時(shí)間：2022-02-04 05:14:49
序論：在您撰寫機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.
關(guān)鍵詞:機(jī)電一體化;傳感器;發(fā)展趨勢
Key words: mechatronics;sensor;development trend
中圖分類號:TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1006-4311(2010)11-0084-03
0 引言
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透,導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域,由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化,使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化,使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。
1機(jī)電一體化認(rèn)識
日本在1971年提出一個(gè)新的英文集成名詞“Mechatronics”詞首Mecha取自Mechanics(機(jī)械學(xué)),詞尾tronics取自Electronics(電子學(xué))。我國經(jīng)常譯為機(jī)電一體化或機(jī)械電子學(xué)。在1981年德國工程師協(xié)會,德國電氣工程技術(shù)人員協(xié)會共同組成的精密工程技術(shù)專家組提出的“關(guān)于大學(xué)精密工程技術(shù)專業(yè)的建議書”中,把精密工程技術(shù)定義為光-機(jī)-電一體化的綜合技術(shù)。它包括機(jī)械(含液壓,氣動(dòng)及微機(jī)械),電工與電子,光學(xué)等技術(shù)及其組合,其核心為精密工程技術(shù)。在當(dāng)前“信息爆炸”的形式下,相對于專門型人才來說,市場對復(fù)合型人才的需求更加迫切。在中國,我們認(rèn)為機(jī)械發(fā)展新階段是機(jī)電一體化階段。機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù),將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱。機(jī)電一體化發(fā)展至今也已成為一門有著自身體系的新型學(xué)科,隨著科學(xué)技術(shù)的不但發(fā)展,還將被賦予新的內(nèi)容,基本特征可概括為:機(jī)電一體化是從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā),綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電力電子技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù)等群體技術(shù),根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo),合理配置與布局各功能單元,在多功能、高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能價(jià)值,并使整個(gè)系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工程技術(shù)。因此,“機(jī)電一體化”涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個(gè)方面。只是,機(jī)電一體化技術(shù)是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù),而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊。這是機(jī)電一體化與機(jī)械加電氣所形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別。機(jī)械工程技術(shù)有純技術(shù)發(fā)展到機(jī)械電氣化,仍屬傳統(tǒng)機(jī)械,其主要功能依然是代替和放大的體力。但是發(fā)展到機(jī)電一體化后,其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外,還能賦予許多新的功能,如自動(dòng)檢測、自動(dòng)處理信息、自動(dòng)顯示記錄、自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制自動(dòng)診斷與保護(hù)等。即機(jī)電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸,還是人的感官與頭腦的眼神,具有智能化的特征是機(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別。
2機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)過程
機(jī)電一體化的機(jī)械動(dòng)力部分由一般電動(dòng)機(jī)演變?yōu)榭刂齐妱?dòng)機(jī),里程碑式地引入了電子和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)技術(shù),代替人完成機(jī)器的檢測與控制等工作。在知識經(jīng)濟(jì)中體現(xiàn)了制造業(yè)高科技化,促進(jìn)了高科技產(chǎn)業(yè)和知識經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。它是一種用于機(jī)電產(chǎn)品最優(yōu)設(shè)計(jì)的方法學(xué)。它包括4個(gè)基本學(xué)科:電氣、機(jī)械、計(jì)算機(jī)科學(xué)和信息技術(shù)。如圖1所示。
機(jī)電一體化系統(tǒng)和多學(xué)科系統(tǒng)之間的區(qū)別不在于它們的組成要素,而在于這些組成要素設(shè)計(jì)的次序。一直以來,多學(xué)科系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用一種按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的方法。比如,機(jī)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般通過以機(jī)械設(shè)計(jì)開始的三個(gè)步驟完成。當(dāng)機(jī)械設(shè)計(jì)完成后,設(shè)計(jì)電源和微電子系統(tǒng),接著是控制算法的設(shè)計(jì)及其實(shí)施。按學(xué)科順序設(shè)計(jì)的方法的最大缺點(diǎn)是對整個(gè)過程中各個(gè)點(diǎn)的固定設(shè)計(jì)導(dǎo)致新的限制,這種限制源于對這些點(diǎn)的設(shè)計(jì),而且會傳遞到下一個(gè)學(xué)科點(diǎn)的設(shè)計(jì)。使用并行方法進(jìn)行預(yù)先設(shè)計(jì)可以使產(chǎn)品更具協(xié)同性。它補(bǔ)充了信息系統(tǒng)以指導(dǎo)設(shè)計(jì),這種指導(dǎo)貫穿于設(shè)計(jì)的各個(gè)階段,而不只是預(yù)先設(shè)計(jì)階段,從而使之更加綜合。在將機(jī)械,電氣及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和信息系統(tǒng)進(jìn)行集成以設(shè)計(jì)制造產(chǎn)品和過程時(shí),需要進(jìn)行協(xié)同。最終產(chǎn)品的功能應(yīng)大于其各部分功能之和。如果沒有協(xié)同組合的話,機(jī)電一體化產(chǎn)品具有的性能特征是很難實(shí)現(xiàn)的,機(jī)電一體化的關(guān)鍵要素如圖2。
機(jī)電一體化系統(tǒng)是在物理系統(tǒng)中使用信息系統(tǒng)的結(jié)果。物理系統(tǒng)包括機(jī)械系統(tǒng),計(jì)算機(jī)系統(tǒng),執(zhí)行器,傳感器和實(shí)時(shí)接口。機(jī)電一體化系統(tǒng)不只是機(jī)電系統(tǒng),而且還是一個(gè)控制系統(tǒng)。傳感器和執(zhí)行器用來把能量從動(dòng)力大的一邊(通常是機(jī)械的一邊),轉(zhuǎn)換到動(dòng)力小的一邊(通常是電氣和計(jì)算機(jī)的一邊)。上圖中的機(jī)械系統(tǒng)不僅包括機(jī)械零部件,還可能包括流體,氣動(dòng),熱,聲,化學(xué)及其它學(xué)科。傳感技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了新的發(fā)展以適應(yīng)對特殊監(jiān)測應(yīng)用解決方案不斷增長的需要。
2.1 機(jī)電一體化中的集成設(shè)計(jì)問題由于機(jī)電一體化方法內(nèi)在的并行性,或同時(shí)性工程,所以樣機(jī)試制階段的建模與仿真很重要。因?yàn)槟Ｐ蛠碜杂诟鲗W(xué)科的綜合應(yīng)用。所以應(yīng)用一種可視化的編程軟件是很重要的。這樣就涉及到了框圖,流程圖,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波特圖。機(jī)電一體化是一種設(shè)計(jì)哲學(xué),其產(chǎn)品或設(shè)備有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是它們內(nèi)部的智能,這是將執(zhí)行器,傳感器,控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)組合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)的集成是通過硬件(部件)和軟件(信息處理)的聯(lián)合實(shí)現(xiàn)的。硬件集成是將機(jī)電一體化系統(tǒng)看成一個(gè)整體系統(tǒng)來設(shè)計(jì)的,將傳感器,執(zhí)行器和微處理器融入到機(jī)械系統(tǒng)中,軟件集成主要基于高級控制功能在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先分析客戶要求以及系統(tǒng)集成的技術(shù)環(huán)境。在制作時(shí)應(yīng)考慮了解客戶,市場分析,優(yōu)化性能,生命周期性能,質(zhì)量,可靠性和銷售。
2.2 機(jī)電一體化關(guān)鍵要素①信息系統(tǒng):信息系統(tǒng)包括信息傳輸?shù)乃蟹矫?從信號處理到控制系統(tǒng)到分析技術(shù)。信息系統(tǒng)結(jié)合了以下四種學(xué)科:通訊系統(tǒng),信號處理,控制系統(tǒng)和數(shù)值計(jì)算方法。在機(jī)電一體化應(yīng)用中,我們最關(guān)心的是建模,仿真,自動(dòng)控制和用于優(yōu)化的數(shù)字方法。②自動(dòng)控制:控制系統(tǒng)工程學(xué)是在19世紀(jì)晚期產(chǎn)生的學(xué)科,認(rèn)為在低階系統(tǒng)(三階或三階以下)系統(tǒng)的穩(wěn)定性依賴于特征方程的根和勞思(Routh)判據(jù),這是一個(gè)很好的判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性的分析工具。③最優(yōu)化: 就是先確認(rèn)最優(yōu)軌跡,最優(yōu)軌跡是根據(jù)系統(tǒng)的要求即約束條件確定的,然后設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),在設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)候應(yīng)使系統(tǒng)的各參數(shù)最終滿足控制要求,使誤差最小化,或者說使目標(biāo)函數(shù)的擾動(dòng)最小化,可用最優(yōu)化過程反復(fù)迭代公式(Pk+1=Pk+τ?S k)這里k是迭代次數(shù),S k是P空間內(nèi)的探索方向,τ是該方向上的探索步長空間內(nèi)的探索步長,當(dāng)P值不能再改進(jìn)時(shí)這個(gè)過程結(jié)束,此時(shí)為最優(yōu)化。④機(jī)械系統(tǒng):機(jī)械系統(tǒng)考慮力作用下物體的特性。這樣的系統(tǒng)按其性質(zhì)可分為剛性的,可變形的和可流動(dòng)的。大多數(shù)機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)用的剛體系統(tǒng),都依賴于物理學(xué)中的基本定律。⑤電氣系統(tǒng):電氣系統(tǒng)由兩個(gè)分支組成:電源系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。通訊系統(tǒng)以低能量的電信號形式在各點(diǎn)之間傳輸信息。諸如信息存儲,處理和交換是通信系統(tǒng)的常見組成部分。電氣工程的這個(gè)領(lǐng)域也稱電子學(xué)。另一方面,電源系統(tǒng)用來在各點(diǎn)之間有效的傳遞大量的電能,而不是信息,例如:發(fā)電機(jī)是把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,而電動(dòng)機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
