1第1章緒論2教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：

1.熟練掌握機(jī)電一體化含義；

2.了解機(jī)電一體化組成要素；

3.了解機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢。能力目標(biāo)：

1.概括總結(jié)所學(xué)知識(shí)的能力；

2.分析問題、解決問題的能力。3教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：

1.機(jī)電一體化含義

2.機(jī)電一體化產(chǎn)品組成要素

3.機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法教學(xué)難點(diǎn)：

1.機(jī)電一體化組成要素的作用

2.機(jī)電一體化系統(tǒng)的含義及設(shè)計(jì)流程4本章主要內(nèi)容1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)概述1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.3機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢5德國工業(yè)4.0和中國制造2025強(qiáng)調(diào)加快發(fā)展智能制造裝備和產(chǎn)品；組織研發(fā)具有深度感知、智慧決策、自動(dòng)執(zhí)行功能的高檔數(shù)控機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備等智能制造裝備以及智能化生產(chǎn)線；突破新型傳感器、智能測量儀表、工業(yè)控制系統(tǒng)、伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器和減速器等智能核心裝置；推進(jìn)工程化和產(chǎn)業(yè)化。1.1機(jī)電一體化系統(tǒng)概述6

機(jī)電一體化雖然是一個(gè)獨(dú)立的科學(xué)門類，但依然和其他的學(xué)科有著千絲萬縷的關(guān)系，和工業(yè)4.0及中國制造2025緊密相連，它是其他學(xué)科技術(shù)優(yōu)勢的整合體，是建立在其他學(xué)科技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展的7

機(jī)械工程科學(xué)發(fā)展的特點(diǎn)及趨勢

多學(xué)科深度交叉機(jī)械工程科學(xué)微光機(jī)電系統(tǒng)納米機(jī)械學(xué)納米加工測量微操作系統(tǒng)機(jī)械仿生仿生制造電子制造。e-制造、數(shù)字制造、虛擬制造；網(wǎng)絡(luò)制造；納米科技納米材料微型機(jī)械納米器件生命科技人類基因組基因工程生物芯片信息科技光子、量子、生物計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)技術(shù)●制造業(yè)競爭戰(zhàn)略的變遷60年代生產(chǎn)規(guī)模

70年代生產(chǎn)成本

80年代產(chǎn)品質(zhì)量

90年代響應(yīng)速度傳統(tǒng)經(jīng)濟(jì)

21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新新經(jīng)濟(jì)當(dāng)前制造業(yè)存在的主要問題

美國等發(fā)達(dá)國家中國典型產(chǎn)品中技術(shù)源于本國98.4%43%制造業(yè)新產(chǎn)品貢獻(xiàn)率52%5.9%產(chǎn)品開發(fā)周期3~6個(gè)月12~24個(gè)月主導(dǎo)產(chǎn)品平均生命周期3年10.5年技術(shù)創(chuàng)新能力比較10本課程的重要專業(yè)課程機(jī)械工程設(shè)計(jì)基礎(chǔ)液壓與氣壓傳動(dòng)機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)電路與電機(jī)電子技術(shù)單片機(jī)原理與接口技術(shù)電氣控制與PLC應(yīng)用傳感器應(yīng)用11機(jī)電一體化技術(shù)：從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，將機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)等在系統(tǒng)工程基礎(chǔ)上有機(jī)地加以綜合，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)最佳化的一門新科學(xué)技術(shù)。機(jī)電一體化不是機(jī)械與電子簡單的疊加，而是在信息論、控制論和系統(tǒng)論的基礎(chǔ)上建立起來的應(yīng)用技術(shù)。機(jī)電一體化信息科學(xué)機(jī)械學(xué)電子學(xué)12機(jī)電一體化一般包含機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))和機(jī)電一體化技術(shù)兩層含義。典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品(系統(tǒng))有：數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、汽車電子化產(chǎn)品、智能化儀器儀表、電子排版印刷系統(tǒng)、CAD／CAM系統(tǒng)等。13數(shù)控銑床14數(shù)控車床15焊接機(jī)器人16

機(jī)械手臂

17汽車防抱死系統(tǒng)(ABS)18

出色的機(jī)電一體化案例：

1.異步電動(dòng)機(jī)控制機(jī)床進(jìn)給→用計(jì)算機(jī)控制伺服電機(jī)控制機(jī)床進(jìn)給;

2.機(jī)床主軸的反轉(zhuǎn)制動(dòng)→現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的主軸準(zhǔn)停和主軸進(jìn)給;

3.機(jī)床內(nèi)鏈環(huán)的螺紋加工→具有編碼器的數(shù)控螺紋加工；

4.汽車發(fā)動(dòng)機(jī)化油器供油→電子燃油噴射；

5.紡織工業(yè)的有梭織機(jī)→噴氣、噴水無梭織機(jī);

6.紋板籠頭控制提花方式→電子計(jì)算機(jī)提花方式的轉(zhuǎn)變。

19位置,速度檢測單元電機(jī)機(jī)械部件位置,速度反饋CNC數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)組成20執(zhí)行器控制信息電子控制單元?jiǎng)恿υ礄z測傳感部分機(jī)械本體參數(shù)變化信息驅(qū)動(dòng)力能量檢測參數(shù)211、機(jī)械本體機(jī)身、框架、機(jī)械聯(lián)接等產(chǎn)品支持機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)構(gòu)造功能。要求：可靠、小型、美觀2、能源

提供能量，轉(zhuǎn)換成需要的形式，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力功能。要求：效率高、可靠性好1.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成223、檢測傳感裝置

檢測產(chǎn)品內(nèi)部狀態(tài)和外部環(huán)境，實(shí)現(xiàn)計(jì)測功能。要求：體積小、精度高、抗干擾4、電子控制單元處理、運(yùn)算、決策，實(shí)現(xiàn)控制功能。要求：高可靠性、柔性、智能化235、執(zhí)行機(jī)構(gòu)

包括機(jī)械傳動(dòng)與操作機(jī)構(gòu)，接收控制信息，完成要求的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主功能。要求：高性能、高精度、高效率241.3共性關(guān)鍵技術(shù)1檢測傳感技術(shù)2信息處理技術(shù)3自動(dòng)控制技術(shù)4伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)5機(jī)械技術(shù)6系統(tǒng)總體技術(shù)251、檢測傳感技術(shù)作用：感受器官、反饋環(huán)節(jié)。研究對象：傳感器及其信號(hào)檢測裝置（即變送器）要求：能快速、精確地獲得信息并在相應(yīng)的應(yīng)用環(huán)境中具有高可靠性。共性關(guān)鍵技術(shù)262、信息處理技術(shù)主要完成信息的交換、存取、運(yùn)算、判斷和決策等，其主要工具是計(jì)算機(jī)。傳感器A/D計(jì)算機(jī)D/A執(zhí)行裝置3、控制技術(shù)

關(guān)于軟件方面的技術(shù)，主要以控制理論為指導(dǎo)，對控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、現(xiàn)場調(diào)試、可靠運(yùn)行等。共性關(guān)鍵技術(shù)274、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)執(zhí)行元件種類：電動(dòng)、液壓、氣壓

研究對象：執(zhí)行元件及其驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)裝置：各種電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源電路

實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的主功能和構(gòu)造功能，影響系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、重量、體積、剛性、可靠性等。

5、機(jī)械技術(shù)

共性關(guān)鍵技術(shù)286、系統(tǒng)總體技術(shù)系統(tǒng)總體技術(shù)是一種從整體目標(biāo)出發(fā)，用系統(tǒng)工程的觀點(diǎn)和方法，將系統(tǒng)各個(gè)功能模塊有機(jī)的結(jié)合起來，以實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)。其重要內(nèi)容為接口技術(shù)。接口包括電氣接口、機(jī)械接口、人機(jī)接口。

共性關(guān)鍵技術(shù)29機(jī)電一體化技術(shù)特點(diǎn)簡化結(jié)構(gòu)，提高精度易于實(shí)現(xiàn)多功能和柔性自動(dòng)化產(chǎn)品開發(fā)周期縮短、競爭能力增強(qiáng)生產(chǎn)方式向高柔性、綜合自動(dòng)化方向發(fā)展促進(jìn)經(jīng)營管理體制發(fā)生根本性的變化301.2機(jī)電一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的分類設(shè)計(jì)類型：開發(fā)性、適應(yīng)性、變參數(shù)設(shè)計(jì)方法：取代法、整體法、組合法設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)途徑設(shè)計(jì)過程31市場調(diào)研總體方案設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)樣機(jī)試制與試驗(yàn)小批量生產(chǎn)大批量生產(chǎn)32一、市場調(diào)研

市場調(diào)研包括市場調(diào)查和市場預(yù)測。所謂市場調(diào)查，就是運(yùn)用科學(xué)的方法，系統(tǒng)、全面地收集所設(shè)計(jì)產(chǎn)品市場需求和經(jīng)銷方面的情況和資料，分析研究產(chǎn)品在供需雙方之間進(jìn)行轉(zhuǎn)移的狀況和趨勢，而市場預(yù)測就是在市場調(diào)查的基礎(chǔ)上，運(yùn)用科學(xué)方法和手段，根據(jù)歷史資料和現(xiàn)狀，通過定性的經(jīng)驗(yàn)分析或定量的科學(xué)計(jì)算，對市場未來的不確定因素和條件作出預(yù)計(jì)、測算和判斷，為產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。33二、總體方案設(shè)計(jì)1．產(chǎn)品方案構(gòu)思產(chǎn)品方案構(gòu)思完成后，以方案圖的形式將設(shè)計(jì)方案表達(dá)出來。方案圖應(yīng)盡可能簡潔明了，反映機(jī)電一體化系統(tǒng)各組成部分的相互關(guān)系，同時(shí)應(yīng)便于后面的修改。2．方案的評價(jià)對多種構(gòu)思和多種方案進(jìn)行篩選，選擇較好的可行方案進(jìn)行分析組合和評價(jià)，從中再選幾個(gè)方案按照機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)評價(jià)原則和評價(jià)方法進(jìn)行深入的綜合分析評價(jià)，最后確定實(shí)施方案。34三、詳細(xì)設(shè)計(jì)詳細(xì)設(shè)計(jì)是根據(jù)綜合評價(jià)后確定的系統(tǒng)方案，從技術(shù)上將其細(xì)節(jié)逐層全部展開，直至完成產(chǎn)品樣機(jī)試制所需全部技術(shù)圖紙及文件的過程。

