《机电控制技术》word版.doc

机 电 控 制 技 术第1章绪论 机电控制技术是在信息论、控制论、和系统论的基础上发展起来的一门综合应用技术。随着科学技术的迅猛发展，机械类产品的自动化程度越来越高，机电一体化设计已成为现代机械设计领域内的发展主流。 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 新的机电设备和产品将机械、电子、计算机和自动控制技术有机地结合在一起，形成了所谓的机电一体化技术，也称为机电控制技术。 机电控制技术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把两者有机组合起来的应用技术。由于引进了微电子技术，工业生产从机械自动化跨入了机电一体化阶段，使机械产品的技术结构、产品结构、产品功能和构成、生产方式和管理体制均发生了巨大变化。 机械产品的新功能 机电控制技术还赋子机械产品一些新的功能，如自动检测、 自动显示、 自动记录；自动处理信息、自动调节控制、自动诊断、自动保护等，从而使机械具有智能化的特征。如果说传统机械主要是代替和放大人的体力，而机电控制技术则能取代并延伸人的部分智力。机电一体化技术大幅度地提高了产品的性能、质量和可靠性；提高制造技术水平，实现生产方式向柔性方向发展；增强企业的应变能力；节约能源和材料消耗， 降低成本，提高劳动生产率。机电一体化已是当今世界及未来机械工业技术和产品发展的主要趋向，也是我国机械工业发展的必由之路。 1.1概述 机电控制技术这门课程是多学科的交叉和综合，涉及的相关专业知识较多，它是综合运用机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换以及软件编程等技术的群体技术。 机电专业是一个古老而又新型的专业。机电的起源历史漫长，它的发展为人类的进步和文明作出了巨大贡献，随着科学技术的高速发展和现代工业生产对机电设备的要求，使得机械与电子技术有机的结合成为了当今人们所说的机电一体化。它们的完美结合使得当今的工业生产设备有了一个飞速发展，朝着自动化、智能化方向迈上了一个新的台阶。哪里有高质量的产品，哪里有好的经济效益，哪里必然就有我们的先进机器设备，哪里必然就需要机电控制技术。 机电控制技术是机械、电子、计算机和自动控制等技术有机结合的一门复合技术，它是在从大规模集成电路和微型计算机为代表的微电子技术高度发展并向传统机械工业领域迅速渗透、与机械电子技术深度结合的现代工业基础上，综合运用机械、微电子、自动控制、信息、传感测试、电力电子、接口、信号变换以及软件编程等技术的群体技术。 1.1.1机电控制技术概念机电控制技术是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。机电控制技术外文名词： Mechatronics ，来源于日本（70年代）。取英语Mechanics（机械学）的前半部和Electronics（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为机电控制技术或机械电子学。日本企业界在1970年左右最早提出“机电一体化技术”这一概念，当时他们取名为“Mechatronics”，即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）（Opto-mechatronics）方向发展，应用范围愈来愈广。1.1.2机电一体化定义 机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科，随着科学技术的不但发展，还将被赋予新的内容。但其基本特征可概括为：机电一体化是从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。由此而产生的功能系统，则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。 1.1.3机电一体化的发展状况 机电一体化的发展大体分为3个阶段。 第一阶段：20世纪60年代以前，这一阶段称为初级阶段。 第二阶段：20世纪7080年代，称为蓬勃发展阶段。 第三阶段：20世纪90年代后期，机电一体化进入深入发展时期。 机电一体化的发展大体可以分为3个阶段。20世纪60年代以前为第一阶段，这一阶段称为初级阶段。在这一时期，人们自觉不自觉地利用电子技术的初步成果来完善机械产品的性能。特别是在第二次世界大战期间，战争刺激了机械产品与电子技术的结合，这些机电结合的军用技术，战后转为民用，对战后经济的恢复起了积极的作用。那时研制和开发从总体上看还处于自发状态。 由于当时电子技术的发展尚未达到一定水平，机械技术与电子技术的结合还不可能广泛和深入发展，已经开发的产品也无法大量推广。20世纪7080年代为第二阶段，可称为蓬勃发展阶段。这一时期，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。大规模、超大规模集成电路和微型计算机的迅猛发展，为机电一体化的发展提供了充分的物质基础。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。 20世纪90年代后期，开始了机电一体化技术向智能化方向迈进的新阶段，机电一体化进入深入发展时期。一方面，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；另一方面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。