3傳感器和變換器
儀器儀表在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中起著關(guān)鍵的作用。傳感器是與儀器儀表緊密相關(guān)的機(jī)電一體化系統(tǒng)中一個(gè)非常重要的組件,其作用是為特定工業(yè)過程提供收集不同信息的機(jī)制。傳感器廣泛應(yīng)用于過程檢測以及工況評價(jià)方面,為用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對制造作業(yè)作較高級的監(jiān)控提供便利,可應(yīng)用于過程前,過程中及過程后。有時(shí),傳感器可以將一種物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為決策分析的可用信號。智能系統(tǒng)用傳感器來監(jiān)測由環(huán)境變化影響的特定場合,然后通過校正動(dòng)作對其控制。
實(shí)際上在所有的應(yīng)用中,傳感器是將各種現(xiàn)實(shí)世界的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號,因此可定義為:傳感器是一種把被測物理量轉(zhuǎn)換成輸出信號的裝置。因此傳感器也可以稱為變換器,應(yīng)用范圍廣泛,甚至可以用于分辨那些人類感官無法覺察到的環(huán)境變化。它們作為一次元件,連續(xù)的將變化著的信息轉(zhuǎn)變成另一種形式,也就是說,傳感裝置檢測被測量,并將其轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可接受形式的信號,通常為電信號。整個(gè)系統(tǒng)的最大準(zhǔn)確度由傳感器的靈敏度和其內(nèi)部噪聲干擾所決定。在測控系統(tǒng)中,任何參數(shù)的變化,不論是在被測量中還是在信號修整中,都會直接影響系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。傳感器和變換器是現(xiàn)代控制系統(tǒng)(電,光,機(jī)械或流體系統(tǒng))的兩個(gè)重要組成部分,傳感器和變換器選用的程度取決于控制系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和復(fù)雜程度。要構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜控制系統(tǒng),測量裝置必須能夠滿足快速,靈敏和精確的要求。隨著使用要求的不斷提高,傳感器的體積也不斷的小型化,并通常將多個(gè)傳感器和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組合固定在一起。傳感器的分類:根據(jù)傳感器的輸出信號形式,電源,工作模式以及被測變量可將傳感器分為以下兩大類。模擬傳感器:模擬是指連續(xù)的,不中斷的一系列事件。典型的模擬傳感器的輸出與被測變量是成正比例的,輸出信號以連續(xù)方式變化,根據(jù)其幅值取得信息,通常其輸出要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸?shù)接?jì)算機(jī)。數(shù)字傳感器:數(shù)字是指一系列離散的事件,各個(gè)事件前后分開,如果傳感器的邏輯電平輸出是數(shù)字的,則稱其為數(shù)字傳感器。數(shù)字傳感器有著準(zhǔn)確度和精密度高的特點(diǎn),與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)相連時(shí)不需要任何轉(zhuǎn)換器。
4A/D,D/A轉(zhuǎn)換
在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中,主機(jī)輸入數(shù)據(jù)或向外部命令,都是通過接口及輸入輸出通道進(jìn)行的,完成信息傳遞和交換的裝置稱為過程輸入輸出通道。這些通道是聯(lián)系主機(jī)與被控對象的紐帶和橋梁。生產(chǎn)對象的各種模擬信號,不能直接輸入計(jì)算機(jī),而要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號,才能輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工處理。同樣,經(jīng)過計(jì)算機(jī)加工處理得到的數(shù)字信號,也不可能直接作用與被控對象。而要經(jīng)過數(shù)/模轉(zhuǎn)變成模擬信號,才能輸出到被控對象。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本任務(wù)是將模擬量即連續(xù)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行存儲,計(jì)算和處理。由于絕大多數(shù)物理量都是模擬量。因而數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不但本身就是一種獨(dú)立系統(tǒng),而且是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的極重要的組成部分。
一個(gè)典型的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)如圖3所示。其工作原理是作為系統(tǒng)輸入的物理量(壓力,溫度,濕度,位置等),首先由傳感器變成點(diǎn)信號,然后送到放大器和濾波器。傳感器的輸出信號一般比較微弱,放大器的作用是將傳感器輸出的電信號放大到適當(dāng)?shù)拇笮 Ｒ岳谶M(jìn)一步處理。濾波器的作用是消除干擾信號。然后,信號送到模擬多路開關(guān),它在計(jì)算機(jī)的控制作用下對各個(gè)模擬通道進(jìn)行分時(shí)處理,將各通道信號接到后面的采樣保持電路和A/D轉(zhuǎn)換器。采樣保持電路在規(guī)定的時(shí)刻對送來的模擬信號進(jìn)行采樣并在A/D轉(zhuǎn)換期間保持被采樣的電壓不發(fā)生變化。A/D轉(zhuǎn)換器在保持時(shí)間內(nèi)完成模/數(shù)轉(zhuǎn)換后將數(shù)字量送到計(jì)算機(jī)。采樣保持電路及A/D轉(zhuǎn)換的定時(shí)和控制信號均由計(jì)算機(jī)產(chǎn)生。計(jì)算機(jī)對A/D轉(zhuǎn)換器送來的各路數(shù)字量進(jìn)行各種處理計(jì)算,然后用分時(shí)方法將處理結(jié)果送到各路D/A轉(zhuǎn)換器變成模擬信號去完成各種模擬控制。有時(shí)為了提高速度和精度,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不用模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān),而是每條通道用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器。
4.1 傳感器的作用傳感器是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。如沒有傳感器對生產(chǎn)過程的原始參數(shù)進(jìn)行精確可靠的測量,那么無論是信號轉(zhuǎn)換,信息處理,或數(shù)據(jù)的顯示與控制,都將成為一句空話。可以說,沒有精確可靠的傳感器就沒有精確可靠的測量系統(tǒng)。
4.2 A/D轉(zhuǎn)換器的原理經(jīng)過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和采樣/保持的模擬量必須被變成數(shù)字量才能送入計(jì)算機(jī)。完成這一轉(zhuǎn)換任務(wù)的器件叫做模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器,簡稱A/D轉(zhuǎn)換器。如圖4是逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖。由圖4可以看出,由N位寄存器,N位D/A轉(zhuǎn)換器、比較器以及控制邏輯四部分組成。其工作原理:當(dāng)啟動(dòng)信號作用后,時(shí)鐘信號在控制邏輯作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的數(shù)字量一方面作為輸出用,另一方面,經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量Vx后,送到比較器,在比較器中與被轉(zhuǎn)換的模擬量Vx進(jìn)行比較,控制邏輯根據(jù)比較器的輸出進(jìn)行判斷。若Vx≥Vc,則保留這一位;若Vx
4.3 D/A轉(zhuǎn)換器的原理D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。它實(shí)際上是一種由二進(jìn)制譯碼控制的電流疊加電路。通常包括四個(gè)組成部分:精密的電壓基準(zhǔn);模擬二進(jìn)制數(shù)字電壓(或電流)開關(guān);產(chǎn)生二進(jìn)制權(quán)電流或權(quán)電壓的精密電阻網(wǎng)絡(luò);提供電壓或電流輸出相加的運(yùn)算放大器。其原理如圖5為倒T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器。其輸出電壓表達(dá)式很容易用基準(zhǔn)電流和響應(yīng)的倍數(shù)表示出來。與權(quán)電流型的D/A轉(zhuǎn)換器相比,倒T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器具有電路簡單、轉(zhuǎn)換速度快的優(yōu)點(diǎn),但其轉(zhuǎn)換誤差較大。在實(shí)際的D/A轉(zhuǎn)換器中,開關(guān)S是電子式的模擬開關(guān)。為了減小轉(zhuǎn)換誤差,開關(guān)必須具有導(dǎo)通電阻小,截止電阻大的特點(diǎn)。
5機(jī)電一體化綜述
機(jī)電一體化系統(tǒng)開發(fā)過程的第一步就是分析客房需求以及系統(tǒng)集成的技術(shù)環(huán)境。解決問題的復(fù)雜技術(shù)系統(tǒng)往往是一個(gè)具有數(shù)字或模擬形式并由復(fù)雜軟件支持其硬件的機(jī)械、電子、液壓和熱動(dòng)力部件的結(jié)合體。典型機(jī)電一體化系統(tǒng)使用傳感器從技術(shù)環(huán)境中收集數(shù)據(jù)和信息。接下來的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一種集成的方式來涵蓋這個(gè)系統(tǒng)的所有子任務(wù)。這包括在初始階段對子系統(tǒng)間必要接口的有效描述。數(shù)據(jù)經(jīng)過處理和解釋轉(zhuǎn)化為執(zhí)行器的動(dòng)作。機(jī)電一體化系統(tǒng)能夠縮短開發(fā)周期,降低成本,提高質(zhì)量。在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,有必要在不同的專家組之間協(xié)調(diào)知識和需要的信息。并行工程是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造以特殊方式融合的一種設(shè)計(jì)方法。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)和制造間的障礙得以排除。
6機(jī)電一體化的發(fā)展趨勢
1機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中的問題
對于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程而言，其教學(xué)的問題大致可以分為教學(xué)內(nèi)容的問題以及教學(xué)方式的問題，本文從這兩個(gè)方面對其中的主要問題進(jìn)行分析。
1.1教學(xué)內(nèi)容的問題