35四、樣機(jī)試制與試驗(yàn)

完成產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)后，即可進(jìn)入樣機(jī)試制與試驗(yàn)階段。根據(jù)制造的成本和性能試驗(yàn)的要求，一般制造幾臺(tái)樣機(jī)供試驗(yàn)使用。樣機(jī)的試驗(yàn)分為實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和實(shí)際工況試驗(yàn)，通過試驗(yàn)考核樣機(jī)的各種性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求，考核樣機(jī)的可靠性。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性不滿足設(shè)計(jì)要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制造樣機(jī)，重新試驗(yàn)。如果樣機(jī)的性能指標(biāo)和可靠性滿足設(shè)計(jì)要求，則進(jìn)入產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段。36五、小批量生產(chǎn)

產(chǎn)品的小批量生產(chǎn)階段實(shí)際上是產(chǎn)品的試生產(chǎn)試銷售階段。這一階段的主要任務(wù)是跟蹤調(diào)查產(chǎn)品在市場上的情況，收集用戶意見，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造方面存在的問題，并反饋給設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量控制部門。六、大批量生產(chǎn)

經(jīng)過小批量試生產(chǎn)和試銷售的考核，排除產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中存在的各種問題后，即可投入大批量生產(chǎn)。37機(jī)電一體化對機(jī)械工業(yè)的影響

1提高性能、擴(kuò)展功能

今日的數(shù)控機(jī)床充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的威力，運(yùn)用時(shí)間序列分析和精度創(chuàng)成等理論建立數(shù)學(xué)模型。已有可能實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)包括隨機(jī)誤差在內(nèi)的機(jī)床誤差，然后自動(dòng)校正，從而達(dá)到前所未有的精度。采用對阻尼進(jìn)行預(yù)報(bào)，一旦接近臨界值時(shí)就自動(dòng)調(diào)整切削用量，這又可能出現(xiàn)永不顫振的機(jī)床，保證很高的生產(chǎn)率和良好的加工表面。

382簡化結(jié)構(gòu)393提高可靠性在提高電子元件質(zhì)量、可靠性的前提下，機(jī)電一體化產(chǎn)品可以提高耐久性，減少故障率。另一方面由于賦予其自動(dòng)監(jiān)視診斷功能，并采取安全聯(lián)鎖控制，過負(fù)荷和失控保護(hù)、停電對策，提高了設(shè)備的安全可靠性。

404節(jié)約能源例如目前我國各類電風(fēng)扇年產(chǎn)量在200萬臺(tái)左右，如每臺(tái)電扇的調(diào)速器和定時(shí)器(現(xiàn)常用電磁機(jī)械式)用電子調(diào)速器和定時(shí)器代替，估計(jì)每臺(tái)風(fēng)扇可節(jié)電5W以上，全年以用扇100天，每天開扇6h計(jì)，則每年可節(jié)約用電量600萬kW·h，還可節(jié)省大批銅材和鋼材。再如傳統(tǒng)的電焊機(jī)以電磁原理和手工操作為基礎(chǔ)，即使是一般的自動(dòng)電焊機(jī)，其動(dòng)作過程也僅為簡單的機(jī)械動(dòng)作和相應(yīng)的控制。這類電焊機(jī)耗能多、效率低、質(zhì)量不易保證。采用微型機(jī)技術(shù)后，發(fā)展新穎的電子控制電源以取代傳統(tǒng)的焊接電源，實(shí)現(xiàn)焊接電源的節(jié)能、高效、小型化、多樣化。411.3發(fā)展概況及發(fā)展趨勢1.20世紀(jì)60年代前為第一階段，“萌芽階段”工程師們自覺或者不自覺地把機(jī)械產(chǎn)品和電子技術(shù)相結(jié)合，以提高機(jī)械產(chǎn)品的性能。但是由于電子技術(shù)的發(fā)展相對落后，使得機(jī)械與電子的結(jié)合還沒有得到廣泛的應(yīng)用。2.20世紀(jì)70年代到80年代為第二階段，“蓬勃發(fā)展階”

計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)這個(gè)時(shí)期的特點(diǎn)是：①mechatronics一詞首先在日本被普遍接受，大約到20世紀(jì)80年代末期在世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)；②機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展；③各國均開始對機(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給以很大的關(guān)注和支持。

423.20世紀(jì)90年代后期開始為第三階段，“智能化階段”

①光學(xué)、通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支；②對機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)、分析和集成方法，機(jī)電一體化的學(xué)科體系和發(fā)展趨勢都進(jìn)行了深入研究。③由于人工智能技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及光纖技術(shù)等領(lǐng)域取得的巨大進(jìn)步，為機(jī)電一體化技術(shù)開辟了發(fā)展的廣闊天地。這些研究，將促使機(jī)電一體化進(jìn)一步建立完整的基礎(chǔ)和逐漸形成完整的科學(xué)體系。

發(fā)展概況431.數(shù)控機(jī)床的問世，寫下了“機(jī)電一體化”歷史的第一頁。

2.微電子技術(shù)為“機(jī)電一體化”帶來勃勃生機(jī)。

3.可編程序控制器、“電力電子”等的發(fā)展為“機(jī)電一體化”提供了堅(jiān)強(qiáng)基礎(chǔ)。

4.激光技術(shù)、模糊技術(shù)、信息技術(shù)等新技術(shù)使“機(jī)電一體化”躍上新臺(tái)階。44發(fā)展趨勢

1智能化智能化是21世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要發(fā)展方向。人工智能在機(jī)電一體化建設(shè)者的研究日益得到重視，機(jī)器人與數(shù)控機(jī)床的智能化就是重要應(yīng)用。這里所說的“智能化”是對機(jī)器行為的描述，是在控制理論的基礎(chǔ)上，吸收人工智能、運(yùn)籌學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、模糊數(shù)學(xué)、心理學(xué)、生理學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標(biāo)。452模塊化由于機(jī)電一體化產(chǎn)品種類和生產(chǎn)廠家繁多，研制和開發(fā)具有標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械接口、電氣接口、動(dòng)力接口、環(huán)境接口的機(jī)電一體化產(chǎn)品單元是一項(xiàng)十分復(fù)雜但又是非常重要的事。這需要制定各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，以便各部件、單元的匹配和接口。由于利益沖突，近期很難制定國際或國內(nèi)這方面的標(biāo)準(zhǔn)，但可以通過組建一些大企業(yè)逐漸形成。顯然，從電氣產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化帶來的好處可以肯定，無論是對生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)機(jī)電一體化單元的企業(yè)還是對生產(chǎn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的企業(yè)，規(guī)?；瘜⒔o機(jī)電一體化企業(yè)帶來美好的前程。發(fā)展趨勢463網(wǎng)絡(luò)化20世紀(jì)90年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)等的突出成就是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。機(jī)電一體化新產(chǎn)品一旦研制出來，只要其功能獨(dú)到，質(zhì)量可靠，很快就會(huì)暢銷全球。由于網(wǎng)絡(luò)的普及，基于網(wǎng)絡(luò)的各種遠(yuǎn)程控制和監(jiān)視技術(shù)方興未艾，而遠(yuǎn)程控制的終端設(shè)備本身就是機(jī)電一體化產(chǎn)品。因此，機(jī)電一體化產(chǎn)品無疑朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。發(fā)展趨勢474微型化微型化興起于20世紀(jì)80年代末，指的是機(jī)電一體化向微型機(jī)器和微觀領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。國外稱其為微電子機(jī)械系統(tǒng)（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1cm3的機(jī)電一體化產(chǎn)品，并向微米、納米級發(fā)展。微機(jī)電一體化產(chǎn)品體積小、耗能少、運(yùn)動(dòng)靈活，在生物醫(yī)療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優(yōu)勢。微機(jī)電一體化發(fā)展的瓶頸在于微機(jī)械技術(shù)，微機(jī)電一體化產(chǎn)品的加工采用精細(xì)加工技術(shù)，即超精密技術(shù)，它包括光刻技術(shù)和蝕刻技術(shù)兩類。發(fā)展趨勢485系統(tǒng)化系統(tǒng)化的表現(xiàn)特征之一就是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)進(jìn)一步采用開放式和模式化的總線結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)可以靈活組態(tài)，進(jìn)行任意剪裁和組合，同時(shí)尋求實(shí)現(xiàn)多子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和綜合管理。表現(xiàn)之二是通信功能的大大加強(qiáng)，一般除RS232外，還有RS485等。發(fā)展趨勢49本章小結(jié)重要概念機(jī)電一體化、機(jī)械技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)和系統(tǒng)總體技術(shù)。重點(diǎn)問題機(jī)電一體化產(chǎn)品組成；機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和流程。50課后作業(yè)1.試說明機(jī)電一體化的概念并分析機(jī)電一體化技術(shù)的組成及相互關(guān)系。2.列舉各行業(yè)機(jī)電一體化產(chǎn)品的應(yīng)用實(shí)例，并分析各產(chǎn)品中相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用情況。3.為什么說機(jī)電一體化技術(shù)是其他技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)?舉例說明。4.試分析機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)的區(qū)別。51第2章機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成52教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：

