机电一体化.ppt

1、机电一体化原理及应用机电一体化原理及应用第第1章章 绪论绪论1.1机电一体化的基本概念1.2机电一体化的技术分类与应用1.3机电一体化的关键技术1.4机电一体化的设计方法1.5机电一体化技术的发展前景 1.1机电一体化的基本概念 1.1.1机电一体化的定义机电一体化的定义 又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术、信息又称为机械电子技术，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术的综合。技术、自动控制技术等相关技术的综合。机电一体化概念是电子信息技术向传统机械产品渗透过程中提出来的，起源於日本。机电一体化概念是电子信息技术向传统机械产品渗透过程中提出来的，起源於日本。1971年年3

2、月日本政府在所颁布的月日本政府在所颁布的特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法特定电子工业和特定机械工业振兴临时措施法中说：中说：“应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机应特别注意促进为机械配备电子计算机和其他电子设备，从而实现控制的自动化和机械产品的其他功能械产品的其他功能”。同年，日本学者创造了一个新英文名词。同年，日本学者创造了一个新英文名词Mechatronics，它是由，它是由Mechanics（机械学）和（机械学）和Electronics（电子学）两词各取一半复合而成，中文（电子学）两词各取一半复合而成，中文直译为直译为“机机械电子学械电子学”

3、，不过，人们为了反映其机电融合的本质而普遍称为不过，人们为了反映其机电融合的本质而普遍称为“机电一体化机电一体化”。1981年，日本机械振兴会对机电一体化概念作出如下解释：年，日本机械振兴会对机电一体化概念作出如下解释：“机电一体化这个词，是在机械机电一体化这个词，是在机械主功能、动力功能、信息与控制功能上引进电子技术，并将机械装置与电子装置以及软主功能、动力功能、信息与控制功能上引进电子技术，并将机械装置与电子装置以及软件有机结合而成系统的总称件有机结合而成系统的总称”。上述解释不仅阐明了机电一体化的本质是多学科的融合，。上述解释不仅阐明了机电一体化的本质是多学科的融合，而且强调信息技术对推

4、动机电一体化产品的发展起关键性的作用。而且强调信息技术对推动机电一体化产品的发展起关键性的作用。随科学技术的发展，机电一体化概念的涵义有所延伸，适用围也相应扩大。这种延随科学技术的发展，机电一体化概念的涵义有所延伸，适用围也相应扩大。这种延伸和扩大，可以借用美国电气与电子工程师协会美国机械工程师协会在伸和扩大，可以借用美国电气与电子工程师协会美国机械工程师协会在1996年年3月出版月出版的的机电一体化专刊机电一体化专刊中编者的提法来表达：中编者的提法来表达：“在本专刊中，我们把机电一体化初步定在本专刊中，我们把机电一体化初步定义为，在工业产品和过程设计与制造中，机械工程和电子与智能计算机的协同

5、集成义为，在工业产品和过程设计与制造中，机械工程和电子与智能计算机的协同集成”。显然，这一定义已把机电一体化的适用围向两个方面扩展：一是所适用的产品对象已不显然，这一定义已把机电一体化的适用围向两个方面扩展：一是所适用的产品对象已不局限於传统意义上的机械产品；二是适用领域的延伸，即从产品扩展到制造和过程控制局限於传统意义上的机械产品；二是适用领域的延伸，即从产品扩展到制造和过程控制领域。领域。1.1.2机电一体化的特点机电一体化的特点 与传统的机电产品相比，机电一体化产品具有以下特点：1.综合性与系统性2.小型化、轻型化和微型化3.高精度、多功能4.高可靠性5.柔性化、智能化6.知识密集1.1

6、.3机电一体化系统的基本要素 基本要素：机械本体、动力单元、传感检测单元、执行单元、驱动单元、控制与信息处理单元、接口机电一体化系统要素功能人体要素控制器（计算机）控制（信息存储、处理、传送）头脑网络信息传递神经检测、传感器计测（信息收集与变换）感官执行元件驱动（操作）肌肉动力源提供动力（能量）内脏机构构造骨骼 一、机电一、机电一体化产品一般包含下述三个主要部分。一体化产品一般包含下述三个主要部分。1.机械部分 它是机电一体化产品实现其使用功能的母体，离开了它就可能成为无本之木，因此精密机械制造技术仍是机电一体化技术的基础。比如典型的机电一体化产品数控机床，如果离开了结构优化、制造精密的机床主

