机电控制系统
机电控制系统
技术发展趋势
国外自上世纪60年代出现第一台工业过程控制系统以来已经过三代产 品的发展变化，随着计算机技术及产品的发展，工业控制系统亦相应地
不断发展。
➢半导体技术集成电路技术推动微处理器、微控制器的发展。 ➢分布式控制系统已推出第四代产品，如Honeywell 公司新推出的 Expersion PKS（过程知识系统），Emerson公司的A2，横河公司 的R3（PRM－工厂资源管理系统），ABB公司的Industrial IT系统。 ➢计算机技术、通信技术、控制技术的发展，使控制系统向全数 字化、全分散式、全开放可互操作和开放式互联网络的新一代现 场总线控制系统(FCS)发展。 ➢PLC技术20世纪80年代走向成熟。 ➢自动控制理论及技术的发展，先进控制、模糊控制、人工神经 网络、人工智能技术和专家系统已在工业自动化中实际应用。
❖ 富士通法纳克公司：“将 机械学和电子学有机结合 而提供的更为优越的技
术。”
工业机械手臂
机电控制技术在机械制造业中的应用，大致经历了参数数显、硬 件数控（NC控制）、计算机数控（CNC控制）、柔性生产系统 （FMS）、计算机集成制造系统（CIMS）、虚拟制造系统（VMS） 等过程，使加工制造技术与生产经营模式紧密结合，形成现代制 造技术和系统。
输入量
比较元件 串联补件
驱动元件
局部反馈
并联补偿元件
执行元件
被控对象 输出量
主反馈
测量元件
”代表比较元件，它将测量元件检测到的被控量与输入量进行比 较；“-”号表示两者符号相反，即负反馈；“+”号表示两者符号相 同，即正反馈。
二，机电控制系统的发展史
机电控制系统的发展按所用控制器件来划分，它主要经历了四个阶段：
机电控制系统自动控制技术与一体化设计
机电控制系统自动控制技术与一体化设计
机电控制系统自动控制技术与一体化设计是指将机械装置和电子控制系统相结合，实
现自动化控制的一种技术和设计方法。
这种技术和设计方法的目的是提高生产效率、降低
人力成本、优化产品品质，并保证操作的安全性。
机电控制系统自动控制技术主要包括传感器技术、信号处理技术、运动控制技术和智
能控制技术等方面。
传感器技术是机电控制系统的基础，它可以将机械装置的物理量转化
为电信号，并输入给控制系统。
信号处理技术是对传感器输出的信号进行处理和分析，以
获得有用的信号信息。
运动控制技术是实现机械装置运动控制的核心技术，它可以控制机
械装置的位置、速度和加速度等参数。
智能控制技术是利用人工智能和专家系统等方法，
对机电控制系统进行智能化控制和优化设计。
机电控制系统一体化设计是将机械装置和电子控制系统的设计过程进行整合，以实现
系统设计的整体性和协调性。
在这种设计方法中，机械装置和电子控制系统的设计可以同
步进行，并在设计过程中进行多个层面的交互。
通过一体化设计，可以提高设计效率和质量，降低系统的成本和风险。
机电控制系统自动控制技术与一体化设计在各个领域都有广泛的应用。
在工业生产中，可以利用这种技术和设计方法实现生产线的自动化控制和优化；在交通运输领域，可以利
用这种技术和设计方法实现车辆的自动驾驶和智能交通管理；在医疗领域，可以利用这种
技术和设计方法实现医疗装置的自动化控制和治疗过程的优化。
机电控制系统自动控制技术与一体化设计
机电控制系统自动控制技术与一体化设计机电控制系统是一种涵盖机械、电子、信息技术的综合性技术体系。
其主要功能是将机械、电子和信息技术有机结合，实现机械设备的高效稳定工作。
随着科技的不断进步，机电控制系统自动化技术不断更新，而一体化设计成为其中的重要组成部分。
一体化设计指的是在机电控制系统设计中同时考虑机械、电气和信息技术三个方面，使其成为一个统一的系统。
一体化设计可以提高机电控制系统的安全性、可靠性、稳定性和维护性。
因此，在机电控制系统的设计中，一体化设计已成为不可或缺的一环。
一体化设计的实现需要涉及到多个方面，例如在机械设计中考虑机电一体化的要求，制定机电一体化的设计方案，把机械、电气、信息模块优化整合，最终完成整体的机电控制系统设计。
在实际应用中，一体化设计需要在各个方面进行统筹考虑，在满足机械性能的前提下，设计出电气和信息方面的配套控制系统。
机电控制系统的自动控制技术是实现一体化设计的重要手段之一。
自动化技术的应用可以提高机电控制系统的工作效率，减少人为干预，从而提高机械设备的稳定性和可靠性。
