教学课件-机电一体化导论(封士彩)

1第1章绪论2教学目标知识目标：

1.熟练掌握机电一体化含义；

2.了解机电一体化组成要素；

3.了解机电一体化的发展趋势。能力目标：

1.概括总结所学知识的能力；

2.分析问题、解决问题的能力。3教学重、难点教学重点：

1.机电一体化含义

2.机电一体化产品组成要素

3.机电一体化系统的设计方法教学难点：

1.机电一体化组成要素的作用

2.机电一体化系统的含义及设计流程4本章主要内容1.1机电一体化系统概述1.2机电一体化系统的设计1.3机电一体化的发展趋势5德国工业4.0和中国制造2025强调加快发展智能制造装备和产品；组织研发具有深度感知、智慧决策、自动执行功能的高档数控机床、工业机器人、增材制造装备等智能制造装备以及智能化生产线；突破新型传感器、智能测量仪表、工业控制系统、伺服电机及驱动器和减速器等智能核心装置；推进工程化和产业化。1.1机电一体化系统概述6

机电一体化虽然是一个独立的科学门类，但依然和其他的学科有着千丝万缕的关系，和工业4.0及中国制造2025紧密相连，它是其他学科技术优势的整合体，是建立在其他学科技术的基础上发展的7

机械工程科学发展的特点及趋势

多学科深度交叉机械工程科学微光机电系统纳米机械学纳米加工测量微操作系统机械仿生仿生制造电子制造。e-制造、数字制造、虚拟制造；网络制造；纳米科技纳米材料微型机械纳米器件生命科技人类基因组基因工程生物芯片信息科技光子、量子、生物计算机；网络技术●制造业竞争战略的变迁60年代生产规模

70年代生产成本

80年代产品质量

90年代响应速度传统经济

21世纪技术创新新经济当前制造业存在的主要问题

美国等发达国家中国典型产品中技术源于本国98.4%43%制造业新产品贡献率52%5.9%产品开发周期3~6个月12~24个月主导产品平均生命周期3年10.5年技术创新能力比较10本课程的重要专业课程机械工程设计基础液压与气压传动机电创新设计电路与电机电子技术单片机原理与接口技术电气控制与PLC应用传感器应用11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科学技术。机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而是在信息论、控制论和系统论的基础上建立起来的应用技术。机电一体化信息科学机械学电子学12机电一体化一般包含机电一体化产品(系统)和机电一体化技术两层含义。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。13数控铣床14数控车床15焊接机器人16

机械手臂

17汽车防抱死系统(ABS)18

出色的机电一体化案例：

1.异步电动机控制机床进给→用计算机控制伺服电机控制机床进给;

2.机床主轴的反转制动→现代数控机床的主轴准停和主轴进给;

3.机床内链环的螺纹加工→具有编码器的数控螺纹加工；

4.汽车发动机化油器供油→电子燃油喷射；

5.纺织工业的有梭织机→喷气、喷水无梭织机;

6.纹板笼头控制提花方式→电子计算机提花方式的转变。

19位置,速度检测单元电机机械部件位置,速度反馈CNC数控机床伺服系统组成20执行器控制信息电子控制单元动力源检测传感部分机械本体参数变化信息驱动力能量检测参数211、机械本体机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能。要求：可靠、小型、美观2、能源

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1.2机电一体化系统的构成223、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235、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，实现主功能。要求：高性能、高精度、高效率241.3共性关键技术1检测传感技术2信息处理技术3自动控制技术4伺服驱动技术5机械技术6系统总体技术251、检测传感技术作用：感受器官、反馈环节。研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）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。共性关键技术262、信息处理技术主要完成信息的交换、存取、运算、判断和决策等，其主要工具是计算机。传感器A/D计算机D/A执行装置3、控制技术

关于软件方面的技术，主要以控制理论为指导，对控制系统设计、仿真、现场调试、可靠运行等。共性关键技术274、伺服驱动技术执行元件种类：电动、液压、气压

研究对象：执行元件及其驱动装置驱动装置：各种电动机的驱动电源电路

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。

5、机械技术

共性关键技术286、系统总体技术系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体最优。其重要内容为接口技术。接口包括电气接口、机械接口、人机接口。

共性关键技术29机电一体化技术特点简化结构，提高精度易于实现多功能和柔性自动化产品开发周期缩短、竞争能力增强生产方式向高柔性、综合自动化方向发展促进经营管理体制发生根本性的变化301.2机电一体化系统的设计机电一体化产品的分类设计类型：开发性、适应性、变参数设计方法：取代法、整体法、组合法设计程序设计途径设计过程31市场调研总体方案设计详细设计样机试制与试验小批量生产大批量生产32一、市场调研

市场调研包括市场调查和市场预测。所谓市场调查，就是运用科学的方法，系统、全面地收集所设计产品市场需求和经销方面的情况和资料，分析研究产品在供需双方之间进行转移的状况和趋势，而市场预测就是在市场调查的基础上，运用科学方法和手段，根据历史资料和现状，通过定性的经验分析或定量的科学计算，对市场未来的不确定因素和条件作出预计、测算和判断，为产品的方案设计提供依据。33二、总体方案设计1．产品方案构思产品方案构思完成后，以方案图的形式将设计方案表达出来。方案图应尽可能简洁明了，反映机电一体化系统各组成部分的相互关系，同时应便于后面的修改。2．方案的评价对多种构思和多种方案进行筛选，选择较好的可行方案进行分析组合和评价，从中再选几个方案按照机电一体化系统设计评价原则和评价方法进行深入的综合分析评价，最后确定实施方案。34三、详细设计详细设计是根据综合评价后确定的系统方案，从技术上将其细节逐层全部展开，直至完成产品样机试制所需全部技术图纸及文件的过程。

35四、样机试制与试验

完成产品的详细设计后，即可进入样机试制与试验阶段。根据制造的成本和性能试验的要求，一般制造几台样机供试验使用。样机的试验分为实验室试验和实际工况试验，通过试验考核样机的各种性能指标是否满足设计要求，考核样机的可靠性。如果样机的性能指标和可靠性不满足设计要求，则要修改设计，重新制造样机，重新试验。如果样机的性能指标和可靠性满足设计要求，则进入产品的小批量生产阶段。36五、小批量生产

产品的小批量生产阶段实际上是产品的试生产试销售阶段。这一阶段的主要任务是跟踪调查产品在市场上的情况，收集用户意见，发现产品在设计和制造方面存在的问题，并反馈给设计、制造和质量控制部门。六、大批量生产

