机电一体化系统设计课程教学大纲.docx
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机电一体化系统设计课程教学大纲
机电一体化系统设计课程教学大纲
英文名称：
Mechatronics课程编码：
01111050
学时：
36学分：
2.5
课程性质：
专业限选课课程类别：
理论课
先修课程：
机械原理，机械设计，电工学，数字电子技术，模拟电子技术，控制工程基础，
微机原理，电气控制技术，数控技术
开课学期：
秋季学期
适用专业：
机械电子工程专业
一、课程的性质与任务
本课程是机械电子工程专业的主干专业课。
本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。
本课程主要学习机械系统、传感检测系统、伺服系统、控制系统等设计和选择方法，讨论机电一体化系统的接口、精度设计和可靠性等系统总体技术。
本课程的作用和任务是：
通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把电子技术、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接口关系，能运用所学知识对机电一体化产品进行分析或设计，使学生具备解决生产过程中机电设备的运行、管理、维护和改造等实际问题的初步能力。
二、教学目标与要求
本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。
教学的基本要求包括：
1．学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。
2．了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。
3．熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定产品开发技术路线。
4．掌握机电一体化系统中机械、传感检测、动力、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。
5．了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。
三、课程的基本内容与教学要求
第一章绪论
[教学目的与要求]：
1．掌握机电一体化的涵义，了解机电一体化技术的主要特点和范畴。
2．掌握机电一体化系统的功能构成和组成要素。
3．了解机电一体化共性关键技术包含的内容。
[本章主要内容]：
1.1机电一体化基本概念及涵义
1.2机电一体化的功能构成和组成要素
1.3机电一体化的共性关键技术
1.4机电一体化产品的设计方法
[本章重点]：
1．机电一体化的功能构成和组成要素
2．机电一体化的共性关键技术
[本章难点]：
1．机电一体化产品的设计方法
第二章传感器技术
[教学目的与要求]：
1．掌握常用传感器的基本原理（旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅尺、磁栅尺、编码器等）。
2．掌握检测系统的典型组成、模拟量的转换输入和数字信号的预处理等基本原理和基本电路。
[本章主要内容]：
1.1传感器的功用和特性
1.2常用传感器
1.3传感器的选择与使用
[本章重点]：
1．各类传感器的工作原理
2．传感器的功用和特性
[本章难点]：
1．传感器的选择与使用
第三章信号调制
[教学目的与要求]：
1．掌握信号调理的基本概念（滤波、相关、调制、解调）
2．熟悉接口电路、放大电路、模数转换、数模转换、模拟量的转换输入和数字信号的预处理等基本原理和基本电路。
[本章主要内容]：
1.1信号调理的基本概念
1.2信号的放大与滤波原理及电路
1.3惠斯通电桥
1.4数字信号
1.5信号幅度调制与解调的工作原理及应用
[本章重点]：
1．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）
2．信号变换技术（传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换）
[本章难点]：
1．信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）