机电自动控制技术可以实现多个设备之间的协同工作，使整个机电控制系统具有高度自动化、高效性和稳定性。
在机电自动控制技术应用中，需采用各种传感器、执行器等，将物理量通过电气信号进行传输，再进行处理和控制，从而实现机械设备的自动化控制。
例如，在机械运动控制中，可以通过使用步进电机控制器实现精确控制线性和旋转运动；在流程控制中，可通过采用PLC程序控制器等设备实现系统流程的自动控制和管理。
机电控制系统自动控制技术和一体化设计的结合可以极大地提高机械设备的生产效率和稳定性，实现设备的高效运行和维护。
此外，机电一体化设计同时还能降低机械设备的生产成本和维护成本，提高企业的经济效益，具有非常重要的应用前景。
总之，机电控制系统自动控制技术和一体化设计是目前机械设备制造行业发展的重要趋势，这种技术在机械设备控制系统中的应用已经越来越广泛，是机械设备制造企业不可或缺的重要手段。
机电控制系统课程设计
设计任务书的内容与要求
设计任务：完成机电控制系统的设计，包括硬件和软件部分 设计要求：满足功能需求，保证稳定性和可靠性，易于维护和升级 设计内容：包括系统架构、硬件选型、软件设计、测试和调试等 设计时间：根据课程安排，制定合理的设计周期，确保按时完成设计任务
设计报告的撰写要求
语言要求：使用专业术语， 语言简洁明了，逻辑清晰
机电控制系统的分类
按照控制方式分类：开环控制、闭环控制、半闭环控制
按照控制对象分类：机械系统、电气系统、液压系统、气动系统
按照控制功能分类：速度控制、位置控制、力控制、压力控制、流量控制
按照控制结构分类：单回路控制、多回路控制、串级控制、比值控制、前馈控制、 自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家系统控制等。
格式要求：采用统一的格式， 如Word、PDF等
报告内容：包括设计目的、设 计思路、设计方案、设计结果、 设计总结等
字数要求：根据课程要求， 一般在3000字左右
图表要求：适当使用图表， 使报告更加直观易懂
参考文献：列出参考文献， 注明出处，尊重知识产权
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汇报人：
机电控制系统设 计的基本原则与 步骤
设计的基本原则
安全性原则：确保系统安全可靠，避免 故障和事故
经济性原则：考虑成本效益，降低系统 成本
可靠性原则：保证系统稳定运行，减少 故障和维修
灵活性原则：适应不同环境和需求，易 于扩展和升级
环保性原则：减少能源消耗和污染排放， 保护环境
美观性原则：注重外观设计，提高用户 体验和满意度
智能家居控制系统
智能照明系统：根据环境光线 自动调节亮度
智能安防系统：实时监控家庭 安全，报警提醒
智能家电控制系统：远程控制 家电，节能环保
机电控制系统
1.机电一体化系统关键技术？⏹机械技术与精密机械技术⏹计算机与信息处理技术⏹自动控制技术⏹传感与检测技术⏹执行与驱动技术⏹系统总体技术2.机电控制系统的构成？⏹控制部分：大脑⏹执行部分：手足⏹检测部分：五官⏹机械部分：骨骼3.按偏差调节的闭环控制方式，即反馈控制方式。
测量被控量与给定值相比较，系统根据比较偏差进行自动调节，不断修正被控量的偏差，使之趋向于给定值。
无论是系统外部干扰的作用，还是系统内部结构参数的变化，只要被控量偏离给定值，系统就会自行纠偏。
但给定值受到干扰，或反馈通道（测量回路）受到干扰，系统没有纠偏的能力。
4.岸桥的总体结构及其功能？由金属结构、四大机构(起升机构、小车行走机构、大车行走机构、俯仰机构)、吊具、机房、司机室等组成。
5.通用变频器对电力电子开关器件的基本要求？理想的功率开关器件，应当有理想的静态和动态特性：⏹截止状态能承受高电压(高阻断电压)；⏹导通状态通导大电流，压降很低；⏹在开关切换时，开、关时间短(高开关频率)，可承受高的电流变化率di/dt和电压变化率dv/dt；⏹截止、导通均可控。
6.电子开关？SCR：晶闸管，电流半控双极型；GTR/BJT：三极管，电流全控双极型，耐压高，导通压降低，通流能力强，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂；MOSFET：功率场效应晶体管，电压全控单极型，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动功率小，驱动电路简单；IGBT：绝缘栅晶体管，电压全控复合型，耐压高，导通压降低，开关速度快，大功率，低驱动，高频化。
