容很多，接口技術是其重要內容之一，機電一體化產品的各功能單元通過接口聯接成一個有機的整體。第四節機械電子學的應用與發展前景機電一體化的效益和應用機械電子學的發展前景

一、機電一體化的效益和應用提高精度；增強功能和可用性；提高生產效率，降低成本；提高安全性和可靠性；減輕勞動強度，改善勞動條件；簡化結構，減輕重量；增加系統柔性和智能化。

目前的應用①

功能附加型（變異性設計）原有機械產品基礎上采用微電子技術，提高性能。如：經濟型數控機床、全自動洗衣機等②

功能替代型（適應性設計）采用微電子技術及裝置取代原產品中復雜的機械控制功能，簡化結構、增強柔性。如：電子縫紉機、電子石英鐘等③

機電融合型（開發性設計）采用具有特定用途或專門設計的集成電路來實現產品中的控制和信息處理等功能，使產品結構緊湊。如：傳真機、復印機、CNC機床等二、機械電子學的發展前景