机电系统设计范文

机电系统设计范文第1篇

1机电系统设计课程教学中的问题

对于机电系统设计这门课程而言，其教学的问题大致可以分为教学内容的问题以及教学方式的问题，本文从这两个方面对其中的主要问题进行分析。

1.1教学内容的问题

在现有的机电系统设计课程当中，其内容存在着一定的混乱性以及单一性，首先对于机电系统设计课程的教材而言，有着不同的版本，并且每一版本当中的内容分布都不相同，甚至有些内容本身都不同，并且对于机电系统设计知识的讲解深度也有着一定的差别，这就意味着，如果在教师水平相当的情况下，不同教材内容下培养出来的学生能力也会有着一定的差距，这对于学生未来的发展极为不利，因为机电系统设计课程学习越来越深入之后，学生的差距就会越来越大，到后来的实际运用过程当中，学生的实践能力也会由于理论支撑的差距而产生差距，一部分学生会面临淘汰的威胁。另外一点就是课程杂乱无章，比如其课程当中包含着微机控制、数控技术、计算机技术、机电系统设计是机电学当中的主要课程，在机电系统设计课程的教学当中，一直将机电系统设计作为一门主干课程进行教学。机电系统设计是一门综合性与实践性比较强的课程，其对于学生的实践能力要求比较高，而在传统的教学方式下学生并不能通过课本当中的基础看到本质，机电系统设计课程的教学改革已经势在必行，本文从目前机电系统设计课程当中所存在的问题出发，分析其具体的教学改革的方式。

1.2教学方法的问题

首先教学方式的问题可以分为传统教学方式的问题与现代教学方式的问题，在传统的教学方式当中，教师往往采取教师讲，学生听的方式，这种方式学生仅仅是被动的吸取知识，并且对于理论知识的理解程度并不代表着实践运用能力的程度。而机电系统设计是一门实践性要求比较高的课程，所以在教学的过程当中，其教学方法一定要围绕学生的实践性出发，这种传统的教学方式不仅不能培养学生的实践能力，还会因为枯燥的理论学习使得学生失去学习兴趣。另外一方面在现代教学方法的普及下，在教学领域当中的科技成分越来越高，大量多媒体教学工具、实践机械教学工具、投影仪等教学工具的使用使得教学效率提高，原本需要三个课时的教学内容教师在PPT的讲解方式下只需要一个课时，虽然提高教学进度，但是忽视了学生的接收能力与对知识的理解能力，从根本上来说并没有提高教学效果。

2机电系统设计课程教学改革策略

根据上文当中所提出的问题进行分析，探究在面对以上教学问题的情况下如何进行机电系统设计教学改革。

2.1优化教学内容

首先针对教学体系而言，需要对机电系统设计这门课程的教材内容进行整合设计，整体而言可以将教材的内容分布进行三个阶段的设置，首先是理论基础知识阶段，让学生认识机电系统设计这一项目的原理。第二个阶段就是将理论与实际相结合，也就是结合实际的案例，让学生进一步的认识机电系统设计这门课程的原理。最后一部分就是组织实践活动，让学生根据所学习的知识进行具体的实践，用实践来充分论证自己所学习的理论知识。另外一方面就是将教材内容进行合理的分配，也就是说要按照具体的机电系统设计程序来安排教学程序，并且注重知识点之间的连续性，将电子技术、计算机技术、检测技术、数控技术、液压技术进行结合，比如数控技术与计算机技术、电子技术可以运用在机械自动化操作上而检测技术、液压技术与电子技术则可以运用在监控系统上，并且对制动技术进行结合教学。按照时间将知识进行分类教学，增强课程知识点的连续性。

2.2教学方法的改善

教学方法的改善要从课堂教学与实践教学两个方面着手，首先对于课堂教学而言，需要注重学生的知识接收递进性，循序渐进的接触新知识，另外要充分利用现代技术，将多媒体技术与课堂教学相结合，但是要在保证学生理解知识的情况下提高教学效率。并且在对学生进行教学的过程当中，最终要的是培养学生的学习思维，特别是对于机电系统设计这门课程的教学，首先运用丰富的网络教学资源，结合实际教学案例，对其进行教学，让学生通过了解、思考、判断、提出问题、分析问题、解决问题的方式，进行学习，增强学生的思维能力。在实践教学当中，教师要脱离课堂将学生带到具体的机械车床前进行教学，对于机电系统的构造以及运作原理进行教学，并且在教学过后让学生自己动手实践，教师在一旁充当引导者的角色，提高学生的实践动手能力。

3结语

在机电系统设计这门课程的教学当中，首先要根据教学内容与教学方式进行着手，分析其中的问题，并且在教学内容当中，从教学内容的配置与教学内容整体性出发，解决其问题，而教学方式则通过实践教学与理论教学两个方面分析其解决策略，促进机电系统设计课程教学改革。

作者:黄安 曾军华 单位:江西应用工程职业学院

参考文献

[1]陈晓东.机电系统设计课程教学改革研究[J].价值工程,2012,31(17):281-282.

[2]王昊,王化更,谢飞等.以项目教学驱动机电系统设计课程教学改革[J].教育教学论坛,2015(01):87-88.

[3]强怀博,王洪喜.基于工程创新能力培养的机电系统设计课程教学改革探索[J].中国现代教育装备,2015(19):57-59.

机电系统设计范文第2篇

关键词： 机电系统设计；工程实践；教学改革

0 引言

随着制造业和计算机软硬件技术的发展，传统的加工手段已经不能满足现在设备的高精度、高智能化要求。传统制造技术不断地吸收计算机技术、数控技术、测量传感技术、伺服传动技术、自动控制技术等，而且只有各部分之间相互结合，则产品的性能和功能就越好，只有实现多种技术的有机结合，才能实现整体最佳。这些技术就构成了机电一体化技术，因此，运用机电一体化技术设计机电设备或产品，改变机械产品与机械工业的面貌，满足社会和生活的物质要求，已成为工程设计人员的使命。要学好机电系统设计这门课不仅需要掌握多门学科的理论，而且需要把这些课程融汇通，有机结合。

1 机电系统设计课程教学中存在的问题

1.1 教材的问题 目前存在很多机电系统设计教材，内容不同，侧重点不同，深浅不一。由于该课程涉及机械、电子、计算机、伺服传动及检测技术等多项内容，教材中存在内容选定、案例安排、基本概念界定等方面是否科学、合理也值得商榷；甚至大量内容堆砌，把各种技术割裂开来讲，不能从整体性、关联性、集合性及环境适应性等方面入手，以系统工程的方法为指导，综合运用机、电、控等各学科的技术设计新型产品，造成和微机控制、数控技术、伺服驱动、检测技术等课程内容的简单重复，不能将这些技术有机结合，使这门课缺乏新鲜感，导致学生失去学习兴趣。另外，教材内容缺乏新颖性，例如，当前精度要求高的机电设备中的伺服驱动元件大都采用交流伺服电机或直流伺服电机，而教材中却重点在讲解步进电机的原理、驱动控制，对伺服电机草草带过，不作为重点讲解内容，教学内容严重滞后，和实际工程应用脱节。

1.2 教学方法的问题 长期以来，在机电系统设计的教学活动中，教师习惯运用的是“满堂灌”式的传统讲授教学法。注重具体技术的理论分析和讲解，忽视了所讲内容在工程实际的联系、培养学生解决实际问题的能力和实际操作的技能，不能使学生深切感受到机电一体化技术和日常生活中的机电产品的密切关系，感受机电系统学科的博大精深以及这门学科中处处蕴含的技术之美，严重影响了学生的学习兴趣和学习效果。

随着计算机、投影仪等先进设备在教学中的普及，使用多媒体教学成为课堂教学的大势所趋、必然选择，知识量明显加大，加之该课程设计内容广，容易造成教学速度过快，导致学生和老师互动较少，不利于调动积极性。

1.3 教师存在的问题 机电一体化技术具有的实践性、科学性、综合性、创新性的特点，意味着讲述这门课的教师也要具备实施工程教育的能力和素质。只有教师自身具备工程实践能力，才能用工程的视野去教学，才能将机电产品的开发、设计过程以系统的建造能力与讲授的课程相融合，为学生提供相关的案例，培养学生的工程意识，增强学生的工程实践能力，从而培养出更多未来的工程技术人员[1]。据统计，我国普通高校专任教师中符合“双师型”教师仅占16.3%[2]，其余青年教师大都从学校到学校，偏重理论知识的学习，从事工程实践的经历较少，因此在授课中不能引用在工程实践中积累的案例，更难讲授在工程中如何解决实际问题的过程。这些情况严重束缚了本学科多样性、实践性的发展。

2 机电系统设计教学改革思考

2.1 优化讲解内容，建立合理的课程内容体系 针对当前教材中存在内容堆砌、各种技术割裂、各模块安排杂乱的现象，在讲述课程中将内容重新安排，这重讲解机电系统的总体设计。总体设计是机电系统设计中的最重要环节，它的优劣直接影响系统的全部性能及使用情况，尤其是总体设计理论还处于经验状态时，如何使总体设计最佳化，充分体现现代设计方法成为重点。按照原理方案设计、结构方案设计、总体布局与环境设计这条主线延伸，进而对机电一体化系统的各组成要素、相关技术（如：机械技术、计算机信息技术、控制技术、传感器与检测技术、伺服传动技术等）及各组成部分之间通过什么接口有机的联系在一起进行重点分析讲解，重构了课程的内容体系和知识结构，使课程知识结构体系内容更具条理性、科学性。

2.2 实施多元化的教学方法

2.2.1 理论讲授与实践教学相结合 对机电系统中相关的基本概念、原理、设计方法主要采用讲授的方式讲解，提高学生的理论水平。另外，引导学生对日常生活中的机电产品进行设计，由学生查资料、制订方案，然后由师生讨论方案的可行性并加以修改，最后由学生完成产品设计，这样不仅培养了学生包括查文献、方案设计、方案修改的能力，还提高了学生的自学能力、分析设计能力。