第四章检测系统
[教学目的与要求]：
1．掌握检测系统的组成原理，检测信号的预处理。
2．了解系统的测试与标定。
[本章主要内容]：
1.1检测系统的功用和特性
1.2检测系统的组成及原理
1.3检测信号预处理
1.4系统的测试及标定
[本章重点]：
1．检测系统的组成及原理
2．检测信号预处理
[本章难点]：
1．系统的测试与标定
第五章机械系统设计
[教学目的与要求]：
1．掌握传动机构的种类、特点、基本要求。
2．了解常用执行机构的设计方法。
[本章主要内容]：
1.1传动机构
1.2导向机构
1.3执行机构
[本章重点]：
1．滚珠丝杠副传动机构
2．同步带传动机构
[本章难点]：
1．传动机构的设计方法
2．谐波齿轮传动
第六章伺服系统
[教学目的与要求]：
1．了解伺服系统的一般组成、分类和三种基本组成形式。
2．了解步进电机的种类及结构；掌握步进电机的工作原理；掌握步进电机的主要性能指标；掌握步进电机控制的基本原理；掌握步进电机的基本功率驱动电路原理和细分驱动原理。
3．掌握直流伺服电机特性和调速原理；掌握直流伺服电机的驱动调速方法；掌握直流伺服系统组成的基本原理。
4．掌握交流伺服电机特点及其调速方法；掌握变频调速装置的基本原理；了解交流伺服系统组成的基本原理；了解交流伺服电机的矢量控制。
5．了解几种直接驱动伺服系统、微进给装置的基本原理。
掌握伺服系统惯量匹配、容量匹配原理等动力设计方法。
[本章主要内容]：
1.1伺服系统的基本结构形式及特点
1.2步进式伺服驱动系统
1.3直流伺服驱动系统
1.4交流伺服驱动系统
1.5伺服系统的动力设计方法
[本章重点]：
1．步进电机、交直流伺服电机的控制与驱动。
2．伺服系统的设计
[本章难点]：
1．伺服电机的选择与校核
2．交流伺服的矢量控制
第七章控制系统的数学模型
[教学目的与要求]：
1．掌握控制系统的基本模块
2．掌握控制理论中数学模型的作用和建立方法
3．掌握建立数学模型的基本方法和技巧，能对简单的系统建立数学模型
[本章主要内容]：
1.1控制系统数学模型的基本概念;
1.2微分方程的建立方法和步骤；
1.3传递函数的求法；
1.4控制系统数学模型的建立
[本章重点]：
1．控制系统的基本模块和框图的建立
2．典型控制系统的控制框图
[本章难点]：
1．典型环节传递函数的建立
第八章控制系统的时间响应分析
[教学目的与要求]：
1．掌握时间响应概念；
2．了解性能指标对系统的影响；
3．掌握系统时间响应的一般计算方法；
4．了解时间响应瞬态性能指标和稳态性能指标的物理意义和计算方法。
[本章主要内容]：
1.1时间响应及其组成
1.2一阶系统动态响应
1.3二阶系统动态响应
1.4二阶系统的动态响应指标
1.5稳态性能指标（系统误差）分析计算
[本章重点]：
1．一阶、二阶系统时间响应的计算
2．二阶系统动态响应指标分析
[本章难点]：
1．控制系统动态响应方程的建立
2．稳态性能指标（系统误差）分析计算
第九章控制系统的频率响应
[教学目的与要求]：
1．了解频率特性表示方法
2．能够绘制系统的幅/相频特性图和伯德图
3．能够分析系统的频率响应指标
[本章主要内容]：
1.1正弦输入信号
1.2频率特性表示法
1.3幅/相频特性图
1.4伯德图
1.5系统的频率响应指标
1.6系统的稳定性分析
[本章重点]：
1．控制系统的幅/相频特性图
2．控制系统的伯德图
[本章难点]：
1．伯德图的绘制
2．系统频率响应指标的分析
第十章机电一体化系统的PID控制
[教学目的与要求]：
1．了解常见的控制方式
2．掌握比例控制、微分控制、积分控制的特点
3．掌握PID控制算法和参数整定
[本章主要内容]：
1.1连续和间断信号的输入
1.2控制方式概述
1.3两步控制方式
1.4比例控制
1.5微分控制
1.6积分控制
1.7PID控制
1.8直接数字控制法
1.9控制系统的性能分析
1.10控制器的校正
[本章重点]：
1．PID控制的原理及特点
2．控制器的校正
[本章难点]：
1．系统的PID控制及其性能分析
第十一章自适应控制
[教学目的与要求]：
1．掌握自适应控制系统
2．了解自适应控制的类型
[本章主要内容]：
1.1自适应控制概述
1.2自适应控制的类型
[本章重点]：
1．自适应控制的定义、类型
