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機電控制技術(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030668943
- 條形碼：9787030668943 ; 978-7-03-066894-3
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
機電控制技術(第二版) 內容簡介
本書以電機為核心，以控制為主線，將機電系統有機結合起來，全面系統地闡述機電系統的控制問題，研究和分析機電系統的特性、控制原理、控制系統設計方法。內容涵蓋機電系統傳動力學、電機的原理與特性、基本控制原理和技術。全書共10章，內容包括：機電控制技術概述、機電系統傳動力學、直流電機、交流電機、控制電機、電氣控制技術、可編程控制技術、直流調速系統、交流調速系統、位置控制系統。除了章介紹機電控制技術的基本情況以外，后9章內容可以概括為三大知識模塊：第2～5章為機電傳動基礎，第6章、第7章為邏輯控制技術，第8～10章為運動控制技術。很后附有全書知識要點總結，便于讀者回顧復習，同時附有課程相關實驗。 本書可作為機械工程及相關或相近專業本科控制技術課程教材或教學參考書，建議按照48學時安排教學，另外安排16學時相關實驗；本書也可作為從事機電工程的技術人員的參考書。
機電控制技術(第二版) 目錄
目錄
第1章 緒論 1
1.1 機電控制相關理論和技術 1
1.1.1 機電系統工程的內涵 2
1.1.2 機電系統工程的基本內容 3
1.1.3 機電系統工程的發展 4
1.2 機電控制技術及其系統 5
1.2.1 機電控制技術的基本內容及其發展 5
1.2.2 機電控制系統的基本組成結構與工作原理 7
1.3 典型機電控制系統 8
1.3.1 數控機床控制系統 8
1.3.2 機器人控制系統 9
1.3.3 現代交通運輸車輛(工具) 11
1.3.4 自動化制造系統(生產線) 12
1.4 機電控制技術課程的任務和目標 13
第2章 機電系統傳動力學 14
2.1 單軸機電傳動系統 14
2.1.1 單軸機電傳動系統的運動方程式 14
2.1.2 系統的運動狀態分析 15
2.1.3 系統運動方向 15
2.2 多軸機電傳動系統 16
2.2.1 負載為旋轉運動時的等效折算 16
2.2.2 負載為水平直線運動時的等效折算 18
2.2.3 負載為垂直運動時的等效折算 19
2.3 典型負載的機械特性 20
2.3.1 恒轉矩型機械特性 21
2.3.2 離心機型機械特性 22
2.3.3 恒功率型機械特性 22
2.4 機電傳動系統穩定運行的條件 22
2.5 機電傳動系統的過渡過程 23
2.5.1 機電傳動系統過渡過程分析 24
2.5.2 改善機電傳動系統過渡過程的方法 25
思考題與習題 26
第3章 直流電機 29
3.1 電機中的基本電磁知識 29
3.1.1 電磁基本定律 29
3.1.2 導磁材料及其特性 32
3.2 直流電機的工作原理和基本結構 33
3.2.1 直流電機的工作原理 33
3.2.2 直流電機的基本結構 37
3.2.3 直流電機的勵磁方式 39
3.2.4 直流電機的功率與損耗 40
3.3 直流發電機 41
3.3.1 他勵直流發電機 41
3.3.2 并勵直流發電機 42
3.3.3 復勵直流發電機 44
3.4 直流電動機 44
3.4.1 他勵和并勵直流電動機 44
3.4.2 串勵直流電動機 45
3.4.3 復勵直流電動機 46
3.5 他勵直流電動機的機械特性 46
3.5.1 他勵直流電動機的固有機械特性 47
3.5.2 他勵直流電動機的人為機械特性 48
3.6 他勵直流電動機的啟動 49
3.7 他勵直流電動機的調速 50
3.7.1 改變電樞回路電阻的調速特性 51
3.7.2 改變電樞回路電壓的調速特性 51
3.7.3 改變勵磁磁通的調速特性 52
3.8 他勵直流電動機的制動 54
3.8.1 能耗制動特性 55
3.8.2 反饋制動特性 56
3.8.3 反接制動特性 57
思考題與習題 60