经过小批量试生产和试销售的考核，排除产品设计和制造中存在的各种问题后，即可投入大批量生产。37机电一体化对机械工业的影响

1提高性能、扩展功能

今日的数控机床充分发挥计算机的威力，运用时间序列分析和精度创成等理论建立数学模型。已有可能实时预报包括随机误差在内的机床误差，然后自动校正，从而达到前所未有的精度。采用对阻尼进行预报，一旦接近临界值时就自动调整切削用量，这又可能出现永不颤振的机床，保证很高的生产率和良好的加工表面。

382简化结构393提高可靠性在提高电子元件质量、可靠性的前提下，机电一体化产品可以提高耐久性，减少故障率。另一方面由于赋予其自动监视诊断功能，并采取安全联锁控制，过负荷和失控保护、停电对策，提高了设备的安全可靠性。

404节约能源例如目前我国各类电风扇年产量在200万台左右，如每台电扇的调速器和定时器(现常用电磁机械式)用电子调速器和定时器代替，估计每台风扇可节电5W以上，全年以用扇100天，每天开扇6h计，则每年可节约用电量600万kW·h，还可节省大批铜材和钢材。再如传统的电焊机以电磁原理和手工操作为基础，即使是一般的自动电焊机，其动作过程也仅为简单的机械动作和相应的控制。这类电焊机耗能多、效率低、质量不易保证。采用微型机技术后，发展新颖的电子控制电源以取代传统的焊接电源，实现焊接电源的节能、高效、小型化、多样化。411.3发展概况及发展趋势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。2.20世纪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：①mechatronics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；②机电一体化技术和产品得到了极大发展；③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。

423.20世纪90年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段”

①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；②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。③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。

发展概况431.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。44发展趋势

1智能化智能化是21世纪机电一体化技术发展的一个重要发展方向。人工智能在机电一体化建设者的研究日益得到重视，机器人与数控机床的智能化就是重要应用。这里所说的“智能化”是对机器行为的描述，是在控制理论的基础上，吸收人工智能、运筹学、计算机科学、模糊数学、心理学、生理学和混沌动力学等新思想、新方法，模拟人类智能，使它具有判断推理、逻辑思维、自主决策等能力，以求得到更高的控制目标。452模块化由于机电一体化产品种类和生产厂家繁多，研制和开发具有标准机械接口、电气接口、动力接口、环境接口的机电一体化产品单元是一项十分复杂但又是非常重要的事。这需要制定各项标准，以便各部件、单元的匹配和接口。由于利益冲突，近期很难制定国际或国内这方面的标准，但可以通过组建一些大企业逐渐形成。显然，从电气产品的标准化、系列化带来的好处可以肯定，无论是对生产标准机电一体化单元的企业还是对生产机电一体化产品的企业，规模化将给机电一体化企业带来美好的前程。发展趋势463网络化20世纪90年代，计算机技术等的突出成就是网络技术。机电一体化新产品一旦研制出来，只要其功能独到，质量可靠，很快就会畅销全球。由于网络的普及，基于网络的各种远程控制和监视技术方兴未艾，而远程控制的终端设备本身就是机电一体化产品。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。发展趋势474微型化微型化兴起于20世纪80年代末，指的是机电一体化向微型机器和微观领域发展的趋势。国外称其为微电子机械系统（MEMS），泛指几何尺寸不超过1cm3的机电一体化产品，并向微米、纳米级发展。微机电一体化产品体积小、耗能少、运动灵活，在生物医疗、军事、信息等方面具有不可比拟的优势。微机电一体化发展的瓶颈在于微机械技术，微机电一体化产品的加工采用精细加工技术，即超精密技术，它包括光刻技术和蚀刻技术两类。发展趋势485系统化系统化的表现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。表现之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485等。发展趋势49本章小结重要概念机电一体化、机械技术、传感检测技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术和系统总体技术。重点问题机电一体化产品组成；机电一体化系统设计的方法和流程。50课后作业1.试说明机电一体化的概念并分析机电一体化技术的组成及相互关系。2.列举各行业机电一体化产品的应用实例，并分析各产品中相关技术的应用情况。3.为什么说机电一体化技术是其他技术发展的基础?举例说明。4.试分析机电一体化系统设计与传统的机电产品设计的区别。51第2章机电一体化产品的组成52教学目标知识目标：

1.熟练掌握机电一体化产品的组成；

2.熟练掌握机电产品中的相关概念和功能；

3.能够选择控制器、传感器等部分。能力目标：

1.概括总结所学知识的能力；

2.分析问题、解决问题的能力。53教学重、难点教学重点：

1.机电一体化产品的五大组成部分

2.传感器的基本特性和选择

3.驱动及执行机构的工作原理教学难点：

1.传感器的测量电路

2.伺服驱动54本章主要内容机电一体化产品的控制器2.1机电一体化产品中的传感器2.2机电一体化产品的驱动器2.3机电一体化的机械传动与执行机构

2.4小结课后作业55§2.1机电一体化产品的控制器单片机与单板机2.1.1可编程序控制器

工业计算机的特点及选择嵌入式系统概述2.1.22.1.32.1.4562.1.1单片机与单板机

它采用超大规模技术把具有数据处理能力(如算术运算，逻辑运算、数据传送、中断处理)的微处理器(CPU)，随机存取数据存储器(RAM)，只读程序存储器(ROM)，输入输出电路(I/O口)，可能还包括定时计数器，串行通信口(SCI)，显示驱动电路(LCD或LED驱动电路)，脉宽调制电路(PWM)，模拟多路转换器及A/D转换器等电路集成到一块单块芯片上，构成一个最小而完善的计算机系统。

图2.1单片机的结构1.单片机单片微型计算机简称为单片机，它的结构如图2.1所示。57MCS51是指由美国INTEL公司生产的一系列单片机的总称，其中8051是最早最典型的产品，其引脚及其功能如图2.2所示。图2.280C51单片机引脚图及引脚功能58单片机的40个引脚大致可分电源、时钟、控制和I/O引脚四类。(1)电源:VCC为芯片高位电源，接+5V；VSS为接地端。(2)时钟:XTAL1、XTAL2分别为晶体振荡电路反相输入端和输出端。(3)控制线:控制线共有4根，①ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。

PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。②PSEN:外ROM读选通信号。③RST/VPD:复位/备用电源。

RST（Reset）功能：复位信号输入端。

VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。④EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。