7、轴系统、进给系统和基础支承大件等机械部分，再好的数控和伺服系统也无能为力。2.信息处理部分 这部分的主要任务是对外部输入的程序指令或（和）从多个传感器传来的数字信号进行处理和运算，然後输出各种控制指令去控制伺服机构和其他执行机构以完成所需的动作。此项任务目前主要由微计算机（含专用计算机系统）及相关软件来完成，是机电一体化产品最富活力的部分。3.传感测量部分 对实际工况以及周围环境的变化，必须通过传感器来感知，这部分就像机电一体化产品的“感官”。首先，传感器要能灵敏地感受被测量信息并精确地转换成电信号。当前正重解决传感器的智能化问题，重点是把传感器感知的模拟量信号就地转化为标准的数字量信号，并就

8、地完成基本判断与推理。由机械零部件（含气压、液压元件）、电子和电气硬件（含光电元件）以及软件构成的机电一体化产品，是按整体最优化原则、通过系统分析和系统集成而组成的新系统，其功能和性能必较原有的机械产品有质的飞跃。比如作为机电一体产品的数控机床，开辟了柔性自动化加工的新纪元，在加工对象变化时只需改变加工程序指令，而且可以高速、精确地加工出复杂型面，其功能和性能是传统普通机床难於相比的。设计机电一体化产品时，要注意机械和电子的相互置换与有机结合，比如常采用伺服驱动技术来取代齿轮、凸轮和曲柄传动机构。而且现在来倾向用软件功能代替硬件功能，使控制更加灵活和切合实际工况的需要。二、接口二、接口的功能：

9、变换、放大、传递的功能：变换、放大、传递 接口用于完成各种功能模块间信息传递和转换。各种相关技术所完成的各种功能在机电一体化系统中的集成与传递都必须有相应接口来完成。因此产品中接口系统几乎与产品一样复杂，但在机电一体化产品中最常见的是各种机械量和物理量的测量传感器，计算机与执行元件控制电路间接口，计算机软件间的通信和数据调用接口，人-机接口。随着产品发展，各种功能部件将日趋系列化、模块化和标准化。它们将通过相应接口迅速组成各种新型产品。因此接口的模块化和标准化是具有特殊意义的，还必须有相应的标准化通讯协议。接口标准化就是提供标准化的硬件连接器，包括它的引脚数、引脚分布、通讯协议、代码数据格式、

10、状态字及错误的检测和修正方法。功能部件、接口模块化和标准化，将促使机电一体化产品和系统具有灵活性，易于适应市场变化的需要，并具有良好的可维修性。1.2机电一体化技术分类与应用 1.2.1机电一体化的技术分类 1.生产过程的机电一体化 生产过程的机电一体化包括产品设计加工装配检验的自动化，生产过程自动化，经营管理自动化等。其高级形式是计算机集成制造系统。2.机电产品的机电一体化 机电一体化产品又可分为机械产品电子化(取代设计)和产品机电一体化(融合设计)两种型式。机械产品电子化是原有的机械产品采用了微电子技术之后，其性能和功能都有了提高，甚至在结构上也发生了变化。产品机电一体化是指机械与电子的融

11、合，这类产品属于机电一体化的高级形式，如工业机器人传真复印机、分时计价电度表等。这些产品单靠机械或单靠电子技术往往难以实现，而通过机械与电子技术的有机结合很容易实现。1.2.2机电一体化的应用 1.生产过程的机电一体化 （1）计算机辅助设计。计算机辅助设计(Computer Aided Design，简称CAD)，是指计算机和相关软件应用于对产品设计的全过程，其中包括资料检索方案构思计算分析工程绘图和编制文件等。计算分析主要是指利用计算机的强大数据处理能力和存储能力对产品进行静态和动态分析优化设计和计算机仿真。（2）计算机辅助工艺设计。计算机辅助工艺设计(Computer Aided Proc

12、ess Planning，简称CAPP)，是指在计算机系统的支持下，根据产品设计要求，选择加工方法，确定加工顺序，分配加工设备，安排加工刀具等整个生产加工工艺过程。CAPP 的目的是实现生产准备工作的自动化，由于工艺过程的设计复杂，工艺方法往往又与企业设备工人及技术人员水平等因素有关，在多数情况下，把CAPP 看作CAM的一个组成部分，未能取得实质性的突破。（3）计算机辅助制造。计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，简称CAM)，从广义来说是指在机械制造过程中，利用计算机通过各种设备，如机器人加工中心数控机床传送装置等，自动完成机械产品的加工装配检测和包装等