第4章 交流電機 62
4.1 交流電機的基本工作原理 62
4.1.1 同步電機的基本工作原理 62
4.1.2 旋轉磁場的產生 63
4.1.3 旋轉磁場的性質 64
4.1.4 異步電動機的基本工作原理 66
4.1.5 異步電動機的轉差率 66
4.2 異步電動機的基本結構和參數 67
4.2.1 三相異步電動機的基本結構 67
4.2.2 三相異步電動機的基本參數 68
4.2.3 三相異步電動機定子繞組線端連接方式 69
4.3 三相異步電動機的定、轉子電路分析 70
4.3.1 三相異步電動機繞組感應電勢及氣隙磁勢 70
4.3.2 轉子繞組開路時的電磁關系 72
4.3.3 轉子不轉且轉子繞組短接時的電磁關系 75
4.3.4 轉子旋轉時的電磁關系 78
4.4 三相異步電動機的機械特性 82
4.4.1 三相異步電動機的功率 82
4.4.2 三相異步電動機的轉矩 83
4.4.3 三相異步電動機的固有機械特性 84
4.4.4 三相異步電動機的人為機械特性 87
4.5 三相異步電動機的啟動 88
4.5.1 直接啟動(全壓啟動) 89
4.5.2 定子串電阻或電抗器降壓啟動 89
4.5.3 星形-三角形降壓啟動 90
4.5.4 延邊三角形降壓啟動 90
4.5.5 繞線式異步電機轉子串入電阻啟動 91
4.6 三相異步電動機的制動 91
4.6.1 能耗制動特性 91
4.6.2 反饋制動特性 92
4.6.3 反接制動特性 92
4.7 單相異步電動機 93
4.7.1 單相異步電動機的磁場 94
4.7.2 單相異步電動機的分類 95
4.8 同步電動機 96
4.8.1 同步電動機的結構特點 96
4.8.2 同步電動機的特性 97
4.8.3 同步電動機的啟動 98
思考題與習題 99
第5章 控制電機 101
5.1 直流力矩電動機 101
5.1.1 直流力矩電動機基本結構 101
5.1.2 直流力矩電動機的基本特點 101
5.2 微型同步電動機 102
5.2.1 永磁式微型同步電動機 102
5.2.2 反應式微型同步電動機 103
5.2.3 磁滯式微型同步電動機 104
5.3 步進電動機 105
5.3.1 矩角特性及穩定平衡點 106
5.3.2 步進運行狀態 107
5.3.3 連續運行狀態 109
5.3.4 通電方式及電機轉速 110
5.4 無刷直流電機 112
5.4.1 無刷直流電機的結構及原理 112
5.4.2 無刷直流電機的特性和特點 113
5.5 測速發電機 114
思考題與習題 114
第6章 電氣控制技術 116
6.1 概述 116
6.1.1 電器的分類 116
6.1.2 低壓電器的電磁機構 117
6.1.3 低壓電器的執行部件 120
6.2 常用機械式低壓電器 122
6.2.1 主令電器 122
6.2.2 接觸器 125
6.2.3 保護電器 128
6.2.4 繼電器 132
6.3 電子式低壓電器和智能電器 135
6.3.1 接近開關 135
6.3.2 光電開關 136
6.3.3 電子時間繼電器 137
6.3.4 固態繼電器 137
6.3.5 智能電器 139
6.4 電氣控制電路設計規范 140
6.4.1 電氣工程制圖內容 140
6.4.2 電氣工程制圖圖形符號和文字符號 142
6.4.3 電氣原理圖 145
6.5 基本電氣控制電路 148
6.5.1 啟、保、停控制 148
6.5.2 正、反向控制 149
6.5.3 點動控制 150
6.5.4 順序控制 151
6.5.5 自動循環控制 152
6.5.6 鼠籠式異步電機星形-三角形降壓啟動控制 152
6.5.7 鼠籠式異步電機反接制動控制 153
6.5.8 鼠籠式異步電機能耗制動控制 154
思考題與習題 155
第7章 可編程控制技術 157
7.1 概述 157
7.1.1 可編程控制器的產生 157
7.1.2 可編程控制器(PLC)基本概念 158
7.1.3 可編程控制器的特點和分類 159
7.1.4 可編程控制器的發展 161
7.2 可編程控制器的基本結構和工作原理 163
7.2.1 可編程控制器的基本結構 163
