《机械运动控制原理与技术》教材建设及实践

刘想德 李艳生 何翔鹏

机械运动控制以机械为基础，涵盖了控制理论、计算机技术、微电子技术、电力电子技术、电机学、信号检测与处理等多门学科，知识面非常广，实践性很强。随着我国制造业向智能制造的转型升级，机械运动控制技术发展迅速，机械运动控制产品市场增长很快，引发对运动控制专业人才的巨大需求。

由于我国高校传统的专业设置及课程体系对运动控制技术没有引起足够重视，导致目前几乎没有高校开设《机械运动控制原理与技术》课程。另一方面，自动化、电气工程、机电一体化等相关专业的学生，在装备制造业中从事机械运动控制工作，需要通过一边实践摸索、一边自学来建立运动控制技术的知识结构。使得运动控制技术人才的培养与行业的需求矛盾凸显。

1 《机械运动控制原理与技术》现有教材问题

当前国内图书和教材市场上，机械运动控制技术方面的书籍很少，合适该课程理论教学的教材更是非常匮乏。尽管市面上也有一些由企业技术人员编写的运动原理与技术类书籍，但是这些书籍特别注重工程经验、工程案例和技术细节，往往只适合做教学参考书，其内容从理论深度和普适性上离高校教材要求还有一定距离。

另一方面，国内大部分高校一直习惯使用电气工程专业或自动化专业的《电机及拖动基础》、《电力拖动自动控制系统》、《机电一体化系统设计》、《计算机控制技术》等教材来讲授机械运动控制的相关内容。由于机械运动控制的综合性很强，其涵盖内容大大超出了上述课程内容，仅仅通过上述教材难以开展机械运动控制技术的教学工作。

2 《机械运动控制原理与技术》的教材建设

基于在机械运动控制领域的教学和科研实践经历，从数控机床、机器人等不同智能装备中提取共性理论和主要技术，突出机械运动系统的整体性和系统性，编写并出版了《机械运动控制原理与技术》教材。

该教材特色鲜明，强调单台电机速度、位置和力矩的跟随控制、多台电机的运动协调及运动轨迹规划，系统讲解机械运动系统的结构组成、设计方法和具体应用。教材由8 个模块组成，这8 个模块紧密关联，具体内容如下：

①机械系统与系统建模模块。讲述机械运动形式、机械运动物理量，机械系统与机器人的组成，机械系统模型。本模块强调“模型”建立过程和抽象方法，说明“模型”是理论分析和推演的基础，模型具有相似性。

②机械传动机构及转动惯量模块。讲述常见机械传动机构的特性，刚体转动惯量计算以及机械系统的惯量匹配。本模块属于传统机械内容，机械传动机构可以看作运动控制系统负载或被控对象的组成部分，其性能特点直接影响运动控制算法复杂性和最终控制效果。

③传感器与电机模块。讲述电机性能参数，机械系统驱动中常用电机的工作原理、组成结构和特性，传感器的一般组成结构和常见机械运动测量传感器的工作原理。本模块侧重器件工作原理讲解，传感器和电机是运动控制系统中的检测器件和执行器件，可以统称为变送器，二者都起信号转换或能量转换作用。

④电机的驱动模块。讲述电机调速系统的组成、性能指标、稳定运行条件，直流电机调速系统、三相交流异步电机调速系统、步进电机调速系统的工作原理和系统结构。本模块内容在传统电机控制教学中属于难点，传统电机控制教材并不适合初学者学习，且内容较为陈旧。因此，新编教材中，这部分内容以交直流可调电源为核心，牢牢把握住交直流可调电源中的电力电子主电路和微控制器控制算法两条主线。

⑤电机的协同运动控制模块。讲述机械运动系统的层级结构、运动控制器的硬件和软件结构组成、点位运动控制算法以及轨迹运动控制算法。本模块核心内容是轨迹控制和各种插补算法，由于我国对运动控制教学和科研工作重视程度、投入力度不够，机械运动轨迹插补方面的中文技术文献和教材很少，一直是教学和工程实践中的薄弱环节。

⑥机械运动控制计算机与软件模块。讲述计算机组成结构、工作原理，计算机操作系统的功能与组成、计算机程序的编译与链接以及机械系统的人机交互软件。本模块是机械运动控制系统的信息中枢，计算机相关课程内容对于机械和控制专业的学生来说是知识结构上比较欠缺的知识点，当前机械智能化发展趋势，使得本模块内容变得更加重要。

⑦机械运动控制的组网模块。讲述机械制造系统的网络互联、OSI 参考模型、工业以太网以及现场总线等。机械网络化控制、“云机器人”以及“云制造”都离不开网络和总线的支撑。本模块也属于机械运动系统的信息中枢，把自动化领域中的现场总线跟通信领域中的计算机网络统一起来讲授，有助于深入学习和掌握二者的共同本质。

⑧机器人的运动控制模块。讲述机器人操作系统的基本概念以及基于机器人操作系统的机器人控制编程。本模块侧重一些具体机械运动控制系统的系统结构及其应用介绍。

3 结语

开展《机械运动控制原理与技术》课程教学改革并编写该课程教材，对于解决我国智能装备领域中运动控制技术人才培养中的供需矛盾，突破人才培养瓶颈，推动我国制造业的升级转型具有重要意义。《机械运动控制原理与技术》教材内容的完善，还有待实践进一步检验，以及广大教学科研人员集思广益，取长补短、共同进步。