1.熟練掌握機(jī)電一體化產(chǎn)品的組成；

2.熟練掌握機(jī)電產(chǎn)品中的相關(guān)概念和功能；

3.能夠選擇控制器、傳感器等部分。能力目標(biāo)：

1.概括總結(jié)所學(xué)知識(shí)的能力；

2.分析問題、解決問題的能力。53教學(xué)重、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：

1.機(jī)電一體化產(chǎn)品的五大組成部分

2.傳感器的基本特性和選擇

3.驅(qū)動(dòng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作原理教學(xué)難點(diǎn)：

1.傳感器的測量電路

2.伺服驅(qū)動(dòng)54本章主要內(nèi)容機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制器2.1機(jī)電一體化產(chǎn)品中的傳感器2.2機(jī)電一體化產(chǎn)品的驅(qū)動(dòng)器2.3機(jī)電一體化的機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)

2.4小結(jié)課后作業(yè)55§2.1機(jī)電一體化產(chǎn)品的控制器單片機(jī)與單板機(jī)2.1.1可編程序控制器

工業(yè)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及選擇嵌入式系統(tǒng)概述2.1.22.1.32.1.4562.1.1單片機(jī)與單板機(jī)

它采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力(如算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、中斷處理)的微處理器(CPU)，隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，只讀程序存儲(chǔ)器(ROM)，輸入輸出電路(I/O口)，可能還包括定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口(SCI)，顯示驅(qū)動(dòng)電路(LCD或LED驅(qū)動(dòng)電路)，脈寬調(diào)制電路(PWM)，模擬多路轉(zhuǎn)換器及A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊單塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)最小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

圖2.1單片機(jī)的結(jié)構(gòu)1.單片機(jī)單片微型計(jì)算機(jī)簡稱為單片機(jī)，它的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。57MCS51是指由美國INTEL公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱，其中8051是最早最典型的產(chǎn)品，其引腳及其功能如圖2.2所示。圖2.280C51單片機(jī)引腳圖及引腳功能58單片機(jī)的40個(gè)引腳大致可分電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳四類。(1)電源:VCC為芯片高位電源，接+5V；VSS為接地端。(2)時(shí)鐘:XTAL1、XTAL2分別為晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。(3)控制線:控制線共有4根，①ALE/PROG:地址鎖存允許/片內(nèi)EPROM編程脈沖。

ALE功能：用來鎖存P0口送出的低8位地址。

PROG功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖。②PSEN:外ROM讀選通信號(hào)。③RST/VPD:復(fù)位/備用電源。

RST（Reset）功能：復(fù)位信號(hào)輸入端。

VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源。④EA/Vpp:內(nèi)外ROM選擇/片內(nèi)EPROM編程電源。

EA功能：內(nèi)外ROM選擇端。

Vpp功能：片內(nèi)有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源Vpp。(4)I/O線：80C51共有4個(gè)8位并行I/O端口，它們是P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳。P3口還具有第二功能，用于特殊信號(hào)輸入輸出和控制信號(hào)（屬控制總線）。592.單板機(jī)什么是單板機(jī)？在一塊印刷電路板插件上把CPU、存儲(chǔ)器和外設(shè)接口等集成電路片子組裝成的具有一定功能的微型計(jì)算機(jī),簡稱單板機(jī)。單板機(jī)的硬件由什么組成？由下列五部分組成：①微處理器及其外圍電路。②存儲(chǔ)器及地址譯碼電路。③輸入輸出接口適配器及其附屬電路。④總線及總線緩沖器。單板機(jī)備有兩種總線：一種是實(shí)現(xiàn)插件間通信的總線，稱為內(nèi)總線；另一種是實(shí)現(xiàn)單板機(jī)與外部設(shè)備或控制對象之間通信的總線，稱為外總線。⑤監(jiān)控程序及外設(shè)控制電路。單板機(jī)的軟件包括有監(jiān)控程序、調(diào)試程序、診斷程序、匯編程序、編譯程序等。返回602.1.2.可編程序控制器可編程控制器的定義國際電工委員會(huì)（IEC）PLC的定義：可編程控制器是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，用來在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作指令，并通過數(shù)字式和模擬式的輸入和輸出，控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程。61可編程控制器的組成

PLC主要由中央處理單元（CPU）、存儲(chǔ)器、輸入輸出單元（I/O單元）和電源單元四部分組成。小型PLC的結(jié)構(gòu)圖如圖2-3所示。圖2.3小型可編程控制器結(jié)構(gòu)框圖62可編程控制器的工作方式

PLC采用循環(huán)掃描的工作方式，包括內(nèi)部處理、通訊操作、輸入處理、程序執(zhí)行、輸出處理幾個(gè)階段。全過程掃描一次所需的時(shí)間稱為掃描周期。掃描過程見圖2.4。圖2.4掃描過程63可編程控制器的特點(diǎn)（1）可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)；（2）編程直觀、簡單；（3）環(huán)境要求低，適應(yīng)性好；（4）功能完善，接口功能強(qiáng)等。返回642.1.3工業(yè)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)及選擇

工業(yè)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

（1）兩者的用途不同。工業(yè)計(jì)算機(jī)主要用于工業(yè)控制、測試等方面，工控機(jī)的環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)。這和普通的計(jì)算機(jī)的娛樂、辦公、編程方面的應(yīng)用是完全不同的。（2）兩者的組成部件不同。工業(yè)計(jì)算機(jī)工作的場合不同，也必然導(dǎo)致了其構(gòu)成的部件和通用計(jì)算機(jī)不同。（3）工業(yè)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)和普通計(jì)算機(jī)不同。工業(yè)計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)比較單一，主要實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的功能。而普通計(jì)算機(jī)擁有大量的通用的應(yīng)用程序，處理器的速度非?？?。（4）可靠性高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)。工業(yè)計(jì)算機(jī)一般用于不間斷運(yùn)行，運(yùn)行期間不允許停機(jī)檢修；而且它還要實(shí)時(shí)對控制對象進(jìn)行檢測，所要要求其具有高的可靠性和好的實(shí)時(shí)性。65工業(yè)計(jì)算機(jī)的選擇

根據(jù)機(jī)電一體化系統(tǒng)的大小和控制參量的復(fù)雜程度，可以選用不同的工業(yè)計(jì)算機(jī)。對于小型系統(tǒng)，一般監(jiān)視控制量為開關(guān)量和少量數(shù)據(jù)信息的模擬量，這類系統(tǒng)采用單板機(jī)、單片機(jī)或可編程控制器；對于數(shù)據(jù)處理量大的系統(tǒng)，可以選用基于總線結(jié)構(gòu)的工控機(jī)，如STD總線工控機(jī)、IBM-PC總線工控機(jī)等；對于多層次、復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，則需要采用分級分步式控制系統(tǒng)，在這種系統(tǒng)中，可根據(jù)各級及控制對象的特點(diǎn)，分別選用單片機(jī)、可編程控制器、總線工控機(jī)和微型計(jì)算機(jī)來完成所需的功能。返回662.1.4嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)的定義關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義，目前存在多種下面給出兩種比較常見的定義。第一種，根據(jù)IEEE（國際電氣和電子工程師協(xié)會(huì)）的定義：嵌入式系統(tǒng)是“用于控制、監(jiān)視或者輔助操作機(jī)器和設(shè)備的裝置”?？梢钥闯龃硕x是從應(yīng)用上考慮的，嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體，還可以涵蓋機(jī)電等附屬裝置。第二種定義：嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟/硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。廣而言之，可以認(rèn)為凡是帶有微處理器的專用軟硬件系統(tǒng)都可以稱為嵌入式系統(tǒng)。67嵌入式系統(tǒng)的組成

嵌入式系統(tǒng)也是由硬件和軟件兩大部分組成的，前者是整個(gè)系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，它提供軟件運(yùn)行平臺(tái)和通信接口；后者實(shí)際控制系統(tǒng)的運(yùn)行。嵌入式系統(tǒng)的硬件可分為3部分：核心處理器、外圍電路和外部設(shè)備，如圖2.5所示。圖2.5嵌入式系統(tǒng)的硬件組成68

上圖中，CPU是嵌入式系統(tǒng)的核心處理器，又稱為嵌入式微處理器，負(fù)責(zé)控制整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的執(zhí)行；外圍電路包括嵌入式系統(tǒng)的內(nèi)存、I/O端口、復(fù)位電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器/數(shù)模轉(zhuǎn)換器（ADC/DAC）和電源等，與核心處理器一起構(gòu)成一個(gè)完整的嵌入式目標(biāo)系統(tǒng)，其中SRAM（StaticRandomAcessMemory）為靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，DRAM（DynamicRandomAcessMemory）為動(dòng)態(tài)隨機(jī)存數(shù)器，F(xiàn)lash為閃存器；外部設(shè)備指嵌入式系統(tǒng)與真實(shí)環(huán)境交互的各種設(shè)備，包括通用串行總線（UniversalSerialBus，USB）、存儲(chǔ)設(shè)備、鼠標(biāo)、鍵盤（Keyboard）、液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）、紅外線數(shù)據(jù)傳輸（InfraredDataAssociation，IrDA）和打印設(shè)備等。其中微處理是嵌入式系統(tǒng)硬件的核心。69嵌入式系統(tǒng)的軟件可分為設(shè)備驅(qū)動(dòng)接口(DeviceDriverInterface,DDI)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RealTimeOperationSystem,RTOS)、可編程應(yīng)用接口(ApplicationProgrammableInterface,API)和應(yīng)用軟件4個(gè)層次。其中DDI負(fù)責(zé)嵌入式系統(tǒng)與外部設(shè)備的信息交換；RTOS分成基本和擴(kuò)展兩部分，前者是操作系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)調(diào)度，存儲(chǔ)分配、時(shí)鐘管理和中斷管理，提供文件、圖形用戶界面等基本服務(wù)。后者為用戶提供操作系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。應(yīng)用軟件是針對不同應(yīng)用而由開發(fā)者編寫的軟件。返回70§2.2機(jī)電一體化產(chǎn)品中的傳感器傳感器概述傳感器的選用原則及注意事項(xiàng)傳感器的測量電路智能傳感器2.2.12.2.22.2.32.2.4712.2.1傳感器概述