EA功能：内外ROM选择端。

Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp。(4)I/O线：80C51共有4个8位并行I/O端口，它们是P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。592.单板机什么是单板机？在一块印刷电路板插件上把CPU、存储器和外设接口等集成电路片子组装成的具有一定功能的微型计算机,简称单板机。单板机的硬件由什么组成？由下列五部分组成：①微处理器及其外围电路。②存储器及地址译码电路。③输入输出接口适配器及其附属电路。④总线及总线缓冲器。单板机备有两种总线：一种是实现插件间通信的总线，称为内总线；另一种是实现单板机与外部设备或控制对象之间通信的总线，称为外总线。⑤监控程序及外设控制电路。单板机的软件包括有监控程序、调试程序、诊断程序、汇编程序、编译程序等。返回602.1.2.可编程序控制器可编程控制器的定义国际电工委员会（IEC）PLC的定义：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算，顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。61可编程控制器的组成

PLC主要由中央处理单元（CPU）、存储器、输入输出单元（I/O单元）和电源单元四部分组成。小型PLC的结构图如图2-3所示。图2.3小型可编程控制器结构框图62可编程控制器的工作方式

PLC采用循环扫描的工作方式，包括内部处理、通讯操作、输入处理、程序执行、输出处理几个阶段。全过程扫描一次所需的时间称为扫描周期。扫描过程见图2.4。图2.4扫描过程63可编程控制器的特点（1）可靠性高，抗干扰能力强；（2）编程直观、简单；（3）环境要求低，适应性好；（4）功能完善，接口功能强等。返回642.1.3工业计算机的特点及选择

工业计算机的特点

（1）两者的用途不同。工业计算机主要用于工业控制、测试等方面，工控机的环境适应强。这和普通的计算机的娱乐、办公、编程方面的应用是完全不同的。（2）两者的组成部件不同。工业计算机工作的场合不同，也必然导致了其构成的部件和通用计算机不同。（3）工业计算机的软件系统和普通计算机不同。工业计算机的软件系统比较单一，主要实现一个特定的功能。而普通计算机拥有大量的通用的应用程序，处理器的速度非常快。（4）可靠性高，实时性强。工业计算机一般用于不间断运行，运行期间不允许停机检修；而且它还要实时对控制对象进行检测，所要要求其具有高的可靠性和好的实时性。65工业计算机的选择

根据机电一体化系统的大小和控制参量的复杂程度，可以选用不同的工业计算机。对于小型系统，一般监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，这类系统采用单板机、单片机或可编程控制器；对于数据处理量大的系统，可以选用基于总线结构的工控机，如STD总线工控机、IBM-PC总线工控机等；对于多层次、复杂的机电一体化系统，则需要采用分级分步式控制系统，在这种系统中，可根据各级及控制对象的特点，分别选用单片机、可编程控制器、总线工控机和微型计算机来完成所需的功能。返回662.1.4嵌入式系统概述

嵌入式系统的定义关于嵌入式系统的定义，目前存在多种下面给出两种比较常见的定义。第一种，根据IEEE（国际电气和电子工程师协会）的定义：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置”。可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机电等附属装置。第二种定义：嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软/硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。广而言之，可以认为凡是带有微处理器的专用软硬件系统都可以称为嵌入式系统。67嵌入式系统的组成

嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成的，前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口；后者实际控制系统的运行。嵌入式系统的硬件可分为3部分：核心处理器、外围电路和外部设备，如图2.5所示。图2.5嵌入式系统的硬件组成68

上图中，CPU是嵌入式系统的核心处理器，又称为嵌入式微处理器，负责控制整个嵌入式系统的执行；外围电路包括嵌入式系统的内存、I/O端口、复位电路、模数转换器/数模转换器（ADC/DAC）和电源等，与核心处理器一起构成一个完整的嵌入式目标系统，其中SRAM（StaticRandomAcessMemory）为静态随机存储器，DRAM（DynamicRandomAcessMemory）为动态随机存数器，Flash为闪存器；外部设备指嵌入式系统与真实环境交互的各种设备，包括通用串行总线（UniversalSerialBus，USB）、存储设备、鼠标、键盘（Keyboard）、液晶显示器（LiquidCrystalDisplay，LCD）、红外线数据传输（InfraredDataAssociation，IrDA）和打印设备等。其中微处理是嵌入式系统硬件的核心。69嵌入式系统的软件可分为设备驱动接口(DeviceDriverInterface,DDI)、实时操作系统(RealTimeOperationSystem,RTOS)、可编程应用接口(ApplicationProgrammableInterface,API)和应用软件4个层次。其中DDI负责嵌入式系统与外部设备的信息交换；RTOS分成基本和扩展两部分，前者是操作系统的核心，负责整个系统的任务调度，存储分配、时钟管理和中断管理，提供文件、图形用户界面等基本服务。后者为用户提供操作系统的扩展功能。应用软件是针对不同应用而由开发者编写的软件。返回70§2.2机电一体化产品中的传感器传感器概述传感器的选用原则及注意事项传感器的测量电路智能传感器2.2.12.2.22.2.32.2.4712.2.1传感器概述

传感器的定义

国家标准《传感器通用术语》中，对传感器的定义为“传感器是指感受或响应规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。”72传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成，如图2.6所示。图2.6传感器组成框图

敏感元件是指能直接感受（或响应）被测量的部分，即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其他量。转换元件则将上述非电量转换成电参量。测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量，以便进行显示、记录、控制和处理的部分。73传感器的分类

传感器的种类很多，如果按被测对象分类，有物理量传感器、化学量传感器及生物量传感器；如果按输出量分类，有模拟式和数字式传感器；如果按测量原理分类，有结构型、物性型及复合型三类。结构型传感器是利用机械构件的变形、位移将被测量转换成相应的电阻、电感、电容等物理量的传感器。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应工作的传感器。另外，还可以按输入输出特性分的线性、非线性传感器；按能量转换方式分的能量转换型（有源型或发电型）、能量控制型（无源型或参数型）传感器，等等。74传感器的基本特性

传感器的基本特性主要是指输出与输入之间的关系特性。当输入量为常量或变化极慢时，其关系为静态特性；当输入量随时间较快变化时，其关系为动态特性。传感器的静态特性参数包括线性度、灵敏度、重复性、迟滞、零漂和温漂、分辨力等。传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。

常用的静态特性如下：（1）线性度（非线性误差）：在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。（2）灵敏度：是指稳定工作状态时传感器输出变化量和输入量的变化量之比，用S表示为75