在現(xiàn)有的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程當(dāng)中，其內(nèi)容存在著一定的混亂性以及單一性，首先對于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教材而言，有著不同的版本，并且每一版本當(dāng)中的內(nèi)容分布都不相同，甚至有些內(nèi)容本身都不同，并且對于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)知識的講解深度也有著一定的差別，這就意味著，如果在教師水平相當(dāng)?shù)那闆r下，不同教材內(nèi)容下培養(yǎng)出來的學(xué)生能力也會有著一定的差距，這對于學(xué)生未來的發(fā)展極為不利，因?yàn)闄C(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)越來越深入之后，學(xué)生的差距就會越來越大，到后來的實(shí)際運(yùn)用過程當(dāng)中，學(xué)生的實(shí)踐能力也會由于理論支撐的差距而產(chǎn)生差距，一部分學(xué)生會面臨淘汰的威脅。另外一點(diǎn)就是課程雜亂無章，比如其課程當(dāng)中包含著微機(jī)控制、數(shù)控技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是機(jī)電學(xué)當(dāng)中的主要課程，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)當(dāng)中，一直將機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為一門主干課程進(jìn)行教學(xué)。機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門綜合性與實(shí)踐性比較強(qiáng)的課程，其對于學(xué)生的實(shí)踐能力要求比較高，而在傳統(tǒng)的教學(xué)方式下學(xué)生并不能通過課本當(dāng)中的基礎(chǔ)看到本質(zhì)，機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革已經(jīng)勢在必行，本文從目前機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程當(dāng)中所存在的問題出發(fā)，分析其具體的教學(xué)改革的方式。
1.2教學(xué)方法的問題
首先教學(xué)方式的問題可以分為傳統(tǒng)教學(xué)方式的問題與現(xiàn)代教學(xué)方式的問題，在傳統(tǒng)的教學(xué)方式當(dāng)中，教師往往采取教師講，學(xué)生聽的方式，這種方式學(xué)生僅僅是被動(dòng)的吸取知識，并且對于理論知識的理解程度并不代表著實(shí)踐運(yùn)用能力的程度。而機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一門實(shí)踐性要求比較高的課程，所以在教學(xué)的過程當(dāng)中，其教學(xué)方法一定要圍繞學(xué)生的實(shí)踐性出發(fā)，這種傳統(tǒng)的教學(xué)方式不僅不能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，還會因?yàn)榭菰锏睦碚搶W(xué)習(xí)使得學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。另外一方面在現(xiàn)代教學(xué)方法的普及下，在教學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中的科技成分越來越高，大量多媒體教學(xué)工具、實(shí)踐機(jī)械教學(xué)工具、投影儀等教學(xué)工具的使用使得教學(xué)效率提高，原本需要三個(gè)課時(shí)的教學(xué)內(nèi)容教師在PPT的講解方式下只需要一個(gè)課時(shí)，雖然提高教學(xué)進(jìn)度，但是忽視了學(xué)生的接收能力與對知識的理解能力，從根本上來說并沒有提高教學(xué)效果。
2機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革策略
根據(jù)上文當(dāng)中所提出的問題進(jìn)行分析，探究在面對以上教學(xué)問題的情況下如何進(jìn)行機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)改革。
2.1優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容
首先針對教學(xué)體系而言，需要對機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程的教材內(nèi)容進(jìn)行整合設(shè)計(jì)，整體而言可以將教材的內(nèi)容分布進(jìn)行三個(gè)階段的設(shè)置，首先是理論基礎(chǔ)知識階段，讓學(xué)生認(rèn)識機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一項(xiàng)目的原理。第二個(gè)階段就是將理論與實(shí)際相結(jié)合，也就是結(jié)合實(shí)際的案例，讓學(xué)生進(jìn)一步的認(rèn)識機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程的原理。最后一部分就是組織實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生根據(jù)所學(xué)習(xí)的知識進(jìn)行具體的實(shí)踐，用實(shí)踐來充分論證自己所學(xué)習(xí)的理論知識。另外一方面就是將教材內(nèi)容進(jìn)行合理的分配，也就是說要按照具體的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)程序來安排教學(xué)程序，并且注重知識點(diǎn)之間的連續(xù)性，將電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、檢測技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、液壓技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，比如數(shù)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)可以運(yùn)用在機(jī)械自動(dòng)化操作上而檢測技術(shù)、液壓技術(shù)與電子技術(shù)則可以運(yùn)用在監(jiān)控系統(tǒng)上，并且對制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行結(jié)合教學(xué)。按照時(shí)間將知識進(jìn)行分類教學(xué)，增強(qiáng)課程知識點(diǎn)的連續(xù)性。
2.2教學(xué)方法的改善
教學(xué)方法的改善要從課堂教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)兩個(gè)方面著手，首先對于課堂教學(xué)而言，需要注重學(xué)生的知識接收遞進(jìn)性，循序漸進(jìn)的接觸新知識，另外要充分利用現(xiàn)代技術(shù)，將多媒體技術(shù)與課堂教學(xué)相結(jié)合，但是要在保證學(xué)生理解知識的情況下提高教學(xué)效率。并且在對學(xué)生進(jìn)行教學(xué)的過程當(dāng)中，最終要的是培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)思維，特別是對于機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程的教學(xué)，首先運(yùn)用豐富的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源，結(jié)合實(shí)際教學(xué)案例，對其進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生通過了解、思考、判斷、提出問題、分析問題、解決問題的方式，進(jìn)行學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)生的思維能力。在實(shí)踐教學(xué)當(dāng)中，教師要脫離課堂將學(xué)生帶到具體的機(jī)械車床前進(jìn)行教學(xué)，對于機(jī)電系統(tǒng)的構(gòu)造以及運(yùn)作原理進(jìn)行教學(xué)，并且在教學(xué)過后讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，教師在一旁充當(dāng)引導(dǎo)者的角色，提高學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力。
3結(jié)語
在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課程的教學(xué)當(dāng)中，首先要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式進(jìn)行著手，分析其中的問題，并且在教學(xué)內(nèi)容當(dāng)中，從教學(xué)內(nèi)容的配置與教學(xué)內(nèi)容整體性出發(fā)，解決其問題，而教學(xué)方式則通過實(shí)踐教學(xué)與理論教學(xué)兩個(gè)方面分析其解決策略，促進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革。
作者:黃安 曾軍華 單位:江西應(yīng)用工程職業(yè)學(xué)院
參考文獻(xiàn)
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關(guān)鍵詞：地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)(BAS)；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)控對象、監(jiān)控功能；分析
1地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)
為了滿足軌道交通的運(yùn)營要求，在車站設(shè)置了保障正常運(yùn)營的照明設(shè)備、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、屏蔽門系統(tǒng)、自動(dòng)扶梯、FAS火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警、售票系統(tǒng)等機(jī)電設(shè)備；在緊急狀態(tài)的報(bào)警、乘客疏散、救災(zāi)等的要求，軌道交通車站還設(shè)置了火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、水消防系統(tǒng)、氣體滅火系統(tǒng)、防排煙系統(tǒng)、防煙設(shè)備等機(jī)電設(shè)備和系統(tǒng)。為了實(shí)施這些系統(tǒng)和設(shè)備相互間的有序聯(lián)動(dòng)控制和監(jiān)視，在軌道交通線上設(shè)置了稱之為“環(huán)境與設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)”（ Building Automatic System-BAS）的自動(dòng)控制系統(tǒng)，形成了一個(gè)強(qiáng)大的軌道交通運(yùn)營保障系統(tǒng)。下面是設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)圖：詳見圖一
BAS系統(tǒng)將現(xiàn)代科技的計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制原理，以專門的地鐵環(huán)境通風(fēng)空調(diào)及防災(zāi)處理等理論為基礎(chǔ)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，利用分布式微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)對地鐵車站及區(qū)間隧道內(nèi)的空調(diào)通風(fēng)、給排水、照明、電梯、自動(dòng)扶梯、導(dǎo)向標(biāo)識等機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面的運(yùn)行管理與控制，在發(fā)生火災(zāi)或列車阻塞等事故情況時(shí)，能夠及時(shí)迅速地進(jìn)入防災(zāi)運(yùn)行模式，根據(jù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)發(fā)送的著火點(diǎn)信息或列車自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)送的阻塞點(diǎn)信息自動(dòng)調(diào)度送風(fēng)和排風(fēng)，進(jìn)行通風(fēng)排煙，引導(dǎo)人員疏散，極大地提高地鐵運(yùn)營的智能化和安全性。系統(tǒng)以節(jié)能為特色，綜合考慮列車、客流、車站設(shè)備、通風(fēng)等影響空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷的各種因素，根據(jù)地鐵熱環(huán)境變化的規(guī)律，對空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的全年運(yùn)行方式自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。