同时，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。 我国是从20世纪80年代初才开始在这方面研究和应用。国务院成立了机电一体化领导小组并将该技术列为“863计划”中。在制定“九五”规划和2010年发展纲要时充分考虑了国际上关于机电一体化技术的发展动向和由此可能带来的影响。许多大专院校、研究机构及一些大中型企业对这一技术的发展及应用做了大量的工作，取得了一定成果，但与日本等先进国家相比仍有相当差距。 1.1.4机电控制技术涉及到的学科 机械学：机械设计、机械制造 电子学：电工学、电机学、数字电路、模拟电路 控制论：经典控制（控制工程基础）、现代控制（多变量） 计算机科学：微处理系统及接口技术，应用软件技术（CAD、CAM、CNC） CADCAM：计算机辅助设计与制造(简称CADCAM)。 CADCAM集成技术将传统的设计与制造彼此相对分离的任务作为一个整体来规划和开发，实现信息处理的高度一体化。该技术将独立的计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工艺设计技术(CAPP)及计算机辅助制造技术(CAM)单元技术有机地结合起来，形成CADCAM集成系统。 CAD：计算机辅助设计 CAPP：计算机辅助工艺设计技术 CAM：计算机辅助制造技术 CNC：采用通用小型计算机或微型计算机作为数控装置，这种数控系统称计算机数控系统(简称CNC），又称软件数控。 1.2机电控制系统的组成 构成机电控制系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。 如图1所示为人体的五大要素，图2所示为机电控制技术的五大要素 。一个较完善的机电控制系统，应包括以下几个基本要素：机械本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元及接口，各要素和环节之间通过接口相联系。 1机械本体是系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机械联接等。由于机电一体化产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机械结构、材料、加工工艺性及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠和节能、小型、轻量、美观等要求。 2动力部分这部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常运行。用尽可能小的动力输入，获得尽可能大的功能输出，是机电一体化产品的显著特征之一。 3测试传感部分这部分对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产生相应的控制信息，其功能一般由专门的传感器和仪表完成。 4执行机构根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动部件 用机械、电磁、电液等机构。根据机电控制系统的匹配性要求，需要考虑改善性能 刚性，减轻质量，实现组件化、标准化和系统化，提高系统整体可靠性等。 5驱动部分这部分在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种动作和功能。机电控制系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特征，同时要求有较高的可靠性和对水、油、温度、尘埃等外部环境有较强的适应性。由于几何尺寸上的限制，要求动作范围狭窄，所以还需考虑维修和标准化的要求。随着电力电子技术的高速发展，高性能步进驱动、直流和交流伺服驱动大量应用于机电控制系统。 6控制及信息处理单元这部分将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进行集中、存储、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出相应的指令，控制整个系统有目的地运行。控制及信息处理单元一般由计算机、可编程序控制器(即PLC)、数控装置以及逻辑电路、AD与DA转换、IO(输入输出)接口和计算机外部设备等组成。 机电控制系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速度、可靠性、增强抗干扰能力，以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能化和小型、轻量、标准化等。 7接口接口是系统中各单元和环节之间进行物质、能量和信息交换的联接界面，其具有对信号进行变换、放大及传递的功能。由于接口的作用使各组成要素联接成为一个有机整体，由控制和信息处理单元的预期信息导引，使各功能环节有目的地协调一致运动，从而形成机电控制系统工程。 机电一体化结构图 “机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是，机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术，而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。 