7.2.2 可編程控制器的工作原理 169
7.3 PLC的編程語言 172
7.3.1 梯形圖 173
7.3.2 功能塊圖 174
7.3.3 順序功能圖 174
7.3.4 指令表 175
7.3.5 結構化文本 175
7.4 S7-200系列PLC的硬件系統及編程元件 176
7.4.1 S7-200系列PLC的硬件系統 176
7.4.2 S7-200系列PLC的編程元件 179
7.4.3 S7-200系列PLC的存儲器范圍及數據存取 182
7.5 S7-200系列PLC的基本指令 186
7.5.1 基本位邏輯指令 186
7.5.2 定時器指令 194
7.5.3 計數器指令 197
7.5.4 程序控制指令 199
7.5.5 PLC基本梯形圖程序邏輯 203
7.6 PLC的基本應用 204
7.6.1 PLC應用系統開發設計步驟 204
7.6.2 PLC應用系統設計實例 207
7.7 S7-200系列PLC的順序控制指令及應用 212
7.7.1 順序功能圖基本概念 212
7.7.2 S7-200系列PLC順序控制指令 214
7.7.3 順序功能圖的結構類型 216
思考題與習題 217
第8章 直流調速系統 219
8.1 概述 219
8.1.1 直流電機的調速方法 219
8.1.2 直流調速用可控直流電源 220
8.1.3 調速系統性能指標 223
8.2 晶閘管可控直流電源 227
8.2.1 晶閘管 227
8.2.2 單相半波可控整流電路 231
8.2.3 單相橋式全控整流電路 236
8.2.4 單相橋式半控整流電路 242
8.2.5 三相半波可控整流電路 246
8.2.6 三相橋式全控整流電路 254
8.2.7 晶閘管的觸發電路 257
8.3 晶閘管-電動機直流調速控制系統 258
8.3.1 開環直流調速系統存在的問題 258
8.3.2 轉速負反饋單閉環調速系統的組成及靜特性 259
8.3.3 單閉環調速系統的動態分析 264
8.3.4 單閉環無靜差直流調速系統 273
8.3.5 單閉環調速系統的限流保護——電流截止負反饋 279
8.3.6 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及靜特性 282
8.4 脈寬調制(PWM)調速控制系統 289
8.4.1 脈寬調制變換器 289
8.4.2 脈寬調速系統的控制電路 295
8.4.3 脈寬調速系統的特殊問題 297
思考題與習題 298
第9章 交流調速系統 300
9.1 概述 300
9.1.1 變極對數調速 301
9.1.2 變轉差率調速 301
9.1.3 變頻調速 304
9.2 變頻器基本原理 305
9.2.1 變頻器的基本結構 305
9.2.2 變頻器的輸出調制方式 310
9.3 標量控制的變頻調速系統 312
9.3.1 電壓頻率協調控制 312
9.3.2 轉差頻率控制 314
9.4 矢量控制的變頻調速系統 315
9.4.1 矢量控制基本概念 315
9.4.2 坐標變換與矢量變換 317
9.5 直接轉矩控制的變頻調速系統 319
思考題與習題 320
第10章 位置控制系統 321
10.1 概述 321
10.1.1 位置控制系統的組成及工作原理 3
第1章 緒論 1
1.1 機電控制相關理論和技術 1
1.1.1 機電系統工程的內涵 2
1.1.2 機電系統工程的基本內容 3
1.1.3 機電系統工程的發展 4
1.2 機電控制技術及其系統 5
1.2.1 機電控制技術的基本內容及其發展 5
1.2.2 機電控制系統的基本組成結構與工作原理 7
1.3 典型機電控制系統 8
1.3.1 數控機床控制系統 8
1.3.2 機器人控制系統 9
1.3.3 現代交通運輸車輛(工具) 11
1.3.4 自動化制造系統(生產線) 12
1.4 機電控制技術課程的任務和目標 13
第2章 機電系統傳動力學 14
2.1 單軸機電傳動系統 14
2.1.1 單軸機電傳動系統的運動方程式 14
2.1.2 系統的運動狀態分析 15
2.1.3 系統運動方向 15
2.2 多軸機電傳動系統 16