[本章难点]：
1．自适应控制的应用
第十二章机电一体化总体设计
[教学目的与要求]：
1．了解机电一体化系统的总体设计方法
2．掌握机电一体化产品的工程路线
3．掌握几种典型机电一体化装置的基本组成
[本章主要内容]：
1.1机电一体化总体设计的评价及分析方法
1.2机电一体化产品的技术路线
1.3设计举例
[本章重点]：
1．机电一体化总体设计的内容及方法
2．典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构
[本章难点]：
1．机电一体化系统设计的方法
2．典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法
四、课程学时分配
讲课内容
学时
讲课
实验
上机
1
绪论
2
2
传感器
2
3
信号调制
2
4
检测系统
2
5
机械系统设计
2
6
伺服驱动系统
2
7
控制系统的数学模型
2
8
控制系统的时间响应分析
2
9
控制系统的频率响应
2
10
机电一体化系统的PID控制
4
11
自适应控制
2
12
机电一体化系统总体设计
2
13
实验（实践）教学内容
10
合计
36
五、课程习题课（讨论课）的要求
讨论课的目的在于帮助学生消化和巩固课程中的重要概念和内容，帮助学生提高分析问题解决问题的能力，指导学生查阅技术资料。
通过指导学生对复杂的、有一定难度的综合性问题进行剖析、归纳、对不同设计方案进行比较、判断，启发同学进行创新思维。
课堂讨论的课题明确，学生在讨论前要有准备，教师要适当加以引导、归纳。
课堂讨论的内容、方式、时间可由辅导教师决定。
讨论课的内容主要从以下几项中选择：
l．典型传感器的选择、使用及注意事项；
2．电机的调速和制动原理及方法；
3．典型机电一体化系统的总体设计技术路线；
4．典型的工业机电设备案例分析。
六、实验（实践教学）内容与要求
实践教学是理论联系实际的重要环节，可以使学生验证、巩固和加深所学的基本理论，能训练学生有关的实验方法、动手能力和测量技能，养成踏实细致、严谨认真的作风。
实践教学环节实施前，学生应预习相关的指导书，明确要求和内容，完成后要填写实践报告，并由指导教师批阅，评定成绩。
实践教学内容包括课程研究项目和实验两部分。
课程研究项目的内容及要求：
将3～4个同学分为一组，根据课程教学内容选取研究课题，每组要制定项目研究计划，完成详尽的研究项目报告，并要按照规定的时间对老师和同学以PPT形式进行演示汇报。
根据题目选取的难易程度、研究内容的多少、研究计划的合理性、研究的透彻程度、结果分析的情况、演示汇报的情况、研究报告的撰写质量等对研究项目进行评分。
通过研究项目的实施，学生可以深入掌握课程的理论知识体系，提高综合运用所学知识解决问题的能力，提高论文写作和表达能力。
课程研究项目的内容主要从以下几个模块选取：
1．电机模块课程项目内容
组数
项目名称
1
直流电动机运行特性仿真研究
2
直流电机的启动（直接、分级、软启动）仿真研究
3
直流电动机调节电枢电压调速仿真研究
4
直流电动机调节励磁电流调速仿真研究
5
直流电动机电枢回路串电阻调速仿真研究
6
晶闸管-直流电动机开环调速仿真
7
晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统仿真
8
直流电动机能耗制动仿真研究
9
直流电动机反接制动仿真研究
10
直流电动机反馈制动仿真研究
11
三相异步电机直接起动仿真研究
12
三相异步电机串电抗器起动仿真研究
13
三相异步电机转子绕组串电阻起动仿真研究
14
三相异步电机调压调速仿真研究
15
三相异步电机变频调速仿真研究
16
三相异步电机转子绕组串电阻调速仿真研究
17
三相异步电机反转仿真模型研究
18
三相异步电机自然制动仿真研究
19
三相异步电机能耗制动仿真研究
20
三相异步电机反接制动仿真研究
21
三相异步电机矢量控制调速系统仿真模型
2．传感检测模块的内容
组数
项目名称
1
力传感器的静态标定实验研究
2
数控机床的传感检测系统设计
3
并联机器人的传感检测系统设计
4
机器人视觉传感检测系统设计
3．典型机电一体化系统的设计模块
组数
项目名称
1
XY数控平台的系统设计
2
CNC机床的系统设计
3
BDJP-1型机器人的系统设计