机械工程技术由纯技术发展到机械电气化，仍属传统机械，其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后，其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外，还能赋予许多新的功能，如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸，还是人的感官与头脑的眼神，具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。 1.3机电控制的技术体系 1.3.1检测传感技术 是机电控制技术系统的感觉器官，即从待测对象获取信号并送到信息处理部分。 主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。 检测传感装置是实现自动控制的重要环节，要求传感器及其放大处理电路快速、精确地获取信息，并能够抗干扰、可靠性高。 传感检测技术是系统的感受器官，是实现自动控制、自动调节的关键环节。其功能越强，系统的自动化程序就越高。现代工程要求传感器能快速、精确地获取信息并能经受严酷环境的考验，它是机电一体化系统达到高水平的保证。 为提高产品的性能、扩展功能，通常需对机械进行实时控制、监视、安全检查等，以提高其自动化和智能化的程度，这些都要通过检测传感手段来实现。因此，检测传感技术是机电控制系统安全运行与提高产品质量的有力保证。 传感器是检测部分的核心，它相当于人的感觉器官，是将被测量变换成系统可识别的、与被测量有确定对应关系的有用电信号的一种装置。传感器将力、压力、位移、速度、加速度、温度等物理量转化为电量输入到信息处理系统，并作为相应的控制信号。检测精度的高低将直接影响机械性能的好坏，现代工程技术要求传感器能快速、精确地获取信息，并能经受各种严酷环境的考验；传感器应具有广的功能范围、高的精度、好的动态响应、高的灵敏性和分辨率、高的抗干扰能力和可靠性。 1.3.2信息处理技术 包括信息的输入、变换、运算、存储及输出。 信息处理的工具是计算机，因此信息处理技术是和计算机技术紧密相关，包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等。 在机电控制的技术体系中，信息交换、存取、运算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术均属于计算机信息处理技术。 信息处理技术通常是指信息的输入、交换、运算、存储和输出等技术。它包括计算机及外围设备、微处理机及可编程序控制器(PLC)、接口技术。在机电控制系统中，信息处理部分相当于人的大脑，指挥整个系统的运行。信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此，希望能提高信息处理速度、运行的可靠性和抗干扰能力。 1.3.3自动控制技术 机电系统自动控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为经典控制理论和现代控制理论。 自动控制技术其范围很广，在控制理论指导下，进行系统设计，设计后的系统仿真，现场调试，控制技术包括如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、检索等。 自动控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断、校正、补偿、示教再现、检索等技术。自动控制技术能协调机械、电器各部分来正确地完成动作过程，因此在机电控制系统中起到很重要的作用。在机电控制技术中，? 自动控制主要解决如何提高产品的精度、提高加工效率、提高设备的有效利用率等几个主要的问题。其主要技术关键在于现代控制理论在机电控制技术中的工程化与实用化、优化控制模型的建立及边界条件的确定等。计算机动态仿真技术的出现和发展为在控制系统的物理模型建立之前就能预见其动态性能，并为正确选择控制系统的有关参数提供了方便。 1.3.4精密机械技术 是机电控制技术技术的基础，对系统的结构、重量、体积刚性、耐用性等有重要影响。 强调精密机械设计技术的运用，即利用高、新技术手段，实现结构上、材料上、性能上的变更，以满足： 1. 减轻重量， 2、减小体积 提高刚度? 3、 实现标准化、通用化、系列化 机械技术是机电一体化的基础，机械技术的着眼点在于如何与机电一体化技术相适应，利用其它高、新技术来更新概念，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减小重量、缩小体积、提高精度、提高刚度及改善性能的要求。在机电一体化系统制造过程中，经典的机械理论与工艺应借助于计算机辅助技术，同时采用人工智能与专家系统等，形成新一代的机械制造技术。 较老式的同类型机械，新一代的机械制造技术中（）机械部分的精度要求更高，要有更好的可靠性及维护性，同时要有更新颖的结构，要求零部件模块化、标准化、规格化等。也就是说，在机电一体化产品中，对机械本体和机械技术本身都提出了新的要求。这种要求的核心就是精密机械技术，要求机械结构减轻质量、缩小体积、提高刚性、提高精度、改善性能、提高可靠性。 1.3.5伺服传动技术 在控制指令的指挥下，控制驱动元件，使机械运动部件按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。 伺服传动系统采用的驱动技术与使用的执行元件有关。