2.2.2 案例法 在讲授的过程中通过“举例”，使用一些工程案例说明问题。使用案例的目的是为了说明所要阐述的理论，帮助学生理解，增强课堂讲授的趣味性。学生能通过对案例的“思考—分析—讨论—判断”，进而掌握所学理论如何在工程中应用，如何把理论和实际有机的结合起来，如何分析工程中环境的复杂性带来的干扰，采用什么方法加以解决，这些都是教材中很少提到，但在工程中常常遇到的问题，通过这些典型案例加深理解，增强理论联系实际的能力。

2.2.3 报告式教学 对一些教师自己参与过的典型案例作专题报告，同时邀请本校老专家走进课堂，把自己如何设计机电产品的过程以及亲身感受与学生分享，增强学生学习兴趣。

2.2.4 增加实践教学环节，以科研促教学 在实验教学内容中，大大增加了综合设计性实验和创新性实验的比例。对综合设计性实验，要求学生自行设计一个产品，既要反映出机电系统的各要素，又要反映出各要素之间的相互关系；对创新性研究实验，先由学生提出设计方案，教师审查确定其方案合理与可行后，由学生自行设计完成。

2.3 加强教师工程实践能力 机电系统具有很强的实践性，教师如果只具备扎实的理论知识而缺乏实践的经历是难以胜任这门课的教学工作的。因此，加强教师工程实践能力势在必行。可以通过校企合作，鼓励青年教师在具有丰富经验的老教师的带动下，以项目为驱动，积极参与企业的攻关课题，促进科研成果向生产力的转化，并且在参与工程实践项目的同时，拓展工程视野，提升团队合作能力[1]。

2.4 参与教师科研，提高学生实践能力 吸收学生参加教师的科研工作，充当科研助手，接受教师科研思想熏陶和科研方法的锻炼，通过参与提高从事科研的能力，培养作为一个科技工作者应具备的良好素质，为学生走向工作岗位奠定坚实的基础[3]。

3 结束语

在机电系统的教学过程中应通过各种形式让学生更深、更广、更远的了解本专业的特点、内容、发展。充分调动学生的主动性参与到工程实践中，才能在实践中培养出分析解决问题的能力，才能从系统的角度出发，深刻理解机电系统的各个部分之间是如何有机的联系在一起的，设计出更加优质的机电产品。

参考文献：

[1]惠效丽等.高等工科院校青年教师工程实践能力培养问题研究[J].教育科学，2010，6，[26]6-8.

[2]欧阳文.工程教育“双师型”教师培养的实践去向与路径[J].高等工程教育研究，2006，7：73-76.

机电系统设计范文第3篇

关键词：微机电混合陀螺仪工作原理接口电路设计仿真分析

中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：

大量的实践研究结果证实：陀螺能够在相当长的一段时间范围内保持既定方位的稳定性，并能够针对载体角位移程度以及角速度变化情况予以及时反映。基于这一特性，陀螺现阶段的大量应用于工业化建设的方方面面当中。同传统意义上的机电陀螺仪装置相比，一种基于微电子及集成智能化技术的微机电混合陀螺仪装置以其所特有的低成本、大批量生产以及尺寸小等诸多优势而备受各方工作人员的特别关注与重视。本文基于对微机电混合陀螺仪装置工作原理的分析，提出了一种接口电路的设计方式，并仿真验证其可行性。现对其做详细分析与说明。

一、微机电混合陀螺仪装置基本工作原理分析

在当前技术条件支持下，整个微机电混合陀螺仪装置的基本结构如下图所示（见图1）。由图中所示结构不难发现：在整个微机电混合陀螺仪装置处于正常运转状态的情况下，与之相对应的电机装置能够驱动陀螺仪装置与平衡环装置保持高速且稳定的旋转动作，从而产生较为明显的动量矩。在如图1右下角位置所示x/y方向出现角速度输入的情况下，转子自转轴势必会产生一定程度上的偏转。而相对于整个微机电混合陀螺仪装置而言，这种偏转将引起信号检测极板与陀螺转子相对应的电容参数出现明显变动。借助于电容信号检测将这部分电容参数予以完整提取，即可以获取在输入角速度既定状态下的转角大小参数。更为关键的一点在于：为确保陀螺转子在整个微机电混合陀螺仪装置的运行过程中能够始终保持为静态平衡状态，则应当以力矩反馈极板为在载体，将一定数值的静电力矩施加在陀螺转子之上。在陀螺转子接受这部分静电力矩的过程当中所产生的修正效应以及补偿效应能够辅助对输入角速度的测定作业。基于以上分析，在剔除二次谐波力矩作用力以及陀螺阻尼力矩作用力相对于微机电混合陀螺仪装置的运行影响情况下，其运动方程可以作如下表述：[（转子绕x/y轴转动惯量＋平衡环绕x/y轴转动惯量/2）×（自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的角加速度）]＋[陀螺仪角动量参数×自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向运动相对于驱动轴的角速度]＋[剩余刚度项×自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向运动相对于驱动轴的转角角度]=作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数－[（转子绕x/y轴转动惯量＋平衡环绕x/y轴转动惯量/2）×陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数]－（陀螺仪角动量参数×陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数）。通过对微机电混合陀螺仪装置运动方程的分析，可以对其进行简单定义，即微机电混合陀螺仪装置是一个能够同时针对x轴及y轴方向输入角速度进行测定的二自由度陀螺仪装置。

图1：微机电混合陀螺仪装置基本结构示意图

二、微机电混合陀螺仪装置接口电路设计分析

在整个微机电混合陀螺仪装置系统设计过程中，机电接口应当重点关注上检测电极、下检测电极以及转子、平衡环间的对应关系。在微机电混合陀螺仪装置进行信号检测的过程当中，能够通过对大小均等、频率均等高频载波信号的内环输入实现检测目的。在此种载波信号的施加作用之下，上下检测电极外环位置还同时受到村子啊平衡力矩作用力的微机电混合陀螺仪装置反馈电压当中。这部分施加电压与所输入高频载波信号均负载在同一电极当中，借助于此种方式能够实现整个机电接口位置直流偏置信号、常值电容信号、反馈电压信号以及检测电容信号的均衡性作业。基于以上分析需要认识到一点问题：在针对微机电混合陀螺仪装置进行系统设计的过程当中，若假定存在寄生电容，则在整个有关接口电路的设计过程当中需要重点关注一点：即在频率一定的载波信号施加并有效覆盖于微机电混合陀螺仪装置外环电极的状态下，中间公共点击所产生电位数值与所施加载波信号见的对应关系。此过程当中需要重视放大器反相输入端虚地数值的特性，获取差动电容传感器在反馈阻抗既定状态下的输出电压参数，基于以上分析所确定的微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图基本如下图所示（见图2）。从图中相关结构不难发现：在微机电混合陀螺仪装置的正常运行状态下，通过对电容参数的实时控制与调节能够很好的提高信号灵敏性。

图2：微机电混合陀螺仪装置接口电路设计示意图

三、微机电混合陀螺仪装置仿真分析

本文所例举仿真试验在微机电混合陀螺仪装置保持开环状态下运行，其目的在于通过仿真实验分析并验证残余刚度相对于整个微机电混合陀螺仪运行系统的影响程度。具体的仿真方式如下：在保持微机电混合陀螺仪装置处于开环作业状态的情况下，假定充分加工后整个结构的残余刚度保持在0.22468mN·m/rad单位，并且剔除外力矩作用力以及角速度输入对残余刚度的影响问题。在此种假定情况作用之下，本文所构建的微机电混合陀螺仪装置运动方程中包括①.陀螺仪相对于惯性空间角速度在坐标系oy轴上的分量参数；②.陀螺仪相对于惯性空间角加速度在坐标系ox轴上的分量参数；③.作用于陀螺转子外置外力矩在坐标系ox轴上的分量参数在内的相关指标均表现为零值状态。在以上仿真前提下，陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系ox轴正向相对于驱动轴的转角（以下定义为a）以及陀螺转子自转轴绕陀螺仪坐标系oy轴正向相对于驱动轴的转角（以下定义为b）的运动关系表现为下图（见图3）。从图中不难发现：在剩余刚度项保持在非零状态的情况下，a、b转角作相对调谐振动，这也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中做进动运动。而在a、b转角呈现出完全调谐关系的情况下，以上两转角指标均表现为初值状态，也就意味着转子自转轴在整个微机电混合陀螺仪装置中能够保持原方位上的稳定状态。在此基础之上，借助于Matlab实现对微机电混合陀螺仪运行系统的仿真处理，通过对输入角速度参数的控制，所得到的仿真结果证实：在过渡平衡状态下，a、b转角基本表现为零值状态，确保了整个微机电混合陀螺仪装置闭环控制的有效性，仿真效果显著。

图3：微机电混合陀螺仪装置开环状态下转角运动规律示意图

（a）转角a运动规律示意图

（b）转角b运动规律示意图

参考文献：

[1] 夏敦柱,周百令,王寿荣等.双闭环真空硅微陀螺仪设计及性能测试分析[J].传感技术学报,2008,21(2):241-243.

[2] 马宗敏,石云波,刘俊等.单芯片加速度计陀螺仪设计与动力学分析[J].传感技术学报,2007,20(11):2395-2399.

[3] 王凌云,刘益芳,孙道恒等.扇形梳齿驱动式微机械隧道陀螺仪的初步研究[J].厦门大学学报（自然科学版）,2006,45(3):355-359.

[4] 崔建伟,廖启征,郭磊等.基于ARM微控制器的动态倾角传感器设计与制作[J].仪表技术,2007,(9):63-65.