线性传感器的灵敏度为一常数，而非线性传感器的灵敏度是随输入变化的量。图2.7重复性（3）重复性：指传感器在输入量按同一方向在全测量范围内连续变化多次所得特性曲线的不一致的程度，如图2.7所示。(4)迟滞：指传感器在正反行程中输出与输入曲线不重合的现象，如图2.8所示。图2.8迟滞特性76（5）零漂和温漂：传感器在无输入或输入为另一值时，每隔一定时间，其输入值偏离原始值的最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每升高1℃，传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比，称为温漂。（6）分辨力与阀值：指传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为分辨力。数字式传感器的分辨力一般为输出数字指示值最后一位数字。在传感器输入零点附近的分辨力称为阀值。（7）稳定性：传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。772.2.2传感器的选用原则及注意事项

传感器的选则①根据测量对象与测量环境确定传感器的类型：测量之前，首先要考虑采用何种传感器，这需多方分析才能确定。②灵敏度的考虑：通常，在线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。③线性范围的考虑：传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。④稳定性的考虑：影响传感器稳定性的因素除本身结构外，主要是其使用环境。⑤精度的考虑：精度是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就。⑥频率响应特性的考虑：传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，考虑传感器的频率响应特性时，必须保证在频率范围内不失真。78选择传感器的注意事项①预测量条件有关的事项：包括测量目的、被测试量的选择、测量范围、输入信号的最大值、频带宽度、指标要求、测量所需要的时间等。②与传感器有关的事项：包括静态特性指标、动态特性指标、模拟量还是数字量、输出量及其数量级、被测物体产生的负载效应、校正周期、过载保护等。③与使用条件有关的事项：包括传感器的设置场所、工作环境条件（温度、振动、湿度等）、测量时间、与其他设备的连接及距离、所需功率容量等。④与购买和维护有关的事项：包括性价比、零配件的储备、售后服务与维修、保修时间、交货日期等。792.2.3智能传感器

智能传感器的定义

智能传感器是将微执行器和微变送器的部分或全部处理器件、处理电路集成在一个芯片上，同时具有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与判断功能的传感器。智能传感器的组成

智能传感器主要由传感器、微处理器（或计算机）及相关电路组成，其原理如图2.14所示。80图2.14智能传感器原理框图81智能传感器的作用

不但可以对传感器测量数据进行计算、存储、数据处理，还可以通过反馈回路对传感器进行调节。智能传感器的分类智能传感器按结构不同可分为集成式、混合式和模块式三种形式。集成式是将敏感元件、微处理器、信号处理电路等集成同一个硅片上，集成度高，体积小。混合式是将传感器、微处理器和信号处理电路做在不同的芯片上，目前应用较多。模块式是将微处理器、信号调理电路模块、输出电路模块、显示电路模块和传感器装配在同一壳体内。82§2.3驱动器及其控制驱动器的种类和对装置的基本要求直流伺服系统交流伺服系统2.3.12.3.22.3.3832.3.1驱动器的种类和对装置的基本要求

伺服驱动器的分类根据动力源的不同可以分为液压伺服驱动、气动伺服系统和电气伺服系统三种。电气伺服驱动是以伺服电动机作为驱动元件的伺服系统，常见的伺服电动机有直流伺服电机、交流伺服电机、直接驱动电机和步进电机等。84伺服驱动装置要满足的基本要求伺服电动机应满足如下的技术要求：①具有较硬的机械性能和良好的调节特性。机械特性是指在一定的电枢电压条件下，转速和转矩的关系。调节特性是指在一定的转矩条件下转速和电枢电压的关系。②具有宽广而平滑的调速范围。③具有快速响应特性。就是要求伺服电机从获得控制指令到按指令要求完成动作的时间要短，时间越短，系统的灵敏度越高。④具有小的空载始动电压。电机空载时，控制电压从零开始逐渐增加，直到电动机开始连续运转的电压称为空载始动电压。空载始动电压越小，电动机起动越快，工作越灵敏。返回852.3.2直流伺服系统

直流伺服系统的工作原理典型的直流伺服系统如图2.15所示。该系统包括PWM功率放大器、速度负反馈和位置负反馈等环节。图2.15直流伺服系统的原理框图86直流伺服系统的PWM控制它是一个能将电压信号转变为脉冲宽度的调节变换装置，它能给功率放大器提供一个宽度由速度指令信号调节的控制脉冲序列。微机PWM驱动系统原理如图2.16所示。图2.16微机控制的PWM驱动系统框图返回872.3.3交流伺服系统

交流伺服系统的矢量控制

矢量控制是控制交流电机的一种很有前途的控制方案，采用矢量变换的感应电机具有和直流电机一样的控制特点，且结构简单、可靠等。图2.17是采用交流伺服电机作为执行元件的一种矢量控制交流伺服系统框图。88变频调速控制交流感应电机的转速n表示为图2.17交流伺服系统框图式中，n为电机转速（r/min），f为外加电源频率（Hz），p为电机极对数，S为滑差率。从上式可知改变交流电机的转速有变频调速、变极调速和变转差率调速三种方法。

89异步电机变频调速所需的变频和变压功能(VVVF)是通过变频器完成的。变频器常采用脉冲幅值调制PAM(PulseAmplitudeModulation)和脉冲宽度调制PWM控制方式实现VVVF。PAM方式主电路如图2.18所示。它将VV和VF分开，在可控整流电路中将交流电整流为直流，同时进行相控调压，而后再将直流电逆变为频率可调的交流电。图2.18PAM控制方式主电路

90PWM方式主电路如图2.19所示。它将VV和VF功能在逆变器中一起完成。这种情况下，不可控整流器只完成整流功能，整流后的直流电压是恒定不变的，然后通过逆变器完成变频和变压。图2.19PWM控制方式主电路返回91§2.4机电一体化的机械传动与执行机构传动机构执行机构2.4.12.4.2922.4.1传动机构

当两个物体互相接触并相对运动时，这两个物体称为“运动副”(pair)。在运动副中可以分为“滑动副”“转动副”和“螺旋副”等，也可以按低副和高副等进行分类。机电一体化系统的机械系统一般包括传动机构、导向机构和执行机构三大机构。①传动机构：其功能是传递转矩和转速。②导向机构：其作用是支承和限制运动部件按给定的运动要求和规定的运动方向。③执行机构：所谓执行机构（或装置）就是按照指令将电信号转换成流体或机械能，驱动机械部分进行运动的装置。93传动结构主要有齿轮传动机构、滚珠丝杠、滑动丝杠、同步带传动、间歇机构、挠性传动机构等。齿轮传动齿轮传动是机电一体化系统中使用最多的机械传动装置，其原因是齿轮传动的瞬时传动比为常数，传动精确，且强度大、能承受重载、结构紧凑、摩擦力小、效率高。滚珠丝杠