13、制造过程，包括计算机辅助工艺设计CAPP 和NC 编程。采用计算机辅助制造机械零部件，可改善产品多变的适应能力，提高加工效率和生产自动化水平，缩短加工准备时间，降低生产成本，提高产品质量。（4）CAD/CAPP/CAM集成系统。随着技术进步和计算机技术的发展，在机械制造过程中，CADCAPPCAM独立存在的情况已越来越少，基于在计算机网络环境下的协同设计与制造技术是今后发展的方向，也是目前研究的热点。CAD/CAPP/CAM集成系统技术越来越受到人们的重视。世界各发达国家都给予极大的重视，投入大量人力物力进行研究和开发。大量统计数据表明，CAD/CAPP/CAM集成系统不但方便设计查询和修改，

14、而且可提高工效510 倍，生产效率也显著提高。（5）柔性制造系统。柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称FMS)又称为计算机化的制造系统。其主要由计算机数控机床机器人自动化仓库自动搬运小车等组成。它可以随机地实时地按照工艺要求进行生产。它特别适合于多品种小批量设计更改频繁的离散零件的生产。它可以根据市场需要修改原设计，轻而易举地将原制造系统变成一个新的制造系统。FMS 需要数据库的支持，FMS 所用的数据库一般有两种:一种是零件数据库，用于存储零件加工相关信息，如工件尺寸工具夹具要求成组代码材料加工计划进给量和速度等数据;另一种是信息管理和控制数据库，主

15、要用于存储!管理和控制设备信息状态等。（6）计算机集成制造系统(CIMS)。计算机集成制造系统(CIMS)，就是计算机辅助生产管理与CAD/CAM 及车间自动化设备的集成。所谓车间自动化设备是指FMSFMCCNC机器人等一系列自动化生产设备，换言之，CIMS 是在柔性制造技术信息技术和系统科学的基础上，将制造工厂经营活动所需的各种自动化系统有机地集成起来，使其能适应市场多品种小批量高效益高柔性的智能生产系统要求。2.机电产品的机电一体化 当传统机电产品引入电子技术计算机技术和自动控制技术时就形成所谓的新一代机电一体化产品。也有人称机电一体化产品为带有微处理器的机电产品。典型的机电一体化产品体现

16、了机电技术的深度有机结合。近年来新开发的机电一体化产品大多都采用了全新的工作原理，集中了各种高新技术，并把多种功能集成在一起，具有体积小重量轻成本低效率高和环保节能等优点，在市场上具有极强的竞争能力。由于在机电一体化产品中往往会使用光学仪器仪表等技术，所以国内外也有些人提出光机电一体化(例如数码照相机)机电仪一体化(例如核磁共振扫描仪)机电液一体化(例如液压挖掘机)技术或产品。我们认为不管是光机电一体化机电仪一体化还是机电液一体化都表明产品采用了机电相关新技术，在今天的日常生活和工作，机电一体化产品无所不在，所以统称为机电一体化技术较合适。1.3机电一体化的关键技术1.机械技术2.计算机与信息

17、技术3.系统总体技术4.自动控制技术5.传感检测技术6.伺服传动技术 1.机械技术 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。美力士 MERIA 三秒针返跳腕表 外观优雅，有着巧妙的机械技术功能，优质的瑞士机械机芯驱动三枚各运行20秒的指针。18K红金，18K白金以及精钢的多款选择，将功能与时间结合成完美的艺术。

18、精钢打磨呈微椭圆形表盘，表宽：36毫米，表长：37毫米。2.计算机与信息技术 其中信息交换、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。（1）制造系统是一个复杂的大系统，为满足制造系统敏捷性、快速响应和快速重组的能力，必须借鉴信息科学、生命科学和社会科学等多学科的研究成果，探索制造系统新的体系结构、制造模式和制造系统有效的运行机制。制造系统优化的组织结构和良好的运行状况是制造系统建模、仿真和优化的主要目标。制造系统新的体系结构不仅对制造企业的敏捷性和对需求的响应能力及可重组能力有重要意义，而且对制造企业底层生产设备的柔性和可动态重组能力提出了更高的

19、要求。生物制造观越来越多地被引入制造系统，以满足制造系统新的要求。（2）为支持快速敏捷制造，几何知识的共享已成为制约现代制造技术中产品开发和制造的关键问题。例如在计算机辅助设计与制造(CADCAM)集成、坐标测量(CMM)和机器人学等方面，在三维现实空间(3-Real Space)中，都存在大量的几何算法设计和分析等问题，特别是其中的几何表示、几何计算和几何推理问题；在测量和机器人路径规划及零件的寻位(如Localization)等方面，存在C-空间(配置空间Configuration Space)的几何计算和几何推理问题；在物体操作(夹持、抓取和装配等)描述和机器人多指抓取规划、装配运动规划