傳感器的定義

國家標(biāo)準(zhǔn)《傳感器通用術(shù)語》中，對傳感器的定義為“傳感器是指感受或響應(yīng)規(guī)定的被測量并按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置?！?2傳感器的組成傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件和測量電路三部分組成，如圖2.6所示。圖2.6傳感器組成框圖

敏感元件是指能直接感受（或響應(yīng)）被測量的部分，即將被測量通過傳感器的敏感元件轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系的非電量或其他量。轉(zhuǎn)換元件則將上述非電量轉(zhuǎn)換成電參量。測量電路的作用是將轉(zhuǎn)換元件輸入的電參量經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換成電壓、電流或頻率等可測電量，以便進(jìn)行顯示、記錄、控制和處理的部分。73傳感器的分類

傳感器的種類很多，如果按被測對象分類，有物理量傳感器、化學(xué)量傳感器及生物量傳感器；如果按輸出量分類，有模擬式和數(shù)字式傳感器；如果按測量原理分類，有結(jié)構(gòu)型、物性型及復(fù)合型三類。結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件的變形、位移將被測量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻、電感、電容等物理量的傳感器。物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理、化學(xué)效應(yīng)工作的傳感器。另外，還可以按輸入輸出特性分的線性、非線性傳感器；按能量轉(zhuǎn)換方式分的能量轉(zhuǎn)換型（有源型或發(fā)電型）、能量控制型（無源型或參數(shù)型）傳感器，等等。74傳感器的基本特性

傳感器的基本特性主要是指輸出與輸入之間的關(guān)系特性。當(dāng)輸入量為常量或變化極慢時(shí)，其關(guān)系為靜態(tài)特性；當(dāng)輸入量隨時(shí)間較快變化時(shí)，其關(guān)系為動(dòng)態(tài)特性。傳感器的靜態(tài)特性參數(shù)包括線性度、靈敏度、重復(fù)性、遲滯、零漂和溫漂、分辨力等。傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指其輸出對隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。

常用的靜態(tài)特性如下：（1）線性度（非線性誤差）：在規(guī)定條件下，傳感器校準(zhǔn)曲線與擬合直線間的最大偏差與滿量程輸出值的百分比稱為線性度或非線性誤差。（2）靈敏度：是指穩(wěn)定工作狀態(tài)時(shí)傳感器輸出變化量和輸入量的變化量之比，用S表示為75

線性傳感器的靈敏度為一常數(shù)，而非線性傳感器的靈敏度是隨輸入變化的量。圖2.7重復(fù)性（3）重復(fù)性：指傳感器在輸入量按同一方向在全測量范圍內(nèi)連續(xù)變化多次所得特性曲線的不一致的程度，如圖2.7所示。(4)遲滯：指傳感器在正反行程中輸出與輸入曲線不重合的現(xiàn)象，如圖2.8所示。圖2.8遲滯特性76（5）零漂和溫漂：傳感器在無輸入或輸入為另一值時(shí)，每隔一定時(shí)間，其輸入值偏離原始值的最大偏差與滿量程的百分比為零漂。而溫度每升高1℃，傳感器輸出值的最大偏差與滿量程的百分比，稱為溫漂。（6）分辨力與閥值：指傳感器在規(guī)定的測量范圍內(nèi)能夠檢測出的被測量的最小變化量稱為分辨力。數(shù)字式傳感器的分辨力一般為輸出數(shù)字指示值最后一位數(shù)字。在傳感器輸入零點(diǎn)附近的分辨力稱為閥值。（7）穩(wěn)定性：傳感器使用一段時(shí)間后，其性能保持不變化的能力稱為穩(wěn)定性。772.2.2傳感器的選用原則及注意事項(xiàng)

傳感器的選則①根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型：測量之前，首先要考慮采用何種傳感器，這需多方分析才能確定。②靈敏度的考慮：通常，在線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。③線性范圍的考慮：傳感器的線性范圍越寬，則其量程越大，并且能保證一定的測量精度。④穩(wěn)定性的考慮：影響傳感器穩(wěn)定性的因素除本身結(jié)構(gòu)外，主要是其使用環(huán)境。⑤精度的考慮：精度是關(guān)系到整個(gè)測量系統(tǒng)測量精度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度只要滿足整個(gè)測量系統(tǒng)的精度要求就。⑥頻率響應(yīng)特性的考慮：傳感器的頻率響應(yīng)特性決定了被測量的頻率范圍，考慮傳感器的頻率響應(yīng)特性時(shí)，必須保證在頻率范圍內(nèi)不失真。78選擇傳感器的注意事項(xiàng)①預(yù)測量條件有關(guān)的事項(xiàng)：包括測量目的、被測試量的選擇、測量范圍、輸入信號(hào)的最大值、頻帶寬度、指標(biāo)要求、測量所需要的時(shí)間等。②與傳感器有關(guān)的事項(xiàng)：包括靜態(tài)特性指標(biāo)、動(dòng)態(tài)特性指標(biāo)、模擬量還是數(shù)字量、輸出量及其數(shù)量級、被測物體產(chǎn)生的負(fù)載效應(yīng)、校正周期、過載保護(hù)等。③與使用條件有關(guān)的事項(xiàng)：包括傳感器的設(shè)置場所、工作環(huán)境條件（溫度、振動(dòng)、濕度等）、測量時(shí)間、與其他設(shè)備的連接及距離、所需功率容量等。④與購買和維護(hù)有關(guān)的事項(xiàng)：包括性價(jià)比、零配件的儲(chǔ)備、售后服務(wù)與維修、保修時(shí)間、交貨日期等。792.2.3智能傳感器

智能傳感器的定義

智能傳感器是將微執(zhí)行器和微變送器的部分或全部處理器件、處理電路集成在一個(gè)芯片上，同時(shí)具有信息檢測、信息處理、信息記憶、邏輯思維與判斷功能的傳感器。智能傳感器的組成

智能傳感器主要由傳感器、微處理器（或計(jì)算機(jī)）及相關(guān)電路組成，其原理如圖2.14所示。80圖2.14智能傳感器原理框圖81智能傳感器的作用

不但可以對傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理，還可以通過反饋回路對傳感器進(jìn)行調(diào)節(jié)。智能傳感器的分類智能傳感器按結(jié)構(gòu)不同可分為集成式、混合式和模塊式三種形式。集成式是將敏感元件、微處理器、信號(hào)處理電路等集成同一個(gè)硅片上，集成度高，體積小?；旌鲜绞菍鞲衅鳌⑽⑻幚砥骱托盘?hào)處理電路做在不同的芯片上，目前應(yīng)用較多。模塊式是將微處理器、信號(hào)調(diào)理電路模塊、輸出電路模塊、顯示電路模塊和傳感器裝配在同一殼體內(nèi)。82§2.3驅(qū)動(dòng)器及其控制驅(qū)動(dòng)器的種類和對裝置的基本要求直流伺服系統(tǒng)交流伺服系統(tǒng)2.3.12.3.22.3.3832.3.1驅(qū)動(dòng)器的種類和對裝置的基本要求

伺服驅(qū)動(dòng)器的分類根據(jù)動(dòng)力源的不同可以分為液壓伺服驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)伺服系統(tǒng)和電氣伺服系統(tǒng)三種。電氣伺服驅(qū)動(dòng)是以伺服電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件的伺服系統(tǒng)，常見的伺服電動(dòng)機(jī)有直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等。84伺服驅(qū)動(dòng)裝置要滿足的基本要求伺服電動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足如下的技術(shù)要求：①具有較硬的機(jī)械性能和良好的調(diào)節(jié)特性。機(jī)械特性是指在一定的電樞電壓條件下，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。調(diào)節(jié)特性是指在一定的轉(zhuǎn)矩條件下轉(zhuǎn)速和電樞電壓的關(guān)系。②具有寬廣而平滑的調(diào)速范圍。③具有快速響應(yīng)特性。就是要求伺服電機(jī)從獲得控制指令到按指令要求完成動(dòng)作的時(shí)間要短，時(shí)間越短，系統(tǒng)的靈敏度越高。④具有小的空載始動(dòng)電壓。電機(jī)空載時(shí)，控制電壓從零開始逐漸增加，直到電動(dòng)機(jī)開始連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電壓稱為空載始動(dòng)電壓?？蛰d始動(dòng)電壓越小，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)越快，工作越靈敏。返回852.3.2直流伺服系統(tǒng)

直流伺服系統(tǒng)的工作原理典型的直流伺服系統(tǒng)如圖2.15所示。該系統(tǒng)包括PWM功率放大器、速度負(fù)反饋和位置負(fù)反饋等環(huán)節(jié)。圖2.15直流伺服系統(tǒng)的原理框圖86直流伺服系統(tǒng)的PWM控制它是一個(gè)能將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖寬度的調(diào)節(jié)變換裝置，它能給功率放大器提供一個(gè)寬度由速度指令信號(hào)調(diào)節(jié)的控制脈沖序列。微機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原理如圖2.16所示。圖2.16微機(jī)控制的PWM驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)框圖返回872.3.3交流伺服系統(tǒng)

交流伺服系統(tǒng)的矢量控制

矢量控制是控制交流電機(jī)的一種很有前途的控制方案，采用矢量變換的感應(yīng)電機(jī)具有和直流電機(jī)一樣的控制特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)簡單、可靠等。圖2.17是采用交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件的一種矢量控制交流伺服系統(tǒng)框圖。88變頻調(diào)速控制交流感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速n表示為圖2.17交流伺服系統(tǒng)框圖式中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min），f為外加電源頻率（Hz），p為電機(jī)極對數(shù)，S為滑差率。從上式可知改變交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速有變頻調(diào)速、變極調(diào)速和變轉(zhuǎn)差率調(diào)速三種方法。