2.2.1 負載為旋轉運動時的等效折算 16
2.2.2 負載為水平直線運動時的等效折算 18
2.2.3 負載為垂直運動時的等效折算 19
2.3 典型負載的機械特性 20
2.3.1 恒轉矩型機械特性 21
2.3.2 離心機型機械特性 22
2.3.3 恒功率型機械特性 22
2.4 機電傳動系統穩定運行的條件 22
2.5 機電傳動系統的過渡過程 23
2.5.1 機電傳動系統過渡過程分析 24
2.5.2 改善機電傳動系統過渡過程的方法 25
思考題與習題 26
第3章 直流電機 29
3.1 電機中的基本電磁知識 29
3.1.1 電磁基本定律 29
3.1.2 導磁材料及其特性 32
3.2 直流電機的工作原理和基本結構 33
3.2.1 直流電機的工作原理 33
3.2.2 直流電機的基本結構 37
3.2.3 直流電機的勵磁方式 39
3.2.4 直流電機的功率與損耗 40
3.3 直流發電機 41
3.3.1 他勵直流發電機 41
3.3.2 并勵直流發電機 42
3.3.3 復勵直流發電機 44
3.4 直流電動機 44
3.4.1 他勵和并勵直流電動機 44
3.4.2 串勵直流電動機 45
3.4.3 復勵直流電動機 46
3.5 他勵直流電動機的機械特性 46
3.5.1 他勵直流電動機的固有機械特性 47
3.5.2 他勵直流電動機的人為機械特性 48
3.6 他勵直流電動機的啟動 49
3.7 他勵直流電動機的調速 50
3.7.1 改變電樞回路電阻的調速特性 51
3.7.2 改變電樞回路電壓的調速特性 51
3.7.3 改變勵磁磁通的調速特性 52
3.8 他勵直流電動機的制動 54
3.8.1 能耗制動特性 55
3.8.2 反饋制動特性 56
3.8.3 反接制動特性 57
思考題與習題 60
第4章 交流電機 62
4.1 交流電機的基本工作原理 62
4.1.1 同步電機的基本工作原理 62
4.1.2 旋轉磁場的產生 63
4.1.3 旋轉磁場的性質 64
4.1.4 異步電動機的基本工作原理 66
4.1.5 異步電動機的轉差率 66
4.2 異步電動機的基本結構和參數 67
4.2.1 三相異步電動機的基本結構 67
4.2.2 三相異步電動機的基本參數 68
4.2.3 三相異步電動機定子繞組線端連接方式 69
4.3 三相異步電動機的定、轉子電路分析 70
4.3.1 三相異步電動機繞組感應電勢及氣隙磁勢 70
4.3.2 轉子繞組開路時的電磁關系 72
4.3.3 轉子不轉且轉子繞組短接時的電磁關系 75
4.3.4 轉子旋轉時的電磁關系 78
4.4 三相異步電動機的機械特性 82
4.4.1 三相異步電動機的功率 82
4.4.2 三相異步電動機的轉矩 83
4.4.3 三相異步電動機的固有機械特性 84
4.4.4 三相異步電動機的人為機械特性 87
4.5 三相異步電動機的啟動 88
4.5.1 直接啟動(全壓啟動) 89
4.5.2 定子串電阻或電抗器降壓啟動 89
4.5.3 星形-三角形降壓啟動 90
4.5.4 延邊三角形降壓啟動 90
4.5.5 繞線式異步電機轉子串入電阻啟動 91
4.6 三相異步電動機的制動 91
4.6.1 能耗制動特性 91
4.6.2 反饋制動特性 92
4.6.3 反接制動特性 92
4.7 單相異步電動機 93
4.7.1 單相異步電動機的磁場 94
4.7.2 單相異步電動機的分類 95
4.8 同步電動機 96
4.8.1 同步電動機的結構特點 96
4.8.2 同步電動機的特性 97
4.8.3 同步電動機的啟動 98
思考題與習題 99
第5章 控制電機 101
5.1 直流力矩電動機 101
5.1.1 直流力矩電動機基本結構 101
5.1.2 直流力矩電動機的基本特點 101
5.2 微型同步電動機 102
5.2.1 永磁式微型同步電動機 102
5.2.2 反應式微型同步電動機 103
5.2.3 磁滯式微型同步電動機 104
5.3 步進電動機 105
5.3.1 矩角特性及穩定平衡點 106
5.3.2 步進運行狀態 107
5.3.3 連續運行狀態 109
5.3.4 通電方式及電機轉速 110