7.电压全控混合型器件—智能功率模块IPMIPM(Intelligent Power Module)是将主开关器件、续流二极管、驱动电路、电流、电压、温度检测组件及保护电路、接口电路等集成在同一封装体内，形成的功率集成电路。
控制功能，保护功能，接口功能8.电力二极管，IGBT动态特性图P25 P379.电力电子器件的开关频率越低，其开通时间或关断时间越短。
机电控制系统实验报告
一、实验目的1. 理解机电控制系统的基本原理和组成；2. 掌握机电控制系统的调试方法；3. 熟悉常用控制元件的性能和特点；4. 提高动手能力和分析问题、解决问题的能力。
二、实验原理机电控制系统是指由电动机、执行机构、控制器、传感器等组成的，用于实现特定运动或控制功能的系统。
本实验主要研究步进电机驱动系统，通过控制步进电机的旋转角度和速度，实现机械装置的运动控制。
三、实验内容1. 步进电机驱动系统原理研究2. 步进电机驱动电路设计3. 步进电机驱动系统调试四、实验步骤1. 步进电机驱动系统原理研究（1）了解步进电机的工作原理和驱动方式；（2）分析步进电机驱动电路的基本组成和功能；（3）掌握步进电机驱动电路的调试方法。
2. 步进电机驱动电路设计（1）根据步进电机的参数（如相数、步距角等）选择合适的驱动电路；（2）设计步进电机驱动电路的硬件电路，包括驱动芯片、驱动模块、电源电路等；（3）绘制电路原理图和PCB布线图。
3. 步进电机驱动系统调试（1）搭建实验平台，包括步进电机、驱动电路、控制器、传感器等；（2）编写控制程序，实现步进电机的正转、反转、定位等功能；（3）调试系统，观察步进电机的运行状态，调整参数，使系统达到预期效果。
五、实验结果与分析1. 步进电机驱动系统原理研究通过学习，掌握了步进电机的工作原理和驱动方式，了解了步进电机驱动电路的基本组成和功能。
2. 步进电机驱动电路设计根据步进电机的参数，选择了合适的驱动电路，并完成了电路原理图和PCB布线图的绘制。
3. 步进电机驱动系统调试搭建了实验平台，编写了控制程序，实现了步进电机的正转、反转、定位等功能。
调试过程中，观察了步进电机的运行状态，调整了参数，使系统达到预期效果。
六、实验总结1. 通过本次实验，加深了对机电控制系统原理的理解，掌握了步进电机驱动系统的设计方法；2. 提高了动手能力和分析问题、解决问题的能力；3. 了解了常用控制元件的性能和特点，为今后从事相关领域工作奠定了基础。
机电控制工程基础课件：机电控制系统应用举例
机电控制系统应用举例
图 9－7 水位自动控制的自动调节过程
机电控制系统应用举例
9. 3 发动机离心调速系统
9. 3. 1 液压阀控液压缸和液压阻尼器 1. 液压阀控液压缸 液压阀控油缸(又称液压伺服阀)是液压伺服系统中常用
的一种执行元件。其结构原理图如图 9－8 所示。它实际上 是一个控制滑阀和一个动力液压缸的组合。
机电控制系统应用举例
1. 系统组成 1 )交流伺服电机 图中的被控对象是交流伺服电动机 SM , A 为励磁绕组, 为使励磁电流与控制电流互差 90° 电角,励磁回路中串接了 电容 C1 ,它通过变压器 T 1 产生的交流电源供电。 B 为控制 绕组,它通过变压器 T 2 经交流调压电路接于同一交流电源。 供电的电源为 115V 、 400Hz交流电源。系统的被控量为角 位移 θ 0 。
机电控制系统应用举例 2. 系统方块图 综上所述,可得如图 9－2 所示的位置随动系统的方框图。
图 9－2 位置随动系统方框图
机电控制系统应用举例
3. 工作原理 在稳态时, θo = θ i , Δ U =0 , U k 1 = U k 2 =0 , VT 正 与 VT 反 均关断, U s =0 ,电机停转。当位置给定信号 θi 改变,设 θ i 增大,则 U θ i = kθ i ,偏差电压 Δ U ( = U θ i - Ufθ) >0 ,此信号电 压经 PID 调节器 A 1 和放大器 A 2 后产生的 U k 1 >0 ,使正组 触发电路发出触发脉冲,双向晶闸管 VT 正 导通,使电动机正 转, θ o 增大。这个调节过程一直继续到 θ o = θi ,到达新的稳 态,此时 Ufθ= U θ i , Δ U =0 , U k 1 =0 , VT 正 关断,电机停转。 如图 9－3 ( a )所示。
机电一体控制系统设计及控制技术
