《機械運動控制原理與技術》教材建設及實踐

劉想德 李艷生 何翔鵬

機械運動控制以機械為基礎，涵蓋了控制理論、計算機技術、微電子技術、電力電子技術、電機學、信號檢測與處理等多門學科，知識面非常廣，實踐性很強。隨著我國制造業(yè)向智能制造的轉型升級，機械運動控制技術發(fā)展迅速，機械運動控制產(chǎn)品市場增長很快，引發(fā)對運動控制專業(yè)人才的巨大需求。

由于我國高校傳統(tǒng)的專業(yè)設置及課程體系對運動控制技術沒有引起足夠重視，導致目前幾乎沒有高校開設《機械運動控制原理與技術》課程。另一方面，自動化、電氣工程、機電一體化等相關專業(yè)的學生，在裝備制造業(yè)中從事機械運動控制工作，需要通過一邊實踐摸索、一邊自學來建立運動控制技術的知識結構。使得運動控制技術人才的培養(yǎng)與行業(yè)的需求矛盾凸顯。

1 《機械運動控制原理與技術》現(xiàn)有教材問題

當前國內(nèi)圖書和教材市場上，機械運動控制技術方面的書籍很少，合適該課程理論教學的教材更是非常匱乏。盡管市面上也有一些由企業(yè)技術人員編寫的運動原理與技術類書籍，但是這些書籍特別注重工程經(jīng)驗、工程案例和技術細節(jié)，往往只適合做教學參考書，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，國內(nèi)大部分高校一直習慣使用電氣工程專業(yè)或自動化專業(yè)的《電機及拖動基礎》、《電力拖動自動控制系統(tǒng)》、《機電一體化系統(tǒng)設計》、《計算機控制技術》等教材來講授機械運動控制的相關內(nèi)容。由于機械運動控制的綜合性很強，其涵蓋內(nèi)容大大超出了上述課程內(nèi)容，僅僅通過上述教材難以開展機械運動控制技術的教學工作。

2 《機械運動控制原理與技術》的教材建設

基于在機械運動控制領域的教學和科研實踐經(jīng)歷，從數(shù)控機床、機器人等不同智能裝備中提取共性理論和主要技術，突出機械運動系統(tǒng)的整體性和系統(tǒng)性，編寫并出版了《機械運動控制原理與技術》教材。

該教材特色鮮明，強調單臺電機速度、位置和力矩的跟隨控制、多臺電機的運動協(xié)調及運動軌跡規(guī)劃，系統(tǒng)講解機械運動系統(tǒng)的結構組成、設計方法和具體應用。教材由8 個模塊組成，這8 個模塊緊密關聯(lián)，具體內(nèi)容如下：

①機械系統(tǒng)與系統(tǒng)建模模塊。講述機械運動形式、機械運動物理量，機械系統(tǒng)與機器人的組成，機械系統(tǒng)模型。本模塊強調“模型”建立過程和抽象方法，說明“模型”是理論分析和推演的基礎，模型具有相似性。

②機械傳動機構及轉動慣量模塊。講述常見機械傳動機構的特性，剛體轉動慣量計算以及機械系統(tǒng)的慣量匹配。本模塊屬于傳統(tǒng)機械內(nèi)容，機械傳動機構可以看作運動控制系統(tǒng)負載或被控對象的組成部分，其性能特點直接影響運動控制算法復雜性和最終控制效果。

③傳感器與電機模塊。講述電機性能參數(shù)，機械系統(tǒng)驅動中常用電機的工作原理、組成結構和特性，傳感器的一般組成結構和常見機械運動測量傳感器的工作原理。本模塊側重器件工作原理講解，傳感器和電機是運動控制系統(tǒng)中的檢測器件和執(zhí)行器件，可以統(tǒng)稱為變送器，二者都起信號轉換或能量轉換作用。

④電機的驅動模塊。講述電機調速系統(tǒng)的組成、性能指標、穩(wěn)定運行條件，直流電機調速系統(tǒng)、三相交流異步電機調速系統(tǒng)、步進電機調速系統(tǒng)的工作原理和系統(tǒng)結構。本模塊內(nèi)容在傳統(tǒng)電機控制教學中屬于難點，傳統(tǒng)電機控制教材并不適合初學者學習，且內(nèi)容較為陳舊。因此，新編教材中，這部分內(nèi)容以交直流可調電源為核心，牢牢把握住交直流可調電源中的電力電子主電路和微控制器控制算法兩條主線。

⑤電機的協(xié)同運動控制模塊。講述機械運動系統(tǒng)的層級結構、運動控制器的硬件和軟件結構組成、點位運動控制算法以及軌跡運動控制算法。本模塊核心內(nèi)容是軌跡控制和各種插補算法，由于我國對運動控制教學和科研工作重視程度、投入力度不夠，機械運動軌跡插補方面的中文技術文獻和教材很少，一直是教學和工程實踐中的薄弱環(huán)節(jié)。

⑥機械運動控制計算機與軟件模塊。講述計算機組成結構、工作原理，計算機操作系統(tǒng)的功能與組成、計算機程序的編譯與鏈接以及機械系統(tǒng)的人機交互軟件。本模塊是機械運動控制系統(tǒng)的信息中樞，計算機相關課程內(nèi)容對于機械和控制專業(yè)的學生來說是知識結構上比較欠缺的知識點，當前機械智能化發(fā)展趨勢，使得本模塊內(nèi)容變得更加重要。

⑦機械運動控制的組網(wǎng)模塊。講述機械制造系統(tǒng)的網(wǎng)絡互聯(lián)、OSI 參考模型、工業(yè)以太網(wǎng)以及現(xiàn)場總線等。機械網(wǎng)絡化控制、“云機器人”以及“云制造”都離不開網(wǎng)絡和總線的支撐。本模塊也屬于機械運動系統(tǒng)的信息中樞，把自動化領域中的現(xiàn)場總線跟通信領域中的計算機網(wǎng)絡統(tǒng)一起來講授，有助于深入學習和掌握二者的共同本質。

⑧機器人的運動控制模塊。講述機器人操作系統(tǒng)的基本概念以及基于機器人操作系統(tǒng)的機器人控制編程。本模塊側重一些具體機械運動控制系統(tǒng)的系統(tǒng)結構及其應用介紹。

3 結語

開展《機械運動控制原理與技術》課程教學改革并編寫該課程教材，對于解決我國智能裝備領域中運動控制技術人才培養(yǎng)中的供需矛盾，突破人才培養(yǎng)瓶頸，推動我國制造業(yè)的升級轉型具有重要意義。《機械運動控制原理與技術》教材內(nèi)容的完善，還有待實踐進一步檢驗，以及廣大教學科研人員集思廣益，取長補短、共同進步。