课程简介机电概述研究课程简介机电概述研究生生PPTPPT课件课件问问题？题？该课程有何用？该课程有何用？(WHY)该课程的内容？该课程的内容？(WHAT)如何教与学？如何教与学？ (HOW)1 1课程简介课程简介2 23 3教学大纲教学大纲PBL教学模式教学模式课程概况课程概况学时学时 ：32h性质性质：机械工程专业的研究生必修课机械工程专业的研究生必修课目的目的： 巩固基础巩固基础知识知识强调学以致用，突出工程实践强调学以致用，突出工程实践能力能力培养培养创新创新能力能力课程简介课程简介一般机电控制工程课程体系一般机电控制工程课程体系 概念、概念、定义定义、组成、范围、分类；、组成、范围、分类；设计方法设计方法（准则，步骤，外观）；（准则，步骤，外观）；机械机械结构与传动（滚珠丝杠传动、齿轮传动、谐波齿轮传动、齿结构与传动（滚珠丝杠传动、齿轮传动、谐波齿轮传动、齿形带传动、导轨、主轴组件、支承件）形带传动、导轨、主轴组件、支承件）传感器传感器定位与检测（角位移、光栅位移、电磁感应）定位与检测（角位移、光栅位移、电磁感应）伺服驱动伺服驱动（步进电机、直流电机、交流电机、开环伺服、闭环伺服）（步进电机、直流电机、交流电机、开环伺服、闭环伺服）微机原理与控制系统微机原理与控制系统（原理，接口，运动规律、传递函数、控制算（原理，接口，运动规律、传递函数、控制算法）法）典型机电控制实例典型机电控制实例机器人与数控机床；机器人与数控机床；发展趋势发展趋势课程内容课程内容序号序号教教 学学 内内 容容备备 注注1机机电电控制的基本概念、控制的基本概念、组组成与原理、关成与原理、关键键技技术术理理论论2机机电电一体化系一体化系统总统总体体设计设计方法，方法，项项目研目研发计发计划划书书理理论论3机机电电控制硬件基控制硬件基础础（微机控制系（微机控制系统简统简介、介、AVR单单片机）片机）理理论论4AVR单单片机开片机开发发工具的使用方法，工具的使用方法，I/O口、定口、定时时器、串口使用器、串口使用实实践践5传传感器分感器分类类、常用、常用传传感器（感器（编码编码器）的器）的选选用及接口用及接口理理论论6伺服伺服驱动驱动系系统设计统设计理理论论7直流直流电电机机驱动驱动、传传感器感器实验实验，熟悉，熟悉AVR单单片机开片机开发发板板实实践践8教学机器人系教学机器人系统统建模、仿真与分析建模、仿真与分析实实例例理理论论9PID校正理校正理论论及及PID数字控制器数字控制器设计设计理理论论10MATLAB/Simulink控制系控制系统统建模、仿真与分析建模、仿真与分析软软件操作件操作实实践践11直直线线运运动单动单元建模仿真分析（大作元建模仿真分析（大作业业1）实实践践12直直线线运运动单动单元建模仿真分析（大作元建模仿真分析（大作业业1）实实践践13直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践14直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践15直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践16研研讨课讨课理理论论1 1课程简介课程简介2 23 3教学大纲教学大纲PBL教学模式教学模式课程概况课程概况一、指导思想一、指导思想 坚持坚持“工程选择科学工程选择科学”的教学理念，采的教学理念，采用用项目研究式案例教学模式项目研究式案例教学模式。 以一个工程项目的设计为以一个工程项目的设计为任务牵引任务牵引，以，以问题为驱动问题为驱动，以设计与实验为主要方式，提，以设计与实验为主要方式，提高学生综合运用基础知识和工程工具解决工高学生综合运用基础知识和工程工具解决工程实际问题的程实际问题的能力能力。 “现代机电控制现代机电控制”教学大纲教学大纲（CourseOutline）1）加深巩固学生已学的基础理论和知识，）加深巩固学生已学的基础理论和知识，构建知识树构建知识树，了解和掌握本专业的，了解和掌握本专业的工程实践知工程实践知识识和工程工具，初步掌握机电一体化系统的设和工程工具，初步掌握机电一体化系统的设计和开发技术；计和开发技术；2）通过工程项目设计综合实践，培养学生）通过工程项目设计综合实践，培养学生理论联系实际，提高学生综合运用所学知识分理论联系实际，提高学生综合运用所学知识分析解决技术问题的方法和析解决技术问题的方法和工程实践能力工程实践能力，培养，培养创新意识和团队协作创新意识和团队协作精神。精神。二、教学目的二、教学目的（OBJECTIVEOFCOURSEOBJECTIVEOFCOURSE）以课堂讲授和项目实践相以课堂讲授和项目实践相结合，结合，1：1；以实验指导与助教答疑给以实验指导与助教答疑给予实践引导予实践引导重点以项目实践评估课程重点以项目实践评估课程成绩成绩 (能力评价能力评价)三、教学形式三、教学形式（OVERVIEWOFCOURSEOVERVIEWOFCOURSE）三、教学形式三、教学形式（OVERVIEWOFCOURSEOVERVIEWOFCOURSE）教学形式主要采用教学形式主要采用n理论讲课理论讲课n小组实验小组实验n课堂研讨课堂研讨重点放在学生自主学习、研究与实验方面，并通过随重点放在学生自主学习、研究与实验方面，并通过随机抽查研讨、讲解来检验和评估学生学习效果。机抽查研讨、讲解来检验和评估学生学习效果。要求学生认真听讲，积极发言阐述自己观点，按时独要求学生认真听讲，积极发言阐述自己观点，按时独立自主完成布置作业，展示自己实验结果，研讨自己学习与立自主完成布置作业，展示自己实验结果，研讨自己学习与实验体会。实验体会。四、课程安排四、课程安排（TOPICS ARRANGEMENTS）主线：主线：机电系统概述机电系统概述 设计方法设计方法 元器件选型元器件选型 系系统建模与分析统建模与分析 控制系统开发控制系统开发 数控综合数控综合运用运用 学习研发交流学习研发交流 前沿发展趋势。