机电系统设计范文第4篇

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关键词：高速摄影；单片机；CPLD；转速测量

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.018

引言

超高速摄影与一般摄影最根本的区别，在于它能以极快的速度进行拍摄，有很高的时间分辨率，能够将快速变化的过程记录下来，可以广泛应用于高速运动过程研究、瞬态光谱物理、高能物理、炸药爆轰参数测量等领域。

超高速摄影有超高速光电相机、转镜式超高速摄影等。转镜式高速摄影有较高的分辩力，转镜式高速摄影扫描系统的扫描速度可达0.375km/ s～15km/s，系统分辩力可达80lp/ mm，高速摄影分幅系统的摄影频率可达104fps～107fps，系统分辨力可达35lp/mm，可满足速度最高可达几十千米每秒的高速运动物体的测试需求。

转镜式超高速摄影系统是一个涉及光学、机械、电子等技术领域的复杂精密系统，主要由光学系统、机械系统和控制系统组成，这里主要对某项目中用到的转镜式超高速摄影系统的电路控制系统设计进行介绍。

超高速摄影电控系统设计

转镜式超高速摄影电路控制系统使高速摄影机各部分按程序工作，保证高速摄影机以500万帧/秒的速度准确可靠地高速拍摄。超高速摄影机电控系统是保证摄影机准确可靠工作、提供分析所需数据的指挥机构。控制系统性能的好坏是衡量高速摄影机质量的重要标志。

超高速摄影电路控制系统主要由控制箱、电源、计算机等组成。电控系统主要功能为：（1）快门开启和关闭的控制；（2）调整和控制转镜的旋转速度；（3）转镜旋转速度测量和指示；（4）引发脉冲光源；（5）安全保护功能，包括电机的过流保护、传感器断电保护等。超高速摄影电控系统工作流程示意如图1所示。

单片机ATMega16L通过RS485通信接受计算机的指令并完成对其它各个分系统的实时控制。电机脉冲信号放大板将转镜转速测量板的信号放大并送给CPLD逻辑电路XC95288进行测速，并与转镜速度控制单元的测速值进行比较，用于判断是否达到设定的速度；脉冲氙灯控制器用于开启脉冲氙灯和引发目标信号，机械快门控制单元实现对摄影机的保护，外部触发及同步信号单元用来获取外部的同步信号，并根据到达拍摄区域的时间确定零时信号。系统各控制模块（除电机控制器外）和电源等都装配在控制机柜中，并通过电缆与对应的快门、电机、氙灯、传感器和液晶显示模块等连接起来。

逻辑电路XC95288的功能设计

XC95288是Xilinx公司的在系统可编程CPLD器件，主要用来完成逻辑控制和转镜速度测量等功能，其控制的内容包括转镜速度和外部同步信号的读取、控制机械快门、脉冲氙灯以及触发目标，同时也控制MAX485等芯片实现与上位控制计算机的半双工通信。

XC95288与MAX485的连接电路如图3所示。

超高速摄影机需要将转镜加速到预定的拍摄速度，并能够维持数秒（维持时间不宜过长，否则将损坏电机），以等待拍摄目标的到来。因此要设定拍摄速度的自动选择环节，当转镜速度达到预定的转速时，它能自动给出信号以稳定电机转速。当摄影频率为500万帧/秒=5×106fps时，拍摄320个画幅对应转镜的旋转角度为120°，此时转镜转速n为：n=（120/360）fω/N=（1/3）×5×106/32 0=5208.33rps=312500.0rpm。

为了测量电机转速是否达到设定的转动速度，这里设计一个速度测量电路，其参数如下：（a）频率测量范围：10Hz～1MHz；（b）测量分辨率：1Hz；（c）测量通道灵敏度：50mVpp；（d）通道输入阻抗：≥100kΩ。

（1）电机信号整形电路

电机转速输入的速度频率信号是方波，并且信号的测量通道灵敏度为50mVpp，为此需要将速度信号放大整形成标准的TTL电平的方波信号，便于XC95288对信号脉冲的计数，放大电路需要将最小为Vpp=50mV的信号经过放大整形后变成Vpp=5V电平，并且前向通道电阻≥100kΩ，则放大电路的电压放大倍数为：

第一级射级跟随器提高了输入阻抗，使其满足Ri≥100kΩ的要求，使得信号基本上送入后级，再经过两级的放大使信号放大，最后经施密特触发器整形成比较好的方波信号，为后面的处理提供信号。

（2）电机速度频率测量电路

XC95288主要实现对被测信号的脉冲个数进行处理，并通过串口发送到PC上进行实时显示。这里采用有源晶振40MHz进行分频得到计时标准时钟，标准时钟为电机速度频率测量提供精度相对较高的时基信号，其时间的稳定性和精度将会直接影响到测量的准确性。

用XC95288实现电机速度测量的电路结构如图5所示。

在XC95288内部电路中，F0、F1输入端口分别输入标准脉冲和待测的速度脉冲信号（经过整形放大以后的信号），计数器0和1分别对标准脉冲F0和待测信号F1进行计数，锁存器0和1分别对计数器0和1的计数值进行保存，16位的输入端口NP作为预置闸门时间的设定端口，设其输入值为NP，则预置闸门时间T0为T0=NP/f0。

在电路刚开始工作时，由清零信号CLR对所有的计数器、锁存器和D触发器清零。这样，计数器0的计数值NN0的初值为0，故此时NP>NN0，比较器输出为1，但此时DFF0触发器的输出F2仍保持此初值0，由于F2作用在计数器0和1的使能端，此时计数器没有开始计数，直到信号F1的上升沿到来后，DFF0触发器的输出F2才翻转为1，允许两计数器计数。随着计数值的增加，当NN0>NP时，比较器输出等于0，不过此时两个计数器仍在计数，直到信号F1的又一上升沿到来后，F2=0，两个计数器都停止计数，利用F2的下降沿（F3的上升沿）将此时的计数值NN0和NN1分别通过锁存器0和1锁存起来。然后利用此时F2=0，经D1触发器延时到信号F0的上升沿到来后，对计数器0、1清零。延时清零的原因是为了避免锁存器锁存数据与计数器清零同时进行，从而使存储数据出错。但由于延时清零，使实际门控信号的上升沿比速度信号F0的上升沿滞后，滞后时间为信号F0的一个周期。为使检测结果准确，将计数器0的计数值加1即可。F2实质上就是实际门控信号。

在设计电路时，需要考虑计数器溢出的情况。例如，在电机转速很慢的情况下，两个速度脉冲信号上升沿间的时间间隔较长，这使实际闸门时间变得很长，在该段时间内，计数器0可能会出现溢出情况。在该情况下，可用3种方法来解决计数：一是增加计数器0的位数；二是通过增加计数器来对溢出次数另行读数；三是一旦计数器溢出，便认为此时电机的转速约等于0。这里采用的方法是：在电机转速很慢的时候延时2秒种后再进行测量，而且计数器都采用16位宽度。

单片机ATMega16L的功能设计

ATMega16L单片机是ATMEL公司生产的高性能单片机，采用精简指令集，具有预取指令功能，指令可以在一个时钟周期内执行，处理速度快。在高速摄影电控系统中，ATMega16L单片机负责读取XC95288的电机测速值，处理控制内外信息的输入输出接口，并与上位控制计算机通过RS-485接口进行信息交互。

在软件编程时，利用ATMega16L单片机定时/计数器与系统时钟的预定比例分频器，可以获得很高分辨率的时间间隔控制精度，例如，单片机系统采用8MHz的晶振工作，采用8分频，则时间控制的间隔可以达到微秒，完全能够实现超高速摄影中要求的0.1微秒的控制精度。

这里给出一个ATMega16L单片机读取XC95288的电机测速值的C语言子程序。

结束语

根据以上电路设计的转镜式超高速摄影机电控系统，已在某系统超高速摄影机中得到应用，系统工作良好。

参考文献：

[1] 王杰等.Xinlinx FPGA/CPLD设计手册[M].北京：人民邮电出版社，2011：242

机电系统设计范文第5篇

Abstract: This paper introduces the basic overview of mechatronics technology and development background, and describes the mechatronics design approaches and key elements.

关键词:机电一体化;传感器;发展趋势

Key words: mechatronics;sensor;development trend

中图分类号:TH122 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)11-0084-03

0 引言

现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透,导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域,由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化,使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化,使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

1机电一体化认识

日本在1971年提出一个新的英文集成名词“Mechatronics”词首Mecha取自Mechanics(机械学),词尾tronics取自Electronics(电子学)。我国经常译为机电一体化或机械电子学。在1981年德国工程师协会,德国电气工程技术人员协会共同组成的精密工程技术专家组提出的“关于大学精密工程技术专业的建议书”中,把精密工程技术定义为光-机-电一体化的综合技术。它包括机械(含液压,气动及微机械),电工与电子,光学等技术及其组合,其核心为精密工程技术。在当前“信息爆炸”的形式下,相对于专门型人才来说,市场对复合型人才的需求更加迫切。在中国,我们认为机械发展新阶段是机电一体化阶段。机电一体化是指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术,将机械装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统的总称。机电一体化发展至今也已成为一门有着自身体系的新型学科,随着科学技术的不但发展,还将被赋予新的内容,基本特征可概括为:机电一体化是从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、接口技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能价值,并使整个系统最优化的系统工程技术。因此,“机电一体化”涵盖“技术”和“产品”两个方面。只是,机电一体化技术是基于上述群体技术有机融合的一种综合技术,而不是机械技术、微电子技术以及其它新技术的简单组合、拼凑。这是机电一体化与机械加电气所形成的机械电气化在概念上的根本区别。机械工程技术有纯技术发展到机械电气化,仍属传统机械,其主要功能依然是代替和放大的体力。但是发展到机电一体化后,其中的微电子装置除可取代某些机械部件的原有功能外,还能赋予许多新的功能,如自动检测、自动处理信息、自动显示记录、自动调节与控制自动诊断与保护等。即机电一体化产品不仅是人的手与肢体的延伸,还是人的感官与头脑的眼神,具有智能化的特征是机电一体化与机械电气化在功能上的本质区别。