滚珠丝杠是在丝杠和螺母间以钢球为滚动体的螺旋传动元件。它可将直线运动转变为旋转运动，或者将旋转运动转变为直线运动。94滚珠丝杠的结构原理如图2.21所示。当丝杠转动时，带动滚珠在滚道内既自转又沿滚道循环转动，因而迫使螺母（或丝杠）轴向移动。为防止滚珠从螺纹滚道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有挡球器。图2.21螺旋槽式滚珠丝杠副的结构原理示意图95同步带传动同步带传动是综合了带传动、齿轮传动和链传动特点的一种新型传动，如图2.22所示。同步带传动是利用齿形带的带齿和带轮的轮齿依次相啮合来传递运动和动力的。图2.22同步带传动96棘轮传动棘轮传动机构是间歇传动机构的一种，它是将原动机构的连续运动转换成间歇运动。其工作原理如图2.23所示，它主要由棘轮和棘爪组成。棘爪装在摇杆上，能围绕O1点转动，摇杆空套在棘轮凸缘上作往复暴动。当摇杆作逆时针方向摆动时，棘爪与棘轮的齿啮合，克服棘轮轴上的外加力矩M，拖动棘轮炒逆时针方向转动，此时动爪在棘轮齿上打滑。当摇杆摆过一定角度λ而返向作顺时针方向摆动时，止动爪把棘轮闸住，使其不致于因外加力距M的作用而随摇杆一起作返回转动，此时棘爪在棘轮齿上打滑而返回起始位置。

图2.23棘轮传动返回972.4.2执行机构执行机构的定义执行装置就是“按照电信号的指令，将来自电、液压和气压等各种能源的能量转换成旋转运动、直线运动等方式的机械能的装置”。执行机构的分类为实现不同功能采用不同形式的执行机构，主要有机械式、电子式、激光电动式的执行机构等。按利用的能源形式，执行装置大体可分为电动执行装置、液压执行装置和气动执行装置。98执行机构的微动机构微动机构是一种能在一定范围内精确、微量地移动到给定位置或实现特定的进给运动的机构。微动机构根据执行件的原理不同可分为机械式、电气－机械式、弹性变形式、热变形式、磁致伸缩式、压电式等。

(1)手动机械微动机构(如图2.24所示)图2.24手动机械式微动机构99(2)热变形微动机构热变形式微动装置是利用电热元件作为动力源，靠电热元件通电后产生的热变形实现微小移动，其工作原理如图2.25所示。

图2.25热变形微动机构原理100(3)磁致伸缩微动机构磁致伸缩式微动机构是利用某些材料在磁场作用下具有改变尺寸的磁致伸缩效应，来实现微量位移。其工作原理如图2.26所示。图2.26磁致伸缩结构原理简图返回101传动机构实例图2.27所示为针式打印机上的字车机构。图2.27针式打印机中的同步带传动机构1,2－驱动轴3－从动轮4－伺服电动机5－电动机齿轮6－字车7－色带驱动手柄8－销子9－联接环10－字车驱动同步带11－支架12－带张力调节螺杆13－色带驱动带14－压带轮15－色带驱动轮16－色带驱动轴17－导杆102执行机构实例图2.28所示为机床的热变形微动机构。当高频电流经导线6通入线圈后，加热件3被加热，传动杆受热伸长，经托架4使运动件5产生微量位移。该机构可根据位移量来控制加热量，当运动件5达到预定位置后，通入冷却液或压缩空气，使传动杆冷却而恢复到原来的位置。图2.28机床的热变形微动机构1－套筒2－传动杆3－加热件4,8－托架5－运动件6－导线7－绝缘体返回103机械传动与执行机构的发展趋势机电一体化机械系统的传动机构要求具有传动精度高、工作稳定性好、相应速度快等特点。随着科技进步，其传动机构正朝着精密化、高速化、小型化、轻量化的方向发展。执行机构是实现机电一体化产品的一个重要环节，它要能够保证按时、准确地完成预期动作，其发展正向采用新材料、新工业来提高机构的动态性能、响应速度、高精度、高灵敏度和高可靠性方向发展。返回104本章小结重要概念单片机、单板机、PLC、嵌入式系统；传感器（含基本特性）、智能传感器；运动副、环等。重点问题机电一体化产品组成；控制器的类型；传感器的特性；交流伺服控制；机械系统组成等。105课后作业1．机电一体化系统的组成如何？

2．什么是传感器，其组成和基本特性如何？3．试解释下列名词：单片机、单板机、PLC和嵌入式系统106第3章机电一体化设备的控制策略107教学目标知识目标：

1.掌握常用的经典控制、现代控制和智能控制方法；

2.了解各种控制方法的应用。能力目标：

1.综合分析问题、解决问题的能力；

2.科学学习的能力。108学习重、难点学习重点：

1.传统控制方法的概念；

2.现代控制方法的概念；

3.智能控制及控制方法的融合。教学难点：

1.控制的数学表达；

2.智能控制方法的理解。109本章主要内容传统控制策略

3.1现代控制策略

3.2智能控制策略

3.3控制策略的渗透和结合

3.4小结课后作业110§3.1传统控制策略比例-积分-微分（PID）控制3.1.1串级控制

纯滞后对象的控制解耦控制3.1.23.1.33.1.41113.1.1比例-积分-微分(PID)控制2.PID的参数整定方法

1.PID的概念

比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间常数和微分时间常数的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。1123.模拟PID和数字PID控制PID根据被控对象是模拟量还是数字量分为模拟PID控制和数字PID控制。

（1）模拟PID控制模拟PID就是我们常说的PID，其控制系统原理组成如图3.1所示。

图3.1模拟PID控制系统原理框图113模拟PID调节器的微分方程为（3-1）式中；kP为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。其传递函数为（3-2）114（2）数字PID控制

对模拟PID控制规律的离散化，就可以得到数字PID的差分方程如下：选择采样周期的选择一般要满足采样定理，也就是最大采样周期Tmax满足下列条件1153.1.2串级控制1.串级控制的概念串级控制是一种复杂控制系统，它根据系统结构命名，是由两个或以上的控制器（主环、副环、次副环……）串联连接组成，一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值，每一个回路中都有一个属于自己的调节器和控制对象。2.串级控制中副回路的作用