按照执行元件的不同分为电气伺服、液压伺服、气压伺服 伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件、对系统的动态性能、控制质量和功能有决定性的影响。 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。这部分相当于人的手足，它直接执行各种有关的操作。伺服传动技术是直接执行操作的技术，伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件，对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的伺服驱动有电动机、液压马达、脉冲液压缸、步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。由于变频技术的进步，交流伺服驱动技术已取得了突破性进展，可为机电控制系统提供高质量的伺服驱动单元，极大地促进了机电控制技术的发展。 1.3.6系统总体技术 从整体的观点出发，组织应用各种相关技术，即从全局和系统目标角度，将系统分解成若干功能子系统，对于每个子系统的技术方案要从整个系统技术协调的观点考虑，最终使整个系统实现最优化。 系统技术即以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目标出发，将总体分解成相互关联的若干功能单元，接口技术是系统技术中一个重要方面，它是实现系统各部分有机连接的保证。 机电控制技术不是几种技术的简单叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机整体。系统总体技术是一种从整体目标出发，用系统的观点和方法，将总体分解成若干功能单元，找出能完成各个功能的技术方案，再将各个功能与技术方案组合成方案组进行分析、评价、优选的综合应用技术。总体技术包括机电一体化机械的优化设计、CADCAM技术、研究和解决各组成部件之间的功能上的协调，可靠性设计及价值工程等。显然，即使各部分技术都已掌握，性能、可靠性都很好，如果整个系统不能很好地协调，则它仍然不可能正常、可靠地运行。由此可见系统总体技术的重要性。 1.4机电控制技术的发展前景 1性能上向高精度、高效率、高性能、智能化的方向发展。 2功能上向模块化、微型化、轻型化、多功能方向发展。 3层次上向网络化、绿色化、系统化、复合集成化方向发展。 机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合，它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此，机电一体化的主要发展方向如下： 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。诚然，使机电一体化产品具有与人完全相同的智能，是不可能的，也是不必要的。但是，高性能、高速的微处理器使机电一体化产品赋有低级智能或人的部分智能，则是完全可能而又必要的。 2.模块化 模块化是一项重要而艰巨的工程。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。如研制集减速、智能调速、电机于一体的动力单元，具有视觉、图像处理、识别和测距等功能的控制单元，以及各种能完成典型操作的机械装置。这样，可利用标准单元迅速开发出新产品，同时也可以扩大生产规模。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。 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。 3.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。网络技术的兴起和飞速发展给科学技术、工业生产、政治、军事、教育义举人么日常生活都带来了巨大的变革。各种网络将全球经济、生产连成一片，企业间的竞争也将全球化。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。现场总线和局域网技术是家用电器网络化已成大势，利用家庭网络(homenet)将各种家用电器连接成以计算机为中心的计算机集成家电系统(computerintegratedappliancesystem,CIAS)，使人们在家里分享各种高技术带来的便利与快乐。因此，机电一体化产品无疑朝着网络化方向发展。 绿色化 工业的发达给人们生活带来了巨大变化。一方面，物质丰富，生活舒适；另一方面，资源减少，生态环境受到严重污染。于是，人们呼吁保护环境资源，回归自然。绿色产品概念在这种呼声下应运而生，绿色化是时代的趋势。绿色产品在其设计、制造、使用和销毁的生命过程中，符合特定的环境保护和人类健康的要求，对生态环境无害或危害极少，资源利用率极高。设计绿色的机电一体化产品，具有远大的发展前途。机电一体化产品的绿色化主要是指，使用时不污染生态环境，报废后能回收利用。 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。表现特征之二是通信功能的大大加强，一般除RS232外，还有RS485、DCS。 人格化 未来的机电一体化更加注重产品与人的关系，机电一体化的人格化有两层含义。一层是，机电一体化产品的最终使用对象是人，如何赋予机电一体化产品人的智能、情感、人性显得越来越重要，特别是对家用机器人，其高层境界就是人机一体化。另一层是模仿生物机理，研制各种机电一体花产品。