《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(zhuǎn)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(diào)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(diào)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(diào)“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(zhuǎn)動慣量模塊。講述常見機械傳動機構的特性，剛體轉(zhuǎn)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(qū)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(cè)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(zhuǎn)換或能量轉(zhuǎn)換作用。

④電機的驅(qū)動模塊。講述電機調(diào)速系統(tǒng)的組成、性能指標、穩(wěn)定運行條件，直流電機調(diào)速系統(tǒng)、三相交流異步電機調(diào)速系統(tǒng)、步進電機調(diào)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(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。

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(zhì)。

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(cè)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(zhuǎn)型具有重要意義?！稒C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。