89異步電機(jī)變頻調(diào)速所需的變頻和變壓功能(VVVF)是通過變頻器完成的。變頻器常采用脈沖幅值調(diào)制PAM(PulseAmplitudeModulation)和脈沖寬度調(diào)制PWM控制方式實(shí)現(xiàn)VVVF。PAM方式主電路如圖2.18所示。它將VV和VF分開，在可控整流電路中將交流電整流為直流，同時(shí)進(jìn)行相控調(diào)壓，而后再將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電。圖2.18PAM控制方式主電路

90PWM方式主電路如圖2.19所示。它將VV和VF功能在逆變器中一起完成。這種情況下，不可控整流器只完成整流功能，整流后的直流電壓是恒定不變的，然后通過逆變器完成變頻和變壓。圖2.19PWM控制方式主電路返回91§2.4機(jī)電一體化的機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.4.12.4.2922.4.1傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

當(dāng)兩個(gè)物體互相接觸并相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，這兩個(gè)物體稱為“運(yùn)動(dòng)副”(pair)。在運(yùn)動(dòng)副中可以分為“滑動(dòng)副”“轉(zhuǎn)動(dòng)副”和“螺旋副”等，也可以按低副和高副等進(jìn)行分類。機(jī)電一體化系統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)一般包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三大機(jī)構(gòu)。①傳動(dòng)機(jī)構(gòu)：其功能是傳遞轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。②導(dǎo)向機(jī)構(gòu)：其作用是支承和限制運(yùn)動(dòng)部件按給定的運(yùn)動(dòng)要求和規(guī)定的運(yùn)動(dòng)方向。③執(zhí)行機(jī)構(gòu)：所謂執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝置）就是按照指令將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成流體或機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的裝置。93傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要有齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滾珠絲杠、滑動(dòng)絲杠、同步帶傳動(dòng)、間歇機(jī)構(gòu)、撓性傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。齒輪傳動(dòng)齒輪傳動(dòng)是機(jī)電一體化系統(tǒng)中使用最多的機(jī)械傳動(dòng)裝置，其原因是齒輪傳動(dòng)的瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)，傳動(dòng)精確，且強(qiáng)度大、能承受重載、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦力小、效率高。滾珠絲杠

滾珠絲杠是在絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件。它可將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或者將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。94滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)原理如圖2.21所示。當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)。為防止?jié)L珠從螺紋滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有擋球器。圖2.21螺旋槽式滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖95同步帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)是綜合了帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)特點(diǎn)的一種新型傳動(dòng)，如圖2.22所示。同步帶傳動(dòng)是利用齒形帶的帶齒和帶輪的輪齒依次相嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的。圖2.22同步帶傳動(dòng)96棘輪傳動(dòng)棘輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是間歇傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的一種，它是將原動(dòng)機(jī)構(gòu)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成間歇運(yùn)動(dòng)。其工作原理如圖2.23所示，它主要由棘輪和棘爪組成。棘爪裝在搖桿上，能圍繞O1點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)，搖桿空套在棘輪凸緣上作往復(fù)暴動(dòng)。當(dāng)搖桿作逆時(shí)針方向擺動(dòng)時(shí)，棘爪與棘輪的齒嚙合，克服棘輪軸上的外加力矩M，拖動(dòng)棘輪炒逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)動(dòng)爪在棘輪齒上打滑。當(dāng)搖桿擺過一定角度λ而返向作順時(shí)針方向擺動(dòng)時(shí)，止動(dòng)爪把棘輪閘住，使其不致于因外加力距M的作用而隨搖桿一起作返回轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)棘爪在棘輪齒上打滑而返回起始位置。

圖2.23棘輪傳動(dòng)返回972.4.2執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的定義執(zhí)行裝置就是“按照電信號(hào)的指令，將來自電、液壓和氣壓等各種能源的能量轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)等方式的機(jī)械能的裝置”。執(zhí)行機(jī)構(gòu)的分類為實(shí)現(xiàn)不同功能采用不同形式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，主要有機(jī)械式、電子式、激光電動(dòng)式的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。按利用的能源形式，執(zhí)行裝置大體可分為電動(dòng)執(zhí)行裝置、液壓執(zhí)行裝置和氣動(dòng)執(zhí)行裝置。98執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微動(dòng)機(jī)構(gòu)微動(dòng)機(jī)構(gòu)是一種能在一定范圍內(nèi)精確、微量地移動(dòng)到給定位置或?qū)崿F(xiàn)特定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。微動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)執(zhí)行件的原理不同可分為機(jī)械式、電氣－機(jī)械式、彈性變形式、熱變形式、磁致伸縮式、壓電式等。

(1)手動(dòng)機(jī)械微動(dòng)機(jī)構(gòu)(如圖2.24所示)圖2.24手動(dòng)機(jī)械式微動(dòng)機(jī)構(gòu)99(2)熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)熱變形式微動(dòng)裝置是利用電熱元件作為動(dòng)力源，靠電熱元件通電后產(chǎn)生的熱變形實(shí)現(xiàn)微小移動(dòng)，其工作原理如圖2.25所示。

圖2.25熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)原理100(3)磁致伸縮微動(dòng)機(jī)構(gòu)磁致伸縮式微動(dòng)機(jī)構(gòu)是利用某些材料在磁場作用下具有改變尺寸的磁致伸縮效應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)微量位移。其工作原理如圖2.26所示。圖2.26磁致伸縮結(jié)構(gòu)原理簡圖返回101傳動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)例圖2.27所示為針式打印機(jī)上的字車機(jī)構(gòu)。圖2.27針式打印機(jī)中的同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)1,2－驅(qū)動(dòng)軸3－從動(dòng)輪4－伺服電動(dòng)機(jī)5－電動(dòng)機(jī)齒輪6－字車7－色帶驅(qū)動(dòng)手柄8－銷子9－聯(lián)接環(huán)10－字車驅(qū)動(dòng)同步帶11－支架12－帶張力調(diào)節(jié)螺桿13－色帶驅(qū)動(dòng)帶14－壓帶輪15－色帶驅(qū)動(dòng)輪16－色帶驅(qū)動(dòng)軸17－導(dǎo)桿102執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)例圖2.28所示為機(jī)床的熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)。當(dāng)高頻電流經(jīng)導(dǎo)線6通入線圈后，加熱件3被加熱，傳動(dòng)桿受熱伸長，經(jīng)托架4使運(yùn)動(dòng)件5產(chǎn)生微量位移。該機(jī)構(gòu)可根據(jù)位移量來控制加熱量，當(dāng)運(yùn)動(dòng)件5達(dá)到預(yù)定位置后，通入冷卻液或壓縮空氣，使傳動(dòng)桿冷卻而恢復(fù)到原來的位置。圖2.28機(jī)床的熱變形微動(dòng)機(jī)構(gòu)1－套筒2－傳動(dòng)桿3－加熱件4,8－托架5－運(yùn)動(dòng)件6－導(dǎo)線7－絕緣體返回103機(jī)械傳動(dòng)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的發(fā)展趨勢機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)要求具有傳動(dòng)精度高、工作穩(wěn)定性好、相應(yīng)速度快等特點(diǎn)。隨著科技進(jìn)步，其傳動(dòng)機(jī)構(gòu)正朝著精密化、高速化、小型化、輕量化的方向發(fā)展。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化產(chǎn)品的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，它要能夠保證按時(shí)、準(zhǔn)確地完成預(yù)期動(dòng)作，其發(fā)展正向采用新材料、新工業(yè)來提高機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能、響應(yīng)速度、高精度、高靈敏度和高可靠性方向發(fā)展。返回104本章小結(jié)重要概念單片機(jī)、單板機(jī)、PLC、嵌入式系統(tǒng)；傳感器（含基本特性）、智能傳感器；運(yùn)動(dòng)副、環(huán)等。重點(diǎn)問題機(jī)電一體化產(chǎn)品組成；控制器的類型；傳感器的特性；交流伺服控制；機(jī)械系統(tǒng)組成等。105課后作業(yè)1．機(jī)電一體化系統(tǒng)的組成如何？

2．什么是傳感器，其組成和基本特性如何？3．試解釋下列名詞：單片機(jī)、單板機(jī)、PLC和嵌入式系統(tǒng)106第3章機(jī)電一體化設(shè)備的控制策略107教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：

1.掌握常用的經(jīng)典控制、現(xiàn)代控制和智能控制方法；

2.了解各種控制方法的應(yīng)用。能力目標(biāo)：

1.綜合分析問題、解決問題的能力；

2.科學(xué)學(xué)習(xí)的能力。108學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：

1.傳統(tǒng)控制方法的概念；

2.現(xiàn)代控制方法的概念；

3.智能控制及控制方法的融合。教學(xué)難點(diǎn)：

1.控制的數(shù)學(xué)表達(dá)；

2.智能控制方法的理解。109本章主要內(nèi)容傳統(tǒng)控制策略

3.1現(xiàn)代控制策略

3.2智能控制策略

3.3控制策略的滲透和結(jié)合

3.4小結(jié)課后作業(yè)110§3.1傳統(tǒng)控制策略比例-積分-微分（PID）控制3.1.1串級控制

純滯后對象的控制解耦控制3.1.23.1.33.1.41113.1.1比例-積分-微分(PID)控制2.PID的參數(shù)整定方法

1.PID的概念

比例、積分、微分控制，簡稱PID控制，又稱PID調(diào)節(jié)。

PID控制器的參數(shù)整定是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。它是根據(jù)被控過程的特性確定PID控制器的比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)和微分時(shí)間常數(shù)的大小。PID控制器參數(shù)整定的方法很多，概括起來有兩大類：一是理論計(jì)算整定法。它主要是依據(jù)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過理論計(jì)算確定控制器參數(shù)。這種方法所得到的計(jì)算數(shù)據(jù)未必可以直接用，還必須通過工程實(shí)際進(jìn)行調(diào)整和修改。二是工程整定方法，它主要依賴工程經(jīng)驗(yàn)，直接在控制系統(tǒng)的試驗(yàn)中進(jìn)行，且方法簡單、易于掌握，在工程實(shí)際中被廣泛采用。1123.模擬PID和數(shù)字PID控制PID根據(jù)被控對象是模擬量還是數(shù)字量分為模擬PID控制和數(shù)字PID控制。