20、和操作规划方面则需要在旋量空间(Screw Space)进行几何推理。制造过程中物理和力学现象的几何化研究形成了制造科学中几何计算和几何推理等多方面的研究课题，其理论有待进一步突破，当前一门新学科-计算机几何正在受到日益广泛和深入的研究。（3）在现代制造过程中，信息不仅已成为主宰制造产业的决定性因素，而且还是最活跃的驱动因素。提高制造系统的信息处理能力已成为现代制造科学发展的一个重点。由于制造系统信息组织和结构的多层次性，制造信息的获取、集成与融合呈现出立体性、信息度量的多维性、以及信息组织的多层次性。在制造信息的结构模型、制造信息的一致性约束、传播处理和海量数据的制造知识库管理等方面，都还有

21、待进一步突破。（4）各种人工智能工具和计算智能方法在制造中的广泛应用促进了制造智能的发展。一类基于生物进化算法的计算智能工具，在包括调度问题在内的组合优化求解技术领域中，受到越来越普遍的关注，有望在制造中完成组合优化问题时的求解速度和求解精度方面双双突破问题规模的制约。制造智能还表现在：智能调度、智能设计、智能加工、机器人学、智能控制、智能工艺规划、智能诊断等多方面。3.系统总体技术 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。4.自动控制技术 其范围很广，在控制理

22、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。自动化技术的发展历史大致可以划分为自动化技术形成局部自动化技术形成局部自动化和综合自动化三自动化和综合自动化三个时期。古代人类在长期生产和生活中为了减轻自己的劳动逐渐产生利用自然界动力代替人力畜力以及用自动装置代替人的部分繁难的脑力活动的愿望经过漫长岁月的探索他们互不相关地造出一些原始的自动装置。古代自动装置公元前14前11世纪中国埃及和巴比伦出现了自动计时装置漏壶为人类研制和使用自动装置之始。中国的漏壶最初使用泄水型漏壶后来采用受水型漏壶经过不断改进又发展成

23、三级漏壶。1135年中国的燕肃在一种名叫莲花漏的三级漏壶中采用了自动装置调节液位。在中国的三国时期使用了自动指向的指南车据分析这是利用开环或闭环原理制成的自动装置。公元 1世纪古埃及和希腊的发明家也创造了一些机器人或机器动物来适应当时宗教活动的需要。如教堂庙门自动开启铜祭司自动洒圣水投币式圣水箱和教堂门口自动鸣叫的青铜小鸟等自动装置。中国天文学家张衡(公元 78139)曾经发明了对天体运行情况自动仿真的漏水转浑天仪和自动检测地震征兆的候风地动仪。10861092年中国苏颂等人把浑仪(天文观测仪器)浑象(天文表演仪器)和自动计时装置结合在一起建成了水运仪象台。近代自动装置 17世纪以来随着生产的

24、发展在欧洲的一些国家相继出现了多种自动装置其中比较典型的有法国物理学家B.帕斯卡在1642年发明能自动进位的加法器荷兰机械师C.惠更斯于1657年发明钟表提出钟摆理论利用锥形摆作调速器英国机械师E.李1745年发明带有风向控制的风磨利用尾翼来使主翼对准风向俄国机械师.波尔祖诺夫1765年发明浮子阀门式水位调节器用于蒸汽锅炉水位的自动控制。社会的需要是自动化技术发展的动力。自动化技术是紧密围绕着生产军事设备的控制以及航空航天工业的需要而形成和发展起来的。1788年J.瓦特为了解决工业生产中提出的蒸汽机的速度控制问题把离心式调速器与蒸汽机的阀门连接起来构成蒸汽机转速调节系统使蒸汽机变为既安全又实用

25、的动力装置。瓦特的这项发明开创了自动调节装置的研究和应用。在解决随之出现的自动调节装置的稳定性的过程中数学家提出了判定系统稳定性的判据积累了设计和使用自动调节器的经验。20世纪40年代是自动化技术和理论形成的关键时期一批科学家为了解决军事上提出的火炮控制鱼雷导航飞机导航等技术问题逐步形成了以分析和设计单变量控制系统为主要内容的经典控制理论与方法。机械电气和电子技术的发展为生产自动化提供了技术手段。1946年美国福特公司的机械工程师D.S.哈德首先提出用自动化一词来描述生产过程的自动操作。1947年建立第一个生产自动化研究部门。1952年J.迪博尔德第一本以自动化命名的自动化一书出版他认为“自动

26、化是分析组织和控制生产过程的手段”。实际上自动化是将自动控制用于生产过程的结果。50年代以后自动控制作为提高生产率的一种重要手段开始推广应用。它在机械制造中的应用形成了机械制造自动化在石油化工冶金等连续生产过程中应用对大规模的生产设备进行控制和管理形成了过程自动化。电子计算机的推广和应用使自动控制与信息处理相结合出现了业务管理自动化。50年代末到60年代初大量的工程实践尤其是航天技术的发展涉及大量的多输入多输出系统的最优控制问题用经典的控制理论已难于解决于是产生了以极大值原理动态规划和状态空间法等为核心的现代控制理论。现代控制理论提供了满足发射第一颗人造卫星的控制手段保证了其后的若干空间计画(

