主讲人：刘利

1. 主讲人：刘利 上海交通大学机电控制研究所 lili630@sjtu.edu.cn 021-34206294 交通大学控制课程系列 上海市精品课程 专业基础课、必修课 2008.2.18

2. 友情提示 • 基于本人从事机电控制技术的教学、科研的经历，特编写本课件，以此献给广大的机电控制技术初学者，希望您能从中受益。 • 本课件是最通俗易懂的机电控制技术课件，如果您还是看不懂，请千万不要涉足此行，以免误入歧途，耽误您的前程！ • 为了尽量把最新的机电控制技术和应用成果收录进本课件，希望您不吝赐教，共同努力把机电控制技术的课件不断的改进和完善。

3. 课程性质及任务 本课程是机械设计（制造）及自动化专业的核心课程,该课程综合性特强。本课程的主要任务是通过各个教学环节，应用各种先进教学手段，使学生掌握低压电器、可编程控制器、单片机等工程中常用的机电控制技术和方法,培养学生分析问题和解决问题的能力，为学生今后从事机电控制技术和科学研究工作打下坚实基础。 学时/学分 45学时（上课39学时，上机实验6学时） 3学分

4. 先修课程 电工学、电子技术、微机原理及应用 适用专业 机械与动力工程

5. 教学目标与要求 • 要求： 能够掌握本课程的基本概念，基本方法和基本技能，具有初步的机电一体化设计、分析和应用能力。 • 目标： 三字：懂、能、会 （ 即懂原理、会分析、能设计）

6. 本课程的主要内容 工业中常用控制器的工作原理及系统设计 • 低压电器 • PLC • 单片机

7. 理论教学内容及学时安排 • 第一章 概述 2学时 • 第二章 继电器接触器控制系统 6学时 • 第三章 可编程序控制器原理及应用 12学时 • 第四章 单片机原理及应用 18学时

8. 实验教学内容及学时安排 • 第一部分 PLC软件仿真 2学时 • 第二部分 单片机A/D、 D/A硬、软件设计 4学时

9. 课程的特点 • 知识面广、涉及深度有限 • 工程性强，结合实例着重方案分析与归纳,介绍软件功能并结合实例讲解基本操作 • 讲课、上机、个人自学相结合。 成绩评定 考试、大赛、个人作品

10. 教材及参考资料 • 教材 机电控制技术 杨汝清主编 • 参考书籍、期刊、网站 • 机电控制技术．郁建平编．科学出版社，2006.10 • 《国内外机电一体化技术》,中国机电一体化技术应用协会主办 • 《机电一体化》，上海科技文献出版社主办 • http://WWW.gongkong.com.cn(中国工控网） • http://www.chianjournal.net.cn （中国期刊网）

11. 第一章：概述 本章主要内容 1.1 机电一体化定义 1.2 机电一体化技术的发展 1.3 机电一体化构成 1.4 机电一体化的功能 1.5 机电一体化的相关技术 1.6 机电一体化系统设计

12. 1.1 机电一体化的定义 引子 • 中国机械工业曾经经历相当一段时期的不景气状况 • 美国的许多机械工业产业外移墨西哥等地 结论 • 纯机械的工业产业，境况日趋艰难 • 机电结合的工业产业，道路越走越宽

13. 1.1 机电一体化的定义 Mechanic（机械学）+ electronics（电子学） Mechatronics • 机电一体化最早出现在1971年日本《机械设计》杂志的副刊上，随着机电一体化技术的快速发展，机电一体化的概念被人们广泛接受和普遍使用。 • 1996年出版的WEBSTER大词典收录了这个日本造的英文单词，

14. 电子学 机械学 机电一体化 信息科学 1.1 机电一体化的定义 • 机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技术 、微电子技术、信息技术、控制技术等多门技术在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新兴边缘性技术学科。 • 机电一体化不是机械 与电子简单的叠加，而 是在信息论(利用传感技术） 控制论和系统论（“系统” 整体筹划，机械和电子分别 只是“环节”）的基础上建立 起来的应用技术

15. 1.1 机电一体化的定义 机电一体化是一个发展中的概念 • 电子技术“溶入”到机械技术中 ； • 以计算机技术、通信技术和控制技术为特征的信息技术（即所谓的“3C”技术：Computer、Communication和 Control Technology）“渗透”到机械技术中； • 光（光学）机电一体化、机电气（气压）一体化、机电液（液压）一体化、机电仪（仪器仪表）一体化等；