前沿发展趋势。四、课程内容安排四、课程内容安排序号序号教教 学学 内内 容容备备 注注1机机电电控制的基本概念、控制的基本概念、组组成与原理、关成与原理、关键键技技术术理理论论2机机电电一体化系一体化系统总统总体体设计设计方法，方法，项项目研目研发计发计划划书书理理论论3机机电电控制硬件基控制硬件基础础（微机控制系（微机控制系统简统简介、介、AVR单单片机）片机）理理论论4AVR单单片机开片机开发发工具的使用方法，工具的使用方法，I/O口、定口、定时时器、串口使用器、串口使用实实践践5传传感器分感器分类类、常用、常用传传感器（感器（编码编码器）的器）的选选用及接口用及接口理理论论6伺服伺服驱动驱动系系统设计统设计理理论论7直流直流电电机机驱动驱动、传传感器感器实验实验，熟悉，熟悉AVR单单片机开片机开发发板板实实践践8教学机器人系教学机器人系统统建模、仿真与分析建模、仿真与分析实实例例理理论论9PID校正理校正理论论及及PID数字控制器数字控制器设计设计理理论论10MATLAB/Simulink控制系控制系统统建模、仿真与分析建模、仿真与分析软软件操作件操作实实践践11直直线线运运动单动单元建模仿真分析（大作元建模仿真分析（大作业业1）实实践践12直直线线运运动单动单元建模仿真分析（大作元建模仿真分析（大作业业1）实实践践13直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践14直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践15直直线线运运动单动单元速度控制系元速度控制系统统（大作（大作业业2）实实践践16研研讨课讨课理理论论五、考试方式与成绩五、考试方式与成绩（Examination and GRADING）总分：总分：100分分平时：作业平时：作业1：作业：作业2：选作题：选作题= 10：35：50：5六、必要先前知识六、必要先前知识（PREREQUISITES）先修课程：先修课程：n n机械设计机械设计机械设计机械设计n n检测技术检测技术检测技术检测技术 n n机电传动控制机电传动控制机电传动控制机电传动控制n n自动控制原理自动控制原理自动控制原理自动控制原理n n微机原理与接口技术微机原理与接口技术微机原理与接口技术微机原理与接口技术n n计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础计算机软件技术基础 七、参考资料七、参考资料（REQUIRED TEXTS）1 自编讲义与实验指导书自编讲义与实验指导书2 胡国清胡国清.机电控制工程理论与应用基础机电控制工程理论与应用基础.机械工业出版社机械工业出版社3 史维祥史维祥.近代机电控制工程近代机电控制工程.机械工业出版社机械工业出版社4 Introduction to Control System Technology, Robert N. Bateson. Prentice Hall,1999八、答疑八、答疑上课教室上课教室上课教室上课教室: :新主楼新主楼新主楼新主楼B201B201周次：周次：周次：周次：1-171-17周周周周星期一（星期一（星期一（星期一（5 5、6 6）节）节）节）节2 2：00004 4：0000助助助助教：姚国才，李海源教：姚国才，李海源教：姚国才，李海源教：姚国才，李海源课件下载：课件下载：课件下载：课件下载： xdjdkzdownload163.comxdjdkzdownload163.com 密码：密码：xdjdkz ；作业提交信箱：作业提交信箱：作业提交信箱：作业提交信箱： xdjdkzupload163.comxdjdkzupload163.com答疑方式：答疑方式：答疑方式：答疑方式：yaoguocai1988qq.com15810266721(yaoguocai1988qq.com15810266721(姚国才姚国才姚国才姚国才) )九、分组原则九、分组原则（Group Cases） 一方面考虑实验设备与条件有限，另一方面考虑一方面考虑实验设备与条件有限，另一方面考虑加强学生合作与团队意识，给出以下分组原则：加强学生合作与团队意识，给出以下分组原则：小组人数控制在小组人数控制在34人人自愿组合，并推荐一名小组长，留下通讯联系方自愿组合，并推荐一名小组长，留下通讯联系方式式任务清晰，分工明确任务清晰，分工明确对于特殊情况的，有老师安排小组对于特殊情况的，有老师安排小组十、研究型教学实践关键内容十、研究型教学实践关键内容大作业大作业作业作业1：数控工作台单自由度直线运动单元建模与仿：数控工作台单自由度直线运动单元建模与仿真分析真分析作业作业2：数控工作台直线运动单元控制实验：数控工作台直线运动单元控制实验十一、课程须知十一、课程须知（Instruction）1两个大作业每次作业都要求个人独立完成，雷同作业没两个大作业每次作业都要求个人独立完成，雷同作业没有成绩；有成绩；2作业中的内容不应当是课堂讲义的简单重复，提倡同学作业中的内容不应当是课堂讲义的简单重复，提倡同学通过上网或者参考相关书籍、技术文档完成作业，并加通过上网或者参考相关书籍、技术文档完成作业，并加入自己的想法，创新性的内容会适当加分；入自己的想法，创新性的内容会适当加分；3每次作业需在规定的提交日期提交，迟交的作业将被降每次作业需在规定的提交日期提交，迟交的作业将被降低低1个等级评分；个等级评分；4请按时参加理论课程与实践课程，请按时参加理论课程与实践课程，爱惜实验设备爱惜实验设备，保持，保持环境卫生；环境卫生；5注意安全用电，注意正确的设备使用方法；注意安全用电，注意正确的设备使用方法；6. 实践课后将使用的电脑关闭，实验设备按要求收拾好。实践课后将使用的电脑关闭，实验设备按要求收拾好。