《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》教材建設(shè)及實(shí)踐

劉想德 李艷生 何翔鵬

機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制以機(jī)械為基礎(chǔ)，涵蓋了控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)、信號(hào)檢測(cè)與處理等多門(mén)學(xué)科，知識(shí)面非常廣，實(shí)踐性很強(qiáng)。隨著我國(guó)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)發(fā)展迅速，機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品市場(chǎng)增長(zhǎng)很快，引發(fā)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制專(zhuān)業(yè)人才的巨大需求。

由于我國(guó)高校傳統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)設(shè)置及課程體系對(duì)運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)沒(méi)有引起足夠重視，導(dǎo)致目前幾乎沒(méi)有高校開(kāi)設(shè)《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》課程。另一方面，自動(dòng)化、電氣工程、機(jī)電一體化等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在裝備制造業(yè)中從事機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制工作，需要通過(guò)一邊實(shí)踐摸索、一邊自學(xué)來(lái)建立運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的知識(shí)結(jié)構(gòu)。使得運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)人才的培養(yǎng)與行業(yè)的需求矛盾凸顯。

1 《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》現(xiàn)有教材問(wèn)題

當(dāng)前國(guó)內(nèi)圖書(shū)和教材市場(chǎng)上，機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)方面的書(shū)籍很少，合適該課程理論教學(xué)的教材更是非常匱乏。盡管市面上也有一些由企業(yè)技術(shù)人員編寫(xiě)的運(yùn)動(dòng)原理與技術(shù)類(lèi)書(shū)籍，但是這些書(shū)籍特別注重工程經(jīng)驗(yàn)、工程案例和技術(shù)細(xì)節(jié)，往往只適合做教學(xué)參考書(shū)，其內(nèi)容從理論深度和普適性上離高校教材要求還有一定距離。

另一方面，國(guó)內(nèi)大部分高校一直習(xí)慣使用電氣工程專(zhuān)業(yè)或自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》、《電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)》、《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》、《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》等教材來(lái)講授機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的相關(guān)內(nèi)容。由于機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的綜合性很強(qiáng)，其涵蓋內(nèi)容大大超出了上述課程內(nèi)容，僅僅通過(guò)上述教材難以開(kāi)展機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的教學(xué)工作。

2 《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》的教材建設(shè)

基于在機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域的教學(xué)和科研實(shí)踐經(jīng)歷，從數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等不同智能裝備中提取共性理論和主要技術(shù)，突出機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)性，編寫(xiě)并出版了《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》教材。

該教材特色鮮明，強(qiáng)調(diào)單臺(tái)電機(jī)速度、位置和力矩的跟隨控制、多臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)及運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，系統(tǒng)講解機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成、設(shè)計(jì)方法和具體應(yīng)用。教材由8 個(gè)模塊組成，這8 個(gè)模塊緊密關(guān)聯(lián)，具體內(nèi)容如下：

①機(jī)械系統(tǒng)與系統(tǒng)建模模塊。講述機(jī)械運(yùn)動(dòng)形式、機(jī)械運(yùn)動(dòng)物理量，機(jī)械系統(tǒng)與機(jī)器人的組成，機(jī)械系統(tǒng)模型。本模塊強(qiáng)調(diào)“模型”建立過(guò)程和抽象方法，說(shuō)明“模型”是理論分析和推演的基礎(chǔ)，模型具有相似性。

②機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模塊。講述常見(jiàn)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的特性，剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算以及機(jī)械系統(tǒng)的慣量匹配。本模塊屬于傳統(tǒng)機(jī)械內(nèi)容，機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)可以看作運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)載或被控對(duì)象的組成部分，其性能特點(diǎn)直接影響運(yùn)動(dòng)控制算法復(fù)雜性和最終控制效果。

③傳感器與電機(jī)模塊。講述電機(jī)性能參數(shù)，機(jī)械系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)中常用電機(jī)的工作原理、組成結(jié)構(gòu)和特性，傳感器的一般組成結(jié)構(gòu)和常見(jiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)測(cè)量傳感器的工作原理。本模塊側(cè)重器件工作原理講解，傳感器和電機(jī)是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的檢測(cè)器件和執(zhí)行器件，可以統(tǒng)稱(chēng)為變送器，二者都起信號(hào)轉(zhuǎn)換或能量轉(zhuǎn)換作用。

④電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊。講述電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成、性能指標(biāo)、穩(wěn)定運(yùn)行條件，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、三相交流異步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。本模塊內(nèi)容在傳統(tǒng)電機(jī)控制教學(xué)中屬于難點(diǎn)，傳統(tǒng)電機(jī)控制教材并不適合初學(xué)者學(xué)習(xí)，且內(nèi)容較為陳舊。因此，新編教材中，這部分內(nèi)容以交直流可調(diào)電源為核心，牢牢把握住交直流可調(diào)電源中的電力電子主電路和微控制器控制算法兩條主線(xiàn)。

⑤電機(jī)的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制模塊。講述機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的層級(jí)結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)控制器的硬件和軟件結(jié)構(gòu)組成、點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制算法以及軌跡運(yùn)動(dòng)控制算法。本模塊核心內(nèi)容是軌跡控制和各種插補(bǔ)算法，由于我國(guó)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制教學(xué)和科研工作重視程度、投入力度不夠，機(jī)械運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)方面的中文技術(shù)文獻(xiàn)和教材很少，一直是教學(xué)和工程實(shí)踐中的薄弱環(huán)節(jié)。

⑥機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制計(jì)算機(jī)與軟件模塊。講述計(jì)算機(jī)組成結(jié)構(gòu)、工作原理，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的功能與組成、計(jì)算機(jī)程序的編譯與鏈接以及機(jī)械系統(tǒng)的人機(jī)交互軟件。本模塊是機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的信息中樞，計(jì)算機(jī)相關(guān)課程內(nèi)容對(duì)于機(jī)械和控制專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)是知識(shí)結(jié)構(gòu)上比較欠缺的知識(shí)點(diǎn)，當(dāng)前機(jī)械智能化發(fā)展趨勢(shì)，使得本模塊內(nèi)容變得更加重要。

⑦機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制的組網(wǎng)模塊。講述機(jī)械制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、OSI 參考模型、工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)等。機(jī)械網(wǎng)絡(luò)化控制、“云機(jī)器人”以及“云制造”都離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)和總線(xiàn)的支撐。本模塊也屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的信息中樞，把自動(dòng)化領(lǐng)域中的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)跟通信領(lǐng)域中的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一起來(lái)講授，有助于深入學(xué)習(xí)和掌握二者的共同本質(zhì)。

⑧機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制模塊。講述機(jī)器人操作系統(tǒng)的基本概念以及基于機(jī)器人操作系統(tǒng)的機(jī)器人控制編程。本模塊側(cè)重一些具體機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用介紹。

3 結(jié)語(yǔ)

開(kāi)展《機(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》課程教學(xué)改革并編寫(xiě)該課程教材，對(duì)于解決我國(guó)智能裝備領(lǐng)域中運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)人才培養(yǎng)中的供需矛盾，突破人才培養(yǎng)瓶頸，推動(dòng)我國(guó)制造業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型具有重要意義?！稒C(jī)械運(yùn)動(dòng)控制原理與技術(shù)》教材內(nèi)容的完善，還有待實(shí)踐進(jìn)一步檢驗(yàn)，以及廣大教學(xué)科研人員集思廣益，取長(zhǎng)補(bǔ)短、共同進(jìn)步。