2机电一体化的设计过程

机电一体化的机械动力部分由一般电动机演变为控制电动机,里程碑式地引入了电子和计算机等先进技术,代替人完成机器的检测与控制等工作。在知识经济中体现了制造业高科技化,促进了高科技产业和知识经济的发展。它是一种用于机电产品最优设计的方法学。它包括4个基本学科:电气、机械、计算机科学和信息技术。如图1所示。

机电一体化系统和多学科系统之间的区别不在于它们的组成要素,而在于这些组成要素设计的次序。一直以来,多学科系统设计使用一种按学科顺序设计的方法。比如,机电系统的设计一般通过以机械设计开始的三个步骤完成。当机械设计完成后,设计电源和微电子系统,接着是控制算法的设计及其实施。按学科顺序设计的方法的最大缺点是对整个过程中各个点的固定设计导致新的限制,这种限制源于对这些点的设计,而且会传递到下一个学科点的设计。使用并行方法进行预先设计可以使产品更具协同性。它补充了信息系统以指导设计,这种指导贯穿于设计的各个阶段,而不只是预先设计阶段,从而使之更加综合。在将机械,电气及计算机系统和信息系统进行集成以设计制造产品和过程时,需要进行协同。最终产品的功能应大于其各部分功能之和。如果没有协同组合的话,机电一体化产品具有的性能特征是很难实现的,机电一体化的关键要素如图2。

机电一体化系统是在物理系统中使用信息系统的结果。物理系统包括机械系统,计算机系统,执行器,传感器和实时接口。机电一体化系统不只是机电系统,而且还是一个控制系统。传感器和执行器用来把能量从动力大的一边(通常是机械的一边),转换到动力小的一边(通常是电气和计算机的一边)。上图中的机械系统不仅包括机械零部件,还可能包括流体,气动,热,声,化学及其它学科。传感技术已经出现了新的发展以适应对特殊监测应用解决方案不断增长的需要。

2.1 机电一体化中的集成设计问题由于机电一体化方法内在的并行性,或同时性工程,所以样机试制阶段的建模与仿真很重要。因为模型来自于各学科的综合应用。所以应用一种可视化的编程软件是很重要的。这样就涉及到了框图,流程图,状态转换图和波特图。机电一体化是一种设计哲学,其产品或设备有一个重要的特点就是它们内部的智能,这是将执行器,传感器,控制系统和计算机组合设计实现的。系统的集成是通过硬件(部件)和软件(信息处理)的联合实现的。硬件集成是将机电一体化系统看成一个整体系统来设计的,将传感器,执行器和微处理器融入到机械系统中,软件集成主要基于高级控制功能在设计时应首先分析客户要求以及系统集成的技术环境。在制作时应考虑了解客户,市场分析,优化性能,生命周期性能,质量,可靠性和销售。

2.2 机电一体化关键要素①信息系统:信息系统包括信息传输的所有方面,从信号处理到控制系统到分析技术。信息系统结合了以下四种学科:通讯系统,信号处理,控制系统和数值计算方法。在机电一体化应用中,我们最关心的是建模,仿真,自动控制和用于优化的数字方法。②自动控制:控制系统工程学是在19世纪晚期产生的学科,认为在低阶系统(三阶或三阶以下)系统的稳定性依赖于特征方程的根和劳思(Routh)判据,这是一个很好的判断系统稳定性的分析工具。③最优化: 就是先确认最优轨迹,最优轨迹是根据系统的要求即约束条件确定的,然后设计控制系统,在设计控制系统的时候应使系统的各参数最终满足控制要求,使误差最小化,或者说使目标函数的扰动最小化,可用最优化过程反复迭代公式(Pk+1=Pk+τ・S k)这里k是迭代次数,S k是P空间内的探索方向,τ是该方向上的探索步长空间内的探索步长,当P值不能再改进时这个过程结束,此时为最优化。④机械系统:机械系统考虑力作用下物体的特性。这样的系统按其性质可分为刚性的,可变形的和可流动的。大多数机电一体化系统应用的刚体系统,都依赖于物理学中的基本定律。⑤电气系统:电气系统由两个分支组成:电源系统和通讯系统。通讯系统以低能量的电信号形式在各点之间传输信息。诸如信息存储,处理和交换是通信系统的常见组成部分。电气工程的这个领域也称电子学。另一方面,电源系统用来在各点之间有效的传递大量的电能,而不是信息,例如:发电机是把机械能转化为电能,而电动机是把电能转化为机械能。

3传感器和变换器

仪器仪表在现代科技领域中起着关键的作用。传感器是与仪器仪表紧密相关的机电一体化系统中一个非常重要的组件,其作用是为特定工业过程提供收集不同信息的机制。传感器广泛应用于过程检测以及工况评价方面,为用计算机系统对制造作业作较高级的监控提供便利,可应用于过程前,过程中及过程后。有时,传感器可以将一种物理现象转化为决策分析的可用信号。智能系统用传感器来监测由环境变化影响的特定场合,然后通过校正动作对其控制。

实际上在所有的应用中,传感器是将各种现实世界的数据转化为电信号,因此可定义为:传感器是一种把被测物理量转换成输出信号的装置。因此传感器也可以称为变换器,应用范围广泛,甚至可以用于分辨那些人类感官无法觉察到的环境变化。它们作为一次元件,连续的将变化着的信息转变成另一种形式,也就是说,传感装置检测被测量,并将其转换成系统可接受形式的信号,通常为电信号。整个系统的最大准确度由传感器的灵敏度和其内部噪声干扰所决定。在测控系统中,任何参数的变化,不论是在被测量中还是在信号修整中,都会直接影响系统的准确度。传感器和变换器是现代控制系统(电,光,机械或流体系统)的两个重要组成部分,传感器和变换器选用的程度取决于控制系统的自动化水平和复杂程度。要构成一个复杂控制系统,测量装置必须能够满足快速,灵敏和精确的要求。随着使用要求的不断提高,传感器的体积也不断的小型化,并通常将多个传感器和数据处理系统组合固定在一起。传感器的分类:根据传感器的输出信号形式,电源,工作模式以及被测变量可将传感器分为以下两大类。模拟传感器:模拟是指连续的,不中断的一系列事件。典型的模拟传感器的输出与被测变量是成正比例的,输出信号以连续方式变化,根据其幅值取得信息,通常其输出要经过A/D转换后输到计算机。数字传感器:数字是指一系列离散的事件,各个事件前后分开,如果传感器的逻辑电平输出是数字的,则称其为数字传感器。数字传感器有着准确度和精密度高的特点,与计算机监控系统相连时不需要任何转换器。

4A/D,D/A转换

在计算机控制系统中,主机输入数据或向外部命令,都是通过接口及输入输出通道进行的,完成信息传递和交换的装置称为过程输入输出通道。这些通道是联系主机与被控对象的纽带和桥梁。生产对象的各种模拟信号,不能直接输入计算机,而要经过模/数转换,转换成数字信号,才能输入计算机进行加工处理。同样,经过计算机加工处理得到的数字信号,也不可能直接作用与被控对象。而要经过数/模转变成模拟信号,才能输出到被控对象。

数据采集系统的基本任务是将模拟量即连续量转换为数字量以便于计算机进行存储,计算和处理。由于绝大多数物理量都是模拟量。因而数据采集系统不但本身就是一种独立系统,而且是计算机控制系统的极重要的组成部分。

一个典型的计算机控制系统如图3所示。其工作原理是作为系统输入的物理量(压力,温度,湿度,位置等),首先由传感器变成点信号,然后送到放大器和滤波器。传感器的输出信号一般比较微弱,放大器的作用是将传感器输出的电信号放大到适当的大小。以利于进一步处理。滤波器的作用是消除干扰信号。然后,信号送到模拟多路开关,它在计算机的控制作用下对各个模拟通道进行分时处理,将各通道信号接到后面的采样保持电路和A/D转换器。采样保持电路在规定的时刻对送来的模拟信号进行采样并在A/D转换期间保持被采样的电压不发生变化。A/D转换器在保持时间内完成模/数转换后将数字量送到计算机。采样保持电路及A/D转换的定时和控制信号均由计算机产生。计算机对A/D转换器送来的各路数字量进行各种处理计算,然后用分时方法将处理结果送到各路D/A转换器变成模拟信号去完成各种模拟控制。有时为了提高速度和精度,数据采集系统不用模拟多路转换开关,而是每条通道用一个A/D转换器。

4.1 传感器的作用传感器是工业控制计算机系统的重要环节。如没有传感器对生产过程的原始参数进行精确可靠的测量,那么无论是信号转换,信息处理,或数据的显示与控制,都将成为一句空话。可以说,没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测量系统。

4.2 A/D转换器的原理经过多路转换开关和采样/保持的模拟量必须被变成数字量才能送入计算机。完成这一转换任务的器件叫做模拟/数字转换器,简称A/D转换器。如图4是逐次逼近型A/D转换器原理图。由图4可以看出,由N位寄存器,N位D/A转换器、比较器以及控制逻辑四部分组成。其工作原理:当启动信号作用后,时钟信号在控制逻辑作用下,首先使寄存器的DN-1=1,N位寄存器的数字量一方面作为输出用,另一方面,经D/A转换器转换成模拟量Vx后,送到比较器,在比较器中与被转换的模拟量Vx进行比较,控制逻辑根据比较器的输出进行判断。若Vx≥Vc,则保留这一位;若Vx

4.3 D/A转换器的原理D/A转换器的作用是将数字量转换为模拟量。它实际上是一种由二进制译码控制的电流叠加电路。通常包括四个组成部分:精密的电压基准;模拟二进制数字电压(或电流)开关;产生二进制权电流或权电压的精密电阻网络;提供电压或电流输出相加的运算放大器。其原理如图5为倒T型电阻D/A转换器。其输出电压表达式很容易用基准电流和响应的倍数表示出来。与权电流型的D/A转换器相比,倒T型电阻D/A转换器具有电路简单、转换速度快的优点,但其转换误差较大。在实际的D/A转换器中,开关S是电子式的模拟开关。为了减小转换误差,开关必须具有导通电阻小,截止电阻大的特点。