5.4 無刷直流電機 112
5.4.1 無刷直流電機的結構及原理 112
5.4.2 無刷直流電機的特性和特點 113
5.5 測速發電機 114
思考題與習題 114
第6章 電氣控制技術 116
6.1 概述 116
6.1.1 電器的分類 116
6.1.2 低壓電器的電磁機構 117
6.1.3 低壓電器的執行部件 120
6.2 常用機械式低壓電器 122
6.2.1 主令電器 122
6.2.2 接觸器 125
6.2.3 保護電器 128
6.2.4 繼電器 132
6.3 電子式低壓電器和智能電器 135
6.3.1 接近開關 135
6.3.2 光電開關 136
6.3.3 電子時間繼電器 137
6.3.4 固態繼電器 137
6.3.5 智能電器 139
6.4 電氣控制電路設計規范 140
6.4.1 電氣工程制圖內容 140
6.4.2 電氣工程制圖圖形符號和文字符號 142
6.4.3 電氣原理圖 145
6.5 基本電氣控制電路 148
6.5.1 啟、保、停控制 148
6.5.2 正、反向控制 149
6.5.3 點動控制 150
6.5.4 順序控制 151
6.5.5 自動循環控制 152
6.5.6 鼠籠式異步電機星形-三角形降壓啟動控制 152
6.5.7 鼠籠式異步電機反接制動控制 153
6.5.8 鼠籠式異步電機能耗制動控制 154
思考題與習題 155
第7章 可編程控制技術 157
7.1 概述 157
7.1.1 可編程控制器的產生 157
7.1.2 可編程控制器(PLC)基本概念 158
7.1.3 可編程控制器的特點和分類 159
7.1.4 可編程控制器的發展 161
7.2 可編程控制器的基本結構和工作原理 163
7.2.1 可編程控制器的基本結構 163
7.2.2 可編程控制器的工作原理 169
7.3 PLC的編程語言 172
7.3.1 梯形圖 173
7.3.2 功能塊圖 174
7.3.3 順序功能圖 174
7.3.4 指令表 175
7.3.5 結構化文本 175
7.4 S7-200系列PLC的硬件系統及編程元件 176
7.4.1 S7-200系列PLC的硬件系統 176
7.4.2 S7-200系列PLC的編程元件 179
7.4.3 S7-200系列PLC的存儲器范圍及數據存取 182
7.5 S7-200系列PLC的基本指令 186
7.5.1 基本位邏輯指令 186
7.5.2 定時器指令 194
7.5.3 計數器指令 197
7.5.4 程序控制指令 199
7.5.5 PLC基本梯形圖程序邏輯 203
7.6 PLC的基本應用 204
7.6.1 PLC應用系統開發設計步驟 204
7.6.2 PLC應用系統設計實例 207
7.7 S7-200系列PLC的順序控制指令及應用 212
7.7.1 順序功能圖基本概念 212
7.7.2 S7-200系列PLC順序控制指令 214
7.7.3 順序功能圖的結構類型 216
思考題與習題 217
第8章 直流調速系統 219
8.1 概述 219
8.1.1 直流電機的調速方法 219
8.1.2 直流調速用可控直流電源 220
8.1.3 調速系統性能指標 223
8.2 晶閘管可控直流電源 227
8.2.1 晶閘管 227
8.2.2 單相半波可控整流電路 231
8.2.3 單相橋式全控整流電路 236
8.2.4 單相橋式半控整流電路 242
8.2.5 三相半波可控整流電路 246
8.2.6 三相橋式全控整流電路 254
8.2.7 晶閘管的觸發電路 257
8.3 晶閘管-電動機直流調速控制系統 258
8.3.1 開環直流調速系統存在的問題 258
8.3.2 轉速負反饋單閉環調速系統的組成及靜特性 259
8.3.3 單閉環調速系統的動態分析 264
8.3.4 單閉環無靜差直流調速系統 273
8.3.5 單閉環調速系統的限流保護——電流截止負反饋 279
8.3.6 轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成及靜特性 282
8.4 脈寬調制(PWM)調速控制系統 289