(1)迅速克服进入副回路扰动的影响。

(2)灵活进行回路切换；减少对生产过程的影响。1163．串级控制的组成

串级控制系统组成如图3.2所示，在串级系统中起主导作用的被控变量为主对象，主对象是用主参数（工艺控制指标）表征其特性的生产设备，副对象是用副参数（为了稳定主参数，或为某种需要引入的辅助变量）表征其特性的生产设备。主控制器按主参数与其给定值的偏差工作，其输出为副控制器的给定值，在系统中起主导作用；副控制器按副参数与主控制器来的外给定的偏差工作。图3.2串级控制系统组成框图1173.1.3纯滞后对象的控制1．纯滞后对象的数学模型大多数工业控制对象可以用惯性加纯滞后环节来描述。2．纯滞后对象的控制系统结构组成设某一带纯滞后环节的单回路控制系统的结构图如图3.3所示。图3.3带纯滞后环节的控制系统1183．纯滞后对象的常用控制方法对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。纯滞后对象的控制方法常采用大林（Dahlin）算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制等。（1）大林算法大林算法的设计目标是将期望的闭环响应设计成一阶惯性环节与纯滞后环节串联，滞后时间与被控对象滞后时间相同，然后反过来得到能满足这种闭环响应的控制器。（2）纯滞后补偿控制Smith（史密斯）提出了一种纯滞后补偿模型，其原理是，与PID控制器并联一个补偿器，该补偿环节称为Smith预估器。1193.1.4解耦控制1．解耦控制的概念实际系统中往往有多个被调量和多个调节量，若任一调节量对多个被调量都有影响，即系统之间相互关联，这就构成了耦合系统。处理存在相互干扰的多重控制回路时，有必要运用一种相互作用的控制系统将多重回路互相隔离以避免各回路间相互干扰，此类设计称之为解耦控制。1202．解耦控制的结构图3.6为一简单的耦合系统结构图。图3.6简单耦合系统结构图对上图耦合系统进行解耦控制，就是在系统中加入解耦装置，使图中的调节器Gc1的输出只影响Y1，不影响Y2；调节器Gc2的输出只影响Y2，不影响Y1。121§3.2现代控制策略自适应控制变结构控制鲁棒控制预测控制3.2.13.2.23.2.33.2.41223.2.1自适应控制1．自适应控制的概念

自适应控制（adaptivecontrol）是指能自动地适时地调节系统本身控制规律的参数，以适应外界环境变化、系统本身参数变化、外界干扰等的影响，使整个系统能按某一性能指标运行在最佳状态下的控制。能实现这种控制的系统称为自适应控制系统。2．适应控制的原理结构自适应控制一般原理结构如图3.7所示。123

自适应控制的对象是一个未知系统，包括系统参数未知和系统状态未知两个方面，同时被控对象还受外界干扰、环境变化以及系统本身参数变化的影响。

图3.7自适应控制系统的原理结构1243．自适应控制的分类自适应控制方式大体上分为两类：（1）模型参考自适应控制（MRAC）模型参考自适应控制（ModelReferenceAdaptiveControl）系统是由参考模型、被控对象、常规的反馈控制器和自适应控制器构成，其系统结构如图3.8所示。图3.8模型参考自适应控制系统结构图125（2）自适应调节器

自适应调节器的控制对象也是一个未知或部分未知系统，其基本结构如图3.9所示。图3.9自适应调节器系统其设计思想是先假设被控系统的参数已知，适当选择目标函数，决定最优控制规律，即先确定控制器结构，接着根据输入输出信息，通过辨识器进行系统参数辨识，将辨识参数看成系统实际参数，修改控制器参数，构成控制输入，调节未知系统，使被控系统动态性能达到最优。1263.2.2变结构控制1．变结构控制的概念如果存在一个或几个切换函数，当系统的状态达到切换函数值时，系统从一个结构自动转换成另一个确定的结构，那么这种系统称为变结构系统。如果选择并确定了系统的控制规律后，得到的闭环系统是一个变结构系统，则称此系统为变结构控制系统。对于某一非线性控制系统127如能够确定切换函数向量并能寻求到控制函数u

为

其中且满足：①到达条件：切换面有限时间内到达切换面；

②切换面是滑动模态区，且滑动运动渐近稳定，动态品质好。称这种控制方法为变结构控制。

以外的相轨线将于1282．变结构控制的分类从广义上讲,变结构控制分为滑模变结构控制和非滑模变结构控制两类。一般所说的变结构系统均指前者。滑模变结构控制是一种特殊的开关控制，该控制特性可以迫使系统在一定条件下沿规定的状态轨迹作小幅度、高频率的上下运动，即滑模运动。这种滑模与控制对象的参数变化及扰动无关，故系统具有很好的鲁棒性。定义状态轨迹为切换面，而将称为滑模切换函数。1293．滑模变结构控制的切换函数的常见模型（1）线性模型。（2）线性对象，二次型切换函数模型。（3）非线性对象，线性切换函数模型。1303.2.3鲁棒控制1．鲁棒控制的概念

控制系统的鲁棒性是指系统中存在不确定因素时，系统仍能保持正常工作性能的一种属性。所谓鲁棒控制,

就是设计一种控制器,使得当系统存在一定程度的参数不确定性及一定限度的未建模动态时,闭环系统仍能保持稳定,并保持一定的动态性能品质的控制。131

对于图3.10所示的反馈系统。图3.10反馈系统框图

设不确定性模型的传递函数为P(s,q),，不确定性模型的集合用M表示。上图中的控制器K如果对集合M中的每个对象（被控对象）都能保证内部稳定，则称此系统具有鲁棒稳定性。

2.鲁棒的实质问题就是如何设计控制器K使被控对象的不确定性模型集合全部稳定或满足其他性能。

1323.2.4预测控制1．预测控制的概念预测控制是一种基于预测过程模型的控制算法，根据过程的历史信息判断将来的输入和输出。2．预测控制的结构组成预测控制的系统组成主要包括参考轨迹、滚动优化、预测模型和在线校正等四个部分，其结构如图3.12所示。133(1)参考轨迹：是人们希望的被控对象工作状态的一种参考轨迹。

(2)滚动优化：即采用滚动式的有限时域优化策略。

(3)预测模型：预测控制需要一个描述动态行为的基础模型，称预测模型。

(4)在线校正：通过输出的测量值与模型的预估值进行比较，得出模型的预测误差，再利用这个误差来校正模型的预测值图3.12预测控制系统结构修改为1343．预测控制的常用算法预测控制的主要算法有模型算法控制（ModelAagorithmicControl,MAC）、动态矩阵控制（DynamicMatrixControl,DMC）、广义预测控制（GeneralizedPredictiveControl,GPC）和内模控制（InternalModelControl,IMC）等。135§3.3智能控制策略模糊控制