1 1课程简介课程简介2 23 3教学大纲教学大纲PBL教学模式教学模式课程概况课程概况“ Project-based learning” 教教 学学 模模 式式提提纲纲一、高等工程教育改革背景与发展趋势一、高等工程教育改革背景与发展趋势二、二、“Project-basedlearning”教学模教学模式式三、教学改革实践三、教学改革实践四、教改效果四、教改效果一、高等工程教育改革背景与发展趋势一、高等工程教育改革背景与发展趋势机械还原机械还原论论科学主导科学主导工程工程回归工程回归工程 50505050年代年代年代年代 80808080年代年代年代年代 MIT MIT MIT MIT倡导，螺旋式上升，知识爆炸与更新，学会学习方倡导，螺旋式上升，知识爆炸与更新，学会学习方倡导，螺旋式上升，知识爆炸与更新，学会学习方倡导，螺旋式上升，知识爆炸与更新，学会学习方法和分析与解决实际问题能力法和分析与解决实际问题能力法和分析与解决实际问题能力法和分析与解决实际问题能力No.1 No.2工程科学工程科学工程科学工程科学工程经验工程经验工程经验工程经验工程经验工程经验工程实践工程实践工程实践工程实践机械还原论机械还原论 1919世纪至世纪至2020世纪上半叶物理、化学等经典科学世纪上半叶物理、化学等经典科学所取得的辉煌成果，成就了所取得的辉煌成果，成就了“机械还原论机械还原论”。以经。以经典自然科学为基础，典自然科学为基础，认为工程世界的机械模型，可认为工程世界的机械模型，可以分解成一门门孤立的课程和实践，然后通过简单以分解成一门门孤立的课程和实践，然后通过简单的相加，的相加，来达到工程教育的目的。来达到工程教育的目的。（哑铃型）（哑铃型） 特点：特点：美国大学的工程教授与工业和工程保持美国大学的工程教授与工业和工程保持着密切的关系，工程本科和硕士计划明确地着眼于着密切的关系，工程本科和硕士计划明确地着眼于培养实际的培养实际的工程师工程师，但主要着眼于，但主要着眼于技术的培养技术的培养。 二战后控制论、信息论和系统论的建立，机械与信息和二战后控制论、信息论和系统论的建立，机械与信息和控制技术的结合所产生的系统对象，其整体行为用机械还原控制技术的结合所产生的系统对象，其整体行为用机械还原论的方法已经无法解释，系统地观点或方法成为论的方法已经无法解释，系统地观点或方法成为2020世纪后半世纪后半叶工程教育方法论的主角。叶工程教育方法论的主角。 科学的进步促进了技术的发展和工程创造的实现，这就科学的进步促进了技术的发展和工程创造的实现，这就使得高等工程教育十分重视科学教育，十分强调自然科学原使得高等工程教育十分重视科学教育，十分强调自然科学原理的教育。理的教育。MITMIT引导从经验向科学的转变引导从经验向科学的转变。特点：特点： 本科和硕士计划为博士研究计划准备生源，讲授工本科和硕士计划为博士研究计划准备生源，讲授工 程科学的理论和知识。程科学的理论和知识。科学主导工程科学主导工程MIT成功之路成功之路 MITMIT的成功得益于其第一任工学院院长的的成功得益于其第一任工学院院长的V. BushV. Bush于于19451945年提出的年提出的工程科学化运动工程科学化运动，强调科学在教学和研究中的作用，强调科学在教学和研究中的作用, ,强调数学和科学的地位，首先导致强调数学和科学的地位，首先导致MITMIT并随后波及整个美国工并随后波及整个美国工程教育在程教育在1945196819451968年的工程科学运动。年的工程科学运动。 曾被誉为数控机床之父，曾任曾被誉为数控机床之父，曾任MITMIT电机工程系系主任和工电机工程系系主任和工学院院长的学院院长的G. BrownG. Brown教授提出教育改革方案二原则（教授提出教育改革方案二原则（The The Brown Report)Brown Report)：1.“科学主导工程的训练方法科学主导工程的训练方法”（Science dominates engineering, Science dominates engineering, The modern engineers should be educated as a scientist The modern engineers should be educated as a scientist ）2.“课堂教学必须与实践教学紧密地结合起来课堂教学必须与实践教学紧密地结合起来” （Laboratory instruction will coordinate closely with classroomLaboratory instruction will coordinate closely with classroom instruction as an integral part of the subject instruction as an integral part of the subject）研制成第一台大型模拟计算机研制成第一台大型模拟计算机G. BrownG. Brown教育改革方案二原则（教育改革方案二原则（The Brown Report)The Brown Report)：1.1.科学主导工程（科学主导工程（Science dominates engineering. The modern engineers should Science dominates engineering. The modern engineers should be educated as a scientistbe educated as a scientist），强调教学中数学和科学的地位），强调教学中数学和科学的地位(“(“学为基本学为基本, , 术为支干术为支干”, , 蔡元培蔡元培) )。2.2.实验与课堂教学紧密结合（实验与课堂教学紧密结合（Laboratory instruction will coordinate closely with Laboratory instruction will coordinate closely with classroom instruction as an integral part of the subjectclassroom instruction as an integral part of the subject）3.