5机电一体化综述

机电一体化系统开发过程的第一步就是分析客房需求以及系统集成的技术环境。解决问题的复杂技术系统往往是一个具有数字或模拟形式并由复杂软件支持其硬件的机械、电子、液压和热动力部件的结合体。典型机电一体化系统使用传感器从技术环境中收集数据和信息。接下来的一步就是使用建模和描述方法的完善形式,以一种集成的方式来涵盖这个系统的所有子任务。这包括在初始阶段对子系统间必要接口的有效描述。数据经过处理和解释转化为执行器的动作。机电一体化系统能够缩短开发周期,降低成本,提高质量。在机电一体化产品的设计中,有必要在不同的专家组之间协调知识和需要的信息。并行工程是产品的设计和制造以特殊方式融合的一种设计方法。传统设计和制造间的障碍得以排除。

6机电一体化的发展趋势

机电一体化是集机械、电子、光学、控制、计算机、信息等多学科的交叉综合,它的发展和进步依赖并促进相关技术的发展和进步。因此,机电一体化的主要发展方向如下:

机电系统设计范文第6篇

关键词：自动回转刀架；刀架控制原理；刀架电气控制系统仿真

1 数控机床刀架的介绍

自动换刀系统是数控机床的重要组成部分。机床的加工性能受刀具夹持原件的结构特性及它与机床主轴的连接方式的直接影响。而机床的换刀效率受到刀库结构形式及刀具交换装置工作方式的影响，而整机的成本造价又受自动换刀系统本身及相关结构的复杂程度的直接影响。

2 数控刀架的工作原理及电气设计

电气是机械的控制中心，也就是说电气原理的设计可以实现机械动作的复杂操作控制。下面我们通过数控刀架的电气知识霍尔效应、刀架的接线原理图和具体的经济型刀架换刀过程等，对电气原理的运用做进一步的了解。

2.1 数控车床四工位刀架换刀工作原理

电机会在接到换刀键或者换刀的指令后正转，蜗杆、涡轮、轴、轴套由于花键的定位作用，同联轴器一同转动。轴套外圆上有两处凸起，能够限位轴套，使轴套在套筒内孔中的螺旋槽内作滑动，因刀架与上端齿盘同套筒相连，此时会因套筒的滑动被举起，使上下齿盘分开，刀架抬起，当套筒继续转动时，刀架会被带动旋转90°（如不到刀位，刀架还可以继续转180°、270°、360°），而且此时控制装置能够收到由微动开关发出的检测信号，直到刀架转到指定位置，控制装置会根据微动开关提供的刀架已经到达指定位置的信号，使电动机反转，此时定位销会使刀架定位不再回转，刀架则向下移动，上下端齿盘重新压合。当蜗杆继续转动，产生轴向位移，压缩弹簧，曲面压缩开关使电机停止旋转，从而完成一次转位。微机系统的控制目的就是指四工位自动回转刀架上的四把刀具中的任意一把转到指定的工作位置。

2.2 数控刀架电气控制系统设计

2.2.1 霍尔原理在刀架中运用的简单概述 一台数控机床能够进行生产加工的衡量标准即是它的精度，如果精度不能满足需求，它就不能进行生产，而霍尔元件检测的精确性却在很大程度上保障着数控机床的精度。在数控机床上，常用霍尔接近开关来检测刀位。首先，在换刀开关接通时会发出换刀信号，随后放大器在电机的驱动下正转，刀架被抬起，电机则继续正转，霍尔元件会在刀架每转过一个工位时进行检测，判断是否为所需刀位。若不是所需刀位，电机继续正转，直到所需刀架转到工位。

那么从电路的角度来看，当整个电路被接通时，正转线圈自锁，换刀开关处于自动档的位置控制开关进行自动换刀。而霍尔元件会在刀架转到所需刀位时自动断开，停止电机。此时翻转电路接通，延迟反转，刀架下降并压紧。所以从这个过程中我们可以看出来霍尔元件在数控机床中不但起到了检测与反馈作用，也是数控机床精度的可靠性保障。

2.2.2 四工位刀架PLC接线原理图 机床PLC控制着数控机床刀架，而普通的四工位刀架用于普通机床，所以控制比较简单。我们要分析数控机床的控制原理，其实就是分析车床刀架的换刀过程，而换刀过程其实就是PLC对控制刀架所有I/O信号进行逻辑处理与计算。另外换刀过程也需要设置一些相对应的系统参数来保证正常进行。在我们分析之前，还得先了解关于刀架控制的电气部分。刀架控制电气部分如下图所示。图中a是控制刀架的正反转，是强电部分；图b控制的是两个交流接触器导通和关闭，实现图a中强电部分的控制，是弱电部分；图c部分是直接控制刀架的部分电路，控制继电器回路及PLC的输入及输出回路。

图中各器件的作用如下：

①M――刀架电动机；

②QF1――刀架电动机带过载保护的电源空开；

③Km1，Km2――刀架电动机正、反转控制交流接触器；

④KA1，KA2――刀架电动机正、反转控制中间继电器；

⑤S1～S4――刀位检测霍尔开关；

⑥SB1――启动按钮；

⑦SB2――停止按钮；

⑧C――电容给刀架单项电机不项。

接线图回路图简析：假设，当1号刀在PLC输入/输出电路中输入时，同时选择手动刀。KAI线圈就会因为SB1的闭合而进行翻转，当KA1触点断开后，便能实现互锁。而KA1触点的导通（KA1始终处于闭合状态）会使的KM2线圈得电反转，便能够实现双重互锁。此时刀架正转接触器回路导通，强电回路中的KM2触点闭合后会使刀架进行正转。霍尔元件会准确的检测到1号刀架是否到达信号位，如果到达，刀架定位锁紧，电机停转，直到结束。其他3把刀换刀方式依次类推。

机电系统设计范文第7篇

深海开采技术是深海金属矿产资源开发的核心，在深海的特殊环境下，其关键是要探索开发出一种可靠、易行的静止参考坐标。本文以浮力悬停式小型模拟潜器为对象，该潜器通过压力传感器和机电系统控制，利用单活塞的伸缩来调节潜体的总体密度，达到使潜器悬停在设定深度水中的目的。

关键词：深海采矿，参考坐标，水下潜器，机电设计

中图分类号：TU85文献标识码： A

0引言

海洋金属矿产资源开采时，采矿船一般通过水下输送管道和海底采矿装置连接。在波浪和海流作用下，采矿船不可避免产生平移、摇摆及升沉运动，这样势必牵引水下输送管道和采矿装置也运动，结果使输送矿物管道产生疲劳损坏，甚至导致海底采矿装置偏离了矿源，严重影响采矿进程。因此要保证采矿船之间安装一套升沉补偿装置，这是浮式采矿的关键技术。

1关键技术的解决

1.1 静止参考坐标

目前，检测近海船舶或平台在海上的运动是以一定位坐标（或称相对静止坐标）为基准。检测方法有声学检测、无线电检测，这两种检测方法都必须有一静止参照物，这难以直接应用于深海环境下。第三种方法是利用人造卫星（或GPS），但其精度在10米左右，用于实时检测深海作业机构对波浪作用的响应运动也不能满足要求。

因此，要进行深海资源开发，其作业机构必须有升沉补偿系统，升沉补偿系统要能动态的精确定位于预定的海水深度用作海洋静止参考坐标，其控制信号取决于海浪激励下浮式采矿船升沉运动信号采集系统。

1.2 零波面理论

由于海水可确认为理想流体，波浪在海面传播外，还可在重力方向传播。随着水深增加，波高将迅速减少，其规律是：当水深以算术级数递增时，波高则以几何级数递减，两者关系是：

（1.1）

式中， 为海面波浪波高；任意深度波浪波高；为海水深度；为海面波浪波长。

由上式可知，当水深与波浪之比为1，即时，计得波高衰减为：

（1.2）

可见已衰减至厘米级。又如水深与波浪之比为1.5，即时，计算得重力方向的波高仅为海面波高的万分之一以下。因此可以认为在水深与波浪之比时，波高极大衰减，接近于零，此处认为是存在一个“零波面”。

设想在零波面放置一参照物，作为信号采集系统的绝对参考点，通过声波或电磁波发射接收方法，检测浮式采矿船的升沉运动信号。若把参照物制成中间空心的，且全部结构的平均密度与海水密度相等，根据阿基米德浮力原理，水浮力与参照物重力相等，可使参照物在海水内任何位置均处于平衡状态，故需研制具有自控作用的参照物，使其能自动定位于零波面。

改变参照物平均密度可采用两种方法：体积不变而改变质量或质量不变而改变体积。小型机构较难实现前一种方法，故采用后者。在随机环境下，通过体积变化改变参照物平均密度，当其平均密度与水密度相等，就可悬浮于水中。

1.3 动态深度控制技术

用压力传感器检测潜器的实际所在深度。根据所测压力，由电机驱动装置调节活塞的伸缩，增大或减小潜器的净浮力，实现潜器的定深控制。深度控制采用逼近法定量调节，即当潜器所在深度接近控制上下限时，提前发出指令使电机反转．以抵消潜器整体的运动惯量，达到缩小运动范围的目的。潜器不停的调整浮力，在一定的上下活动范围内保持预定深度。

2潜器总体设计及实现

2.1 设计的内容

设计一个模拟水下潜体，该潜体通过压力传感器和机电系统控制，利用单活塞的伸缩来调节潜体的总体密度，达到使潜体悬停在水中的目的。

本设计是模拟海洋水下潜器，只能在模拟环境下实验，所做水箱最大水深5 米，水下潜器的体积变化范围为总体积的1/8 至1/15。

2.2 总体设计

鉴于水下结构的受力特点，从强度观点出发，其结构形式球壳最佳，但它不利于布置，加工精度也难以保证，因此对潜深不太大的潜水器通常选用圆柱壳结构。各种潜水器圆柱壳长度L相对变化较小，增大舱容的主要途径是增大圆柱壳半径。由强度理论知道，圆柱壳壳板厚度t与半径R之比基本上和潜水深度H与材料屈服极限成正比