16. 1.1 机电一体化的定义 机电一体化两层含义： 机电一体化产品(系统)和机电一体化技术。 • 机电一体化产品 • 由机械系统（或部件）与电子系统（或部件）及信息处理单元（硬件和软件）有机结合、而赋予了新功能和新性能的高科技产品。 • 典型的机电一体化产品(系统)有：数控机床、机器人、汽车电子化产品、智能化仪器仪表、电子排版印刷系统、CAD／CAM系统等。

17. 机电一体化产品(系统) 美国MIT的Servomechanism Laboratory研制出第一台数控机床(1952) 数控车床

18. 机电一体化产品(系统) • 美国George Devol研制出第一台工业机器人样机(1954)； • 日本SONY公司二足步行机械人SDR-4X(2002)

19. 世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957)世界第一颗人造地球卫星(Sputnik)由苏联发射成功(1957) 苏联东方-１号飞船载着加加林进入人造地球卫星轨道，人类宇航时代开始了(1961)。

20. 苏联发射“月球”9号探测器，首次在月面软着陆成功(1966)，三年后(1969)，美国“阿波罗”11号把宇航员N. A. Armstrong送上月球。

21. 第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996)第一台火星探测器Sojourner在火星表面软着陆(1996) 旅行者Voyager 一号，二号开始走出太阳系，对茫茫太空进行探索。

22. 机电一体化技术 • 主要包括技术原理和使机电一体化产品（或系统）得以实现、使用和发展的技术。 • 机电一体化技术是一个技术群（族）的总称，包括检测传感技术、信息处理技术、伺服驱动技术、自动控制技术、机械技术及系统总体技术等。

23. 1.2 机电一体化技术的发展 • 机械技术发展的过程 • 机电一体化得以发展的条件 • 机电一体化发展方向 • 机电一体化技术对机械产品的影响

24. 机械技术发展的过程 （1）机构（作业功能）：凸轮、齿轮、轴承、传动带、螺钉螺母等 （2）机构的驱动（动力功能）：蒸汽机、内燃机、电动机等 （3）机械控制技术（测控功能）：传感器、伺服系统等 （4）电子与计算机技术（智能、信息功能）：集成电路、计算机、网络技术（远程测控）

25. （1）机构（作业功能）： • 中国明代宋应星所著《天工开物》记载有程序控制思想(CNC)的提花织机结构图(1637年) • 中国马钧研制出用齿轮传动的 自动指示方向的指南车(235年)

26. （2）机构的驱动（动力功能） • 英国J. Watt用离心式调速器控制蒸汽机的速度(1788年)

27. （3）机械控制技术（测控功能）： • 美国N. Minorsky研制出用于船舶驾驶的伺服结构，提出PID控制方法(1922)。 • 美国E. Sperry以及C. Mason研制出火炮控制器(1925)，气压反馈控制器(1929)。

28. （4）电子与计算机技术（智能、信息功能）：（4）电子与计算机技术（智能、信息功能）： 导弹(发射，操纵，指导及跟踪)，卫星，航天器和星球大战，以及计算机技术的出现

29. 综上所述： 1. 数控机床的问世，写下了“机电一体化”历史的第一页。2. 微电子技术为“机电一体化‘’带来勃勃生机。3.” 可编程序控制器、””电力电子”等的发展为机电一体化提供了坚强基础。4. 激光技术、模糊技术、信息技术等新技术使”机电一体化“跃上新台阶。

30. 机电一体化技术三个发展阶段 1. 20世纪60年代前为第一阶段，“萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结 合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对 落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。 2. 70年代到80年代为第二阶段，“蓬勃发展阶” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体 化的发展奠定了技术基础这个时期的特点是： • mechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到20世纪80年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认； • 机电一体化技术和产品得到了极大发展； • 各国均开始对机电一体化技术和产品给以很大的关注和支持。

31. 3. 90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段” • 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化和微机电一体化等新分支； • 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。 • 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。

32. 机电一体化得以发展的条件 （1）理论基础的成熟： 控制论、信息论、系统工程 （2）新的物质基础的产生 大规模集成电路、计算机、新型传感器 （3）旧的物质基础的发展 机械制造的精密化，如床身用形材、大理石 （4）市场的需求 产品智能化、 使用傻瓜化

33. 机电一体化的发展方向 （1）性能方面 • 高精度 • 高可靠性 • 高效率（强力成型磨削） • 简捷化（声控电视、语音识别系统） （2）功能方面 • 小型化（微型电机）瓶颈在于微机械技术 • 轻型化（折叠式自行车） • 模块化（标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口） • 智能化（模糊微波炉）