科学主导工程与工程选择科学是截然不同但又很容易被混淆的两种模式。前者强调原创性与长期永久之效果，后者强调眼前短期效应，且容易被人接受。-由由Brown推动的教育改革运动波及了整个美国工程教育界，使得推动的教育改革运动波及了整个美国工程教育界，使得MIT迅速发展成为世界一迅速发展成为世界一流的研究型大学。流的研究型大学。-据据1994年统计，年统计，MIT拥有工程院院士拥有工程院院士86人，科学院院士人，科学院院士98人，医学科学院院士人，医学科学院院士17人。从人。从68年起到年起到96年，共有年，共有13人获得诺贝尔奖。人获得诺贝尔奖。Engineering can proceed no faster than the mathematical analysison which it is based(Bush and Hazen, 1927)回归工程回归工程 2020世纪世纪8080年代，美国面临日本制造业全面占领美国市年代，美国面临日本制造业全面占领美国市场的巨大竞争压力，美国工程教育界为振兴本国的制造业，场的巨大竞争压力，美国工程教育界为振兴本国的制造业，开始了新一轮改革。开始了新一轮改革。 虽然科学促进技术的发展，但新技术的创造，即依靠虽然科学促进技术的发展，但新技术的创造，即依靠科学，也依靠大量的试验工程实践。科学，也依靠大量的试验工程实践。 MITMIT学院院长乔尔学院院长乔尔. .莫西斯深刻感悟到问题的实质莫西斯深刻感悟到问题的实质MITMIT又引导又引导从科学向工程的回归从科学向工程的回归，大工程观与工程集大工程观与工程集成教育成教育； 特点特点：对工程学生的培养必须在工程的系统和背景下进行，不仅让学对工程学生的培养必须在工程的系统和背景下进行，不仅让学生学习工程科学理论和知识，还让学生生学习工程科学理论和知识，还让学生“接触到大规模的复杂系统的分接触到大规模的复杂系统的分析和管理析和管理”。“回归工程回归工程”（大工程观）（大工程观）20世纪80年代末美国NSF、MIT提出的高等工程教育的教育目标。内涵：从过分重视工程科学转变到更多重视工程系统及其背景注重工程实践能力的培养强调应用整合或集成的思想，重建课程内容结构学会学习终身教育 罗德里克罗德里克弗雷泽博士，加拿大阿尔伯塔大弗雷泽博士，加拿大阿尔伯塔大学的名誉校长（学的名誉校长（ 2006第三届中外大学校长论第三届中外大学校长论坛），特别喜欢据说来自中国的一句谚语，坛），特别喜欢据说来自中国的一句谚语，大意是：大意是：你告诉我，我可能会忘记；你告诉我，我可能会忘记；你给我演示，我有印象；你给我演示，我有印象；你让我自己做，我就会理解。你让我自己做，我就会理解。 You tell me, I forget; you show me the demo, I can remember; you let me do it myself, I would understand. 中国：培养创新意识，中国：培养创新意识，加强工程实践能力，加强工程实践能力，培养创新人才的现代工程教育理念，以学习培养创新人才的现代工程教育理念，以学习世界高等工程教育改革世界高等工程教育改革.总结：总结：高等工程教育无疑是要培养工程技术高等工程教育无疑是要培养工程技术人才，无论是侧重人才，无论是侧重工程科学工程科学，还是侧重，还是侧重工程工程技术技术，都必须以工程实践为基础。，都必须以工程实践为基础。 因此工程教育必须密切地回归到因此工程教育必须密切地回归到工程实工程实践践的根本上来，树立工程实践教育理念。的根本上来，树立工程实践教育理念。工程教育理念依据工程教育理念依据 知行统一 理论与实践相结合 纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行； 直接经验、间接经验； 做中学 实践是检验真理的唯一标准二、二、“Project-basedlearning”教学模式教学模式学科课程：学科课程：为学生打下了良好的知识基础；为学生打下了良好的知识基础；项目课程（项目课程（PBL）：）：则为学生则为学生整合、运用这些知识整合、运用这些知识提供了提供了难得的机会。正是项目课程的开设，使得整个课程设置难得的机会。正是项目课程的开设，使得整个课程设置更加灵活、柔性，能够满足不同的、多样化的需求。更加灵活、柔性，能够满足不同的、多样化的需求。有有助于构建学生综合的知识结构，提高实践能力助于构建学生综合的知识结构，提高实践能力。（大工程观理念：（大工程观理念：MIT:UPOP，斯坦福大学：，斯坦福大学：STVP）同等重要，相互配合；同等重要，相互配合；“Project-based learning”项目课程：项目课程：源于美国，在国外称项目课程、主题研究等，国内称之为源于美国，在国外称项目课程、主题研究等，国内称之为“研究性学习或探究式学习研究性学习或探究式学习”，是，是20世纪世纪80年代末以来国际教育年代末以来国际教育界比较普遍推崇和实施的一种新课程。界比较普遍推崇和实施的一种新课程。Project教学模式的特点教学模式的特点任务牵引任务牵引问题驱动问题驱动开放性开放性实践性实践性Project-based learningProject-based learning: :以任务为载体，问题驱动以任务为载体，问题驱动,创设创设一种类似科学研究的情境和途径，让学生通过自己搜集、一种类似科学研究的情境和途径，让学生通过自己搜集、分析和处理信息来实际感受和体验知识的生产和应用过分析和处理信息来实际感受和体验知识的生产和应用过程，进而学会学习，培养分析问题、解决问题的能力和程，进而学会学习，培养分析问题、解决问题的能力和创造能力。创造能力。