4
液压挖掘机的机电液控制系统
5
数控雕刻机系统设计及实现
6
高速机械手的设计
实验内容与要求：
实验一计算机控制系统时间响应分析
1.用MATLAB语言进行编程，掌握初步的MATLAB编程能力；
2.对某一离散控制系统进行单位阶跃响应、单位脉冲响应的仿真，并利用MATLAB对离散系统进行时域、频域分析；
3.运行所编程序，实现仿真，并打印仿真结果曲线。
实验二伺服电机控制系统仿真
1.在Simulink中建立直流伺服电机电枢控制系统数学模型。
2.根据直流伺服电机的传递函数，在Simulink中应用TransferFcn模块构建模型图。
3.进行仿真并打印仿真结果曲线。
实验三运动控制器的参数设定与GT-400运动控制卡的编程
1．认识X-Y运动控制平台的典型硬件结构，伺服（步进）电机的工作原理，掌握运动控制平台的工作原理及GT-400型运动控制卡的运动程序设计。
2．利用面向控制轴的控制命令、运动参数控制命令，其中包括通过P、I、D参数设定，速度、加速度及位置参数设定，来实现GT-400型运动控制卡两轴单动程序设计。
3．了解VisualBasic6.0编程语言程序设计环境，初步掌握VisualBasic6.0编程语言面向对象的程序设计方法。
七、教学方法及手段（含现代化教学手段）
采用英文原版教材和外文讲授相结合为主的授课方式，并适当采用中英文并用开展课堂互动讨论的教学方法，引导学生用英语帮助思维，更好地调动学生的学习兴趣和主动性，提高学生的综合素质，有助于系统引入国外的先进专业体系，促进并优化机电学科的课程建设。
做到因材施教，方法灵活，激发兴趣，并注重理论和实践相结合。
组建机电一体化实验小组，组织学生参加相关比赛及研讨会，大大提高学生的科研素质与积极性。
科学、合理使用现代教育技术，利用多媒体教学课件，将专业基本技能与教学内容紧紧结合，教学内容随时融人新理论、新技术、新方法，采用适当的激励，鼓励学生在平时的作业中运用先进的设计方法和手段，如计算机辅助设计、计算机绘图、计算机仿真等，将实践教学融入课堂教学中，培养学生独立分析和解决实际问题的能力。
八、课程考核方式
本课程的考核成绩包括出勤与讨论课成绩、作业成绩、研究项目成绩、实验成绩和闭卷考试5部分。
每项具体评分标准如下：
1．出勤及讨论课成绩满分为10分，出勤成绩=出勤次数/统计次数×5，出勤次数由课前学生签名为依据，统计次数为学生出勤考核总次数。
讨论课成绩5分，由讨论课后提交的报告情况评分。
2．作业成绩满分为10分，平时作业最终成绩=累计作业成绩/作业次数，每次作业成绩依据学生提交作业的正确情况评分，每次作业成绩按满分10分打分，雷同记0分，平时作业最终成绩为累计作业成绩的平均成绩。
3．实验成绩满分为10分，实验成绩=累计实验成绩/实验次数，每次实验成绩依据学生实验报告评分，每次实验成绩按满分10分打分，实验最终成绩为累计实验成绩的平均成绩。
4．项目成绩满分为30分，项目成绩=研究计划成绩+演示汇报成绩+研究报告成绩，其中研究计划成绩共计10分，演示汇报成绩共计10分，研究报告共计10分。
研究计划依据学生的答疑情况和学生提交的研究计划综合评分，演示汇报成绩依据学生演示PPT的质量、汇报情况、回答问题情况综合评分，研究报告依据提交报告的小组成员的分工情况、研究内容多少、研究透彻程度、结果分析情况综合评分。
5．试卷成绩满分为40分，试卷成绩依据学生考试试卷按照标准答案评分。
九、课程教材及主要参考书
[课程教材]：
Mechatronics---ElectronicControlSystemsinMechatronicalEngineering,W.Bolton.LongmanGroupLimited,1999
[课程主要参考书]：
[1]机械电子学，刘政华.国防科技大学出版社，1999.10
[2]机电一体化系统设计，魏天路.机械工业出版社，2006.3
[3]机电一体化系统设计，梁景凯.机械工业出版社，2006.11
[4]机电一体化系统设计，张建民.北京理工大学出版社，1996
[5]机电一体化系统设计，魏俊民.中国纺织出版社，1998
[6]机电一体化技术，张瑜.机械工业出版社，1987
制定人：
审定人：
批准人：
2008年7月
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