（1）模擬PID控制模擬PID就是我們常說的PID，其控制系統(tǒng)原理組成如圖3.1所示。

圖3.1模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖113模擬PID調(diào)節(jié)器的微分方程為（3-1）式中；kP為比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)。其傳遞函數(shù)為（3-2）114（2）數(shù)字PID控制

對模擬PID控制規(guī)律的離散化，就可以得到數(shù)字PID的差分方程如下：選擇采樣周期的選擇一般要滿足采樣定理，也就是最大采樣周期Tmax滿足下列條件1153.1.2串級控制1.串級控制的概念串級控制是一種復(fù)雜控制系統(tǒng)，它根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)命名，是由兩個(gè)或以上的控制器（主環(huán)、副環(huán)、次副環(huán)……）串聯(lián)連接組成，一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值，每一個(gè)回路中都有一個(gè)屬于自己的調(diào)節(jié)器和控制對象。2.串級控制中副回路的作用

(1)迅速克服進(jìn)入副回路擾動(dòng)的影響。

(2)靈活進(jìn)行回路切換；減少對生產(chǎn)過程的影響。1163．串級控制的組成

串級控制系統(tǒng)組成如圖3.2所示，在串級系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用的被控變量為主對象，主對象是用主參數(shù)（工藝控制指標(biāo)）表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備，副對象是用副參數(shù)（為了穩(wěn)定主參數(shù)，或?yàn)槟撤N需要引入的輔助變量）表征其特性的生產(chǎn)設(shè)備。主控制器按主參數(shù)與其給定值的偏差工作，其輸出為副控制器的給定值，在系統(tǒng)中起主導(dǎo)作用；副控制器按副參數(shù)與主控制器來的外給定的偏差工作。圖3.2串級控制系統(tǒng)組成框圖1173.1.3純滯后對象的控制1．純滯后對象的數(shù)學(xué)模型大多數(shù)工業(yè)控制對象可以用慣性加純滯后環(huán)節(jié)來描述。2．純滯后對象的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成設(shè)某一帶純滯后環(huán)節(jié)的單回路控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖3.3所示。圖3.3帶純滯后環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)1183．純滯后對象的常用控制方法對象的純滯后時(shí)間對控制系統(tǒng)的控制性能極為不利，它使系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，過渡過程特性變壞。純滯后對象的控制方法常采用大林（Dahlin）算法和純滯后補(bǔ)償（Smith預(yù)估）控制等。（1）大林算法大林算法的設(shè)計(jì)目標(biāo)是將期望的閉環(huán)響應(yīng)設(shè)計(jì)成一階慣性環(huán)節(jié)與純滯后環(huán)節(jié)串聯(lián)，滯后時(shí)間與被控對象滯后時(shí)間相同，然后反過來得到能滿足這種閉環(huán)響應(yīng)的控制器。（2）純滯后補(bǔ)償控制Smith（史密斯）提出了一種純滯后補(bǔ)償模型，其原理是，與PID控制器并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償器，該補(bǔ)償環(huán)節(jié)稱為Smith預(yù)估器。1193.1.4解耦控制1．解耦控制的概念實(shí)際系統(tǒng)中往往有多個(gè)被調(diào)量和多個(gè)調(diào)節(jié)量，若任一調(diào)節(jié)量對多個(gè)被調(diào)量都有影響，即系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，這就構(gòu)成了耦合系統(tǒng)。處理存在相互干擾的多重控制回路時(shí)，有必要運(yùn)用一種相互作用的控制系統(tǒng)將多重回路互相隔離以避免各回路間相互干擾，此類設(shè)計(jì)稱之為解耦控制。1202．解耦控制的結(jié)構(gòu)圖3.6為一簡單的耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖3.6簡單耦合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖對上圖耦合系統(tǒng)進(jìn)行解耦控制，就是在系統(tǒng)中加入解耦裝置，使圖中的調(diào)節(jié)器Gc1的輸出只影響Y1，不影響Y2；調(diào)節(jié)器Gc2的輸出只影響Y2，不影響Y1。121§3.2現(xiàn)代控制策略自適應(yīng)控制變結(jié)構(gòu)控制魯棒控制預(yù)測控制3.2.13.2.23.2.33.2.41223.2.1自適應(yīng)控制1．自適應(yīng)控制的概念

自適應(yīng)控制（adaptivecontrol）是指能自動(dòng)地適時(shí)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)本身控制規(guī)律的參數(shù)，以適應(yīng)外界環(huán)境變化、系統(tǒng)本身參數(shù)變化、外界干擾等的影響，使整個(gè)系統(tǒng)能按某一性能指標(biāo)運(yùn)行在最佳狀態(tài)下的控制。能實(shí)現(xiàn)這種控制的系統(tǒng)稱為自適應(yīng)控制系統(tǒng)。2．適應(yīng)控制的原理結(jié)構(gòu)自適應(yīng)控制一般原理結(jié)構(gòu)如圖3.7所示。123

自適應(yīng)控制的對象是一個(gè)未知系統(tǒng)，包括系統(tǒng)參數(shù)未知和系統(tǒng)狀態(tài)未知兩個(gè)方面，同時(shí)被控對象還受外界干擾、環(huán)境變化以及系統(tǒng)本身參數(shù)變化的影響。

圖3.7自適應(yīng)控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)1243．自適應(yīng)控制的分類自適應(yīng)控制方式大體上分為兩類：（1）模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）模型參考自適應(yīng)控制（ModelReferenceAdaptiveControl）系統(tǒng)是由參考模型、被控對象、常規(guī)的反饋控制器和自適應(yīng)控制器構(gòu)成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.8模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖125（2）自適應(yīng)調(diào)節(jié)器

自適應(yīng)調(diào)節(jié)器的控制對象也是一個(gè)未知或部分未知系統(tǒng)，其基本結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。圖3.9自適應(yīng)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)其設(shè)計(jì)思想是先假設(shè)被控系統(tǒng)的參數(shù)已知，適當(dāng)選擇目標(biāo)函數(shù)，決定最優(yōu)控制規(guī)律，即先確定控制器結(jié)構(gòu)，接著根據(jù)輸入輸出信息，通過辨識(shí)器進(jìn)行系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)，將辨識(shí)參數(shù)看成系統(tǒng)實(shí)際參數(shù)，修改控制器參數(shù)，構(gòu)成控制輸入，調(diào)節(jié)未知系統(tǒng)，使被控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能達(dá)到最優(yōu)。1263.2.2變結(jié)構(gòu)控制1．變結(jié)構(gòu)控制的概念如果存在一個(gè)或幾個(gè)切換函數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的狀態(tài)達(dá)到切換函數(shù)值時(shí)，系統(tǒng)從一個(gè)結(jié)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成另一個(gè)確定的結(jié)構(gòu)，那么這種系統(tǒng)稱為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。如果選擇并確定了系統(tǒng)的控制規(guī)律后，得到的閉環(huán)系統(tǒng)是一個(gè)變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，則稱此系統(tǒng)為變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)。對于某一非線性控制系統(tǒng)127如能夠確定切換函數(shù)向量并能尋求到控制函數(shù)u

為

其中且滿足：①到達(dá)條件：切換面有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)切換面；

②切換面是滑動(dòng)模態(tài)區(qū)，且滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)漸近穩(wěn)定，動(dòng)態(tài)品質(zhì)好。稱這種控制方法為變結(jié)構(gòu)控制。

以外的相軌線將于1282．變結(jié)構(gòu)控制的分類從廣義上講,變結(jié)構(gòu)控制分為滑模變結(jié)構(gòu)控制和非滑模變結(jié)構(gòu)控制兩類。一般所說的變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)均指前者。滑模變結(jié)構(gòu)控制是一種特殊的開關(guān)控制，該控制特性可以迫使系統(tǒng)在一定條件下沿規(guī)定的狀態(tài)軌跡作小幅度、高頻率的上下運(yùn)動(dòng)，即滑模運(yùn)動(dòng)。這種滑模與控制對象的參數(shù)變化及擾動(dòng)無關(guān)，故系統(tǒng)具有很好的魯棒性。定義狀態(tài)軌跡為切換面，而將稱為滑模切換函數(shù)。1293．滑模變結(jié)構(gòu)控制的切換函數(shù)的常見模型（1）線性模型。（2）線性對象，二次型切換函數(shù)模型。（3）非線性對象，線性切換函數(shù)模型。1303.2.3魯棒控制1．魯棒控制的概念

控制系統(tǒng)的魯棒性是指系統(tǒng)中存在不確定因素時(shí)，系統(tǒng)仍能保持正常工作性能的一種屬性。所謂魯棒控制,

就是設(shè)計(jì)一種控制器,使得當(dāng)系統(tǒng)存在一定程度的參數(shù)不確定性及一定限度的未建模動(dòng)態(tài)時(shí),閉環(huán)系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定,并保持一定的動(dòng)態(tài)性能品質(zhì)的控制。131

對于圖3.10所示的反饋系統(tǒng)。圖3.10反饋系統(tǒng)框圖

設(shè)不確定性模型的傳遞函數(shù)為P(s,q),，不確定性模型的集合用M表示。上圖中的控制器K如果對集合M中的每個(gè)對象（被控對象）都能保證內(nèi)部穩(wěn)定，則稱此系統(tǒng)具有魯棒穩(wěn)定性。