三、教学改革实践三、教学改革实践关键问题1）如何选择一个典型的机电控制系统如何选择一个典型的机电控制系统“Project”作为作为工程载体，它即具有实际工程项目的代表性，又具有工程载体，它即具有实际工程项目的代表性，又具有满足教学低成本和可操作的特点。满足教学低成本和可操作的特点。2）如何来规划本课程的理论教学与项目实践教学内容？）如何来规划本课程的理论教学与项目实践教学内容？3）如何培养学生的）如何培养学生的问题问题意识和锻炼提高工程实践能力？意识和锻炼提高工程实践能力？项目教学设备项目教学设备项目教学设备项目教学设备课程内容体系课程内容体系 任务牵引问题驱动任务牵引问题驱动 工程实践教学示例课堂授课工程实践教学示例课堂授课现代机电控制现代机电控制以研究任务作为载体以研究任务作为载体问题驱动问题驱动贯穿整个教学过程贯穿整个教学过程引言引言部件特性部件特性建模仿真建模仿真硬件设计硬件设计工程实践工程实践项目书写作项目书写作如何选择如何选择合理的器合理的器件构建具件构建具体的系统体的系统如何对具体如何对具体系统建模分系统建模分析析如何设计如何设计具体电路具体电路如何完成如何完成一个具体一个具体项目项目教学体系教学体系教学体系：教学体系：1-3-11条主线：条主线： Project（数控工作台）（数控工作台）3个支撑点：精选机电融合知识点进行项目个支撑点：精选机电融合知识点进行项目实践实践1次研讨：项目的方案、控制算法、成果演示和汇报答辩次研讨：项目的方案、控制算法、成果演示和汇报答辩研发计划书研发计划书研发计划书研发计划书与方案设计与方案设计与方案设计与方案设计系统建模系统建模系统建模系统建模仿真分析仿真分析仿真分析仿真分析直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机直流伺服电机运动控制运动控制运动控制运动控制以线串点，以点带面。以线串点，以点带面。机电实物展台机电实物展台 机械构件机械构件 驱动元件驱动元件机电实物展台机电实物展台图图14 常用传感器常用传感器图图15 控制和电气元件控制和电气元件机电实物展台剖切机电实物展台剖切工程实践教学示例工程实践教学示例工程实践教学示例工程实践教学示例学生作业（项目计划书）学生作业（项目计划书）学生作业（项目计划书）学生作业（项目计划书）工程实践教学示例工程实践教学示例工程实践教学示例工程实践教学示例学生作业（系统建模与仿真）学生作业（系统建模与仿真）学生作业（系统建模与仿真）学生作业（系统建模与仿真）工程实践教学示例：工程实践教学示例：工程实践教学示例：工程实践教学示例：作业（控制器的应用开发）作业（控制器的应用开发）作业（控制器的应用开发）作业（控制器的应用开发）考核评估考核评估指导方法指导方法考核方法考核方法集中指导网络答疑成果演示答辩课程研讨工程实践教学示例考核评估工程实践教学示例考核评估课程网站课程网站itr.buaa.edu.cn工程实践教学学生课堂研讨工程实践教学学生课堂研讨机构设计机构设计建模分析建模分析运动控制运动控制快快快快乐乐乐乐试试试试验验验验快快快快乐乐乐乐学学学学习习习习工程实践教学示例：答辩材料工程实践教学示例：答辩材料n教学模式得到了学生的认可，收获最大之一；教学模式得到了学生的认可，收获最大之一；n研讨课积极踊跃，研讨课积极踊跃，“快乐实验快乐实验 快乐学习快乐学习”；n学生把该门课与其他课的关系比喻成战略与战术，项链与珠子；学生把该门课与其他课的关系比喻成战略与战术，项链与珠子；n学生教学质量评价：学生教学质量评价：94.16分分四、教改效果四、教改效果谢谢 谢谢 大大 家家机电控制工程机电控制工程课程体系课程体系 概念概念概念概念、定义、组成、范围、分类； 设计方法设计方法设计方法设计方法（准则，步骤，外观） 机械机械机械机械结构与传动（滚珠丝杠传动、齿轮传动、谐波齿轮传动、齿形带传动、导轨、主轴组件、支承件） 传感器传感器传感器传感器定位与检测（角位移、光栅位移、电磁感应） 伺服驱动伺服驱动伺服驱动伺服驱动（步进电机、直流电机、交流电机、开环伺服、闭环伺服） 微机原理与控制系统微机原理与控制系统微机原理与控制系统微机原理与控制系统（原理，接口，运动规律、传递函数、控制算法）典型机电控制实例实例实例实例机器人与数控机床 发展趋势发展趋势发展趋势发展趋势一、机电系统概述一、机电系统概述问问 题题 ？机电一体化的定义？机电一体化的定义？机电系统的组成与工作原理？机电系统的组成与工作原理？机电系统涉及哪些关键技术？对应哪门课程？机电系统涉及哪些关键技术？对应哪门课程？1 1基本概念基本概念2 23 34 4发展概况发展概况5 5系统构成与工作原理系统构成与工作原理共性关键技术共性关键技术产品分类产品分类一、机电系统概述一、机电系统概述1.1 机电一体化概念机电一体化概念 机电一体化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机机电一体化是在新技术浪潮中，电子技术、信息技术向机械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。械工业渗透并与机械技术相互融合的产物。机电一体化的外文名词是机电一体化的外文名词是 MechatronicsMechatronics，来源于日本，来源于日本（70年代）。取英语年代）。取英语MechanicsMechanics（机械学）的前半部和（机械学）的前半部和ElectronicsElectronics（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称（电子学）的后半部拼合而成。