8.4.1 脈寬調制變換器 289
8.4.2 脈寬調速系統的控制電路 295
8.4.3 脈寬調速系統的特殊問題 297
思考題與習題 298
第9章 交流調速系統 300
9.1 概述 300
9.1.1 變極對數調速 301
9.1.2 變轉差率調速 301
9.1.3 變頻調速 304
9.2 變頻器基本原理 305
9.2.1 變頻器的基本結構 305
9.2.2 變頻器的輸出調制方式 310
9.3 標量控制的變頻調速系統 312
9.3.1 電壓頻率協調控制 312
9.3.2 轉差頻率控制 314
9.4 矢量控制的變頻調速系統 315
9.4.1 矢量控制基本概念 315
9.4.2 坐標變換與矢量變換 317
9.5 直接轉矩控制的變頻調速系統 319
思考題與習題 320
第10章 位置控制系統 321
10.1 概述 321
10.1.1 位置控制系統的組成及工作原理 3
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機電控制技術(第二版) 節選
第1章 緒論 機械工程是技術科學領域中*古老的學科之一。機器是人類適應自然、改造自然的工具，是幾千年人類文明的產物，制造機器與使用機器的所有活動是機械工程研究的主要范疇。機械工程技術隨著人類文明的進步而不斷發展，不同時期的機器代表了不同時期的人類文明，從歷史的角度看，機械技術(或機器)發展可以粗略地分為三個階段，即古代機械、近代機械和現代機械。古代機械依靠人力、畜力或自然力來提供動力，內燃機是近代機械的*主要的動力源，而由電動機或電控裝置提供動力是現代機械的主要特征。現代機械把機械技術與電氣技術、電子技術、控制技術聯系在一起，于是便產生了機電控制的概念。 機電控制是指機械的動力、機械的運動可以通過電氣或電子裝置來控制。然而，在現代機械一個世紀的發展歷程的初期，這種聯系是很有限的，僅僅是對動力的開關控制，或根據機械的要求實現開關式的簡單邏輯控制，實現的功能也很簡單，基本上沒有包含自動控制的概念。 社會生產力的發展對機械或機器提出了更高的要求，不僅要求能對機器的開和關進行控制，而且要能對機器的動作特性(如速度、加速度、位置、作用力等)和動作時間進行控制。這僅僅靠機械自身是難于實現的。控制論、信息論以及系統工程這三大理論的提出為現代機械科學的發展提供了理論依據，電子技術的迅速發展促使現代機械技術進入新的發展階段。把電子技術應用于機械控制，以“控制”為核心，機械與電子緊密結合，機器的各種復雜功能得以實現，如復雜邏輯控制、速度控制、位置控制等。 計算機信息技術的發展給現代機電技術的發展注入了新的生命，出現了各種各樣能夠實現自動控制、信息處理、狀態監測、故障診斷和人工智能的機械裝備。現代機電技術把機械技術、電氣技術、電子技術、自動控制技術、計算機信息技術、傳感測試技術、光電技術、管理科學等融合到一起，學科之間相互交叉滲透，形成了新的理論和新的專業方向，如機電系統工程、機電一體化或機械電子學(Mechatronics)，它們代表著機械學科的發展前沿。同時在新的理論和新的技術的支撐下，出現了許多現代機電系統，如現代數控機床、機器人、智能制造系統、現代運載車輛、飛行器、衛星、雷達等。 機電控制技術是解決機電系統中控制問題的一門技術，是現代機械工程的專業核心知識之一。只有學習和掌握了機電控制技術，才能全面、系統、有效地從事現代機械工程和機電一體化的技術工作。 1.1 機電控制相關理論和技術 機電控制技術是在機與電的結合過程中產生的，是解決機電系統中的控制問題的一門技術。然而，隨著機電系統復雜程度的增加以及性能要求的提高，機和電的協調、整體優化問題變得越來越突出，于是需要用系統的理論和方法，綜合運用機械技術、電子技術、自動控制技術、計算機信息技術、傳感測試技術、光電技術、管理科學技術等來解決這些問題，在此基礎上逐漸形成了一些新的概念、新的理論、新的技術，這就是機電系統工程。機電控制技術是機電系統工程下面的一門支撐技術，了解機電系統工程的概貌，有助于更好地理解和掌握機電控制技術。 1.1.1 機電系統工程的內涵 機電系統工程是在電子技術和計算機信息技術迅速發展的前提下，在綜合運用各學科技術知識來解決機電系統工程中技術問題的基礎上，逐漸形成的一個新的概念、新的理論和新的技術。