即：（2.1）

式中――海水比重。

为了减轻圆柱壳的重量，则要求提高潜水器材料的屈服极限。而目前材料的屈服极限提高有限，潜水深度H又不断增大，为了减小壳板厚度，深海考察潜水器半径一般较小。实践证明，无论半径较大的圆柱壳还是半径较小的圆柱壳，由于采用屈服极限高的材料，其强度条件不难保证，结构的稳定性却成了主要矛盾。本设计选用圆柱壳结构。

任何物体在水中实现沉、浮运动通常有三种途径。一是改变物体的体积而不改变重量,二是改变重量而体积不变,三是增加或减少所施加的外力。

本设计采用第一种途径。仪器在水中沉浮的原理是物体保持重量不变而只改变体积时,它在水中所承受的浮力将随体积的变化而改变。根据这一原理而设计的潜器，由可变体积的水密耐压壳体、活塞、丝杆、同步带轮、电机、传感器、电源、控制电路等部分组成。如图2.1所示。

图2.1 浮力悬停式小型模拟潜器

本设计以浮力悬停式小型模拟潜器装置为对象，采取圆柱活塞的结构实现改变体积的功能，当活塞向壳体外伸长使潜器的体积增大，潜器在水中承受的浮力逐渐加大直到获得上升力而浮出水面。反之，活塞向壳体内缩进使潜器的体积缩小，潜器在水面漂浮时所承受的浮力逐渐减小直至重力大于浮力而潜入水下。若在仪器的控制微机中输人按预定动作要求编写的程序，则微机根据压力传感器测量的深度参数控制下潜深度、水下停留时间、上浮、水面停留、再次下潜等等工作环节，即可实现自动沉浮功能。

2.3 潜体的平衡与稳定性分析

1、物体的平衡

仅受二力作用的物体，平衡时必须满足以下条件：

(1) 浮力与重力相等；

(2) 物体的重心位于浮线上。它们也是平衡的充分条件。

2、平衡的稳定性

关于物体在流体中平衡的稳定性，可分三种情况：

(1) 物体在水平方向平移、绕任一竖直轴转动，或二者同时进行时，平衡是随机的。

(2) 浮体和非均匀流体中的潜体在竖直方向平移时，平衡是稳定的。潜体在均匀流体中竖直平移时，平衡是随机的。

(3) 物体的倾覆稳定性

物体在流体中的倾覆稳定性．与偏离平衡后浮线相对于物体重心的位移密切相关。若浮线仍通过物体重心，则形成随机平衡，若移动方向与物上方的偏转方向相反，则平衡是不稳定的．如图2.2中(a)；反之则是稳定的，如图2.2中(b)。

图2.2 物体倾覆稳定性

采用上述规则作为判断物体倾覆稳定性的标准，比用定倾中心(原浮线与偏离平衡时浮线的交点)要方便、可靠。

由上述知，浮体与潜体的平衡条件相同，稳定性基本相同。

2.4 潜器材料的选择

选用潜水器耐压体的材料，不仅要考虑材料的比强度，使之在同样结构重量的情况下能获得更大的潜深；还须考虑以下因素:使用环境、制造性能、与材料相适应的结构型式及经济性等。本设计选用有机玻璃。

2.5 潜器的密封分析

潜器在水下工作，承受一定的水压力，故应有良好的密封性。潜体的端盖与外壳用O型密封圈密封。由于活塞与工程自塑料之间有一定的间隙，故用一块弹性薄膜裹住活塞，并用一压环把弹性薄膜边缘压紧在潜体外壳上实现密封。

2.6 控制电路设计

控制电路是用单片机搭组，主要由89C51CPU、ADC0809转换器芯片、电机驱动器以及压力传感器等组成，完成各种动作而须相应部件的启动与停止、测量电路的间歇工作、数据存储等都由微机按预先编制的控制软件完成仪器所要求的全部工作过程。原理图见图2.3。

图2.3 控制电路原理图

压力传感器安装在壳体内与外界连通，外界压力的变化直接作用在传感器上，传感器将测到的压力提供给微机控制系统。微机系统将测量的压力数据与设定值比较，取得差值，以其正负来判断潜器所需的运动趋势(下潜或上浮)，进而驱动活塞运动实现潜器下潜或上浮。

2.7 姿态稳定校核

在完成设计全部的机械零件以及整体装配后，对总装配图进行质量特性的分析，得出结果为：重心所在位置为，，，潜器总高度为484mm，重心的位置处于潜器的1/2 至1/4 高度范围，符合潜器姿态稳定的要求。由分析知潜器密度为,总重量是21.37116公斤，水对悬浮体浮力为22.215公斤，所以在未考虑配重情况下悬浮体可以达到悬浮的条件。

结 论

如上所述，本设计模拟海洋水下潜器，在模拟实验环境下，即在水箱的水深为5米，水流冲击不大的情况下，其外壳能够承受水压力，其重心位置在导杆支承内部，处于潜器1/2 至1/4 高度范围，符合平衡和稳定性条件，在水下可达到悬浮的条件。本设计采取圆柱活塞的机构来实现其改变体积的功能，由此来改变潜器的体质，而实现潜器随液面的变化而浮沉，使潜器能定在海底某一深度。因此可以作为一种水下深度方向的固定参考,成为水下升沉补偿系统，其控制信号通过压力传感器的作用，取决于水流激励下浮式采矿船升沉运动信号采集系统，是一种比较可靠、易行的静止参考坐标。

参 考 文 献

[1] 吴百海，龙建军，肖体兵. 海洋采矿起伏补偿电液控制信号采集的研究 .液压与气动，2002，13l（7）18-19.

[2] 罗忠辉，吴百海，龙建军，肖体兵. 一种新型深海采矿船升沉信号采集系统设计 . 仪表技术与传感器，2003，（No.9）20-22.

[3] 谢祚水. 受均匀外压力作用的圆柱壳结构形式的初步探讨 . 江苏：镇江船舶学院学报，1990（第4卷，第4期）.

[4] 蒋新松等. 水下机器人 . 辽宁：辽宁科学技术出版社 . 2000.

机电系统设计范文第8篇

关键词：机电一体化；机械系统；性能设计

我国信息技术的发展与进步，使机电一体化应用相关电子技术获得了广大的发展前景，有效提高了机械系统的设计水平。机电一体化的应用突破了传统机电行业的工作方式，加强改革与创新，通过对各部件的协调，强化了机电系统的运行状态。当前机电一体化机械系统中，仍存在灵活性、柔性不足等问题，为了提升机电系统的自动化能力，应明确机电一体化机械系统设计的要点和发展前景。

1机电一体化机械系统设计原则

（1）精度高。机电一体化可发挥机电一体化系统优势，提高产品精度，严格控制设计过程。例如：一旦机械系统精度未满足相关标准，出现产品不合格现象，便难以保证生产质量与生产效率，而通过机电一体化对精度标准进行判定，可提高零部件的尺寸标准率与产品合格率[1]。（2）智能化。智能化是机械系统的主要特征之一，在进行产品设计中，可及时发现并处理机电突况，缩短反应周期。因机电一体化在工作时，机械系统的各部件处于独立运行状态，当设计出现变动与更改时，不会因为一个部件而影响整体系统。智能化系统可及时发现故障，快速地向机械系统传达智能，执行相关操作，保证机电一体化可以正常运行或及时停止，避免故障增加。（3）稳定性。机电一体化机械系统的稳定性较高，不仅可以延长机械元件的寿命，还可提升工作效率，提升机电产品性能。在设计中，应严格控制机电一体化系统性能，单个机械系统涉及较多子系统，严格控制机械振动频率与摩擦系数，从而满足系统稳定性[2]。

2机电一体化机械系统的设计要点

2.1性能设计

提高精度是机电产品设计的基本原则，只有精度达到标准要求，才能加强产品应用优势，为机电产品的生产带来保障[3]。然而，在机电产品的设计中，往往会出现机电一体化机械系统设计不够准确的问题，导致产品不合格，生产出的零件尺寸不合理，零件精度不够，无法满足客户要求。加强其智能化机电设计和快速响应，是机电一体化系统的主要功能，通过智能化的运用，可以处理在生产过程中发生的突发事件，还可减少生产时间，临时修改设计内容。在系统收到计算机的指令后，智能系统便可快速与机器中的各种元件进行工作，传达信息内容，进而提升机械系统稳定性，从而提高各元件的寿命与效率[4]。因此，作为一个庞大、元件众多的机械系统，为了保证其稳定性，应减少机械振动的频率与零件与器械之间的摩擦次数，应确认零件尺寸的选择，向小型化与轻量化的方向发展。

2.2部件设计

机械系统的性能分析包括动态与静态特征分析，需要应用数学模型与公式表达，进而反映出机械系统的相关性能[5]。设计系统中，因各部件的运动参数、关系与结构确定了零件的精度与材料等特点，而选择其他部件等工作都由机械系统来决定，这些性能决定了机械产品的功能质量参数，功能质量参数优，则表示机械产品的性能较好，使用寿命长，灵敏度高，零件较为耐磨，可以长期运作。传统机械系统中，动力元件是重要的组成部分，机械系统的机电元件由计算机信息网络进行控制，为传动部件提供源源不断的动力。随着计算机技术的不断发展，机电一体化的机械系统零件逐渐智能、自动化，减少了人力投入，为企业带来更高的效益。其中，机电系统中的导体为驱动元件，驱动元件将计算机传达的指令转化为机电一体化的运用语言，进而引导机电一体化的工作，驱动元件主要由变速器转矩与速度转化器组成，具有精度高、体积小、重量低、效率高等特点，是一种稳定、高效的传输元件。