我国通常称为为机电一体化或机械电子学机电一体化或机械电子学机电一体化或机械电子学机电一体化或机械电子学；n机电一体化涉及到许多相关的学科机电一体化涉及到许多相关的学科机械学：机械设计、机械制造等机械学：机械设计、机械制造等电子学：电工学、电机学、数字电路、模拟电路电子学：电工学、电机学、数字电路、模拟电路控制论：经典控制（控制工程基础）、现代控制（多变量）控制论：经典控制（控制工程基础）、现代控制（多变量）计算机科学：微处理系统及接口技术，应用软件技术（计算机科学：微处理系统及接口技术，应用软件技术（CAD、CAM、FMS、CAT、CNC）机电一体化技术机电一体化技术：从系统的观点出发，将机械技：从系统的观点出发，将机械技术术 、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统、微电子技术、信息技术、控制技术等在系统工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最工程基础上有机地加以综合，以实现整个系统最佳化的一门新科学技术。佳化的一门新科学技术。机电一体化不是机械机电一体化不是机械与电子简单的叠加，而与电子简单的叠加，而是在是在信息论、控制论和信息论、控制论和系统论系统论的基础上建立起的基础上建立起来的来的应用技术应用技术机电一机电一体化体化信息科学信息科学机机械械学学电子学电子学1.1 机电一体化概念机电一体化概念1.1 机电一体化概念机电一体化概念数控机床数控机床机器人机器人汽车电子产品汽车电子产品智能化仪器仪表智能化仪器仪表电子排版印刷系统电子排版印刷系统CADCAM系统等。系统等。典型的机电产品典型的机电产品机电一体化产品机电一体化产品机电一体化技术机电一体化技术机电一体化机电一体化数控机床数控机床机器人机器人装装配配1 1基本概念基本概念2 23 34 4发展概况发展概况5 5系统构成与工作原理系统构成与工作原理共性关键技术共性关键技术产品分类产品分类一、机电系统概述一、机电系统概述1.2 发展概况发展概况1. 201. 20世纪世纪6060年代前为第一阶段，年代前为第一阶段，“萌芽阶段萌芽阶段” 工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结工程师们自觉或者不自觉地把机械产品和电子技术相结合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对合，以提高机械产品的性能。但是由于电子技术的发展相对落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。落后，使得机械与电子的结合还没有得到广泛的应用。2. 702. 70年代到年代到8080年代为第二阶段，年代为第二阶段，“蓬勃发展阶段蓬勃发展阶段” 计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体计算机技术、控制技术、通信技术的发展，为机电一体化的发展奠定了技术基础化的发展奠定了技术基础, ,这个时期的特点是：这个时期的特点是：mechatronicsmechatronics一词首先在日本被普遍接受，大约到一词首先在日本被普遍接受，大约到2020世纪世纪8080年代年代末期在世界范围内得到比较广泛的承认；末期在世界范围内得到比较广泛的承认；机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均给以很大的关注机电一体化技术和产品得到了极大发展；各国均给以很大的关注和支持。和支持。 1.2 发展概况发展概况3. 3. 9090年代后期开始为第三阶段，年代后期开始为第三阶段，“智能化阶段智能化阶段” 光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术光学、通信技术等进入了机电一体化，微细加工技术也在机电一体化中崭露头脚，出现了也在机电一体化中崭露头脚，出现了光机电一体化光机电一体化和和微机电一体化微机电一体化等新分支；等新分支； 对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机对机电一体化系统的建模设计、分析和集成方法，机电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。电一体化的学科体系和发展趋势都进行了深入研究。 由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域由于人工智能技术、神经网络技术及光纤技术等领域取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广取得的巨大进步，为机电一体化技术开辟了发展的广阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完阔天地。这些研究，将促使机电一体化进一步建立完整的基础和逐渐形成完整的科学体系。整的基础和逐渐形成完整的科学体系。 1 1基本概念基本概念2 23 34 4发展概况发展概况5 5系统构成与工作原理系统构成与工作原理共性关键技术共性关键技术产品分类产品分类一、机电系统概述一、机电系统概述1.3 系统构成系统构成与工作原理与工作原理 构成机电一体化系统的要素很多，其中构成机电一体化系统的要素很多，其中五大要素是必须的，可以从构成人体的五大五大要素是必须的，可以从构成人体的五大要素得到启发。要素得到启发。脑心脏骨骼五官肌肉控制系统动力装置检测装置执行元件机械本体人人机电一体化机电一体化教学机器人教学机器人数控工作台数控工作台编码器编码器1.1.机械本体机械本体 机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能机身、框架、机械联接等产品支持机构，实现构造功能 要求：要求：要求：要求：可靠、小型、美观可靠、小型、美观可靠、小型、美观可靠、小型、美观2.2.能源能源 提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。提供能量，转换成需要的形式，实现动力功能。 