5.3.1 PLC特点与应用
1.PLC控制特点 ① 可靠性高，抗干扰能力强。 ② 功能强，配置灵活。 ③ 编程简单，易学易用。 ④ 系统设计与维护方便。 ⑤ 体积小、重量轻、能耗低。
24
5.3.1 PLC特点与应用
2.PLC应用
①开关量控制:开关量控制是PLC控制器最基本、最广泛的应用，它取 代传统的继电器电路，实现逻辑控制、顺序控制。 ②模拟量控制:为了使PLC处理模拟量，必须要进行模拟量和数字量之 间的A/D转换及D/A转换。 ③运动控制:PLC可以用于旋转运动或直线运动控制。 ④过程控制:过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。
25
5.3.2 典型PLC介绍
1.三菱PLC
（1）三菱PLC概述 三菱PLC分为F系列、Q系列、IQ-F系列，IQ-R系列、L系列、
QS/WS系列等，不同系列PLC在CPU运算速度、输入/输出类型与规模 、控制功能、通讯功能、安全功能等方面配置不同，适用于不同的控制 需求。
26
5.3.2 典型PLC介绍
9
运行员 操作站
管理 计算机
运行员 操作站
管理 计算机
运行员 操作站
工程师 操作站
商用网络
计算 工作站
系统网络
经营 管理级
过程 管理级
通讯 接口
过程控制站
通讯
接口
过程控制站
基 本基 本 控制单元 控制单元
基本 控制单元
基 本基 本 控制单元 控制单元
基本 控制单元
数据输入 输出单元
通讯 接口
数据采集站
11
操作站
操作站
电源
耦合器
耦合器
电源
商用网络
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机电控制系统
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数控机床
数控机床组成
组成部分功能
伺服系统：它的作用是把来自数控装置的脉冲 信号转 换成机床移动部件的运动，包括驱动放大和驱动元件。 其性能好坏直接决定加工精度、表面质量和生产率。 脉冲当量δ ——相对于每个脉冲信号，机床移动部件 的位移，常见的有：0.01mm，0.005mm，0.001mm 步进电机 常用的伺服元件 直流伺服电机
飞机姿态控制系统
Байду номын сангаас
机电控制系统
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机电控制系统
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数控机床
数控机床优点
可加工形状复杂的工件。刀具轨迹由计算机数字控制系 统确定，自动完成加工过程。
工序集中，一台机床可加工不同的工序，完成复杂工件 的全部加工过程。 数控程序可由程序员编制，或由CAD/CAM集成系统自动 生成。 操作者和机床在时间上和空间上分离，可进行多台机床 管理。 机床结构模块化，可实现刀具和工件的自动交换。
交流伺服电机
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数控机床
数控机床组成
组成部分功能
机床：早期采用通用车床，现在采用了新技术，使其 发生了很大的变化。
目前已模块化生产，分为六大块
数控系统 数控刀架和转台 刀库和机械手 主轴单元 滚动部件 高速防护罩
机电控制系统
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数控机床
数控机床组成
数控机床本身的特点：
机电控制系统 西工大机电学院
数控机床
数控机床的分类（品种齐全，达400多种）
按工艺用途分类
按运动轨迹分类 按伺服系统的控制方式分类 按数控装置分类
机电控制系统
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数控机床
数控机床的分类
按工艺用途分类
一般数控机床：车铣镗钻磨等，功能与通用机床相似； 但是可以加工复杂形状的零件。 数控加工中心：数控铣、镗、钻床的基础上增加了自 动换刀装置。带刀库，一次装夹后可完成多工序加工； 加工中心的优点p4 多坐标数控机床：坐标轴大于3，能加工复杂形状零 件。
特点（机电动力机构）
机械式：无能量转换元件，摩擦片离合器、V型带、 齿轮有级调速 电气式：线性、开关功放，变频调速 液压式：伺服阀、比例阀，变量泵、变量马达 气压式：气压泵、气压马达