34. 智能化趋势包括以下几个方面： • 诊断过程的智能化 诊断功能的强弱是评价一个系统性能的重要智能指标之一。 • 人机接口的智能化 智能化的人机接口,可以大大简化操作过程,这里包含多媒体技术在人机接口智能化中的有效应用。 • 自动编程的智能化 操作者只需输入加工工件素材的形状和需加工形状的数据,加工程序就可全部自动生成,这里包含： ① 素材形状和加工形状的图形显示；② 自动工序的确定；③ 使用刀具、切削条件的自动确定；④ 刀具使用顺序的变更；⑤ 任意路径的编辑； ⑥ 加工过程干涉校验等。 • 加工过程的智能化

35. 机电一体化的发展方向（续） （3）层次方面 • 系统化 • 集成化 • 复合化 （如：计算机集成制造系统 柔性制造系统） （4）软件方面 • 界面友好 • 实时性 • 网络化

36. 系统化的表现特征 • 特征之一就是系统体系结构进一步采用开放式和模式化的总线结构。系统可以灵活组态，进行任意剪裁和组合，同时寻求实现多子系统协调控制和综合管理。 • 特征表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等等

37. 机电一体化技术对机械产品的影响 • 提高性能、扩展功能：集复印、打印、传真等于一体的传真机， • 简化结构：电子缝纫机、电子钟（零件数达为减少） • 提高可靠性、安全性：压机安全可靠性（光帘） • 提高效率、节约能源：普通机床—>加工中心 • 操作改善：遥控彩电、遥控键盘 • 开拓思路，触类旁通：如以电的原理，在机械上实现相似功能PWM控制 —高速开关阀（机械液压）的流量控制

38. 机械 部件 CNC 位置,速度反馈 电机 位置,速度检测单元 数控机床伺服系统组成 1.3 机电一体化系统的构成

39. 控制 信息 能 量 电子控制单元 动力源 执行器 参数变 化信息 驱动力 检测参数 检测传 感部分 机械本体 1.3 机电一体化系统的构成

40. 1.3 机电一体化系统的构成（机电一体化的形人结构）

41. 1.3 机电一体化系统的构成 1、机械本体（结构功能） 由机械零件组成，能够传递运动并完成某些有效工作的装置。 要求：可靠、小型、美观 2、能源（运转功能） 提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。 要求：效率高、可靠性好

42. 1.3 机电一体化系统的构成 3、检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。 要求：体积小、精度高、抗干扰 4、电子控制单元 处理、运算、决策，实现控制功能。 要求：高可靠性、柔性、智能化 5、执行机构 包括机械传动与操作机构，接收控制信息，完成要求的动作，实现驱动功能和能量转换功能。

43. 1.4 机电一体化产品的功能 • 衡量机电一体化产品的几个标准 • 应能够完成产品预定的全部功能、有可靠性 • 有合适的自动化功能，或功能价格比高，使用寿命长。 • 便于制造（工艺性好）及移植（尽量使用标准模块） • 有必要的辅助功能（如故障报警、工作过程时元件状态的显示） • 操作方便

44. 机电一体化系统的内部功能与系统价值 • 主功能，例如： • 动态指标 • 系统误差 • 抗干扰能力 • 废弃物输出 • 动作变换

45. 机电一体化系统的内部功能与系统价值（续） • 动力功能 输入能量 能源 • 控制功能 输入/输出点数 手动、半自动、自动模式

46. 机电一体化系统的内部功能与系统价值 • 构造功能 尺寸、重量 • 计测功能 精度 采样速度

47. 1.5 机电一体化的相关技术 （1）检测传感技术： • 研究如何将各种被测量（物理量、化学量和生物量等）转换为与之成比例的电量； • 研究对转换的电信号的加工处理，如放大、补偿、标度变换等。 要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性。 （2）自动控制技术： • 控制理论：开、闭环控制、自适应控制、校正补 偿、智能控制等； • 控制器：计算机、可编程控制器、单片机 • 软件技术：MATLAB、Labview

48. 1.5 机电一体化的相关技术 （3）驱动技术： 研究对象：执行元件及其驱动装置 执行元件种类：电动、液压（工程机械）气压（食品机械、医疗器械） 驱动装置：各种电动机的驱动电源电路 （4）现代机械技术： 实现机电一体化产品的主功能和构造功能，影响系统的结构、重量、体积、刚性、可靠性等。 精密化、标准化、模块化（缩短制造周期、减轻设计强度、提高通用程度、方便维修使用）

49. 1.6 机电一体化系统设计 • 机电一体化系统开发的类型 • 机电一体化系统设计流程 • 机电一体化系统设计方案的常用方法

50. 机电一体化系统开发的类型 • 开发性设计 • 适应性设计 • 变参数设计