要求：要求：要求：要求：效率高、可靠性好效率高、可靠性好效率高、可靠性好效率高、可靠性好1.3 系统构成系统构成与工作原理与工作原理3. 3. 检测传感装置检测传感装置 检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。检测产品内部状态和外部环境，实现计测功能。 要求要求要求要求：体积小、精度高、抗干扰体积小、精度高、抗干扰体积小、精度高、抗干扰体积小、精度高、抗干扰4. 4. 控制系统控制系统 处理、运算、决策，实现控制功能。处理、运算、决策，实现控制功能。处理、运算、决策，实现控制功能。处理、运算、决策，实现控制功能。 要求：要求：要求：要求：高可靠性、柔性、智能化高可靠性、柔性、智能化高可靠性、柔性、智能化高可靠性、柔性、智能化5. 5. 驱动执行驱动执行 电气、液压、气动三种。电气、液压、气动三种。电气、液压、气动三种。电气、液压、气动三种。1.3 系统构成系统构成与工作原理与工作原理1.3 系统构成与系统构成与工作原理工作原理工作原理：工作原理：操作人员将加工信息（如尺寸、形状、精度等）输入到控制计算操作人员将加工信息（如尺寸、形状、精度等）输入到控制计算机，计算机发出启动命令，启动驱动元件运转，带动执行机构进行加工。测机，计算机发出启动命令，启动驱动元件运转，带动执行机构进行加工。测量元件实时检测加工状态，将信息反馈到计算机，经计算机分析、处理后，量元件实时检测加工状态，将信息反馈到计算机，经计算机分析、处理后，发出相应的控制指令，实时地控制执行机构运动，如此往复进行，自动地将发出相应的控制指令，实时地控制执行机构运动，如此往复进行，自动地将工件按输入的加工信息完成加工。工件按输入的加工信息完成加工。信息输入信息输入位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械部件机械部件机械部件机械部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC驱动器驱动器驱动器驱动器1 1基本概念基本概念2 23 34 4发展概况发展概况5 5系统构成与工作原理系统构成与工作原理共性关键技术共性关键技术产品分类产品分类一、机电系统概述一、机电系统概述1.4 共性关键技术共性关键技术一一 精密机械技术精密机械技术二二 信息处理技术信息处理技术三三 自动控制技术自动控制技术四四 伺服驱动技术伺服驱动技术五五 检测传感技术检测传感技术六六 系统总体技术系统总体技术一、精密机械技术一、精密机械技术实现机机电一体化一体化产品的品的主功能主功能和和构造功能构造功能，是机，是机电一体化技一体化技术的基的基础，对系系统的的结构、重量、体构、重量、体积、刚性、可靠性等有重要刚性、可靠性等有重要影响。影响。 强调精密机械精密机械设计技技术的运用，即利用高、新技的运用，即利用高、新技术手手段，实段，实现结构上、材料上、性能上的变更，满足：现结构上、材料上、性能上的变更，满足： 减减轻重量，减小体重量，减小体积 提高提高刚度，高精度度，高精度 实现标准化、通用化、系列化准化、通用化、系列化信息输入信息输入位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械部件机械部件机械部件机械部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC驱动器驱动器驱动器驱动器二、信息处理技术二、信息处理技术 包括信息的包括信息的输入、入、变换、运算、存、运算、存储及及输出。出。 信息信息处理的工具是理的工具是计算机，算机，包括硬件、软件、网包括硬件、软件、网络与通讯、数据库技术等；络与通讯、数据库技术等； 机机电系系统中采用工中采用工业控制控制计算机算机进行信息行信息处理，理，其硬件其硬件包括输入包括输入/ /输出设备、显示器、外部存储器、主输出设备、显示器、外部存储器、主机、可编程控制器、数控装置等。机、可编程控制器、数控装置等。传感器传感器传感器传感器A/DA/DA/DA/D计算机计算机计算机计算机D/AD/AD/AD/A执行装置执行装置执行装置执行装置信息输入信息输入位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械部件机械部件机械部件机械部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC驱动器驱动器驱动器驱动器三、自动控制技术三、自动控制技术 关于关于软件方面的技件方面的技术，主要以控制理，主要以控制理论为指指导，对控制控制系系统设计、仿真、仿真、现场调试、可靠运行等。、可靠运行等。机机电系系统自自动控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制包括位置控制、速度控制、力或力矩控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分控制、自校正补偿等，自动控制的基础是自动控制原理，分为：为：经典控制理论：经典控制理论：研究单输入研究单输入- -单输出线性定常系统（以单输出线性定常系统（以传递函数为基础）传递函数为基础）现代控制理论：现代控制理论：研究多输入研究多输入- -多输出非线性、高精度多多输出非线性、高精度多变量系统（以状态方程为基础）变量系统（以状态方程为基础）要求：要求：稳、快、准稳、快、准四、伺服驱动技术四、伺服驱动技术 所所谓“伺服伺服”（ServoServo）即即“跟随跟随” 电信号信号 机械机械动作作 在控制指令的指在控制指令的指挥下，控制下，控制驱动元件，元件，使机械运使机械运动部件部件按照指令的要求进行运动，按照指令的要求进行运动，并具有良好的动态性能。并具有良好的动态性能。 