事实上，许多机电一体化产品都是受动物的启发研制出来的。 1.5机电控制的技术、经济和社会效益 1提高精度2增强功能 3提高生产效率，降低成本4节约能源，降低消耗5提高安全性、可靠性6改善操作性和使用性 7减轻劳动强度，改善劳动条件8简化结构，减轻质量 9降低价格10增强柔性应用功能 1.6 机电控制技术产品的分类 综上所述，机电一体化的出现不是孤立的，它是许多科学技术发展的结晶，是社会生产力发展到一定阶段的必然要求。当然，与机电一体化相关的技术还有很多，并且随着科学技术的发展，各种技术相互融合的趋势将越来越明显，机电一体化技术的广阔发展前景也将越来越光明。 机电控制技术综合利用各相关技术优势，扬长避短，取得系统优化效果，有显著的社会效益和技术、经济效益。 1提高精度机电控制技术使机械传动部件减少，因而使机械磨损、配合间隙及受力变形等所引起的误差大大减少，同时由于采用电子技术实现自动检测和控制、补偿、校正因各种干扰因素造成的动态误差，从而达到单纯机械装备所不能实现的工作精度。如采用微型计算机误差分离技术的电子化圆度仪，其测量精度可由原来的0025m提高到001m；大型镗铣床装感应同步器数显装置可将加工精度从006m提高到002m。 2增强功能现代高新技术的引入，极大地改变了机械工业产品的面貌，具有多种复合功能，成为机电一体化产品和应用技术的一个显著特征。例如，加工中心机床可以将多台普通机床上的多道工序在一次装夹中完成，并且还有自动检测工件和刀具的精度、自动显示刀具动态轨迹图形、自动保护和自动故障诊断等极强的应用功能；配有机器人的大型激光加工中心，能完成自动焊接、划线、切割、钻孔、热处理等操作，可加工金属、塑料、陶瓷、木材、橡胶等各种材料。这种极强的复合功能，是传统机械加工所不能比拟的。 3提高生产效率，降低成本机电一体化生产系统能够减少生产准备和辅助时间短新产品的开发周期，提高产品合格率，减少操作人员，提高生产效率，降低生产成本如，数控机床的生产效率比普通机床高56倍，柔性制造系统可使生产周期缩短40，生产成本降低50。 4节约能源，降低消耗机电一体化产品通过采用低能耗的驱动机构、最佳的调节控制和提高设备的能源利用率，来达到显著的节能效果。例如工业锅炉若采用微机精确控制燃料与空气的混合比，可节煤520；被称为电老虎的电弧炉，是最大的耗电设备之一，如改用微型计算机实现最佳功率控制，可节电20。 5提高安全性、可靠性具有自动检测监控的机电控制系统，能够对各种故障和危险情况自动采取保护措施，及时修正运行参数，提高系统的安全可靠性。例如大型火力发电设备中，锅炉和汽轮机的协调控制、汽轮机的电液调节系统、自动起停系统、安全保护系统等，不仅提高了机组运行的灵活性和积极性，而且提高了机组运行的安全性和可靠性，使火力发电设备逐步走向全自动控制。 6改善操作性和使用性机电控制装置或系统各相关传动机构的动作顺序及功能协调关系，可由程序控制自动实现，并建立良好的人机界面，对操作参数加以揭示，因而可以通过简便的操作得到复杂的功能控制和使用效果。有些机电控制装置，可实现操作全部自动化；有些更高级的机电控制系统，还可通过被控对象的数学模型和目标函数，以及各种运行参数的变化情况，随机自寻最佳工作过程，协调对内对外关系，以实现自动最优控制，如电梯全自动控制系统、智能机器人等。 7减轻劳动强度，改善劳动条件机电控制技术一方面能够将制造和生产过程中极为复杂的人的智力活动和资料数据记忆查找工作改由计算机来完成，一方面又能由程序控制自动运行，代替人的紧张和单调重复的操作，以及在危险或有害环境下的工作，因而大大减轻了人的脑力和体力劳动，改善了人的工作环境条件。例如CAD和CAPP极大地减轻了设计人员的劳动复杂性，提高了设计效率；搬运、焊接和喷漆机器人取代了人的单调重复劳动；武器弹药装配机器人、深海太空工作机器人、在核反应堆和有毒环境下的自动工作系统，则成为人类谋求解决危险环境中的劳动问题的惟一途径。 8简化结构，减轻质量由于机电控制系统采用新型电力电子器件和传动技术，代替笨重的老式电气控制的复杂机械变速传动，由微处理机和集成电路等微电子元件和逻辑软件，完成过去靠机械传动链来实现的关联运动，从而使机电一体化产品体积减小，结构简化，质量减轻。例如，换向器电动机，将电子控制与相应的电动机电磁结构相结合，取消了传统的换向电刷，简化了电动机结构，提高了电动机寿命和运行特性，并缩小了体积。 9降低价格由于结构简化，材料消耗减少，制造成本降低，同时由于微电子技术的高速发展，微电子器件价格迅速下降，因此机电一体化产品价格低廉，而且维修性能改善，使用寿命延长。 10增强柔性应用功能机电控制系统可以根据使用要求的变化，对产品的应用功能和工作过程进行调整修改，满足用户多样化的使用要求。例如，利用数控加工中心或柔性制造系统，可以通过调整系统运行程序，适应不同零件的加工工艺。机械工业约有75的产品属中小批量，利用柔性生产系统，能够经济、迅速地解决这种中小批量、多品种的自动化生产，对机械工业发展具有划时代的意义。 第1章复习与思考 1、机电控制系统的基本结构要素是什么?2、与机电控制相关的技术有哪些?（P6： T3、T4） 第2章机电控制系统中的传感技术没有传感器就没有现代科学技术 一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此可见一斑。 “没有传感器就没有现代科学技术”的观点已为全世界所公认。以传感器为核心的检测系统就像神经和感官一样，源源不断地向人类提供宏观与微观世界的种种信息，成为人们认识自然、改造自然的有利工具。 