专家控制系统

神经网络控制

3.3.13.3.23.3.3遗传算法

3.3.41363.3.1模糊控制1．模糊控制的概念模糊控制是一类应用模糊集合理论的控制方法。2．模糊系统的结构组成一个模糊推理系统的结构如图3.13所示。图3.13模糊系统结构137它由下面4个基本要素组成。（1）知识库（knowledgebase）：包括模糊集和模糊算子的定义。（2）推理机制（inferenceengine）：执行所有的输出计算。（3）模糊器（fuzzifier）：将真实的输入值表示为一个模糊集。（4）反模糊器（defuzzifier）：将输出模糊集转化为真实的输出值。3．模糊控制器的设计（1）模糊化

用模糊集表示实值信号的过程称为模糊化。（2）建立模糊推理规则模糊规则表示为“if…then…”条件语句。在应用中，通常采用模糊规则表形式表示出来。138

常用的模糊语言变量的符号包括：NB(NegativeBig)：负大；NM(NegativeMedium)：负中；NS(NegativeSmall)：负小；ZO(AlmostZero)：几为零；PS(PositiveSmall)：正小；PM(PositiveMedium)：正中；PB（PositiveBig）：正大（3）确定权与规则信度。（4）选择适当的关系生成方法和推理合成算法。（5）反模糊化：当推理过程的输出构成一个模糊输出集时，有必要压缩其分布以产生一个表达模糊系统输出的单值。这个过程称为反模糊化。1393.3.2专家控制系统1．专家控制系统的概念专家系统（expertsystem，ES）亦称专家咨询系统，它是一种具有大量专门知识与经验的智能计算机系统，基于专家系统的控制方法称为专家控制系统(expertcontrolsystem,ECS)，它已广泛应用于故障诊断、工业设计和过程控制等方面。2．专家控制系统的结构组成图3.14专家系统结构简图140一种工业专家控制器的框图。如图3.15所示。

专家控制器的基础是知识库(KB)，KB存放工业过程控制的领域知识，由经验数据库(DB)和学习与适应装置(LA)组成。控制规则集(CRS)是对被控过程的各种控制模式和经验的归纳和总结。由于规则条数不多，搜索空间很小，推理机构(IE)就十分简单，采用向前推理方法逐次判别各种规则的条件，满足则执行，否则继续搜索。特征识别与信息处理部分的作用是实现对信息的提取与加工，为控制决策和学习适应提供依据。图3.15工业专家控制器结构框图1413．专家控制系统的构建

建造专家系统的步骤主要包括：设计初始知识库，包括问题知识化、知识概念化、概念形式化、形式规则化、规则合理有效化；原型机开发与试验。在选定知识表达方法之后，即可着手建立整个系统所需要的实验子集，它包括整个模型的典型知识，而且只涉及与试验有关的足够简单的任务和推理过程；知识库改进与归纳。反复对知识库及推理规则进行改进试验，归纳出更完善的结果。经过相当长时间的努力，使系统在一定范围内达到人类专家的水平。1423.3.3神经网络控制1．神经网络控制的概念

基于人工神经网络的控制（ANN-basedControl）简称神经控制（NeuralControl）或神经网络控制。神经网络是由大量人工神经元（处理单元）广泛互联而成的网络。

2．生物神经元模型（如图3.16所示）图3.16神经元结构模型示意图1433．人工神经元模型

人工神经元是对生物神经元的一种模拟与简化，它是神经网络的基本处理单元。如图3.17所示为一种简化的人工神经元结构。图3.17人工神经元模型1443．人工神经网络模型

人工神经网络是以工程技术手段来模拟人脑神经网络的结构与特征的系统。利用人工神经元可以构成各种不同拓扑结构的神经网络，它是生物神经网络的一种模拟和近似。前馈型网络和反馈型网络是两种典型的神经网络结构模型。

（1）前馈型神经网络（如图3.18所示）图3.18前馈型神经网络145（2）反馈型神经网络

反馈型神经网络（FeedbackNN）的结构如图3.19所示。

图3.19反馈型神经网络1464.神经网络的学习机制有教师学习无教师学习在励学习1473.3.4遗传算法1．遗传算法的概念

遗传算法（GeneticAlgorithm）是一类借鉴生物界的进化规律（适者生存，优胜劣汰遗传机制）演化而来的随机化搜索方法。2．遗传算法中的基本术语

染色体：遗传物质的主要载体，指多个遗传因子的集合。

遗传因子：控制生物性状遗传物质的功能和结构的基本单位，又称为基因。

遗传子座：染色体上遗传因子的位置称遗传子座，各个位置决定了遗传什么样的信息。

遗传子型：遗传因子组合的模型叫遗传子型，它是性状染色体的内部表现，又称基因型。

表现型：由染色体决定性状的外部表现，或者说，根据遗传子型形成的个体，称为表现型。148个体：指染色体带有特征的实体称个体。群体：染色体带有特征的个体集合称为群体，又称集团，该集合内的个体数称群体的大小。适应度：各个个体各自适应环境的程度称适应度。选择：指决定以一定的概率从群体中选取若干对个体的操作称为选择。交叉：把两个染色体换组的操作交叉，又称重组。突然变异：突然让遗传因子以一定的概率变化的操作称为突然变异。编码：从表现型到遗传子型的映射称为编码。解码（译码）：从遗传子型到表现型的映射称为解码。1493．遗传算法的工作过程（如图3.20所示）图3.20遗传算法的一般过程①初始化②选择③交叉④突然变异然后子代的适应度又被重新计算150§3.4控制策略的渗透和结合模糊预测控制

神经模糊控制

自适应PID控制

神经网络预测控制3.4.13.4.23.4.33.4.4神经网络自适应控制神经网络PID控制3.4.53.4.61513.4.1模糊预测控制常用的模糊预测控制方法有两种：一种模糊预测控制是基于预测模型对控制效果进行预报，并根据目标偏差和操作者的经验，应用模糊决策方法的在线修正控制策略。这种方法已用于一类复杂工艺过程的终点控制。另一种模糊预测控制是基于辨识模糊模型的多变量预测控制方法，它由模糊辨识和广义预测控制器两部分组成。采用线性系统理论来设计广义预测器，简化了设计。这种模糊预测控制的跟踪速度快、抗干扰能力强、控制效果好。返回1523.4.2神经模糊控制

采用模糊规则来实现神经网络系统的初始化的神经网络系统称为神经模糊系统（neurofuzzysystem）。它是在一个单独的、非线性信息处理装置中结合了神经网络和模糊逻辑的特性。其简单的结构如图3.21所示。图3.21神经-模糊系统的三层结构1533.4.3自适应PID控制