2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及監(jiān)控對象、監(jiān)控功能
地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)主要包括地鐵中央控制室OCC中央控制系統(tǒng)、車站MU控制系統(tǒng)、各站點(diǎn)通風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)和給排水系統(tǒng)、導(dǎo)向標(biāo)識系統(tǒng)、電梯、自動(dòng)扶梯等設(shè)備自動(dòng)控制等系統(tǒng)
控制系統(tǒng)采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大概可以分為三層，第一層包括裝置感應(yīng)器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和照明控制系統(tǒng)，使用現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)連接所有的現(xiàn)場設(shè)備。第二層含操作站和分站，即具體應(yīng)用控制器或自動(dòng)化站／設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。即車站MV系統(tǒng)，第三層是管理層及其廣域網(wǎng)絡(luò)。即中央控制中心(OCC)及地鐵公共傳輸網(wǎng)。采用TCP／IP協(xié)議通訊。車站為ControlNET光纖環(huán)網(wǎng)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，分布式控制。
2.1監(jiān)控對象、監(jiān)控功能
地體人線路的照明系統(tǒng)的控制是根據(jù)地鐵運(yùn)行時(shí)間具體要求，通過照明回路的開啟、關(guān)閉時(shí)間的設(shè)定對車站及隧道內(nèi)的照明進(jìn)行精確的控制，達(dá)到節(jié)能目的。監(jiān)控對象有：工作照明、廣告照明和節(jié)電照明等。監(jiān)控的主要功能有：工作照明、廣告照明和節(jié)電照明的啟停控制。除了地鐵運(yùn)行啟停時(shí)間對車站及隧道照明的控制，在非高峰運(yùn)行時(shí)段，可停止工作照明部分
通風(fēng)系統(tǒng)是BAS系統(tǒng)的主要組成部分，用來保證地鐵車站及隧道內(nèi)的環(huán)境溫濕度條件及改善環(huán)境對乘客感受舒適度影響。監(jiān)控對象有：1、隧道通風(fēng)系統(tǒng)：隧道風(fēng)機(jī)，組合風(fēng)閥，并監(jiān)測隧道的溫、濕度。2、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)：制冷機(jī)組、空調(diào)機(jī)組、回排風(fēng)機(jī)、以及送風(fēng)、回風(fēng)及公共區(qū)的溫濕度。3、空調(diào)水系統(tǒng)：冷水機(jī)組、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔、水路的電動(dòng)蝶閥，并檢測溫度、壓力和流量等。監(jiān)控的主要功能有：①機(jī)組定時(shí)啟?？刂?。根據(jù)事先排定的工作時(shí)間表定時(shí)啟停機(jī)組，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)機(jī)組工作時(shí)間，提示定時(shí)維修。②聯(lián)鎖保護(hù)控制。風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后，其前后壓差過低時(shí)，故障報(bào)警并聯(lián)鎖停機(jī)；風(fēng)機(jī)停止后，新、回風(fēng)風(fēng)門、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁閥自動(dòng)關(guān)閉；盤管處設(shè)溫控開關(guān)，當(dāng)溫度過低時(shí)開啟熱水閥。③送回風(fēng)溫度控制。自動(dòng)調(diào)節(jié)冷水閥開度，保證送回風(fēng)溫度為設(shè)定值。④送回風(fēng)濕度控制。自動(dòng)控制加濕閥開閉，保證送回風(fēng)濕度為設(shè)定值。⑤過濾器堵塞報(bào)警。空氣過濾器兩端壓差過大時(shí)報(bào)警，提示清掃。⑥冷負(fù)荷計(jì)算與冷水機(jī)組控制。⑦冷凍水差壓控制。根據(jù)冷凍水供回水壓差，自動(dòng)調(diào)節(jié)旁通調(diào)節(jié)閥，保持供水壓差恒定。⑧冷卻水溫度控制。根據(jù)冷卻水溫度，自動(dòng)控制冷卻塔風(fēng)機(jī)的運(yùn)行方式及啟停臺數(shù)。⑨機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的自動(dòng)顯示、定時(shí)打印及故障記錄
給排水系統(tǒng)，根據(jù)站內(nèi)用水量及各排水點(diǎn)水位狀況自動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行管理工作。監(jiān)控對象有：廢水、污水及車站其他排水泵，水池、水箱的液位。監(jiān)控的主要功能有：1、水位自動(dòng)控制。排水水位高于啟泵水位時(shí)，自動(dòng)起動(dòng)排水或排污泵；水位低于停泵水位時(shí)自動(dòng)停泵；水位高于報(bào)警水位時(shí)起動(dòng)備用泵；2、設(shè)備啟?？刂?；3、參數(shù)檢測及報(bào)警
電梯、自動(dòng)扶梯：車站自動(dòng)扶梯和無機(jī)房電梯運(yùn)行監(jiān)視和緊急報(bào)警
導(dǎo)向標(biāo)識系統(tǒng)，提供引領(lǐng)乘客進(jìn)入車站、乘車和離開車站的信息，緊急疏散時(shí)能引導(dǎo)乘客順利離開危險(xiǎn)區(qū)域并最終離開車站。監(jiān)控對象為：各類群控、單控導(dǎo)向標(biāo)識牌正常及緊急情況下的運(yùn)行。監(jiān)控的主要功能有：1、群控標(biāo)識牌的進(jìn)、出方向顯示，啟停控制。2、單控標(biāo)識牌的啟停控制
分析
構(gòu)成BAS系統(tǒng)的不同層級所完成的功能是不一樣的，通過各級的有機(jī)配合，最終實(shí)現(xiàn)BAS的整體功能：
1、中央級功能
中央級監(jiān)控系統(tǒng)是整個(gè)BAS系統(tǒng)的監(jiān)控核心，其功能設(shè)計(jì)應(yīng)面向地鐵運(yùn)營和維護(hù)，突出日常調(diào)度和防災(zāi)指揮功能，支持全局性的監(jiān)控和管理，并實(shí)現(xiàn)用于調(diào)度和運(yùn)營管理的數(shù)據(jù)設(shè)置、關(guān)鍵設(shè)備（隧道風(fēng)機(jī)等）的搖控、組控及模式控制等功能，為環(huán)調(diào)及維調(diào)提供用于運(yùn)營管理的、全局性的、并且可實(shí)現(xiàn)區(qū)域性監(jiān)控操作的各類高效實(shí)用的監(jiān)控手段。
2、車站級功能
車站BAS系統(tǒng)可以是一個(gè)以車站為單位的相對獨(dú)立的系統(tǒng)，從而完成車站BAS功能。車站BAS系統(tǒng)功能的主要目的是：
3、就地級功能
1）信號采集、轉(zhuǎn)換及傳輸功能2）顯示與診斷功能3）數(shù)據(jù)傳輸和協(xié)議轉(zhuǎn)換功能4）單臺設(shè)備控制功能5）聯(lián)鎖控制
結(jié)論：
關(guān)鍵詞： 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)；工程實(shí)踐；教學(xué)改革
0 引言
隨著制造業(yè)和計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的加工手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在設(shè)備的高精度、高智能化要求。傳統(tǒng)制造技術(shù)不斷地吸收計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、測量傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等，而且只有各部分之間相互結(jié)合，則產(chǎn)品的性能和功能就越好，只有實(shí)現(xiàn)多種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，才能實(shí)現(xiàn)整體最佳。這些技術(shù)就構(gòu)成了機(jī)電一體化技術(shù)，因此，運(yùn)用機(jī)電一體化技術(shù)設(shè)計(jì)機(jī)電設(shè)備或產(chǎn)品，改變機(jī)械產(chǎn)品與機(jī)械工業(yè)的面貌，滿足社會和生活的物質(zhì)要求，已成為工程設(shè)計(jì)人員的使命。要學(xué)好機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)這門課不僅需要掌握多門學(xué)科的理論，而且需要把這些課程融匯通，有機(jī)結(jié)合。
1 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程教學(xué)中存在的問題
1.1 教材的問題 目前存在很多機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)教材，內(nèi)容不同，側(cè)重點(diǎn)不同，深淺不一。由于該課程涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、伺服傳動(dòng)及檢測技術(shù)等多項(xiàng)內(nèi)容，教材中存在內(nèi)容選定、案例安排、基本概念界定等方面是否科學(xué)、合理也值得商榷；甚至大量內(nèi)容堆砌，把各種技術(shù)割裂開來講，不能從整體性、關(guān)聯(lián)性、集合性及環(huán)境適應(yīng)性等方面入手，以系統(tǒng)工程的方法為指導(dǎo)，綜合運(yùn)用機(jī)、電、控等各學(xué)科的技術(shù)設(shè)計(jì)新型產(chǎn)品，造成和微機(jī)控制、數(shù)控技術(shù)、伺服驅(qū)動(dòng)、檢測技術(shù)等課程內(nèi)容的簡單重復(fù)，不能將這些技術(shù)有機(jī)結(jié)合，使這門課缺乏新鮮感，導(dǎo)致學(xué)生失去學(xué)習(xí)興趣。另外，教材內(nèi)容缺乏新穎性，例如，當(dāng)前精度要求高的機(jī)電設(shè)備中的伺服驅(qū)動(dòng)元件大都采用交流伺服電機(jī)或直流伺服電機(jī)，而教材中卻重點(diǎn)在講解步進(jìn)電機(jī)的原理、驅(qū)動(dòng)控制，對伺服電機(jī)草草帶過，不作為重點(diǎn)講解內(nèi)容，教學(xué)內(nèi)容嚴(yán)重滯后，和實(shí)際工程應(yīng)用脫節(jié)。
1.2 教學(xué)方法的問題 長期以來，在機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)中，教師習(xí)慣運(yùn)用的是“滿堂灌”式的傳統(tǒng)講授教學(xué)法。注重具體技術(shù)的理論分析和講解，忽視了所講內(nèi)容在工程實(shí)際的聯(lián)系、培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力和實(shí)際操作的技能，不能使學(xué)生深切感受到機(jī)電一體化技術(shù)和日常生活中的機(jī)電產(chǎn)品的密切關(guān)系，感受機(jī)電系統(tǒng)學(xué)科的博大精深以及這門學(xué)科中處處蘊(yùn)含的技術(shù)之美，嚴(yán)重影響了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。