研究对象：研究对象：研究对象：研究对象：执行元件执行元件执行元件执行元件及其及其及其及其驱动装置驱动装置驱动装置驱动装置执行元件种类执行元件种类执行元件种类执行元件种类：电动电动电动电动、液压液压液压液压、气压气压气压气压驱动装置驱动装置驱动装置驱动装置：各种电动机的驱动电源电路：各种电动机的驱动电源电路：各种电动机的驱动电源电路：各种电动机的驱动电源电路信息输入信息输入位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械部件机械部件机械部件机械部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC驱动器驱动器驱动器驱动器五、检测传感技术五、检测传感技术 研究对象研究对象研究对象研究对象：传感器及其信号检测装置（即变送器）传感器及其信号检测装置（即变送器）传感器及其信号检测装置（即变送器）传感器及其信号检测装置（即变送器） 作用：作用：作用：作用：感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。感受器官、反馈环节。 要求要求要求要求：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具：能快速、精确地获得信息并在相应的应用环境中具有高可靠性，有高可靠性，有高可靠性，有高可靠性，是是是是实现实现自自自自动动控制的重要控制的重要控制的重要控制的重要环节环节。 主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、主要内容包括：一是将物理量（位移、速度、加速度、力、力、力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转力矩、温度等）转换成一定的与其成比例的电量；二是对转换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。换的电信号的加工处理如放大、补偿、标定。 信息输入信息输入位置位置位置位置, ,速度速度速度速度检测单元检测单元检测单元检测单元电机电机电机电机机械部件机械部件机械部件机械部件位置位置位置位置, ,速速速速度反馈度反馈度反馈度反馈CNCCNC驱动器驱动器驱动器驱动器六、系统总体技术六、系统总体技术 从整体目标出发，用系统工程的观点和从整体目标出发，用系统工程的观点和方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，方法，将系统各个功能模块有机的结合起来，以实现整体以实现整体最优最优。其重要内容为其重要内容为接口技术接口技术，接口包括电气，接口包括电气接口、机械接口、人机接口接口、机械接口、人机接口。1 1基本概念基本概念2 23 34 4发展概况发展概况5 5系统构成与工作原理系统构成与工作原理共性关键技术共性关键技术产品分类产品分类一、机电系统概述一、机电系统概述1.5 机电一体化产品分类机电一体化产品分类 从从用途用途和和功能功能两个方面分类两个方面分类 按照用途分按照用途分产业机械：用于工业生产的电子控制机械，如数控设备产业机械：用于工业生产的电子控制机械，如数控设备信息机械：用于信息处理、存储的机械如自动化办公设备信息机械：用于信息处理、存储的机械如自动化办公设备民生机械：用于人民生活的电子机械产品如家用电器民生机械：用于人民生活的电子机械产品如家用电器按照功能分按照功能分数控机械类：数控机床、机器人数控机械类：数控机床、机器人电子设备类：如自动洗衣机电子设备类：如自动洗衣机电液伺服类：如电液振动台电液伺服类：如电液振动台信息控制类：如传真机信息控制类：如传真机机电结合类：如自动售货机机电结合类：如自动售货机1 1）机电一体化技术与传统电气控制的区别）机电一体化技术与传统电气控制的区别 传传统统电电气气控控制制技技术术主主要要通通过过具具有有电电磁磁特特性性的的各各种种电电器器来来实实现现, ,如如继继电电器器、接接触触器器等等, ,在在设设计计中中不不考考虑虑或或很很少少考考虑虑彼彼此此间间的的内在联系；内在联系； 机机械械本本体体和和电电气气驱驱动动界界限限分分明明, ,整整个个装装置置是是刚刚性性的的, ,不不涉涉及及软件和计算机控制。软件和计算机控制。 机机电电一一体体化化技技术术以以计计算算机机为为控控制制中中心心, ,在在设设计计过过程程中中强强调调机机械械部部件件和和电电器器部部件件间间的的相相互互作作用用和和影影响响，整整个个装装置置在在计计算算机机控制下具有一定的智能性。控制下具有一定的智能性。 1.6 机电一体化技术与其他技术的区别机电一体化技术与其他技术的区别2）机电一体化技术与自动控制技术的区别）机电一体化技术与自动控制技术的区别 自自动动控控制制技技术术的的侧侧重重点点是是讨讨论论控控制制原原理理、控制规律、分析方法和自动系统的构造等。控制规律、分析方法和自动系统的构造等。 机机电电一一体体化化技技术术将将自自动动控控制制原原理理及及方方法法作作为为重重要要支支撑撑技技术术, ,将将自自控控部部件件作作为为重重要要控控制制部部件件，应应用用自自控控原原理理和和方方法法，对对机机电电一一体化装置进行系统分析和性能测算。体化装置进行系统分析和性能测算。 机机电电一一体体化化技技术术只只是是将将计计算算机机作作为为核核心心部部件件应用，目的是提高和改善系统性能。应用，目的是提高和改善系统性能。 计计算算机机在在机机电电一一体体化化系系统统中中的的应应用用仅仅仅仅是是计计算算机机应应用用技技术术中中的的一一部部分分, ,它它还还可可以以在在办办公公、管管理理及及图像处理等方面得到广泛应用。图像处理等方面得到广泛应用。 机机电电一一体体化化技技术术研研究究的的是是机机电电一一体体化化系系统统，而而不是计算机应用本身。不是计算机应用本身。3）机电一体化技术机电一体化技术与计算机应用技术的区别与计算机应用技术的区别谢谢 谢谢 大大 家家结束！结束！