2.3传动设计

传动设计可使机械系统应用动力机的机械能，主要集中在伺服机械系统方面，在进行实际的设计过程中，要根据机电结合的具体内容将控制电机引入系统中，在引入的同时，保证控制电机具有无级调速功能并将速度调为较大范围，减少其他零件的应用数量，进而降低磨损，避免在制造过程中出现误差，减少传动设计流程，使机电一体化的运行更为简单[6]。此外，控制电机应用过程中，传动方式要以并联为主，由执行、传动、控制等多种机构构成系统，控制机械系统的运行环节，发挥计算机的作用。在传动设计中，要应用现行或无间隙传动方式，加强机械系统的稳定性。

3机电一体化机械系统的发展趋势

3.1强化机电一体化的安全性

随着时代的发展，国外先进的机械生产技术逐渐在我国得到应用，其中在电子与机械方面，加强了自动化工作，减少了人员投入与生产成本，实现了经济效益。未来设计人才与设计理念将进一步加强机电一体化的设计与应用，增加科研与后期维修的支出，实现效益最大化。机电一体化机械系统不仅显著节省了人力、成本投入，还提升了制作成品的精密度，提高了成品的质量。微电子技术与电力电子技术是机电一体化技术发展的核心，应加强探究与应用，其中微型计算机与微型处理器最为重要，机电产品监控特点体现在操作、控制方面，可进行及时反馈，增加了机电一体化的安全性，保证了日常的维护工作，进而延长了机电一体化的使用寿命[7]。可见，机电产品监控加强了机电一体化的灵活性与自主性。

3.2应用柔性制造系统

未来，智能化、集成化的传感系统将得到更广泛的应用，机电一体化将以高性能、高处理速度与计算模式为智能控制方案创造有利条件，进一步推动机电产品的智能化发展。其中柔性制造系统具有一定的代表性，柔性制造系统指将各种设备由一个传输系统联系起来，由传输装置将工件送到各加工设备，使工件进行准确、迅速加工。柔性制造系统使机电一体化具有自动化能力，使其工作效率得到显著提升[8]。

4机电一体化系统的发展策略

4.1促进科技创新

首先要摒弃传统的思想观念，并在传统观念基础上加强创新，企业领导人要加强对机电一体化技术的重视，发展机电一体化技术，转变原有的“投资成本过高”等不正确的思想观念，要对机电一体化技术的发展进行创新，融入现代先进技术，保证机电一体化技术满足时代需要，符合社会需求。同时，要加强机电一体化技术在人们生活中的应用，提升用户对机电一体化的重视程度，发挥机电一体化的作用，进而促进我国经济发展。

4.2将现代技术与机电一体化结合

机电一体化技术并不单一存在，需要将其与现代技术结合。在未来发展中，将机电一体化与信息技术、高新技术结合，进而优化机电一体化系统，增加企业的经济效益；同时，对机电一体化进行现代管理，通过高新技术加强机电一体化的创新。应用这两种技术，可以找出机电一体化在工作中的不足，进而对机电一体化进行改进，发挥其最大作用。

4.3融入节能环保理念

机电一体化系统具有广阔的设计与发展前景，在未来发展中，要提升其制作成品的质量，加强机电一体化的性能，因此在进行设计中，要严格进行质量控制，采用正确的设计方式；同时对系统配置、设备接口和结构进行优化创新，将节能环保理念应用到机电一体化机械系统设计中。在对机电一体化的设计与使用过程中，要进行环保考量，保证其对生态环境的污染破坏较小，再通过正确的使用方式，优化设计流程，实现机电一体化的环保作用，进而使企业稳定发展，符合社会的发展规律。

5结束语

随着机电一体化技术的发展，将推动机械系统的新一步完善，而机械自动化在行业发展中具有较大优势，提高机电一体化的智能性将成为行业发展的最终选择，因此设计人员要结合机电产品的设计要求，在机械系统的设计过程中，要严格控制设计质量，从结构、动力元件、传动元件等多种方面提升机械制造技术水平，发展广阔的市场空间，实现机电一体化机械系统的设计目标。

参考文献：

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机电系统设计范文第9篇

1引言

《机电一体化系统设计》课程是中原工学院机电学院机械电子工程专业的必修课之一，是一门涉及机械学、电子学和信息科学的综合性和实践性都很强的新兴交叉学科[1]。该课涉及知识点量多面广，其内容融合了机电一体化相关概念、机械机构、执行元件、计算机技术、单片机和PLC控制技术、检测传感装置、可靠性设计、典型案例分析等诸多内容，是对基础课、专业基础课等的综合应用，其在培养学生的机电产品设计能力方面起着不可替代的作用。机电一体化技术在许多行业已得到广泛应用，目前社会对机电一体化复合型技术人才的需求也越来越大，然而受多种因素的影响，机电一体化技术人才的培养还存在一些问题，故作为高校还需在培养机电一体化复合型技术人才方面进行不断改革和探索。

2课程存在问题

受陈旧教育观念的影响，《机电一体化系统设计》以前多以课堂理论教学为主，导致学生很少有机会接触到机电一体化系统设计的现场，实践环节偏少；该课知识点多、信息量大、内容抽象苦涩难理解，大部分学生对该课程不感兴趣，导致该课程教学效果并不理想。该门课程的主要任务就是让学生养成正确的系统设计思想，培养学生在调查研究、创新和理论联系实际方面的能力，最终让学生掌握机电一体化系统设计的相关理论、方法和规律，具备机电一体化产品设计的能力。该教学任务单靠理论教学是无法实现的，必须从教学方法和教学内容上进行改革。由于该课知识点量多面广、各章节连贯性差、知识跳跃性大，所以老师在理论课堂上，最好以有代表性的实际案例系统为指引，将不同章节有跨越的内容很好的结合起来，否则学生会感觉到知识点很零散难以掌握。此外，该课程各章节内容又相对独立，有些内容学生在相关的课程中已学习，比如单片机、传感器等。如果在教学过程中不加注意，讲课时仍不分轻重主次，所有内容一视同仁，这将给学生造成吃剩饭的感觉，甚至弄不明白学习这门课的目的是什么，进而影响学生的学习兴趣和教学效果，让学生获得机电一体化产品设计的基本训练才是这门课的教学目的。在不断压缩理论课时、提倡素质教育和能力培养的体制下，短时间内要求学生获得机电一体化产品设计的基本训练是不现实的，因此如何通过改革提高该课程的教学效果也是一个急需解决的问题[2，3]。针对如何提高学生的学习积极性，改善教学效果，结合多年教学经验和当前教学中存在的问题，本文从教学内容、教学方法、考核方式等方面的改革进行了探讨。

3教学内容的改革

3.1理论教学内容的改革

以“必须、够用”为原则，选取优质教材。教材是学生学习的理论依据，一方面所选教材必须具有系统性，全面讲述机电一体化系统设计，不仅要有由易到难的入门引导，而且要兼顾总体内容的提升；另一方面，所选教材要紧跟时代步伐，能及时把最新技术和学科前沿知识引入教材，要有新内容、新技术，这样学生自己会感受到机电一体化技术的快速发展，进而激发学生的学习兴趣。以能力为根本，制定面向实践的课程教学大纲；精选教学内容，制定合理的教学计划。针对《机电一体化系统设计》的内容量多面广而理论课时少的情况，故要依据教学大纲，制定合理的教学计划，进而实现授课有据可依。在制定教学计划时，要注意首先必须对机电一体化的概念、体系结构等内容进行透彻讲解，因为这部分内容对学生建立机电一体化系统设计框架起着非常重要的作用。各章节知识点主次要明确。量多面广是《机电一体化系统设计》课程最明显的特点，在如今压缩的短课时内若所有内容都依次展开介绍，必将导致所有内容如蜻蜓点水一晃而过，学生对内容的了解也只是走马观花。由于我校机械电子工程专业学生已学过可编程控制器、微型机与单片机技术、接口技术和机械测试技术等机电方面的课，而机械方面相关知识则相对较弱，故在授课时重点要放在机械及机电结合的知识点以及典型先进的技术和产品的应用上，而机电系统电相关部分可简单介绍，以免重复介绍。另外，授课时要注意引入新技术、新发展、新应用等相关内容，把数控加工中心、智能机器人等新产品应用要尽量穿插到课堂中，通过引入新技术新产品从而激发学生的学习欲望。

3.2实践教学内容的改革

教学与工程实践相结合。为了培养学生的工程实践能力，根据《机电一体化系统设计》课程内容抽象、综合性强这一大特点，我院新建立了FMS柔性加工制造系统实验室。该柔性自动化生产线教学设备由自动化立体仓库码垛机单元、工件检测及自动喷涂单元、自动化输送线系统单元、CCD形状颜色检测单元、上下料搬运机器人单元、数控车床加工单元、六轴并联加工单元、六自由度串联机器人分拣及装配单元及系统总控共9个单元。该系统涉及到工业现场的实践应用，几乎包含了机电和工控领域所有方面的基础知识，如伺服驱动、PLC控制、传感检测等多种技术，给学生提供了一个典型的机电产品学习环境。通过完成系统故障检测、站点间联网程序控制等，使学生以前学过的许多专业知识在这里得到全面认识、综合训练和相互提升，这对培养学生的动手能力具有重要意义。教学与科技创新活动相结合。现在国家每年都举办各种大学生科技创新活动比如全国大学生机械创新设计大赛，在教学中可充分利用这一条件，带领学生参加各种竞赛，学以致用。通过搭建如机械人、智能硬币分拣器、智能车等机械模块，完成其电机驱动、传感器的选择和安装以及电路板的设计、制作、编程和调试。这不仅可以激发学生的学习兴趣和创新意识，而且这将使学生对机电一体化系统设计的理论认识得到进一步提升，与此同时学生的实践能力和创新能力也得到培养。教学与科研活动相结合。工科院校培养的人才不仅要有胜任当前就业需要的素质，更要有发挥潜力所需的能力。高校教学改革实践表明，科研训练是提高本科教育质量的重要经验，是培养具有创新意识和创造能力研究型人才的有效途径[3]。我院各专业自2010年开始实施专业导师制，每个学生均配备有专业导师，因此日常学习中，导师不仅要指导学生掌握书本内容，更要注重在实践教学中培养学生的科研意识，鼓励学生参与到导师的科研项目中，坚持教学内容与培养科研素质相结合，在潜移默化中培养科研理念，使蕴藏在学生身上的学术科研潜能得到充分发挥。