隨著計(jì)算機(jī)、投影儀等先進(jìn)設(shè)備在教學(xué)中的普及，使用多媒體教學(xué)成為課堂教學(xué)的大勢所趨、必然選擇，知識量明顯加大，加之該課程設(shè)計(jì)內(nèi)容廣，容易造成教學(xué)速度過快，導(dǎo)致學(xué)生和老師互動(dòng)較少，不利于調(diào)動(dòng)積極性。
1.3 教師存在的問題 機(jī)電一體化技術(shù)具有的實(shí)踐性、科學(xué)性、綜合性、創(chuàng)新性的特點(diǎn)，意味著講述這門課的教師也要具備實(shí)施工程教育的能力和素質(zhì)。只有教師自身具備工程實(shí)踐能力，才能用工程的視野去教學(xué)，才能將機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)過程以系統(tǒng)的建造能力與講授的課程相融合，為學(xué)生提供相關(guān)的案例，培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，增強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力，從而培養(yǎng)出更多未來的工程技術(shù)人員[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國普通高校專任教師中符合“雙師型”教師僅占16.3%[2]，其余青年教師大都從學(xué)校到學(xué)校，偏重理論知識的學(xué)習(xí)，從事工程實(shí)踐的經(jīng)歷較少，因此在授課中不能引用在工程實(shí)踐中積累的案例，更難講授在工程中如何解決實(shí)際問題的過程。這些情況嚴(yán)重束縛了本學(xué)科多樣性、實(shí)踐性的發(fā)展。
2 機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)教學(xué)改革思考
2.1 優(yōu)化講解內(nèi)容，建立合理的課程內(nèi)容體系 針對當(dāng)前教材中存在內(nèi)容堆砌、各種技術(shù)割裂、各模塊安排雜亂的現(xiàn)象，在講述課程中將內(nèi)容重新安排，這重講解機(jī)電系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)?？傮w設(shè)計(jì)是機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的最重要環(huán)節(jié)，它的優(yōu)劣直接影響系統(tǒng)的全部性能及使用情況，尤其是總體設(shè)計(jì)理論還處于經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)時(shí)，如何使總體設(shè)計(jì)最佳化，充分體現(xiàn)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法成為重點(diǎn)。按照原理方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、總體布局與環(huán)境設(shè)計(jì)這條主線延伸，進(jìn)而對機(jī)電一體化系統(tǒng)的各組成要素、相關(guān)技術(shù)（如：機(jī)械技術(shù)、計(jì)算機(jī)信息技術(shù)、控制技術(shù)、傳感器與檢測技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)等）及各組成部分之間通過什么接口有機(jī)的聯(lián)系在一起進(jìn)行重點(diǎn)分析講解，重構(gòu)了課程的內(nèi)容體系和知識結(jié)構(gòu)，使課程知識結(jié)構(gòu)體系內(nèi)容更具條理性、科學(xué)性。
2.2 實(shí)施多元化的教學(xué)方法
2.2.1 理論講授與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合 對機(jī)電系統(tǒng)中相關(guān)的基本概念、原理、設(shè)計(jì)方法主要采用講授的方式講解，提高學(xué)生的理論水平。另外，引導(dǎo)學(xué)生對日常生活中的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)，由學(xué)生查資料、制訂方案，然后由師生討論方案的可行性并加以修改，最后由學(xué)生完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)，這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生包括查文獻(xiàn)、方案設(shè)計(jì)、方案修改的能力，還提高了學(xué)生的自學(xué)能力、分析設(shè)計(jì)能力。
2.2.2 案例法 在講授的過程中通過“舉例”，使用一些工程案例說明問題。使用案例的目的是為了說明所要闡述的理論，幫助學(xué)生理解，增強(qiáng)課堂講授的趣味性。學(xué)生能通過對案例的“思考—分析—討論—判斷”，進(jìn)而掌握所學(xué)理論如何在工程中應(yīng)用，如何把理論和實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來，如何分析工程中環(huán)境的復(fù)雜性帶來的干擾，采用什么方法加以解決，這些都是教材中很少提到，但在工程中常常遇到的問題，通過這些典型案例加深理解，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。
2.2.3 報(bào)告式教學(xué) 對一些教師自己參與過的典型案例作專題報(bào)告，同時(shí)邀請本校老專家走進(jìn)課堂，把自己如何設(shè)計(jì)機(jī)電產(chǎn)品的過程以及親身感受與學(xué)生分享，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。
2.2.4 增加實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，以科研促教學(xué) 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容中，大大增加了綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的比例。對綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生自行設(shè)計(jì)一個(gè)產(chǎn)品，既要反映出機(jī)電系統(tǒng)的各要素，又要反映出各要素之間的相互關(guān)系；對創(chuàng)新性研究實(shí)驗(yàn)，先由學(xué)生提出設(shè)計(jì)方案，教師審查確定其方案合理與可行后，由學(xué)生自行設(shè)計(jì)完成。
2.3 加強(qiáng)教師工程實(shí)踐能力 機(jī)電系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)踐性，教師如果只具備扎實(shí)的理論知識而缺乏實(shí)踐的經(jīng)歷是難以勝任這門課的教學(xué)工作的。因此，加強(qiáng)教師工程實(shí)踐能力勢在必行。可以通過校企合作，鼓勵(lì)青年教師在具有豐富經(jīng)驗(yàn)的老教師的帶動(dòng)下，以項(xiàng)目為驅(qū)動(dòng)，積極參與企業(yè)的攻關(guān)課題，促進(jìn)科研成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化，并且在參與工程實(shí)踐項(xiàng)目的同時(shí)，拓展工程視野，提升團(tuán)隊(duì)合作能力[1]。
2.4 參與教師科研，提高學(xué)生實(shí)踐能力 吸收學(xué)生參加教師的科研工作，充當(dāng)科研助手，接受教師科研思想熏陶和科研方法的鍛煉，通過參與提高從事科研的能力，培養(yǎng)作為一個(gè)科技工作者應(yīng)具備的良好素質(zhì)，為學(xué)生走向工作崗位奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[3]。
3 結(jié)束語
在機(jī)電系統(tǒng)的教學(xué)過程中應(yīng)通過各種形式讓學(xué)生更深、更廣、更遠(yuǎn)的了解本專業(yè)的特點(diǎn)、內(nèi)容、發(fā)展。充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的主動(dòng)性參與到工程實(shí)踐中，才能在實(shí)踐中培養(yǎng)出分析解決問題的能力，才能從系統(tǒng)的角度出發(fā)，深刻理解機(jī)電系統(tǒng)的各個(gè)部分之間是如何有機(jī)的聯(lián)系在一起的，設(shè)計(jì)出更加優(yōu)質(zhì)的機(jī)電產(chǎn)品。
參考文獻(xiàn)：
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>> 美設(shè)計(jì)出地面超高速運(yùn)輸系統(tǒng) 基于FPGA的超高速數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 嵌入式超高速數(shù)字圖像實(shí)時(shí)存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì) 超高速電梯井道的特殊設(shè)計(jì)分析 超高速USB來了 超高速全幅 超高速彩色打印 超高速軍艦技術(shù)分析 超高速存儲外設(shè)怎么選 義烏外貿(mào)超高速增長之謎 超高速物理通道的完整性設(shè)計(jì)方案研究 機(jī)電控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專題：單波長太比特以上超高速光通信系統(tǒng)技術(shù)與器件 超高速全光信息處理 超高速卷煙分揀設(shè)備及技術(shù) 中國銀行業(yè):警惕超高速增長 戰(zhàn)后世界超高速軍艦的發(fā)展 美國超高速軍艦的發(fā)展現(xiàn)狀 張建國：銀行超高速增長已成往事 圍繞銀河黑洞超高速運(yùn)轉(zhuǎn)的恒星 常見問題解答 當(dāng)前所在位置：
關(guān)鍵詞：高速攝影；單片機(jī)；CPLD；轉(zhuǎn)速測量
DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018
引言
超高速攝影與一般攝影最根本的區(qū)別，在于它能以極快的速度進(jìn)行拍攝，有很高的時(shí)間分辨率，能夠?qū)⒖焖僮兓倪^程記錄下來，可以廣泛應(yīng)用于高速運(yùn)動(dòng)過程研究、瞬態(tài)光譜物理、高能物理、炸藥爆轟參數(shù)測量等領(lǐng)域。
超高速攝影有超高速光電相機(jī)、轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影等。轉(zhuǎn)鏡式高速攝影有較高的分辯力，轉(zhuǎn)鏡式高速攝影掃描系統(tǒng)的掃描速度可達(dá)0.375km/ s～15km/s，系統(tǒng)分辯力可達(dá)80lp/ mm，高速攝影分幅系統(tǒng)的攝影頻率可達(dá)104fps～107fps，系統(tǒng)分辨力可達(dá)35lp/mm，可滿足速度最高可達(dá)幾十千米每秒的高速運(yùn)動(dòng)物體的測試需求。
轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)是一個(gè)涉及光學(xué)、機(jī)械、電子等技術(shù)領(lǐng)域的復(fù)雜精密系統(tǒng)，主要由光學(xué)系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，這里主要對某項(xiàng)目中用到的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影系統(tǒng)的電路控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。
超高速攝影電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影電路控制系統(tǒng)使高速攝影機(jī)各部分按程序工作，保證高速攝影機(jī)以500萬幀/秒的速度準(zhǔn)確可靠地高速拍攝。超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)是保證攝影機(jī)準(zhǔn)確可靠工作、提供分析所需數(shù)據(jù)的指揮機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)性能的好壞是衡量高速攝影機(jī)質(zhì)量的重要標(biāo)志。