27、如导弹的制导航天器的控制)的实施。控制工作者从过去那种只依据传递函数来考虑控制系统的输入输出关系过渡到用状态空间法来考虑系统内部结构是控制工作者对控制系统规律认识的一个飞跃。60年代中期以后现代控制理论在自动化中的应用特别是在航空航天领域的应用。产生一些新的控制方法和结构如自适应和随机控制系统辨识微分对策分布参数系统等。与此同时模式识别和人工智能也发展起来出现了智能机器人和专家系统。现代控制理论和电子计算机在工业生产中的应用使生产过程控制和管理向综合最优化发展。70年代中期自动化的应用开始面向大规模复杂的系统如大型电力系统交通运输系统钢铁联合企业国民经济系统等它不仅要求对现有系统进行最优控制和

28、管理而且还要对未来系统进行最优筹划和设计运用现代控制理论方法已不能取得应有的成效于是出现了大系统理论与方法。80年代初随着计算机网络的迅速发展管理自动化取得较大进步出现了管理信息系统办公自动化决策支持系统。与此同时人类开始综合利用传感技术通信技术计算机系统控制和人工智能等新技术和新方法来解决所面临的工厂自动化办公自动化医疗自动化农业自动化以及各种复杂的社会经济问题。研制出柔性制造系统决策支持系统智能机器人和专家系统等高级自动化系统。自动化技术的发展历史是一部人类以自己的聪明才智延伸和扩展器官功能的历史自动化是现代科学技术和现代工业的结晶它的发展充分体现了科学技术的综合作用。2004年1月初，美

29、国宇航局发射的星际探测器“勇气”号和“机遇”号两个火星车经过半年多的漫长旅行抵达距地球近地点约7000万公里的火星，并完全依靠自主控制成功登陆火星。人们对“勇气”号和“机遇”号的飞行过程控制和登陆过程控制的自动化程度惊叹不已，为过程自动化技术应用竖立了新的里程碑。由此可见，过程自动化技术不仅与我们日常生活息息相关，而且对于人类的空间探索也起着重大作用。何谓过程自动化？何谓过程自动化？在火力发电厂热工自动化术语DL/T701-1999标准中将过程自动化简洁定义为：采用检测与控制系统对生产过程进行生产作业，以代替人工直接操作的措施。过程自动化同其他领域的自动化技术一样，其硬件也主要是由检测传感器及

30、仪表(包括显示仪表)、调节控制装置或系统、执行器(包括执行机构和调节机构两部分)3大部分构成。但值得说明的是过程自动化通常应用于环境较为恶劣、危险的工厂场合，一般生产中断会造成较大损失，因而对抗干扰、可靠性和可利用率等指标有着较高要求，这一点明显有别于楼宇自动化等系统。检测传感器及仪表、执行器是过程自动化的基础，前者发展已经历了机械式、电子式、微处理器等层次。随着微电子、微机械、智能和集成等先进技术的迅猛发展，以及新材料和新工艺的发现和采用，目前检测传感器与仪表正向着微型化、数字化、智能化、网络化和虚拟化等方向进一步发展。如德国Endress+Hauser公司推出的陶瓷电容式压力传感器，是一种

31、无中介液的干式压力传感器，测量范围可为060MPa，其技术性能稳定，年漂移量小于0.1%F.S，抗过载强，可达量程的数百倍。如果把传感器及仪表比喻成人的感觉器官的话，那么执行器在过程自动控制系统中的作用就相当于人的四肢，它接受调节控制装置或系统的控制信号，改变操纵变量，使生产过程按预定要求正常运行。随着自动化、电子和计算机技术的发展，现在执行机构也在向智能化方向发展，越来越多的执行机构已经带有通信和智能控制功能，如Emerson和Smar等公司均推出了智能阀门定位器，内装有高集成度的微处理器，采用数字平衡原理代替传统力平衡原理，将电控制信号转换成气动定位增量来实现阀位控制，具备对死区、正反作用