当代社会被称为信息社会，信息技术（测试与自动控制）成为当代工业技术中的一个重要组成部分，近代科学技术的发展对测试与控制技术提出了更高的要求。 在机械制造、电力、石油、化工、轻工、国防等领域中非电量电测技术的应用也愈加广泛，如：要使工业中自动化生产设备与系统运行在最佳状态，实现生产低能耗、高效率、产品高质量都离不开包括测试和控制在内的信息技术。传感器是检测系统中的重要组成部分检测技术作为信息科学的一个重要分支，与计算机技术、自动控制技术和通信技术等一起构成了信息技术的完整学科。在人类进入信息时代的今天，人们的一切社会活动都是以信息获取与信息转换为中心，传感器作为信息获取与信息转换的重要手段，是信息科学最前端的一个阵地，是实现信息化的基础技术之一。传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。信息技术：信息采集要依赖各类传感器代替人的触觉、嗅觉、味觉、视觉、听觉（电五官）。 信息传输神经网络、通讯技术信息控制利用计算机、电脑等可见，传感器是信息技术的关键与首要环节。2.1传感器的组成及分类人与机器的机能对应关系 定性： 人通过感官感觉外界对象的刺激，通过大脑对感受的信息进行判断、处理，肢体作出相应的反映。定量：传感器相当于人的感官，称电五官，外界信息由它提取，并转换为系统易于处理的电信号，微机对电信号进行处理，发出控制信号给执行器，执行器对外界对象进行控制。人与机器的机能对应关系图没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么，对信号的传输、转换、处理、记录、显示都失去了意义，传感器的质量优劣，直接决定了测试和自控过程的成败。然而信息技术的这两个关键，并未协调发展，从而形成了“头脑发达、四肢简单”的状态。其内在原因是：计算机输入、输出都是电信号，从其发明到现在短短几十年，经历了电子管晶体管（分立元件）集成电路的发展阶段，尤其近一、二十年在大规模、超大规模集成电路的发明引起了计算机技术突飞猛进的突破性发展，如：体积逐渐变小、速度逐渐变高、功能越来越多、应用越来越广。传感器的问题就不那么简单，它与计算机最大区别在于：直接与五花八门的被测对象打交道，工作环境差、压力、湿度、粉尘、辐射、振动等等，而不是计算机房 ；输入、输出往往是不同种类的信息，造成了传感器的工作机理、材料和结构上的千差万别，虽历史很长，但明显处于落后的地位，成为许多检测与控制系统的问题的难点或者说是薄弱环节，在信息技术的发展中已经拖了后腿。2.2.1传感器的定义与组成一、定义 （Sensor）传感器：能够感受规定的被测量并按一定规律和精度转换成可用输出信号的器件或装置。（GB7665-87）它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。传感器是一种器件或装置，它能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号（以电量为主）以满足信息的传输、处理、存储、记录、显示和控制等要求。简言之，就是能把被测量的物理量：力、温度、湿度、压力、流量、位移、速度、加速度、物位、振动 化学量：各种气体、PH值等等 状态量：颜色、表面光洁度、透明度、磨损量、 裂纹、缺陷、表面质量等生物量：血压、颅压、体温等 社会量：人口流动情况等，转换为电量（V、I、f脉冲）便于输出的器件或装置称为传感器。 输入量是物理量、化学量和生物量。 输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示） 输出量为什么主要是电量？因为电量最便于传输、转换、处理及显示。 输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。 传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器功用：一感二传,即感受被测信息,并传送出去。 二、传感器的组成 敏感元件：直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。 基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。 敏感元件：直接感受被测量，输出信号量； 转换元件：一般不感受被测量，将敏感元件输出变为电量输出，属于转换件，有时也直接感受被测量，如热电耦； 由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 接口测量电路：将传感元件输出的电量转变为便于显示、记录、处理、控制的有用电信号，也叫信号调节与转换电路有电桥、放大器、振荡器、电荷放大器等（因传感器种类而异）； 辅助电源。 实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。 传感器的叫法 传感器应用场合（领域）不同，叫法不同。在过程控制中称为变送器。（标准化的传感器）在射线检测中称为发送器、接收器。探头。 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、探头、又被称作换能器、一次仪表、探测器一次仪表。 传感器实际上就是传递感觉的装置，如： 1）冰箱中的温度传感器、 2）监视煤气溢出浓度（一氧化碳CO）的气敏传感器、 3）防止火灾的烟雾传感器、 4）测试物体重量的电子秤等等， 随着社会文明的进步，传感器的使用将无处不在。 2.1.2传感器的分类 1.