4教学方法的改革

针对《机电一体化系统设计》课程内容繁多、枯燥、抽象等特点[4]，可采用多种形式的教学方法来激发学生的学习兴趣，针对不同教学内容采用不同的教学方法，避免教学方式单一。比如在授课过程中，为了增强学生的感性认识、强化学生对相关知识点的理解，可采用实物展示、动画演示等形式。为了引导学生思考并发现系统设计时要注意的问题，可用环环相扣的实例为诱饵，采用案例教学法，从系统观点出发，加入学生讨论环节，充分调动学生积极性，老师并及时给予点评和讲解，以增强学生的实际应用能力，为学生毕业后从事机电专业工作打下坚实的基础。为激发学生的创新欲望，可结合科研成果采用启发式教学方法，着重从方法和思路方面加以讲解，注重理论教学与机电工程应用相结合，并用视频教学的方式向学生展示那些工程领域和已得到广泛应用的机电新产品。另外，随着互联网的普及，可建立课程学习网站提供基于互联网资源的开放教学环境如慕课的引入，引导学生自主学习和拓宽知识，方便灵活不受时间限制，同时还可解决授课学时不足的问题。

5考核方式的改革

考试是检验学生掌握所学内容的一种重要方式，但单纯的理论考试并不能全面反映学生的知识水平和解决实际问题的能力[5]。该课程经改革，采用如下考核方式：考核成绩=理论考试成绩（70%）+资格审核（20%）+平时作业（10%），理论考试采取闭卷考试，时间120分钟。资格审核类似于课程设计，三人一组，一组一个题目，满分100分，资格审核成绩低于60分不能参加理论考试，资格审核的目的是给学生一定的压力和动力，最终目的是锻炼学生的动手实践能力。资格审核通过答辩的形式进行，采用本教学组两、三名教师组成评审组对学生设计的作品进行评审，资格审核的最终成绩由指导老师结合评审组意见和各小组上交的书面报告最后给出。这种考核方法不仅能客观真实地评价学生对该门课程的学习情况，全面地反映学生应用该课程知识解决实际问题的能力，而且避免出现高分低能的情况，并且使学生学习的主动性和创新性得到提高。

6结束语

根据《机电一体化系统设计》课程实际教学中存在的问题，本文对教学内容、教学方法和考核方式进行了改革探讨，在理论教学上采取制定面向实践的课程教学大纲，选取优质教材、精选教学内容，制定合理的教学计划。在实践教学中，采取教学与工程实践、科技创新活动和科研活动等相结合，多方位激发、培养学生的创新能力和动手实践能力。实践证明，通过从教学改革，学生学习的积极主动性得到提高，课程的教学效果也得到很好的改善。

参考文献

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机电系统设计范文第10篇

关键词：某型飞机；电传飞行控制系统；运行安全

1 概述

之所以选择本型号的飞机进行技术上的研究，主要是因为该型号的飞机目前承担军事作战的任务，对其飞行的安全性和稳定性提出了更高的要求。而该型号的飞机目前仍旧采用老旧的机械操作。机械操作的系统庞大，占地面积大，且手动操作的主观性较强，操作技术水平与操作人员的经验和技能直接联系，同时手动操作中难免会出现误差，摩擦系数的存在也会影响操作的水平和精准性。这些都不利于军事作战。因此，必须扭转现有的局势，变手动操作系统为电传飞行控制系统，提高机械操作的自动化和科学化。

2 电传飞行控制系统主要功能

通过具体的数据分析和研究，基本上确定了该型号飞机的控制系统的主要功能：2.1提高飞机的性能；2.2扩大飞机的使用包线；2.3增强飞机的稳定性；2.4改善飞机的飞行品质，使某型飞机主要的飞行品质满足GJB185标准1要求；2.5自动防尾旋和人工改尾旋；2.6机内自动检测功能，包括飞行前自检测（PBIT），上电自检测（UPBIT）、飞行中自检测（IFBIT）和维修自检测（MBIT）；2.7辅助模态功能。

3 系统组成及余度确定

电传飞行控制系统由不同职能的各个硬件设施构成。对不同的硬件进行划分便于整体管理，也能够保证各司其职，提高操作系统的工作效率。根据本型号飞机的实际情况，工作人员在设计之初，将本型号飞机的控制系统的分系统具体分为飞控计算机分系统、伺服作动器分系统、传感分系统与控制显示分系统三大部分，下面将逐一对每一个部分进行具体的数据和操作分析。

根据飞行控制系统的要求，电传飞行控制系统必须满足故障-工作/故障-工作/故障-安全（FO/FO/FS）的容错能力要求和可靠性要求，结合各子系统（部件）的作用和关键性确定各子系统的余度数和自检测要求。

4 分系统方案

4.1 飞控计算机

电传飞机控制系统的核心应用技术是飞控计算机，通过飞控计算机的数据分析和程序预设，最终实现飞机的自动化控制盒管理。结合本型号飞机的实际情况，工作人员在进行系统设计时进行了多种方案的甄选，最终确定将飞控计算机与伺服控制回路综合在一起，采用3×2余度配置，本系统需要三台计算机进行系统的连接，因为进行了大胆的技术尝试，同时又结合了国内外最先进的飞机控制技术，所以这套设计方案是比较科学相对合理的，具有可操作性。

每台计算机有两个通道：

工作通道：根据输入信号计算机控制面偏转指令，并且驱动相应的控制面；包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块、伺服回路模块与电源模块等。

监控通道：用于检测计算机指令的正确性；包括CPU模块、输入输出控制模块、总线模块与电源模块等。

4.2 作动器

升降舵、副翼和方向舵均采用电液伺服作动器，电液伺服作动器具有故障监控功能和旁通功能，在故障失效后自动转入旁通功能，不影响其它作动器工作。单个舵面所有电液伺服作动器均失效后，转入旁通功能，保持一定的阻尼，该舵面处于阻尼浮动状态。

4.2.1 升降舵作动器

每个升降舵面采用2台台电液伺服作动器并联安装，同步工作，具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个升降舵面的能力，左右两个升降舵面共采用4个电液伺服作动器，需3套液压系统提供动力，升降舵作动器接受飞控计算机指令，控制升降舵偏转。

4.2.2 副翼作动器

每个副翼采用2台电液伺服作动器并联安装，同步工作，具有力均衡功能。每台电液伺服作动器具有单独控制单个副翼的能力，左右两个副翼共采用4个电液伺服作动器，需3套液压系统提供动力，副翼作动器接受飞控计算机指令，控制副翼偏转。

4.2.3 方向舵作动器

在方向舵上并联安装3台电传控制的电液伺服作动器，同步工作，具有力均衡功能。方向舵作动器接受飞控计算机指令，控制方向舵偏转，实现对飞机航向控制，需3套液压系统提供动力。

4.3 传感分系统

传感器分系统负责所有的数据传输和接收，是整个系统的关键组成部分。一方面需要及时接收信息，另一方面还要对接收到的信息进行筛选和分类，最终利用具有关联性的安全信息，具体包括驾驶员指令传感器、飞行运动传感器和大气数据传感器三个部分。

驾驶员指令传感器顾名思义，就是将操作人员的操作数据和操作动作，以数据的形式传输给计算机装置；飞机运动传感器将飞机在运动过程中的所有动态数据进行敏感处理和数据传送；所有的数据最终通过大气数据传感器统一进行汇总和分析。需要进行强调的是，为了保证飞机运行的安全和信号的稳定，以上三种数据传输工作不能应用飞机上的航电总线，需要安装独立的信号传输线。确保所有数据的可靠性。

4.4 控制显示分系统

控制显示系统是操作人员进行飞机控制的主要参考数据来源，操作人员需要根据显示的数据采用相应的操作程序。显示的信息量大，信息复杂，主要包括几下几种重要的数据：（1）人工进行系统控制的程序指示数据，主要包括提醒操作人员进行系统切换的信息和操作人员进行不同模式转换的信息等；（2）系统运行的安全性显示。包括系统常规运行下的各项数据，以及系统运行出现故障时发出的警示信息以及相应应急自动处理信息；（3）系统定期检测和维护的信息。电传控制系统需要定期进行维护和保养，显示系统会根据设定好的程序提醒操作人员进行相应的操作和管理。

5 控制律设计概略

电传飞行控制系统实现了驾驶员操纵指令（杆位移或杆力）与飞机运动参量响应相对应的控制，从而使飞行控制“目标”由原机械操纵系统的舵面偏角操纵，变成了对飞机响应的控制。作为某型飞机电传飞行系统控制模态包括基本模态和自动飞行控制模态。基本模态包括主控制模态、独立备份模态及主动控制功能；其中主控制模态与独立备份模态是系统必须具备的两个基本控制模态。主控制模态包括控制增稳、中性速度稳定性、飞行参数（法向过载，迎角限制和滚转速率等）边界限制与惯性耦合抑制等功能；其中控制增稳功能是电传飞行控制系统最基本的工作模态，在整个飞行包括内全时、全权应用。独立备份模态是电传飞行控制系统的备份模态，是独立于所有的其他控制律模态的应急工作模态。

6 结束语

综上所述，传统的手动操作控制系统存在诸多问题，不能符合当前飞机运行的精准性和安全性，尤其是不能满足战斗飞机的作战需求，因此进行控制系统的电传化改革是一种必然的趋势。通过文章中技术的分析，能够意识到，电传飞行控制系统采用机械化的操作原理和设备，提高了操作的精准性、及时性、可靠性。随着未来飞机技术的不断完善，电传飞机控制系统也需要进一步加深研究和分析，以便更好地提高我国航空航天的技术水平。

参考文献

[1]孙全艳.大型客机电传飞控系统软件开发应用研究[J].民用飞机设计与研究，2009（02）.