在此形成過程中出現了一些不同的名詞，如機電系統工程、機電一體化或機械電子學等，但其實質內涵是一致的。 機電系統工程及其相應的理論和技術的發展具有兩個顯著的特性：一是系統科學性，即涉及系統理論和系統工程的方法越來越多；二是學科綜合性或技術集成性，即機電系統工程絕非單一學科知識所能夠支撐的，而是依賴于多門學科知識的有機結合。機電系統工程實質上是從系統的觀點出發，應用機械、電子、計算機信息等有關技術，對電子器件和機械裝置進行有機的組合與統一，實現機電系統的整體優化。機電系統工程不是機械與電子技術的簡單疊加，而是機械系統與電子系統有機結合起來而形成的一種新的高層次的綜合系統。 近年來，智能制造是全球科技發展*熱門的話題之一，智能制造系統是具有代表性的高階機電系統，其系統科學性和學科綜合性更為顯著。智能制造系統是用系統工程的理論和方法，把工廠生產的全部活動，包括市場信息、產品開發、生產準備與組織管理、產品制造、裝配及檢驗、產品銷售、售后服務等在計算機通信網絡和數據庫的支撐下集成起來，形成一個有機的整體(系統)。這個系統涉及機械工程、計算機技術、自動化技術、網絡通信技術、工業工程、管理工程等多門學科的知識。 上述系統的科學性和學科綜合性，一方面促進了學術界對機電系統工程的深入研究，另一方面也對企業的工程技術人才結構提出了新的要求。在現代企業中，為了采用先進的技術，開發新產品，提高生產率和產品質量，降低產品成本，企業除了應擁有大量的具有某類學科知識的專門人才外，還應擁有一批掌握系統工程的理論和方法、融會貫通其所涉及的多門學科知識的綜合性骨干人才。因此，機電系統工程一出現，立即展示出它的強大生命力，受到工業界的極大重視和歡迎。機電系統工程是在微電子同傳統機械工業相互滲透過程中逐漸形成和發展起來的，是機械技術、控制技術、微電子技術和計算機信息技術相互融合的產物。它的產生和發展，給整個國民經濟、社會生產生活帶來了深刻的變化，促進了工業經濟的發展。 機電系統工程是綜合機、電、磁、光、聲、熱、液、氣等多種學科的先進技術，研究多種學科各自的特征參量，并正確地處理相互間的耦合關系。機電系統產品設計與制造的特點不同于過去的僅僅依靠單一的學科技術設計與制造產品，而是盡可能多地應用各種學科的*新成果，為產品設計和制造服務。如激光技術的發展，使得機電系統產品中又增添了光盤驅動器、條形碼讀出器、圖像傳感器、激光印刷機、各種激光加工設備等，這些都是用光學的輸出和讀入部件替代了電氣與機械的部件。 隨著機電技術的不斷發展，機電系統不僅是人肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的拓展和提升，具有“智能化”的特征是現代機電系統與傳統機械電氣化的本質差別，機電系統工程技術已從原來以機械為主的領域拓展到更廣泛的領域。 1.1.2 機電系統工程的基本內容 由于機電系統工程主要研究和處理機電系統中的跨學科的綜合性技術問題，因此首先需要有機、電類學科的專業基礎；另外一些綜合性技術問題，不僅涉及多學科，而且涉及較深的專業知識，包括機、電學科本身的專業知識和機電系統所涉及的多學科的專業知識。由機電系統工程的內涵特點可知，機電系統工程學科的基本內容是研究機電系統的有關理論，從整體性、綜合性、*優性的角度，來研究機電系統的分析、決策、建模、規劃、設計、運行和管理的方法，以取得系統的*佳效益。圖1.1概括了機電系統工程的基本內容以及機電系統工程的問題域與具體內容之間的對應關系。 圖1.1 機電系統工程的基本內容 機電系統工程的知識基礎由三部分組成：一是“系統”理論和“系統”思想貫穿始終，因此系統科學是機電系統工程的思維基礎；二是人們在設計、規劃、控制和運籌機電系統時，總是追求總體*優，因而必然要涉及大量的運籌學、控制論和信息論的技術與方法，這些構成了機電系統工程的技術基礎；三是機電系統所涉及的工藝、方法、技術、設備等是機電系統工程賴以存在的基石，它們構成了整個機電系統工程的專業基礎。于是，機電系統工程的知識基礎可用圖1.2來描述。 