2.魯棒的實(shí)質(zhì)問題就是如何設(shè)計(jì)控制器K使被控對象的不確定性模型集合全部穩(wěn)定或滿足其他性能。

1323.2.4預(yù)測控制1．預(yù)測控制的概念預(yù)測控制是一種基于預(yù)測過程模型的控制算法，根據(jù)過程的歷史信息判斷將來的輸入和輸出。2．預(yù)測控制的結(jié)構(gòu)組成預(yù)測控制的系統(tǒng)組成主要包括參考軌跡、滾動(dòng)優(yōu)化、預(yù)測模型和在線校正等四個(gè)部分，其結(jié)構(gòu)如圖3.12所示。133(1)參考軌跡：是人們希望的被控對象工作狀態(tài)的一種參考軌跡。

(2)滾動(dòng)優(yōu)化：即采用滾動(dòng)式的有限時(shí)域優(yōu)化策略。

(3)預(yù)測模型：預(yù)測控制需要一個(gè)描述動(dòng)態(tài)行為的基礎(chǔ)模型，稱預(yù)測模型。

(4)在線校正：通過輸出的測量值與模型的預(yù)估值進(jìn)行比較，得出模型的預(yù)測誤差，再利用這個(gè)誤差來校正模型的預(yù)測值圖3.12預(yù)測控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)修改為1343．預(yù)測控制的常用算法預(yù)測控制的主要算法有模型算法控制（ModelAagorithmicControl,MAC）、動(dòng)態(tài)矩陣控制（DynamicMatrixControl,DMC）、廣義預(yù)測控制（GeneralizedPredictiveControl,GPC）和內(nèi)模控制（InternalModelControl,IMC）等。135§3.3智能控制策略模糊控制

專家控制系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

3.3.13.3.23.3.3遺傳算法

3.3.41363.3.1模糊控制1．模糊控制的概念模糊控制是一類應(yīng)用模糊集合理論的控制方法。2．模糊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成一個(gè)模糊推理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3.13所示。圖3.13模糊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)137它由下面4個(gè)基本要素組成。（1）知識(shí)庫（knowledgebase）：包括模糊集和模糊算子的定義。（2）推理機(jī)制（inferenceengine）：執(zhí)行所有的輸出計(jì)算。（3）模糊器（fuzzifier）：將真實(shí)的輸入值表示為一個(gè)模糊集。（4）反模糊器（defuzzifier）：將輸出模糊集轉(zhuǎn)化為真實(shí)的輸出值。3．模糊控制器的設(shè)計(jì)（1）模糊化

用模糊集表示實(shí)值信號(hào)的過程稱為模糊化。（2）建立模糊推理規(guī)則模糊規(guī)則表示為“if…then…”條件語句。在應(yīng)用中，通常采用模糊規(guī)則表形式表示出來。138

常用的模糊語言變量的符號(hào)包括：NB(NegativeBig)：負(fù)大；NM(NegativeMedium)：負(fù)中；NS(NegativeSmall)：負(fù)小；ZO(AlmostZero)：幾為零；PS(PositiveSmall)：正??；PM(PositiveMedium)：正中；PB（PositiveBig）：正大（3）確定權(quán)與規(guī)則信度。（4）選擇適當(dāng)?shù)年P(guān)系生成方法和推理合成算法。（5）反模糊化：當(dāng)推理過程的輸出構(gòu)成一個(gè)模糊輸出集時(shí)，有必要壓縮其分布以產(chǎn)生一個(gè)表達(dá)模糊系統(tǒng)輸出的單值。這個(gè)過程稱為反模糊化。1393.3.2專家控制系統(tǒng)1．專家控制系統(tǒng)的概念專家系統(tǒng)（expertsystem，ES）亦稱專家咨詢系統(tǒng)，它是一種具有大量專門知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)的智能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，基于專家系統(tǒng)的控制方法稱為專家控制系統(tǒng)(expertcontrolsystem,ECS)，它已廣泛應(yīng)用于故障診斷、工業(yè)設(shè)計(jì)和過程控制等方面。2．專家控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成圖3.14專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖140一種工業(yè)專家控制器的框圖。如圖3.15所示。

專家控制器的基礎(chǔ)是知識(shí)庫(KB)，KB存放工業(yè)過程控制的領(lǐng)域知識(shí)，由經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(DB)和學(xué)習(xí)與適應(yīng)裝置(LA)組成。控制規(guī)則集(CRS)是對被控過程的各種控制模式和經(jīng)驗(yàn)的歸納和總結(jié)。由于規(guī)則條數(shù)不多，搜索空間很小，推理機(jī)構(gòu)(IE)就十分簡單，采用向前推理方法逐次判別各種規(guī)則的條件，滿足則執(zhí)行，否則繼續(xù)搜索。特征識(shí)別與信息處理部分的作用是實(shí)現(xiàn)對信息的提取與加工，為控制決策和學(xué)習(xí)適應(yīng)提供依據(jù)。圖3.15工業(yè)專家控制器結(jié)構(gòu)框圖1413．專家控制系統(tǒng)的構(gòu)建

建造專家系統(tǒng)的步驟主要包括：設(shè)計(jì)初始知識(shí)庫，包括問題知識(shí)化、知識(shí)概念化、概念形式化、形式規(guī)則化、規(guī)則合理有效化；原型機(jī)開發(fā)與試驗(yàn)。在選定知識(shí)表達(dá)方法之后，即可著手建立整個(gè)系統(tǒng)所需要的實(shí)驗(yàn)子集，它包括整個(gè)模型的典型知識(shí)，而且只涉及與試驗(yàn)有關(guān)的足夠簡單的任務(wù)和推理過程；知識(shí)庫改進(jìn)與歸納。反復(fù)對知識(shí)庫及推理規(guī)則進(jìn)行改進(jìn)試驗(yàn)，歸納出更完善的結(jié)果。經(jīng)過相當(dāng)長時(shí)間的努力，使系統(tǒng)在一定范圍內(nèi)達(dá)到人類專家的水平。1423.3.3神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制1．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的概念

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制（ANN-basedControl）簡稱神經(jīng)控制（NeuralControl）或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由大量人工神經(jīng)元（處理單元）廣泛互聯(lián)而成的網(wǎng)絡(luò)。

2．生物神經(jīng)元模型（如圖3.16所示）圖3.16神經(jīng)元結(jié)構(gòu)模型示意圖1433．人工神經(jīng)元模型

人工神經(jīng)元是對生物神經(jīng)元的一種模擬與簡化，它是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本處理單元。如圖3.17所示為一種簡化的人工神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。圖3.17人工神經(jīng)元模型1443．人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是以工程技術(shù)手段來模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與特征的系統(tǒng)。利用人工神經(jīng)元可以構(gòu)成各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種模擬和近似。前饋型網(wǎng)絡(luò)和反饋型網(wǎng)絡(luò)是兩種典型的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

（1）前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如圖3.18所示）圖3.18前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)145（2）反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（FeedbackNN）的結(jié)構(gòu)如圖3.19所示。

圖3.19反饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)1464.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)機(jī)制有教師學(xué)習(xí)無教師學(xué)習(xí)在勵(lì)學(xué)習(xí)1473.3.4遺傳算法1．遺傳算法的概念

遺傳算法（GeneticAlgorithm）是一類借鑒生物界的進(jìn)化規(guī)律（適者生存，優(yōu)勝劣汰遺傳機(jī)制）演化而來的隨機(jī)化搜索方法。2．遺傳算法中的基本術(shù)語

染色體：遺傳物質(zhì)的主要載體，指多個(gè)遺傳因子的集合。

遺傳因子：控制生物性狀遺傳物質(zhì)的功能和結(jié)構(gòu)的基本單位，又稱為基因。

遺傳子座：染色體上遺傳因子的位置稱遺傳子座，各個(gè)位置決定了遺傳什么樣的信息。

遺傳子型：遺傳因子組合的模型叫遺傳子型，它是性狀染色體的內(nèi)部表現(xiàn)，又稱基因型。

表現(xiàn)型：由染色體決定性狀的外部表現(xiàn)，或者說，根據(jù)遺傳子型形成的個(gè)體，稱為表現(xiàn)型。148個(gè)體：指染色體帶有特征的實(shí)體稱個(gè)體。群體：染色體帶有特征的個(gè)體集合稱為群體，又稱集團(tuán)，該集合內(nèi)的個(gè)體數(shù)稱群體的大小。適應(yīng)度：各個(gè)個(gè)體各自適應(yīng)環(huán)境的程度稱適應(yīng)度。選擇：指決定以一定的概率從群體中選取若干對個(gè)體的操作稱為選擇。交叉：把兩個(gè)染色體換組的操作交叉，又稱重組。突然變異：突然讓遺傳因子以一定的概率變化的操作稱為突然變異。編碼：從表現(xiàn)型到遺傳子型的映射稱為編碼。解碼（譯碼）：從遺傳子型到表現(xiàn)型的映射稱為解碼。1493．遺傳算法的工作過程（如圖3.20所示）圖3.20遺傳算法的一般過程①初始化②選擇③交叉④突然變異然后子代的適應(yīng)度又被重新計(jì)算150§3.4控制策略的滲透和結(jié)合模糊預(yù)測控制

神經(jīng)模糊控制

自適應(yīng)PID控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制3.4.13.4.23.4.33.4.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制3.4.53.4.61513.4.1模糊預(yù)測控制常用的模糊預(yù)測控制方法有兩種：一種模糊預(yù)測控制是基于預(yù)測模型對控制效果進(jìn)行預(yù)報(bào)，并根據(jù)目標(biāo)偏差和操作者的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用模糊決策方法的在線修正控制策略。這種方法已用于一類復(fù)雜工藝過程的終點(diǎn)控制。另一種模糊預(yù)測控制是基于辨識(shí)模糊模型的多變量預(yù)測控制方法，它由模糊辨識(shí)和廣義預(yù)測控制器兩部分組成。采用線性系統(tǒng)理論來設(shè)計(jì)廣義預(yù)測器，簡化了設(shè)計(jì)。這種模糊預(yù)測控制的跟蹤速度快、抗干擾能力強(qiáng)、控制效果好。返回1523.4.2神經(jīng)模糊控制