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机电控制系统
典型的机电控制系统
数控机床 工业机器人 水切割机床 汽车防抱死制动系统（ABS） 飞机姿态控制系统
机电控制系统
机电控制系统概述 信号综合、转换与功率放大元件 机电控制系统的执行元件 机电控制系统的动力机构 机电系统的计算机控制 机电控制系统的研究专题
参考教材：机电控制 北航出版社 李运华主编 工业控制电子学——设备、系统与应用 清华大学05年出版 (美)Terry Bartelt 著，姜绍龙、富晓静等译
机电控制系统 西工大机电学院
机电控制系统概述
机电控制与机电一体化 组成和工作原理 分类及特点 典型的机电控制系统
机电控制系统
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机电控制与机电一体化
机电一体化：机电一体化是在机械的主功能、动力功
能、信息功能和控制功能上引入微电子技术，并将机械装 置与电子装置用相关软件有机结合而构成系统的总称。 Mechatronics(Mechanics+Electronics) 机电一体化共性关键技术 包括技术基础、技术原理在内的、使机电一体化产品得 以实现、使用和发展的技术。如机械技术、微电子技术、 计算机和信息处理技术、自动控制技术、传感与测试技术、 电力电子技术、伺服驱动技术、系统技术等
高速直线驱动进给单元； 高速切削刀具技术； CNC控制系统； 切屑处理和冷却系统；
安全装置与实时监控系统；
换刀装置； 机床床体结构。
机电控制系统 西工大机电学院
高速数控机床
高速数控机床产品
米克朗（Mikron）公司生产的HSM400U5轴联动 高速加工中心。机床性能参数：工作范围 400mm×240mm×350mm，主轴转速42000 r/min，主 轴功率13kW，进给速度 X, Y, Z 方向40 m/min ， 回转速度 B、C摆 900～1500º /sec，加速度 X, Y, Z 方向 17 m/s² ，回转加速度 B、C摆 5700～ 17200º /s² ，刀柄采用HSK40，刀库为18～ 76位。
缩短制动距离
改善汽车制动时的方向操纵性能 改善汽车制动时的横向稳定性能
减小轮胎的局部磨损
减轻驾驶员的劳动强度，提高乘坐舒适性和
安全性 使用方便，工作可靠
机电控制系统
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汽车防抱死制动系统
逻辑门限法控制过程
该控制方式以车轮减速度和车轮加速度为控 制参数，在ECU中预先设定好车轮加、减速度门槛 值，并以参考滑动率和参考速度为辅助控制参数， 对制动过程实施控制。
机电控制系统
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数控机床
数控机床的分类
按伺服系统的控制方式分类
开控制数控机床 闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床 开环补偿型数控机床
机电控制系统
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数控机床
数控机床的分类
按数控装置分类
硬件数控机床（NC） 速度快，但功能扩展性和灵活性差 软件控制数控机床（CNC） 主要功能由软件实现，软件模块化，便于扩展
机电控制系统
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数控机床
数控机床定义
定义：是指采用了数控技术的机床或是装备了数控 系统的机床，可在零件程序的控制下自动完成程序 所规定的操作，其实质和特征是用数字技术控制机 床。
数控机床的一般形式
图纸
介质
控制计算机
伺服机构
机床
加工物
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数控机床
数控机床组成
数控机床的组成 控制介质 数控装置 伺服系统 检测装置 机床 开环
机电控制系统 西工大机电学院
数控机床
控制系统组成
机电控制系统
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高速数控机床
高速切削的优点
提高了生产率；