32、、行程范围等的组态功能，可实现分程控制、等百分比、快开特性等修正功能，具有自校正、自诊断等智能特点。调节控制装置或系统是过程自动化的中枢，其发展从较早的基地式调节器(变送、指示、调节一体化的仪表)开始，经历了气动、电动单元组合仪表到计算机直接数字控制系统(DDC)，直到今日得到广泛应用的分散控制系统(DCS)和可编程控制器(PLC)。DCS经历了初创(19751980年)、成熟(19801985年)、扩展(1985年以后)几个发展时期，在系统的可靠性及可维护性、控制功能算法的丰富性及完善性、信息处理的能力及速度、组态软件的便捷性及友好性、系统联网能力和开放性等方面得到迅速发展，取得了令人瞩目的

33、成就，已成为过程自动化控制系统的主流。PLC以其结构紧凑、功能简洁、速度快、可靠性高、价格低等优点，也迅速获得广泛应用，已成为与DCS并驾齐驱的另一种主流工业控制系统。目前以PLC为基础的DCS发展很快，PLC与DCS相互渗透、相互融合、相互竞争，已成为当前工业控制系统的发展趋势。由于计算机可靠性和性能价格比的进一步提高，以及在开放性和集成性、软件与硬件的产品和技术支持率、市场占有率等方面无以伦比的优势，近年来以个人计算机(PC)为基础的工业PC控制系统呈现良好的发展态势。另外，后起的现场总线控制系统(FCS)也以其优良的互操作性和功能分散性、更强大的系统功能(如单一仪表或设备可提供多变量I/

34、O能力、网络化的设备管理、更宽的诊断范围、丰富的状态信息等)、安装及组态的简易性、更高的测量和控制精确度、较低的工程及运行维护成本和规模灵活性等诸多特点逐渐显示出其强大生命力。近年来，国外一些大公司正在推出更大规模、更高层次的全面自动化体系结构(如艾默生过程管理的PlantWeb、Honeywell的TotalPlant、Siemens的TIA)，有人统称之为过程自动化解决方案(Process Automation Solutions,PAS)。这些系统不再仅仅是单纯的自动化硬件和软件(系统软件、中间件及各种应用软件)的集成，还包含有各种服务，乃至从现场到企业的信息系统集成。总之，控制系统正向

35、着网络化、智能化、集成化、分布化、信息化和开放化方向进一步发展。控制方法及策略是过程自动化的灵魂。20世纪末以来，自动控制理论和方法的主要发展方向是人工智能技术的应用。过程自动化控制方法已从传统经典控制(包括PID控制、比值控制、串级控制、前馈控制等)发展到了最优控制、自适应与自整定控制、自学习控制、非线性控制、多级递阶智能控制、专家控制、模糊逻辑控制、神经网络控制、仿人智能控制、基于模式识别的智能控制、多模变结构智能控制、混沌控制、鲁棒控制及基于可拓逻辑的智能控制、H控制和综合等。例如，大型发电机组作为过程控制对象十分复杂，发电过程存在着大延迟、强耦合、本质非线性和大量的未知干扰，使得锅炉燃

36、烧过程控制、磨煤机控制、大范围变工况时的过热汽温及再热汽温的控制等等，用传统控制策略难于解决，因而国内外对发电过程控制策略进行了深入研究，目前许多先进控制理论和方法已逐渐开始在过程控制中应用。如ABB和SULZER公司建立了带状态观察器的SCO数学模型用于对主蒸汽和再热蒸汽的温度控制；西门子公司建立了凝结水节流的COT(controlled Condensate Throttling)数学模型、采用模糊算法的NUC(New coordinated Unit Control)等，针对不同发电机组、不同运行工况研究出各种优化控制方案，业已在国内发电厂的应用中取得明显的效果。又如德国KruppHoe

37、sch钢铁公司的Westfaien钢厂应用神经网络改进数学模型取得显著的经济效益，所制造的产品尺寸偏差减少12%。此外，许多自动化产品供应商也相继推出了商业化的智能控制器。在经济全球化进程中，市场竞争会进一步加剧，先进控制策略将会得到更加广泛的应用。从控制目标出发，综合运用各种控制方法是构成先进控制系统的有效途径。综上所述，过程自动化技术发展的主流趋势是：检测控制智能化、测量信息数字化、控制管理集成化。新型的过程自动化控制系统应当为提高企业的市场竞争力，创造良好的社会和经济效益而不断提高性能。5.传感检测技术 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

38、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。（1）激光检测法 1）激光多普勒效应 当激光照射到相对运动的物体上时，被物体散射（或反射）的光的频率将发生改变，这种现象称为多普勒效应。相应地，将散射（或反射）的光的频率与光源光频率的差值称为多普勒频移。对于激光测速系统，激光光源S与受光点P（即反射表面）之间有相对运动，由于反射表面运动速度而引起光波频率漂移，此时，多普勒频移 式中反射表面运动速度；光源光波波长；物体运动速度方向与激光传播方向夹角。由上式可知，若能测得多普勒频移 ，则可求得物体运动速度 。2）应用 激光多普勒流