按输入量分类 常用的有机、光、电和化学等传感器。例如位移、速度、加速度、力、温度和流量传感器等。 2. 按输出量分类 参数式：电阻、电感、电容、频率和离子传感器。发电式：压电式、霍尔式、光电和热电式传感器 3. 按输出信号的性质分类 常用的有模拟式传感器和数字式传感器。 传感器的分类（ 2 ） 4、按传感器的工作机理分类：有物理型、化学型、生物型等。5、按构成原理分类：有结构型与物性型。6、按传感器的能量转换情况分类： ，有能量控制型传感器和能量转换型传感器。7、按传感器的用途分类：有位移、压力、振动、温度传感器。8、按转换过程可逆与否分类：有单向和双向。9、按传感器使用电源与否分类：分有源传感器和无源传感器。 结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。 物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。 能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。 能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。 能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。 有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。 按物理原理分两类： 结构型（构造型）：依赖结构参数变化，实现信息转换，如应变式、电压式、电容式、磁电式特点：原理明确、不受环境影响、易研制、构造复杂、价格高、在国防工业占的比重高、可靠性高。 物性型（材料型）：依赖敏感元件物理特性变化，实现信息转换，如：光电、霍耳、压电式，利用功能材料的压电、压阻、热敏、湿敏、光敏、磁敏、气敏等效应可把压力、温度、湿度、光量、磁场、气体成分等物理量转换成电量。特点：简单、小型、价廉，但工艺要求高，稳定性差，在一些要求高、可靠、高稳定的场合及恶劣环境下不能普遍应用，正在加速研制、发现、改进，有广泛的发展前途。 现在，物理学家列出效应周期表、热、电、磁三种能量间就有可能存在54种效应，被发现应用的仅17种，霍耳、磁阻、压阻、气敏、湿敏。 按工作原理分（实用以下分类） 应变式（压阻式）变电阻压敏电阻 电容式变电容 电感式变磁阻 ：电涡流式，差动变压器式电位计式变电动变压器式 光电式变电阻、光敏电阻 热电式变电阻、热敏电阻 湿敏式变电阻，变电容 还可以按照以下分类： 变电阻 ：电位式，应变式，压敏电阻，热敏电阻，光敏电阻 变磁阻、变电感：电感式，差动变压器式，电涡流式? 变电容 ：电容式，湿敏式 变电荷：压电式 按被测量（使用）分： 压力压力计 测力流量计温度温度计 振动速度加速计 热工量：温度、压力、流量、真空度 机械量：位移、尺寸、立、应力、振动、加速度 生物量：血压、体温、心电波、脑电波 其他物理、化学量：气体与液体的成分、密度、浓度、湿度等 按输出信号分：模拟式，数字式 其他分类法 能量： 能量转换：如：压电式、光电式 能量控制：如：电阻式、电容式。分为自源和他源，接触和非接触。 传感器实例（图） 2.1.3对传感器的一般要求 1、稳定性、可靠性 一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。 2、静态精度 测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。3、动态性能 测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。4、量程 测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。5、抗干扰能力工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。6、体积小、能耗低、成本低结构型传感器向物性型半导体传感器发展。如测人体血压的电子血压计。（uW mW级）2.1.3.3传感器的性能指标 2.1.4传感器的选用原则 一、与测量条件有关的因素 (1)测量的目的； (2)被测试量的选择； (3)测量范围； (4)输入信号的幅值，频带宽度；(5)精度要求；(6)测量所需要的时间。 二、与传感器有关的技术指标 (1)精度；(2)稳定度；(3)响应特性；(4)模拟量与数字量；(5)输出幅值；(6)对被测物体产生的负载效应；(7)校正周期；(8)超标准过大的输入信号保护。三、与使用环境条件有关的因素 (1)安装现场条件及情况； (2)环境条件(湿度、温度、振动等)； (3)信号传输距离； (4)所需现场提供的功率容量。 四、与购买和维修有关的因素 (1)价格； (2)零配件的储备；(3)服务与维修制度，保修时间； (4)交货日期。 2.1.5传感器的发展方向 开展基础研究，发现新现象，开发传感器的新材料和新工艺；实现传感器的集成化与智能化。 1. 开发新型传感器 2. 开发新材料 3. 新工艺的采用 4. 集成化、多功能化 5. 智能化 随着科学技术发展的需要，人们越来越认识到传感器的重要地位，国内外高新技术各行业都十分重视研制开发与生产各种用途的传感器。 1、现状 传感器的现状是种类繁多、学科交叉、地位重要，又现状落后。各国传感器的发展与电子技术的发展密切相关，日、美处于领先地位，日本在电力、能源、应用设备、家用电器及汽车领域领先，而美国在军用、宇航为中心的交通、运输、航空、航天资源及海洋开发等方面领先，西欧的联邦德、英、法、荷兰等国水平也较高。