提高了加工精度； 能获得较好的表面质量； 可加工各种难加工材料； 降低了加工成本。
机电控制系统
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高速数控机床
高速切削机床的关键技术
高速主轴单元；
产品：指采用机电一体化技术，在机械产品基础上创造
出来的新一代机电产品，如数控机床、工业机器人、数 码相机、复印机、洗衣机等
机电控制系统 西工大机电学院
机电控制与机电一体化
机电控制（mechatronic control）定义
是指采用控制理论和电子技术解决机电系统控制 问题的一门学问。是组成和实现机电一体化的关键技 术之一。
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汽车防抱死制动系统
ABS的分类
按照ABS通道数目和传感器数目的多少来分类： 传感器数目：四传感器（ 4S ）、三传感器（ 3S ）、两 传感器（2S）和单传感器（1S）等 通道数目：四通道式、三通道式、二通道式和一通道 式等
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飞机姿态控制系统
机电控制研究内容
研究如何设计控制器并合理选择或设计放大器、 执行元件、检测与转换元件、导向与支撑元件和传动 机构等，并由此组成机电控制系统使机电装备达到所 要求的性能。
背景知识
自控、模电、数电、机械、液压（气动）、传感 器、计算机（工控机、单片机、PLC 、 DSP）等
机电控制系统 西工大机电学院
机电控制系统组成和工作原理
机电控制系统
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汽车防抱死制动系统
制动力分析
Fxbmax Fz
提高制动效能的有效途径
通过提高正压力Fz来增大Fxbmax；
通过提高摩擦系数(附着系数)φ ；
考虑到汽车具体使用情况，后一种途 径更具有实际意义。
机电控制系统
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汽车防抱死制动系统
车轮运动方式的定量描述
机电控制系统
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数控机床
数控机床的分类
按运动轨迹分类
点位控制数控机床：点——点位置精确控制，保证的 是定位精度，加减速过程固定； 如：钻床、冲床、测量机等 点位直线控制数控机床：位置控制+速度和路线控制， 只能沿某个坐标轴方向（平行或45°）切削加工 轮廓控制数控机床：每点的位置+速度+路线控制，可 对2坐标或2坐标以上坐标轴进行控制
控制系统构成
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水切割机床
液压系统原理
压力：100-750MPa 喷口直径：0.2-0.3mm
机电控制系统
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汽车防抱死制动系统
汽车制动时易出现的问题
当行车在湿滑路面上突遇紧急情况而实施紧急制动时， 汽车会发生侧滑，严重时甚至会出现旋转调头；
当左右侧车轮分别行驶于不同摩擦系数的路面上时， 汽车的制动也可能产生意想不到的危险。弯道上制动 遇到上述情况则险情会更加严重； 所有这些现象的产生，均源自于制动过程中的车轮抱 死。
机电控制系统
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并联运动机床
并联运动机床的优点
运动精度高；
可实现高速加工； 机床刚性好；
结构简单。
并联运动机床的缺点
控制计算极其复杂； 有效加工范围小；
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并联运动机床
并联运动机构 （Stewart平台）
机电控制系统
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工业机器人
（1）采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械结构得 到简化，传动链较短；
（2）为了使用连续性自动化加工，机械结构具有较高的 动态刚度及耐磨性，热变形小；