39、速计 由激光器发射出的单色平行光，经透镜聚集到被测流体内。由于流体中存在着运动粒子，一些光被散射，散射光与未散射光之间产生频移，它与流体速度成正比。图中散射光由透镜收集，未散射光由透镜收集，最后在光电倍增管中进行混频后输出交流信号。该信号输入到频率跟踪器内进处理，获得与多普勒频移 相应的模拟信号，从测得的 值可得到粒子运动速度，从而获得流体流速。（2）超声波检测技术 人耳能听到的声音（即可闻声波）频率约为十几赫兹至一万余赫兹，一般将高于一万余赫兹频率的声波称为超声波，而检测用的超声波频率通常在几十万赫兹以上。这时它波长很短，方向性好，易于形成光束，它在介质传播时，与光波相似。遵循几何光学的基本

40、规律，具有反射、折射和聚焦等特性。这些都是超声波检测的应用基础，而采用较高频率的超声波作为检测信号，由于其波长短，易于减小检测误差。超声波被用于测量速度、流量、流速、流体粘度、厚度、液位、固体料位、温度等及工件内部探伤。超声波检测的基本原理是利用某些非声量的物理量（如密度、流量等）与描述超声波媒质声学特性的超声量（声速、衰减、声阻抗等）之间存在着直接或间接关系。探索到这些规律，通过超声量的测定来测出某些被测物理量。超声波检测多采用超声波源向被测介质发射超声波，然后接收与被测介质相作用之后的超声波，从中得到所需信息。在超声检测中利用声速特性检测较成熟、准确度较高，用得较普遍。利用衰减特性检测污泥

41、浓度原理如图所示。当发射器向接收器发射超声波时，由于溶液中污泥粒子引起超声波的散射，如果测出被测溶液与清水两种情况所接收信号强度差，经换算即可得到污泥浓度。（3）核辐射检测技术 核辐射检测技术是利用放射性同位素所发射的、等射线与被测物质的作用，如反散、吸收、电离或使物质激发而射出新的射线（如X射线），若测得电离程度或接收反射后射线的强度及X射线的能谱和强度等，即可得到与被测物有关的物理量。核辐射检测系统一般有产生射线的放射源，检测与物质作用前后射线强度变化的探测器，对探测器输出信号进行加工处理的测量电路和显示装置。核辐射检测是基于以下原理工作。1）利用放射源的标记作用。将放射源放在被测物体上，

42、若放射源和核辐射探测器间的距离变化，将使探测器接收的射线强度发生变化，根据射线强度变化可确定被测物的位置和运动情况。利用这一原理可测线位移、角位移、液位、流量和转速等参数。2）利用被测物质与核辐射的相互作用。核辐射与被测物质有多种效应。利用射线的透射效应或荧光效应能测物体厚度、流体密度和温度、线位移和角位移等；用、射线的电离效应可测量位移、气体压力和速度等；用中子和物质的相互作用测厚度、液位、温度和流速等。3）射线摄影术。射线照射到被测物体，经物体透射后的射线照射到底片上，进行射线摄影。材料缺陷状况能在底片的对比度中反映出来。4）利用穆斯鲍尔效应。穆斯鲍尔效应，即原子核对低能射线的无反冲共振吸

43、收或共振发射现象。利用该效应可进行位移、速度、加速度、温度、应力的测量以及材料检测等。（4）声发射传感技术声发射换能器 当试件受外力或内应力作用时，缺陷处或结构异常部位因应力集中而产生塑性变形，其储存能量的一部分以弹性应力波的形式释放出来，这种现象叫声发射。声发射传感技术就是接收声发射波并从中获取信息的技术，利用声发射信号来对材料或构件缺陷进行预报、判断和评价。声发射应用范围很广，比较成功的应用主要是压力容器的安全评价。此外，声发射技术还用作绝大部分金属或非金属材料性能研究，设备工况监视、地下管道泄漏探测等。声发射传感器（或称声发射换能器）是将弹性波转换成电信号的检测器。如在声发射波（应力波）

44、的激发下，压电晶片被极化，产生电信号。声发射检测仪的试件受外载荷作用产生弹性应力波，被耦合在试件表面的传感器接收，转换成电信号，经前置放大，高通滤波，再经主放大器，然后整形和幅值鉴别，成为矩形脉冲。由时基提供时间标准，计数器测量计数率，把结果记录下来。6.伺服传动技术 包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，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。1800年伏特发明电池，是电气出现的开端，电动机的诞生和发展在这之后可以分成几个阶段。从1820年一直到整个19世纪末叶，发现了电磁现象以及相关的各种法则，诞生了交流电机的原型，并确立了电机的