超高速攝影電路控制系統(tǒng)主要由控制箱、電源、計(jì)算機(jī)等組成。電控系統(tǒng)主要功能為：（1）快門開啟和關(guān)閉的控制；（2）調(diào)整和控制轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)速度；（3）轉(zhuǎn)鏡旋轉(zhuǎn)速度測量和指示；（4）引發(fā)脈沖光源；（5）安全保護(hù)功能，包括電機(jī)的過流保護(hù)、傳感器斷電保護(hù)等。超高速攝影電控系統(tǒng)工作流程示意如圖1所示。
單片機(jī)ATMega16L通過RS485通信接受計(jì)算機(jī)的指令并完成對其它各個(gè)分系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制。電機(jī)脈沖信號放大板將轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速測量板的信號放大并送給CPLD邏輯電路XC95288進(jìn)行測速，并與轉(zhuǎn)鏡速度控制單元的測速值進(jìn)行比較，用于判斷是否達(dá)到設(shè)定的速度；脈沖氙燈控制器用于開啟脈沖氙燈和引發(fā)目標(biāo)信號，機(jī)械快門控制單元實(shí)現(xiàn)對攝影機(jī)的保護(hù)，外部觸發(fā)及同步信號單元用來獲取外部的同步信號，并根據(jù)到達(dá)拍攝區(qū)域的時(shí)間確定零時(shí)信號。系統(tǒng)各控制模塊（除電機(jī)控制器外）和電源等都裝配在控制機(jī)柜中，并通過電纜與對應(yīng)的快門、電機(jī)、氙燈、傳感器和液晶顯示模塊等連接起來。
邏輯電路XC95288的功能設(shè)計(jì)
XC95288是Xilinx公司的在系統(tǒng)可編程CPLD器件，主要用來完成邏輯控制和轉(zhuǎn)鏡速度測量等功能，其控制的內(nèi)容包括轉(zhuǎn)鏡速度和外部同步信號的讀取、控制機(jī)械快門、脈沖氙燈以及觸發(fā)目標(biāo)，同時(shí)也控制MAX485等芯片實(shí)現(xiàn)與上位控制計(jì)算機(jī)的半雙工通信。
XC95288與MAX485的連接電路如圖3所示。
超高速攝影機(jī)需要將轉(zhuǎn)鏡加速到預(yù)定的拍攝速度，并能夠維持?jǐn)?shù)秒（維持時(shí)間不宜過長，否則將損壞電機(jī)），以等待拍攝目標(biāo)的到來。因此要設(shè)定拍攝速度的自動(dòng)選擇環(huán)節(jié)，當(dāng)轉(zhuǎn)鏡速度達(dá)到預(yù)定的轉(zhuǎn)速時(shí)，它能自動(dòng)給出信號以穩(wěn)定電機(jī)轉(zhuǎn)速。當(dāng)攝影頻率為500萬幀/秒=5×106fps時(shí)，拍攝320個(gè)畫幅對應(yīng)轉(zhuǎn)鏡的旋轉(zhuǎn)角度為120°，此時(shí)轉(zhuǎn)鏡轉(zhuǎn)速n為：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。
為了測量電機(jī)轉(zhuǎn)速是否達(dá)到設(shè)定的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，這里設(shè)計(jì)一個(gè)速度測量電路，其參數(shù)如下：（a）頻率測量范圍：10Hz～1MHz；（b）測量分辨率：1Hz；（c）測量通道靈敏度：50mVpp；（d）通道輸入阻抗：≥100kΩ。
（1）電機(jī)信號整形電路
電機(jī)轉(zhuǎn)速輸入的速度頻率信號是方波，并且信號的測量通道靈敏度為50mVpp，為此需要將速度信號放大整形成標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平的方波信號，便于XC95288對信號脈沖的計(jì)數(shù)，放大電路需要將最小為Vpp=50mV的信號經(jīng)過放大整形后變成Vpp=5V電平，并且前向通道電阻≥100kΩ，則放大電路的電壓放大倍數(shù)為：
第一級射級跟隨器提高了輸入阻抗，使其滿足Ri≥100kΩ的要求，使得信號基本上送入后級，再經(jīng)過兩級的放大使信號放大，最后經(jīng)施密特觸發(fā)器整形成比較好的方波信號，為后面的處理提供信號。
（2）電機(jī)速度頻率測量電路
XC95288主要實(shí)現(xiàn)對被測信號的脈沖個(gè)數(shù)進(jìn)行處理，并通過串口發(fā)送到PC上進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。這里采用有源晶振40MHz進(jìn)行分頻得到計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘，標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘為電機(jī)速度頻率測量提供精度相對較高的時(shí)基信號，其時(shí)間的穩(wěn)定性和精度將會直接影響到測量的準(zhǔn)確性。
用XC95288實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度測量的電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。
在XC95288內(nèi)部電路中，F(xiàn)0、F1輸入端口分別輸入標(biāo)準(zhǔn)脈沖和待測的速度脈沖信號（經(jīng)過整形放大以后的信號），計(jì)數(shù)器0和1分別對標(biāo)準(zhǔn)脈沖F0和待測信號F1進(jìn)行計(jì)數(shù)，鎖存器0和1分別對計(jì)數(shù)器0和1的計(jì)數(shù)值進(jìn)行保存，16位的輸入端口NP作為預(yù)置閘門時(shí)間的設(shè)定端口，設(shè)其輸入值為NP，則預(yù)置閘門時(shí)間T0為T0=NP/f0。
在電路剛開始工作時(shí)，由清零信號CLR對所有的計(jì)數(shù)器、鎖存器和D觸發(fā)器清零。這樣，計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值NN0的初值為0，故此時(shí)NP>NN0，比較器輸出為1，但此時(shí)DFF0觸發(fā)器的輸出F2仍保持此初值0，由于F2作用在計(jì)數(shù)器0和1的使能端，此時(shí)計(jì)數(shù)器沒有開始計(jì)數(shù)，直到信號F1的上升沿到來后，DFF0觸發(fā)器的輸出F2才翻轉(zhuǎn)為1，允許兩計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。隨著計(jì)數(shù)值的增加，當(dāng)NN0>NP時(shí)，比較器輸出等于0，不過此時(shí)兩個(gè)計(jì)數(shù)器仍在計(jì)數(shù)，直到信號F1的又一上升沿到來后，F(xiàn)2=0，兩個(gè)計(jì)數(shù)器都停止計(jì)數(shù)，利用F2的下降沿（F3的上升沿）將此時(shí)的計(jì)數(shù)值NN0和NN1分別通過鎖存器0和1鎖存起來。然后利用此時(shí)F2=0，經(jīng)D1觸發(fā)器延時(shí)到信號F0的上升沿到來后，對計(jì)數(shù)器0、1清零。延時(shí)清零的原因是為了避免鎖存器鎖存數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器清零同時(shí)進(jìn)行，從而使存儲數(shù)據(jù)出錯(cuò)。但由于延時(shí)清零，使實(shí)際門控信號的上升沿比速度信號F0的上升沿滯后，滯后時(shí)間為信號F0的一個(gè)周期。為使檢測結(jié)果準(zhǔn)確，將計(jì)數(shù)器0的計(jì)數(shù)值加1即可。F2實(shí)質(zhì)上就是實(shí)際門控信號。
在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需要考慮計(jì)數(shù)器溢出的情況。例如，在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的情況下，兩個(gè)速度脈沖信號上升沿間的時(shí)間間隔較長，這使實(shí)際閘門時(shí)間變得很長，在該段時(shí)間內(nèi)，計(jì)數(shù)器0可能會出現(xiàn)溢出情況。在該情況下，可用3種方法來解決計(jì)數(shù)：一是增加計(jì)數(shù)器0的位數(shù)；二是通過增加計(jì)數(shù)器來對溢出次數(shù)另行讀數(shù)；三是一旦計(jì)數(shù)器溢出，便認(rèn)為此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速約等于0。這里采用的方法是：在電機(jī)轉(zhuǎn)速很慢的時(shí)候延時(shí)2秒種后再進(jìn)行測量，而且計(jì)數(shù)器都采用16位寬度。
單片機(jī)ATMega16L的功能設(shè)計(jì)
ATMega16L單片機(jī)是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能單片機(jī)，采用精簡指令集，具有預(yù)取指令功能，指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行，處理速度快。在高速攝影電控系統(tǒng)中，ATMega16L單片機(jī)負(fù)責(zé)讀取XC95288的電機(jī)測速值，處理控制內(nèi)外信息的輸入輸出接口，并與上位控制計(jì)算機(jī)通過RS-485接口進(jìn)行信息交互。
在軟件編程時(shí)，利用ATMega16L單片機(jī)定時(shí)/計(jì)數(shù)器與系統(tǒng)時(shí)鐘的預(yù)定比例分頻器，可以獲得很高分辨率的時(shí)間間隔控制精度，例如，單片機(jī)系統(tǒng)采用8MHz的晶振工作，采用8分頻，則時(shí)間控制的間隔可以達(dá)到微秒，完全能夠?qū)崿F(xiàn)超高速攝影中要求的0.1微秒的控制精度。
這里給出一個(gè)ATMega16L單片機(jī)讀取XC95288的電機(jī)測速值的C語言子程序。
結(jié)束語
根據(jù)以上電路設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)鏡式超高速攝影機(jī)電控系統(tǒng)，已在某系統(tǒng)超高速攝影機(jī)中得到應(yīng)用，系統(tǒng)工作良好。
參考文獻(xiàn)：
【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；控制技術(shù)；設(shè)計(jì)；應(yīng)用方法
中圖分類號：C35文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
工業(yè)一直以來都是國民經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，其不僅關(guān)系著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展進(jìn)程，也影響了整個(gè)社會科技的發(fā)展水平。新經(jīng)濟(jì)體制下，我國工業(yè)科技取得了新的研究成果，改變了過去單一的技術(shù)應(yīng)用方案。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是工業(yè)經(jīng)濟(jì)中的先進(jìn)模式，由于多種技術(shù)融入而提高技術(shù)的實(shí)用性，這些都能為企業(yè)發(fā)展創(chuàng)造有利的條件。
一、機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成
從構(gòu)成要素上來看，機(jī)電一體化系統(tǒng)由機(jī)械系統(tǒng)(機(jī)構(gòu))、電子信息處理系統(tǒng)(計(jì)算機(jī))、動(dòng)力系統(tǒng)(動(dòng)力源)、傳感檢測系統(tǒng)(傳感器)、執(zhí)行元件系統(tǒng)(如電機(jī))等五個(gè)子系統(tǒng)組成。機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本特征是給”機(jī)械”增添了頭腦(計(jì)算機(jī)信息處理與控制)，因此是要求傳感器技術(shù)、控制用接口元件、機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制軟件水平較高的系統(tǒng)。