采用模糊規(guī)則來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)稱為神經(jīng)模糊系統(tǒng)（neurofuzzysystem）。它是在一個(gè)單獨(dú)的、非線性信息處理裝置中結(jié)合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的特性。其簡單的結(jié)構(gòu)如圖3.21所示。圖3.21神經(jīng)-模糊系統(tǒng)的三層結(jié)構(gòu)1533.4.3自適應(yīng)PID控制

極點(diǎn)配置自適應(yīng)PID控制算法的原理是通過調(diào)整PID參數(shù)，使系統(tǒng)具有期望的閉環(huán)特征方程。其設(shè)計(jì)步驟為：①確定期望系統(tǒng)閉環(huán)極點(diǎn)位置；②在線估計(jì)、辨識(shí)系統(tǒng)參數(shù)；③計(jì)算控制器參數(shù)；④計(jì)算控制律。極點(diǎn)配置自適應(yīng)PID控制器具有計(jì)算量較小，魯棒性較強(qiáng)，適合于非最小相位系統(tǒng)且可推廣到多變量系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)。返回1543.4.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測控制

圖3.22表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（作為模型）預(yù)測控制的一種結(jié)構(gòu)方案。圖3.22神經(jīng)網(wǎng)路預(yù)測控制器結(jié)構(gòu)圖1553.4.5神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制

對于復(fù)雜的控制對象和環(huán)境，希望控制器能夠根據(jù)受控對象行為的觀測量，自適應(yīng)地控制對象至期望要求。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制器能夠通過學(xué)習(xí)，不斷獲取控制對象的知識(shí)，且不斷適應(yīng)過程的變化。為了使泛化學(xué)習(xí)具有自適應(yīng)能力，可把它與MRAC結(jié)合構(gòu)成神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MRAC控制，即神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接自適應(yīng)控制，如圖3.23所示。

圖3.23神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)間接MRAC框圖返回1563.4.6神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制PID控制要取得好的控制效果，就必須對比例、積分和微分三種控制作用進(jìn)行調(diào)整以形成相互配合又相互制約的關(guān)系，這種關(guān)系不是簡單的“線性組合”，可從變化無窮的非線性組合中找出最佳的關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所具有的任意非線性表示能力，可以通過對系統(tǒng)性能的學(xué)習(xí)來實(shí)現(xiàn)具有最佳組合的PID控制。157本章小結(jié)重要概念

PID控制、串級控制、解耦控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、魯棒性、魯棒控制、預(yù)測控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法、個(gè)體、適應(yīng)度、突然變異等。重點(diǎn)問題傳統(tǒng)控制方法、現(xiàn)代控制方法和智能控制等。158課后作業(yè)1．機(jī)電一體化系統(tǒng)中采用的傳統(tǒng)控制策略和現(xiàn)代控制策略各有哪些？它們各自有什么特點(diǎn)？2．機(jī)電一體化系統(tǒng)中常用智能控制方法有哪些？3．遺傳算法的工作原理如何？159第4章液壓氣動(dòng)及其控制技術(shù)160學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：

1.掌握液壓、氣動(dòng)傳動(dòng)的工作原理；

2.掌握液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的組成和基本元件；

3.熟悉液壓氣動(dòng)控制回路。能力目標(biāo)：

1.分析系統(tǒng)的能力；

2.比較不同系統(tǒng)和元件的能力。161學(xué)習(xí)重、難點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)：

1.液壓氣動(dòng)原理和組成；

2.液壓氣動(dòng)元件；

3.液壓氣動(dòng)控制。學(xué)習(xí)難點(diǎn)：

1.液壓氣動(dòng)原理；

2.液壓氣動(dòng)元件類型和形式等。162本章主要內(nèi)容液壓氣動(dòng)概述

4.1液壓氣動(dòng)動(dòng)力元件

4.2液壓氣動(dòng)執(zhí)行元件4.3液壓氣動(dòng)控制元件和控制回路

4.4小結(jié)課后作業(yè)液壓氣動(dòng)控制方式4.54.54.6液壓氣動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢§4.1液壓氣動(dòng)概述液壓氣動(dòng)的工作原理

4.1.1液壓氣動(dòng)系統(tǒng)組成

液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的控制方式

液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

4.1.24.1.34.1.41644.1.1液壓氣動(dòng)的工作原理

液壓氣動(dòng)的工作原理如圖4.1所示。液壓、氣壓傳動(dòng)分別以液體、氣體為工作介質(zhì)，把原動(dòng)機(jī)（或電動(dòng)機(jī)）的機(jī)械能先轉(zhuǎn)化為工作介質(zhì)的壓力能，再由傳送管道將具有壓力能的工作介質(zhì)輸送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，最后由執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，把液體、氣體的壓力能再轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ鳈C(jī)構(gòu)所需的機(jī)械運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。圖4.1液壓氣動(dòng)工作原理框圖165A液壓泵執(zhí)行元件1000kg100cm210cm210kg/cm2100kg=P=FAFA返回1664.1.2液壓氣動(dòng)系統(tǒng)組成

液壓、氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)一般由以下5部分組成。

(1)動(dòng)力裝置：將原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為流體的壓力能，作為系統(tǒng)供油能源裝置。液壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置由液壓泵及其保護(hù)裝置構(gòu)成；氣壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置由空氣壓縮機(jī)、貯氣罐、控制凈化、安全保護(hù)和調(diào)壓裝置等組成。

(2)執(zhí)行裝置：用于連接工作部件并把流體壓力能轉(zhuǎn)換為工作部件的機(jī)械能，如：液壓缸、氣缸（統(tǒng)稱壓力缸），液壓馬達(dá)、氣馬達(dá)。

(3)控制調(diào)節(jié)裝置：用于控制、調(diào)節(jié)系統(tǒng)中流體的壓力、流量和流動(dòng)方向，以使執(zhí)行裝置完成預(yù)期的工作任務(wù)。例如系統(tǒng)的壓力閥、流量閥、方向閥等。

(4)輔助裝置：組成整個(gè)系統(tǒng)并對系統(tǒng)的正常工作起重要的輔助作用，如液壓系統(tǒng)中的油箱、油管、濾油器等；氣動(dòng)系統(tǒng)中的冷卻器、油水分離器、分水濾氣器、油霧器、消聲器、管件、管接頭和各種信號(hào)轉(zhuǎn)換器等。

(5)工作介質(zhì)：液壓油或壓縮空氣，作為傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的載體。返回1674.1.3液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的控制方式1．單參數(shù)分散與多參數(shù)集中控制

單參數(shù)分散控制是把執(zhí)行元件的輸出量分解為運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度和推力等項(xiàng)，并分別由方向控制閥、流量控制閥和壓力控制閥加以控制的方式。多參數(shù)集中控制由伺服閥、比例復(fù)合閥或比例、伺服控制變量泵實(shí)施對執(zhí)行元件輸出的運(yùn)動(dòng)方向、速度、推力的全面集中控制，液壓、氣壓伺服控制系統(tǒng)和一部分比例控制系統(tǒng)采用此種控制方式。1682．離散與連續(xù)控制液氣壓動(dòng)力系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的動(dòng)力輸出信號(hào)或是隨時(shí)間連續(xù)變化或是離散的、非連續(xù)變化的信號(hào)。對連續(xù)變化信號(hào)采用的控制為連續(xù)控制；而對離散對象的控制方式為離散控制，主要有開關(guān)式控制和數(shù)字脈沖式控制。3．開環(huán)與閉環(huán)控制

在液壓氣動(dòng)系統(tǒng)中，執(zhí)行元件的動(dòng)力輸出無檢測或不與輸入信號(hào)比較時(shí)，系統(tǒng)僅按預(yù)定程序完成整個(gè)循環(huán)，此方式為開環(huán)控制方式。當(dāng)對系統(tǒng)輸出時(shí)時(shí)檢測并用與輸入信號(hào)比較的誤差進(jìn)行控制時(shí)，稱為閉環(huán)控制。開環(huán)與閉環(huán)控制控制的原理框圖如圖4.2所示。169圖4.2開環(huán)與閉環(huán)控制原理框圖返回1704.1.4液壓氣動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)1．液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）功率－重量比和轉(zhuǎn)矩－慣性比較大；（2）工作穩(wěn)定；（3）易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；（4）易于實(shí)現(xiàn)元件的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化；（5）效率低、污染環(huán)境、造價(jià)高等。2．氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)（1）空氣為介質(zhì)不污染環(huán)境；（2）可長距離傳輸；（3）維護(hù)方便、成本低；（4）環(huán)境適應(yīng)性好；（5）平穩(wěn)定性差、動(dòng)力小、噪聲大等。返回171§4.2液壓氣動(dòng)動(dòng)力元件液壓泵空氣壓縮機(jī)4.2.14.2.21724.2.1液壓泵1．工作原理簡單講就是依靠周期性變化的密封容積和相應(yīng)的配流裝置來實(shí)現(xiàn)工作的。圖4.3所示為單柱塞式液壓泵的工作原理圖。當(dāng)密封工作腔a的容積逐漸增大，形成局部真空，油箱中的油液在大氣壓力作用下，經(jīng)吸油管頂開單向閥1進(jìn)入a腔，這就是液壓泵的吸油過程。當(dāng)密封油腔a的容積逐漸減

液壓泵的作用是將原動(dòng)機(jī)（電動(dòng)機(jī)）輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為液體的壓力能輸出的裝置，完成向系統(tǒng)供油的任務(wù)。173

小，油腔a內(nèi)的油液受到壓縮而產(chǎn)生壓力，頂開單向閥2進(jìn)入系統(tǒng)，這就是液壓泵的壓油過程。隨著偏心輪