在智能化机器人用传感器的研制上取得一定的成果，原苏联和东欧国家也很重视，甚至分工重点研制，水平低于日、美、西欧。 我国的研制开发工作起步较晚，70年代后开始研制，品种和质量上都落后于国外1015年，这与国家整个工业、科技发展水平相关，与课题提出、设计、工艺水平、科学发展有关，现已引起重视，82年电子工业部派考察小组对日本18家21个单位进行专业性技术考察，制定我国的发展规划，列入国家重点发展项目。现在国内已有几百个单位（包括大专院校）研制和生产敏感元器件与传感器3000余种，有基于光、声、磁、热等效应的传感器，也有基于化学吸附、化学反应的传感器。近年也先后推出了红外测温计、霍耳型压力传感器、超声波流量器及液位光纤传感器等，但有些仅处于研制、试验、鉴定阶段，作为检测技术实际应用的还不多。 有关传感器的学术团体国内主要有：中国仪器仪表学会、传感器协会、中国电子学会、敏感技术学会、全国高校传感技术研究会、中国科学院传感技术协作组、电子部敏感元器件研究所（哈尔滨）、情报网、湖北省传感技术开发中心。? 武汉传感器学术交流活动比较活跃，洪山、中科院物理所、岩土力学研究所、省传感技术开发中心、国家地震局地震研究所、武汉压敏电阻厂、武汉无线电元件厂（热敏电阻）、华中科技大学、华中师范大学、武测、武汉理工大学激光所光纤传感中心、光纤传感器应用于石油、铁道武汉理工大学材料学院有氧敏陶瓷、机电学院本专业也有所研究。84年全国传感器及应用学术讨论会、88年第二届国际传感器和仪表展览会、全国首届汽车、自动化工业传感器应用技术交流会均在武汉召开。96年全国传感器展览会额在武汉召开。各地有许多外企也设点销售其先进产品。 1开发新型传感器 新型传感器包括：采用新原理；填补传感器空白；仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发，人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。 国内外传感器发展的总途径是：采用新技术、新工艺、新材料，探索新理论，以达到高质量的（非电量电量）转换效能，向着高精度、高可靠、小型化、集成化、数字化、智能化方向发展。高精度：以提高测控精度，火箭发动机燃烧室压力测量希望优于0.1，超精加工“在线”检测精度要求高于0.1m。我国已研制出精度优于0.05的传感器，英国压阻式传感器精度达0.04，美国已达到0.02。 传感器的工作机理是基于各种效应和定律，由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料，并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件，这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早，目前日趋成熟。结构型传感器，一般说它的结构复杂，体积偏大，价格偏高。物性型传感器大致与之相反，具有不少诱人的优点，加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究，从而使它成为一个值得注意的发展动向。 利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，所以研究发现新现象与新效应是传感器技术发展的重要工作，是研究开发新型传感器的基础。 日本夏普公司利用超导技术研制成功高温超导磁性传感器，是传感器技术的重大突破，其灵敏度高，仅次于超导量子干涉器件。它的制造工艺远比超导量子干涉器件简单。可用于磁成像技术，有广泛推广价值。 利用抗体和抗原在电极表面上相遇复合时，会引起电极电位的变化，利用这一现象可制出免疫传感器。用这种抗体制成的免疫传感器可对某生物体内是否有这种抗原作检查。如用肝炎病毒抗体可检查某人是否患有肝炎，起到快速、准确作用。美国加州大学巳研制出这类传感器。2开发新材料 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学的进步，人们在制造时，可任意控制它们的成分，从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。 （1）半导体敏感材料 （2）陶瓷材料 （3）磁性材料 （4）智能材料 如，半导体氧化物可以制造各种气体传感器，而陶瓷传感器工作温度远高于半导体，光导纤维的应用是传感器材料的重大突破，用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究，引起国内外学者的极大兴趣。 传感器材料是传感器技术的重要基础，由于材料科学进步，人们可制造出各种新型传感器。例如用高分子聚合物薄膜制成温度传感器；光导纤维能制成压力、流量、温度、位移等多种传感器；用陶瓷制成压力传感器。 高分子聚合物能随周围环境的相对湿度大小成比例地吸附和释放水分子。高分子电介常数小，水分子能提高聚合物的介电常数。将高分子电介质做成电容器，测定电容容量的变化，即可得出相对湿度。利用这个原理制成等离子聚合法聚苯乙烯薄膜温度传感器，其有以下特点： 测湿范围宽； 温度范围宽，可达-400+1500； 响应速度快，小于1S； 尺寸小，可用于小空间测湿； 温度系数小。 陶瓷电容式压力传感器是一种无中介液的干式压力传感器。采用先进的陶瓷技术，厚膜电子技术，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1