45、工业运用。从20世纪开始一直到1970年代，是电动机的成长和成熟期，有刷直流电机、感应电动机、同步电动机和步进电动机等各种电机相继诞生，半导体驱动技术和电子控制概念引入，带来变频驱动的实用化。从1970年代到20世纪末期，计算技术的飞跃发展为发展高性能驱动带来了机会，随着设计、评价、测量、控制、功率半导体、轴承、磁性材料、绝缘材料、制造加工技术的不断进步，电动机本体经历了轻量化、小型化、高效化、高力矩输出、低噪音振动、高可靠、低成本等一系列变革，相应的驱动和控制装置也更加智能化和程序化。进入21世纪，在以多媒体和互联网为特征的信息时代，电动机和驱动装置继续发挥支撑作用，向节约资源、环境友好、高

46、效节能运行的方向发展。永磁无刷直流电机(Brushless DC Motor)就是随着永磁材料技术、半导体技术和控制技术的发展而出现的一种新型电机。无刷直流电机诞生于20世纪50年代，并在60年代开始用于宇航事业和军事装备，80年代以后，出现了价格较低的钕铁硼永磁，研发重点逐步推广到工业、民用设备和消费电子产业。本质上，无刷直流电机是根据转子位置反馈信息采用电子换相运行的交流永磁同步电机，与有刷直流电机相比具有一系列优势，近年得到了迅速发展，在许多领域的竞争中不断取代直流电机和异步电动机。进入90年代之后，永磁电机向大功率、高功能和微型化发展，出现了单机容量超过1000KW，最高转速超过300

47、000rpm，最低转速低于0.01rpm，最小体积只有0.8x1.2mm的品种。现代交流伺服系统最早被应用到宇航和军事领域，比如火炮、雷达控制。逐渐进入到工业领域和民用领域。工业应用主要包括高精度数控机床、机器人和其他广义的数控机械，比如纺织机械、印刷机械、包装机械、医疗设备、半导体设备、邮政机械、冶金机械、自动化流水线、各种专用设备等。其中伺服用量最大的行业依次是：机床、食品包装、纺织、电子半导体、塑料、印刷和橡胶机械，合计超过75。1.4机电一体化的设计方法 机电一体化系统设计过程中，概念设计是整个设计的关键，因为一旦概念设计被确定，产品设计的60%70%也就确定了。机电一体化系统不同于一

48、般的机械，机电一体化是在机械主功能、动力功能、信息功能和控制功能上引进微电子技术，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。它的设计比一般机械产品的设计更为复杂在机电一体化产品的概念设计过程中，发明问题解决理论(TRIZ)、公理设计、Pahl 及Beitz 理论和质量功能布置（quality function deployment，QFD）等产品设计理论同样适用，但设计的过程更具复杂性，创新性，多目标性，多解性。机电一体化系统是“机”与“电”的有机融合，如何在概念设计阶段体现出“电”的设计思想，是机电系统概念设计中一个很重要的方面。设计的设计的四四个等级个等级 从设计人员的能力

49、、经验以及产品的水平来评估，可将设计分为四个等级：(1)正确设计；(2)成熟设计；(3)创新设计；(4)优势设计。其中，正确设计和成熟设计两项可统称为“常规设计”。正确(没有重大原则性错误)的设计，设计者可能由于缺乏实践经验和必要的应用考验，往往会有一些没有考虑周到的细节性的缺陷和不足，这样的设计大都出自刚出校门的大学生之手。成熟设计是由那些有丰富设计经验，并在某些产品设计方面有过长期设计制造实践的设计人员才有可能做到的。这种成熟设计的产品从设计的角度上看有可能是落后的，产品是缺乏竞争力的。应该说在以往我国的计划经济体制下，绝大多数的产品均属此类设计，故能做成熟设计的设计人才在我国是相当多的。

50、但在“创新设计”方面我国至今与国外先进国家的差距依然很大。创新设计有很强的生命力，其中有的设计能转化为有极强竞争力的产品。但是单纯追求创新设计有时在设计上是不成熟的，有时甚至是不正确的。一个创新设计可以获得市场竞争的成功，但是成功率往往是不高的。优势设计则必须以正确设计和成熟设计为基础，同时也必须以创新设计的思想来创建竞争优势。因此，优势设计从设计的等级和层次上看是最高级别的设计。1.4.1优势设计1.4.2创新设计技术1.4.3模块化设计方法1.4.4柔性化设计方法1.4.5 优化设计方法1.4.6 可靠性设计1.4.7 虚拟设计1.4.8 智能设计1.4.9 绿色设计1.4机电一体化的设计