從所要實(shí)現(xiàn)功能上來看，因?yàn)闄C(jī)電一體化系統(tǒng)(或產(chǎn)品)是由若干具有特定功能的機(jī)械與微電子要素組成的有機(jī)整體，要有滿足人們使用要求的功能(目的功能)，所以根據(jù)不同的使用目的，要求系統(tǒng)能對輸入的物質(zhì)、能量和信息(即工業(yè)三大要素)進(jìn)行某種處理，輸出所需要的物質(zhì)、能量和信息。因此，系統(tǒng)必須具有以下三大“目的功能”：①變換(加工、處理)功能；②傳遞(移動(dòng)、輸送)功能；③儲存(保持、積蓄、記錄)功能,不管是實(shí)現(xiàn)哪類“目的”功能的系統(tǒng)(或產(chǎn)品)，其系統(tǒng)內(nèi)部必須具備如下圖所示的五種內(nèi)部功能，即主功能、動(dòng)力能功能、檢測功能、控制功能、構(gòu)造功能。其中“主功能”是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)“目的功能”直接必需的功能，主要是對物質(zhì)、能量、信息或其相互結(jié)合進(jìn)行變換、傳遞和存儲?！皠?dòng)力功能”是向系統(tǒng)提供動(dòng)力、讓系統(tǒng)得以運(yùn)轉(zhuǎn)的功能?！皺z測功能和控制功能”的作用是根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部信息和外部信息對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，使系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施“目的功能”。而“構(gòu)造功能”則是使構(gòu)成系統(tǒng)的子系統(tǒng)及元、部件維持所定的時(shí)間和空間上的相互關(guān)系所必需的功能。從系統(tǒng)的輸入／輸出來看，除有主功能的輸入／輸出之外，還需要有動(dòng)力輸入和控制信息的輸入／輸出。此外，還有因外部環(huán)境引起的干擾輸入以及非目的性輸出(如廢棄物等)。
既然機(jī)電一體化系統(tǒng)(產(chǎn)品)可以分解成一系列要素或子系統(tǒng)構(gòu)成，那么怎樣使各要素或子系統(tǒng)之間順利地進(jìn)行物質(zhì)、能量和信息的傳遞與交換呢?這就涉及到了接口的概念。所謂接口就是各要素或各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系條件。從系統(tǒng)外部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)的輸入／輸出是與人、自然及其他系統(tǒng)之間的接口；從系統(tǒng)內(nèi)部看，機(jī)電一體化系統(tǒng)是由許多接口將系統(tǒng)構(gòu)成要素的輸入／輸出聯(lián)系為一體的系統(tǒng)。從這一觀點(diǎn)出發(fā)，系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于接口的性能，各要素或各子系統(tǒng)之間的接口性能就成為綜合系統(tǒng)性能好壞的決定性因素。機(jī)電一體化系統(tǒng)是機(jī)械、電子和信息等功能各異的技術(shù)融為一體的綜合系統(tǒng)，其構(gòu)成要素或子系統(tǒng)之間的接口極為重要，在某種意義上講，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)歸根結(jié)底就是“接口設(shè)計(jì)”。廣義的接口功能有兩種，一種是輸入／輸出的功能；另一種是變換、調(diào)整的功能。
二、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展?，F(xiàn)在的機(jī)電一體化技術(shù)，是機(jī)械和微電子技術(shù)緊密集合的一門技術(shù)，它的發(fā)展使冷冰冰的機(jī)器有了人性化、智能化。從企業(yè)角度分析，開辟新工業(yè)生產(chǎn)模式是行業(yè)科技的創(chuàng)新要求，也是實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)收益最大化的必要條件。筆者認(rèn)為，機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注重幾大模塊的控制：
（1）結(jié)構(gòu)模塊。機(jī)械本體是系統(tǒng)的所有功能要素的機(jī)械支持結(jié)構(gòu)，一般包括有機(jī)身、框架、支撐、聯(lián)接等，這是機(jī)電系統(tǒng)控制的主要對象。設(shè)計(jì)一體化系統(tǒng)要考慮設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)設(shè)置，使機(jī)電、機(jī)械等設(shè)備發(fā)揮出預(yù)期的功效，這樣才可以加快控制系統(tǒng)的功能發(fā)揮。
（2）動(dòng)力模塊。動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部分依據(jù)系統(tǒng)控制要求，為系統(tǒng)提供能量和動(dòng)力以使系統(tǒng)正常運(yùn)行。無論是哪一種類型的機(jī)械設(shè)備，都要借助動(dòng)力系統(tǒng)才能正常地運(yùn)轉(zhuǎn)，這是機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。動(dòng)力模塊設(shè)計(jì)可選用變頻調(diào)節(jié)技術(shù)，根據(jù)主電機(jī)傳輸能量的大小，由變頻器自動(dòng)控制電傳動(dòng)速率，進(jìn)而對設(shè)備動(dòng)力供應(yīng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣能夠方便機(jī)電系統(tǒng)的自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。
（3）感知模塊。測試傳感部分對系統(tǒng)的運(yùn)行所需要的本身和外部環(huán)境的各種參數(shù)和狀態(tài)進(jìn)行檢測，并變成可識別的信號，傳輸給信息處理單元，經(jīng)過分析、處理后產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息。傳感器是信息傳遞的主要設(shè)備，用其作為信號感應(yīng)與自處理裝置，對機(jī)電設(shè)備調(diào)度具有指導(dǎo)作用。無線傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，能夠幫助控制系統(tǒng)快速地分析數(shù)據(jù)信息，避免其他信號傳遞造成的干擾。
（4）指令模塊?？刂萍靶畔⑻幚聿糠謱碇疁y試傳感部分的信息及外部直接輸入的指令進(jìn)行集中、存儲、分析、加工處理后，按照信息處理結(jié)果和規(guī)定的程序與節(jié)奏發(fā)出相應(yīng)的指令，控制整個(gè)系統(tǒng)有目的的運(yùn)行。機(jī)電一體化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮指令的控制，尤其是自然語言與計(jì)算機(jī)語言之間的轉(zhuǎn)換，更應(yīng)該朝著一體化方向轉(zhuǎn)變，這是保證機(jī)電信號穩(wěn)定傳輸?shù)闹攸c(diǎn)條件。
三、機(jī)電一體化系統(tǒng)的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)
（1）機(jī)械技術(shù)：機(jī)電一體化的機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品的區(qū)別在于：機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡單、機(jī)械功能更強(qiáng)、性能更優(yōu)越。在設(shè)計(jì)和制造機(jī)械系統(tǒng)時(shí)除了考慮靜態(tài)、動(dòng)態(tài)剛度及熱變形等問題外，還應(yīng)考慮采用新型復(fù)合材料和新型結(jié)構(gòu)及新型的制造工藝和工藝裝置。
（2）傳感檢測技術(shù)：傳感檢測技術(shù)的內(nèi)容，一是研究如何將各種被測量轉(zhuǎn)換為與之成比例的電量；二是研究對轉(zhuǎn)換的電信號的加工處理。機(jī)電一體化系統(tǒng)要求傳感檢測裝置能快速、準(zhǔn)確、可靠地獲取信息。
（3）信息處理技術(shù)：信息處理的發(fā)展方向是提高信息處理的速度、可靠性和智能化程度。人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等都屬于計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)的范疇。
（4）自動(dòng)控制技術(shù)：機(jī)電一體化系統(tǒng)中的自動(dòng)控制技術(shù)主要包括位置控制、速度控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制以及模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。
（5）伺服傳動(dòng)技術(shù)：伺服傳動(dòng)包括電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓等各種類型的傳動(dòng)裝置，常見的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要有電氣伺服和液壓伺服。
（6）系統(tǒng)總體技術(shù)：機(jī)電一體化系統(tǒng)是一個(gè)技術(shù)綜合體，它利用系統(tǒng)總體技術(shù)將各有關(guān)技術(shù)協(xié)調(diào)配合、綜合運(yùn)用而達(dá)到整體系統(tǒng)的最佳化。
四、機(jī)電一體化控制系統(tǒng)是工業(yè)生產(chǎn)調(diào)度的主要趨勢，也是基于信息科技的自動(dòng)化控制平臺，用其作為工業(yè)生產(chǎn)控制模塊，有助于加強(qiáng)生產(chǎn)設(shè)施的工作性能，帶動(dòng)了生產(chǎn)效率的全面提升。同時(shí)，借助控制及信息處理部分發(fā)出的指令，可快速完成規(guī)定的動(dòng)作和功能。除此之外，新型機(jī)電控制系統(tǒng)應(yīng)用還表現(xiàn)在其它方面：
（1）人機(jī)智能化。從未來科學(xué)技術(shù)的發(fā)展角度考慮，我國機(jī)電一體化控制系統(tǒng)也將朝著智能方向改進(jìn)，這種智能性特點(diǎn)是在原控制模式上的升級，應(yīng)用了多功能控制技術(shù)作為輔助方案。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷推廣，機(jī)電一體化作業(yè)模式的智能系數(shù)更高，大部分人工操作均可通過計(jì)算機(jī)控制平臺處理，這些改變了傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)模式的不足。
（2）數(shù)字一體化。數(shù)字一體化是對機(jī)電一體化控制的延伸，其選用高科技數(shù)字系統(tǒng)作為支撐，對機(jī)電設(shè)備動(dòng)作指令進(jìn)行合理地調(diào)度，幫助工業(yè)系統(tǒng)解決實(shí)際生產(chǎn)中的問題。數(shù)字一體化以微型計(jì)算機(jī)為控制平臺，這種小型計(jì)算機(jī)具備了常規(guī)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理功能，因其外形輕巧而適合安裝于機(jī)電設(shè)備。利用數(shù)字傳感器對控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)感應(yīng)，發(fā)現(xiàn)異常信號后及時(shí)調(diào)整指令，加快了數(shù)字系統(tǒng)的自處理效率。
參考文獻(xiàn)
[1]丁子華.新時(shí)期多功能通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].工業(yè)科技研究.2009，20（12）：19～21
【關(guān)鍵詞】地鐵機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng) 設(shè)計(jì)
中圖分類號：S611 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：