极点配置自适应PID控制算法的原理是通过调整PID参数，使系统具有期望的闭环特征方程。其设计步骤为：①确定期望系统闭环极点位置；②在线估计、辨识系统参数；③计算控制器参数；④计算控制律。极点配置自适应PID控制器具有计算量较小，鲁棒性较强，适合于非最小相位系统且可推广到多变量系统等优点。返回1543.4.4神经网络预测控制

图3.22表示神经网络（作为模型）预测控制的一种结构方案。图3.22神经网路预测控制器结构图1553.4.5神经网络自适应控制

对于复杂的控制对象和环境，希望控制器能够根据受控对象行为的观测量，自适应地控制对象至期望要求。神经网络自适应控制器能够通过学习，不断获取控制对象的知识，且不断适应过程的变化。为了使泛化学习具有自适应能力，可把它与MRAC结合构成神经网络MRAC控制，即神经网络间接自适应控制，如图3.23所示。

图3.23神经网络间接MRAC框图返回1563.4.6神经网络PID控制PID控制要取得好的控制效果，就必须对比例、积分和微分三种控制作用进行调整以形成相互配合又相互制约的关系，这种关系不是简单的“线性组合”，可从变化无穷的非线性组合中找出最佳的关系。神经网络所具有的任意非线性表示能力，可以通过对系统性能的学习来实现具有最佳组合的PID控制。157本章小结重要概念

PID控制、串级控制、解耦控制、自适应控制、变结构系统、鲁棒性、鲁棒控制、预测控制、专家系统、神经网络控制、遗传算法、个体、适应度、突然变异等。重点问题传统控制方法、现代控制方法和智能控制等。158课后作业1．机电一体化系统中采用的传统控制策略和现代控制策略各有哪些？它们各自有什么特点？2．机电一体化系统中常用智能控制方法有哪些？3．遗传算法的工作原理如何？159第4章液压气动及其控制技术160学习目标知识目标：

1.掌握液压、气动传动的工作原理；

2.掌握液压气动系统的组成和基本元件；

3.熟悉液压气动控制回路。能力目标：

1.分析系统的能力；

2.比较不同系统和元件的能力。161学习重、难点学习重点：

1.液压气动原理和组成；

2.液压气动元件；

3.液压气动控制。学习难点：

1.液压气动原理；

2.液压气动元件类型和形式等。162本章主要内容液压气动概述

4.1液压气动动力元件

4.2液压气动执行元件4.3液压气动控制元件和控制回路

4.4小结课后作业液压气动控制方式4.54.54.6液压气动技术的发展趋势§4.1液压气动概述液压气动的工作原理

4.1.1液压气动系统组成

液压气动系统的控制方式

液压气动系统的特点

4.1.24.1.34.1.41644.1.1液压气动的工作原理

液压气动的工作原理如图4.1所示。液压、气压传动分别以液体、气体为工作介质，把原动机（或电动机）的机械能先转化为工作介质的压力能，再由传送管道将具有压力能的工作介质输送到执行机构，最后由执行机构推动负载运动，把液体、气体的压力能再转变为工作机构所需的机械运动和动力。图4.1液压气动工作原理框图165A液压泵执行元件1000kg100cm210cm210kg/cm2100kg=P=FAFA返回1664.1.2液压气动系统组成

液压、气压传动系统一般由以下5部分组成。

(1)动力装置：将原动机输入的机械能转换为流体的压力能，作为系统供油能源装置。液压系统的动力装置由液压泵及其保护装置构成；气压系统的动力装置由空气压缩机、贮气罐、控制净化、安全保护和调压装置等组成。

(2)执行装置：用于连接工作部件并把流体压力能转换为工作部件的机械能，如：液压缸、气缸（统称压力缸），液压马达、气马达。

(3)控制调节装置：用于控制、调节系统中流体的压力、流量和流动方向，以使执行装置完成预期的工作任务。例如系统的压力阀、流量阀、方向阀等。

(4)辅助装置：组成整个系统并对系统的正常工作起重要的辅助作用，如液压系统中的油箱、油管、滤油器等；气动系统中的冷却器、油水分离器、分水滤气器、油雾器、消声器、管件、管接头和各种信号转换器等。

(5)工作介质：液压油或压缩空气，作为传递运动和动力的载体。返回1674.1.3液压气动系统的控制方式1．单参数分散与多参数集中控制

单参数分散控制是把执行元件的输出量分解为运动方向、运动速度和推力等项，并分别由方向控制阀、流量控制阀和压力控制阀加以控制的方式。多参数集中控制由伺服阀、比例复合阀或比例、伺服控制变量泵实施对执行元件输出的运动方向、速度、推力的全面集中控制，液压、气压伺服控制系统和一部分比例控制系统采用此种控制方式。1682．离散与连续控制液气压动力系统中，执行元件的动力输出信号或是随时间连续变化或是离散的、非连续变化的信号。对连续变化信号采用的控制为连续控制；而对离散对象的控制方式为离散控制，主要有开关式控制和数字脉冲式控制。3．开环与闭环控制

在液压气动系统中，执行元件的动力输出无检测或不与输入信号比较时，系统仅按预定程序完成整个循环，此方式为开环控制方式。当对系统输出时时检测并用与输入信号比较的误差进行控制时，称为闭环控制。开环与闭环控制控制的原理框图如图4.2所示。169图4.2开环与闭环控制原理框图返回1704.1.4液压气动系统的特点1．液压传动系统的特点（1）功率－重量比和转矩－惯性比较大；（2）工作稳定；（3）易于实现自动化；（4）易于实现元件的通用化、标准化和系列化；（5）效率低、污染环境、造价高等。2．气压传动系统的特点（1）空气为介质不污染环境；（2）可长距离传输；（3）维护方便、成本低；（4）环境适应性好；（5）平稳定性差、动力小、噪声大等。返回171§4.2液压气动动力元件液压泵空气压缩机4.2.14.2.21724.2.1液压泵1．工作原理简单讲就是依靠周期性变化的密封容积和相应的配流装置来实现工作的。图4.3所示为单柱塞式液压泵的工作原理图。当密封工作腔a的容积逐渐增大，形成局部真空，油箱中的油液在大气压力作用下，经吸油管顶开单向阀1进入a腔，这就是液压泵的吸油过程。当密封油腔a的容积逐渐减

液压泵的作用是将原动机（电动机）输入的机械能转换为液体的压力能输出的装置，完成向系统供油的任务。173

小，油腔a内的油液受到压缩而产生压力，顶开单向阀2进入系统，这就是液压泵的压油过程。随着偏心轮