機電系統工程的支撐體系比較復雜，需要跨學科交叉融合，機電系統工程的支撐體系應是以機、電學科為基礎，以系統工程的理論和方法為指導思想，有機地結合機械技術、控制技術、電子技術、計算機技術、網絡通信技術、工業工程、管理工程等多學科知識而形成的一門綜合性學科，如圖1.3所示。從圖中可看出，機電系統工程的特點在于學科交叉性與技術集成性，強調多學科的結合與融合。 圖1.2 機電系統工程知識基礎 圖1.3 機電系統工程學科支撐體系 1.1.3 機電系統工程的發展 近年來，機電系統工程的發展突飛猛進。機電系統工程在工業領域中的應用覆蓋面越來越寬廣，不僅在機械行業，而且在汽車、儀表、鋼鐵冶金、通信、電站、石油、化工、軌道交通、航空航天等行業普遍應用。 隨著微電子技術和計算機信息技術的迅速發展，機電系統工程正向更高層次邁進，向更廣范圍延伸，機電結合程度越來越緊密，技術發展速度越來越快，并具有一些顯著的特點。 1．智能化 對機電系統的高性能要求，特別是適應性要求，使得一些新的機電系統被采用。典型的智能機電系統有機器人、智能型數控設備、無人機、無人駕駛車、智能儀器儀表等。這些新型的機電系統有一個共同的特點，那就是它們都具有一定的人工智能，能夠根據環境條件的變化進行分析、推理，并作出合適的響應。智能機器人能通過自身的視覺、聽覺或觸覺來感知周圍環境的狀態及其變化，并對此作出相應的反應；無人機能夠在一定區域內根據要求自主執行任務；無人駕駛車輛能利用云數據和定位信息，自主規劃路線，并根據路況實時調整行駛速度和軌跡；智能儀器儀表能夠根據不同的狀態或時段進行不同的計量、復雜計算、實時監測和數據傳輸、語音提示和圖像顯示、安全保護及報警等。 2．集成性 集成性就是機電系統工程強調綜合運用機電系統所涉及的多學科知識，來研究和處理機電系統的設計、制造、管理、運行、更新、發展等重大問題。而這種集成性變得越來越廣泛，許多新的機電系統就其每一部分來說，不是什么新的東西，但把各部分有機地集成在一起，就成了具有新穎特色的整體，形成了一種新型的機電系統。例如，智能制造系統，就其各部分來說，包括控制系統、監測系統、物流系統、CNC機床、加工中心等，就這些單元孤立地來看均是已有的理論和技術，但有機地組合起來，就形成了一種新型的機電系統。 為了便于系統集成，機電系統的結構越來越趨向于模塊化和開放性。模塊化使得許多單一功能或基本功能以子系統的形式產品化，可以縮短系統構成周期，降低系統制造成本；開放性是指在一定標準支持下，系統可以靈活組態，進行任意組合，并可以通過總線進行數據通信與共享。 3．微型化 一些特殊的應用領域(如航天、軍事、醫療、家用器具、娛樂用具等)不僅要求機電系統具有優良的性能，還要求體積盡量小、重量盡可能輕。微電子技術的迅速發展，使得電子元器件的尺寸越來越小，再加上安裝工藝的不斷改進，如表面安裝技術(SMT)，特別是綁定(Banding)技術可以直接把芯片安裝在PCB上，一個功能強大的控制裝置的體積可以做得非常小。 另外，精密微細加工技術發展使得微機電系統(MEMS)取得了突破性的進展，實現了將機構及其驅動、傳感監測、控制器以及電源集成在一個很小的晶片上。這是未來機電系統微型化的研究主題。 1.2 機電控制技術及其系統 機電控制技術是解決機電系統中控制問題的一門技術，是機電系統工程和機電一體化技術下面的一門支撐技術，在機電一體化技術中占有非常重要的地位。機電控制技術的具體體現就是機電控制系統，機電控制系統是機電一體化產品或系統的極其重要的組成部分。 1.2.1 機電控制技術的基本內容及其發展 機電控制技術的任務就是實施對機電系統的控制。而現代機電系統基本上都是由電動機或電控裝置提供動力，電動機和電控裝置是現代機電系統*主要的驅動元件或裝置。除了*常見的電動機之外，常用的驅動元件或裝置還有液壓元件、氣動元件、電磁鐵等。與電動機相比較，對這些元件或裝置的控制要相對簡單一些，對電動機的控制具有很大的靈活性，當然控制的難易程度也有相當大的差別。正因為如此，對電機的控制是機電控制技術的核心內容。 機電控制技術根據不同的控制對象、不同的控制手段或者不同的控制策略，具有不同的內涵。從控制策略上來分，機電控制技術可以分為邏輯控制和運動控制。 1．邏輯控制 機電控制的起源是簡單開關控制，*初是
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