地鐵車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)( EMCS) 通過中央級、車站級和就地級三級對車站設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控, 通過中央級和車站級進(jìn)行系統(tǒng)管理。車站設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)對全線各個(gè)車站的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備、給排水設(shè)備、自動(dòng)扶梯、電梯、車站公共區(qū)照明、廣告照明、車站事故照明電源、屏蔽門及人防密閉隔斷門等車站設(shè)備進(jìn)行全面、有效的自動(dòng)化監(jiān)控及管理，確保設(shè)備處于高效、節(jié)能、可靠的最佳運(yùn)行狀態(tài)，并創(chuàng)造一個(gè)舒適的地下環(huán)境，此外在火災(zāi)等災(zāi)害或阻塞事故狀態(tài)下，能夠更好地協(xié)調(diào)車站設(shè)備的運(yùn)行，充分發(fā)揮各種設(shè)備應(yīng)有的作用來保證乘客的安全和設(shè)備的正常運(yùn)行。
一、系統(tǒng)設(shè)置目的
地下鐵路作為現(xiàn)代化城市建設(shè)的標(biāo)志之一，因其具有無污染、低噪音、高速度等優(yōu)點(diǎn)，目前已被越來越多的城市所采用。機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)( EMCS) 是將計(jì)算機(jī)及其網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合的機(jī)電設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的控制對象主要為地鐵通風(fēng)空調(diào)設(shè)備、給排水設(shè)備、正常照明設(shè)備及電扶梯等設(shè)備。其主要作用為：對地鐵內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)視和控制，使其在正常情況下滿足乘客舒適度的要求，并在緊急情況下提供正確可靠的信息來保證乘客等人員安全。其中，由于地鐵工程的通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)與一般的地上建筑完全不同，其溫濕的變化既有它的周期性，也有受外界干擾的隨機(jī)變化無規(guī)律性，因此，通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)容量大且復(fù)雜。在這種情況下，如果沒有計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，只靠工作人員人為去控制是根本無法實(shí)現(xiàn)的。所以在全線設(shè)置EMCS 系統(tǒng)非常重要。設(shè)置機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)是想借一斑而窺全貌，想以此達(dá)到反映整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，確保以上這些系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行的目的。特別是在地下車站發(fā)生火災(zāi)事故的情況下，能夠使有關(guān)救災(zāi)設(shè)施按照設(shè)計(jì)工況及時(shí)有效地運(yùn)行，從而保障人身安全。
二、地鐵監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)
1、環(huán)境條件特殊
地鐵建筑所處環(huán)境具有特殊性，由于機(jī)車為電力牽引,且地下相對外界隔絕，環(huán)境潮濕。既不同于地面商用建筑物，一般所處環(huán)境較好，電磁干擾較輕，也不同于工廠金屬粉塵等有害物質(zhì)較多，環(huán)境惡劣。
2、功能要求特殊
地下鐵路屬于公共交通行業(yè), 是城市交通的一面窗口，是面向乘客的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，反映了城市的先進(jìn)程度。這種服務(wù)除了人的因素以外，設(shè)備的安全、可靠、高效、節(jié)能所帶來的舒適感、安全性也非常重要。不同于智能樓宇側(cè)重于辦公自動(dòng)化、通信自動(dòng)化、長時(shí)間工作下環(huán)境智能調(diào)節(jié)的要求,地鐵建筑監(jiān)控系統(tǒng)則更側(cè)重有利于安全行車管理、變化客流下的環(huán)境調(diào)節(jié)、災(zāi)害情況下的疏散導(dǎo)引、相關(guān)設(shè)備在各種情況下的有效運(yùn)行。
三、監(jiān)控系統(tǒng)組成及功能
1、車站級監(jiān)控系統(tǒng)組成由設(shè)置于車站環(huán)控電控室和車站控制室( SCR) 的可編程序控制器( PLC) 采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)信號，通過網(wǎng)絡(luò)通訊線傳遞到車站級服務(wù)器及監(jiān)控工作站，車站監(jiān)控人員再通過工作站下達(dá)控制指令，由PLC 傳遞到現(xiàn)場設(shè)備完成。
2、中央級監(jiān)控系統(tǒng)由中央級局域網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)包括主備監(jiān)控主機(jī)、主備服務(wù)器、檔案管理計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、打印機(jī)、打印機(jī)服務(wù)器、大屏幕顯示系統(tǒng)和UPS 等設(shè)備。
3、就地級監(jiān)控設(shè)備組成：作為車站級監(jiān)控設(shè)備PLC 控制器的組成部分，遠(yuǎn)程I/ O 設(shè)備直接與現(xiàn)場設(shè)備連接，采集從現(xiàn)場傳感器檢測到的各類信號；同時(shí)，遠(yuǎn)程I/ O 也將上級下達(dá)的控制任務(wù)，直接傳遞到現(xiàn)場的閥門、開關(guān)及電機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，從而完成系統(tǒng)的控制指令。對于關(guān)鍵性的監(jiān)控場合，使用帶CPU 處理器的遠(yuǎn)程I/ O 來實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制功能。
4、地鐵監(jiān)控系統(tǒng)從全線功能來講，包括了設(shè)在全線調(diào)度指揮中心的中央級功能，設(shè)在各個(gè)車站控制室和環(huán)控電控室的車站級功能，以及設(shè)在被控設(shè)備附近的就地級功能。
車站級設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)統(tǒng)一管理本車站的被控設(shè)備。接收中央級下達(dá)的指令，完成其控制要求，以及實(shí)現(xiàn)對車站的環(huán)境監(jiān)控、其他機(jī)電設(shè)備的監(jiān)控管理和導(dǎo)向設(shè)備監(jiān)控。
四、車站級網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成
1、點(diǎn)對點(diǎn)形式
車站局域網(wǎng)采用1: N 點(diǎn)對點(diǎn)的結(jié)構(gòu)方式，局域網(wǎng)上設(shè)置服務(wù)器，通過集線器可同時(shí)與所有子網(wǎng)控制器進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)數(shù)據(jù)交換，通信方式采用輪回仲裁方法，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式。該方案屬于集中式通信策略，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，易于擴(kuò)充，但需要的數(shù)據(jù)通路多，而且工作站處容易形成通信故障的瓶頸。
2、環(huán)形以太網(wǎng)形式
局域網(wǎng)通過連接設(shè)備將網(wǎng)絡(luò)連接成環(huán)型，系統(tǒng)各控制器作為環(huán)網(wǎng)上的節(jié)點(diǎn)互通信息。網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議采用TCPPIP 協(xié)議組標(biāo)準(zhǔn)，通信方式為CSMAPCD。由于以太網(wǎng)是一個(gè)非常開放的網(wǎng)絡(luò)，且通訊能力強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備成熟。但其傳輸效率的能力相對薄弱，如果采用高可靠、高品質(zhì)的交換機(jī)作為連接設(shè)備，利用它的存儲轉(zhuǎn)發(fā)功能，建立邏輯上的多通道，則可以較好地解決這一問題。另外，為了保證系統(tǒng)的控制和信息的響應(yīng)時(shí)間，可選擇通信速率為100Mbps 的高速以太網(wǎng)。
3、工業(yè)總線形式
系統(tǒng)各控制器作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接在總線網(wǎng)上，利用總線作為節(jié)點(diǎn)的共同信道互通信息。采用廣播或主從等方式通信。這種總線方式，通訊效率高，節(jié)點(diǎn)增加容易。常用在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，通信效率和可靠性依據(jù)大量的工業(yè)實(shí)踐有所保證。但不同廠家的總線系統(tǒng)有各自的數(shù)據(jù)通信特點(diǎn)，相應(yīng)的總線產(chǎn)品有其自己的市場定位，在開放性方面都有所努力，以達(dá)到通用性的目的。
五、設(shè)備選型分析
車站級局域網(wǎng)的高效運(yùn)行，往往取決于網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備和信息傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)，而控制器的選擇又直接關(guān)系到系統(tǒng)控制性能的高低。在高速以太網(wǎng)尚未普及之前，大多數(shù)以太網(wǎng)10Mbps，沒有交換機(jī)的需求。對于百兆以太網(wǎng)，選用高品質(zhì)10P100Mbps 自適應(yīng)端口的交換機(jī)，可以使其連接的每個(gè)端口設(shè)備擁有足夠的帶寬。其自動(dòng)偵測交換和全雙工功能，使網(wǎng)絡(luò)有著良好的擴(kuò)充延伸性能。而支持冗余雙環(huán)硬件自動(dòng)切換的功能，使以太網(wǎng)的雙環(huán)結(jié)構(gòu)成為可能， 這樣就在網(wǎng)絡(luò)故障自愈能力上提高了系統(tǒng)的可靠性。
采用多模光纜作為傳輸介質(zhì)，避免了強(qiáng)電磁感應(yīng)、高電壓引起的干擾。選用帶有鋼護(hù)帶，具有良好抗拉伸和抗側(cè)壓，以及防濕防潮性能的光纜，更有利于在地下的安裝敷設(shè)和系統(tǒng)傳輸可靠性的提高。
作為車站級監(jiān)控系統(tǒng)的核心部件，控制器的處理能力、處理速度、擴(kuò)展能力、可靠性、易維護(hù)性等諸多方面都要有所考慮。而PLC 在這些方面則有很好的性能和實(shí)踐。在對實(shí)際數(shù)量的IPO 數(shù)據(jù)收發(fā)的同時(shí)，有大量的中間處理數(shù)據(jù)，選擇CPU 的處理能力就要遠(yuǎn)大于實(shí)際的IPO 數(shù)量。對于不同的指令，處理速度有幾倍，甚至幾十倍的差別，選擇基本賦值指令作為參考，具有可比性。為提高可靠性，如一臺PLC 被診斷故障，另一臺必須保證所有下層設(shè)備及數(shù)據(jù)通訊不間斷、無擾動(dòng)的繼續(xù)正常運(yùn)行，PLC 常需要冗余配置。配置方式有單電源- 雙CPU、雙電源- 單CPU、雙電源- 雙CPU的多種組合, 采用后一種及雙背板結(jié)構(gòu)，更能保證PLC 的完全冗余。采用標(biāo)準(zhǔn)化選件、模塊化結(jié)構(gòu)、可帶電插拔方式等，為運(yùn)營維修部門的現(xiàn)場設(shè)備維護(hù)和日后系統(tǒng)的擴(kuò)展創(chuàng)造了條件。
總結(jié)
地鐵機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)監(jiān)控是一項(xiàng)十分重要的控制技術(shù)，也是一項(xiàng)繁雜的系統(tǒng)工程，涉及許多專業(yè)的設(shè)備監(jiān)控及運(yùn)行要求，有著地鐵行業(yè)的特殊性。這就要以接口協(xié)調(diào)配合為基礎(chǔ)，設(shè)備選型為根本，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造為條件，以管理措施為保證，以實(shí)際運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)作為優(yōu)化的前提，才能使得地鐵監(jiān)控系統(tǒng)有更好的發(fā)展前景。
參考文獻(xiàn)
