“机械电气电子控制技术”课程定位研究

陈家新，陈广锋，华 华，孙以泽

(东华大学机械工程学院，上海201620)

0 引言

“机械电气电子控制技术”课程是专门讲授机械电控技术的一门专业基础课程，教材内容的定位是全面高效培养我国机电工业领域的电控技术合格人才的关键基础工作[1，2]。近20年来，机械电控系统在电机、电力驱动、计算机控制、传感器和通信等技术发展的推动下，控制系统的控制对象、执行机构和控制方法等各要素均已发生了明显的变化，整个控制系统由单机电控系统向以现场总线为主的多机网络化控制系统转变[3-5]。现有的“机械电气电子控制技术”课程难以满足这些新要求。

问题直接体现在三个方面:①内容远远落后产业界发展的步伐，培养的学生与产业界对机械电控系统高素质专业设计人才的需求相距甚远;②内容编排没有充分体现专业化的发展总体趋势，仍试图包括有关其它课程的技术内容，造成该课程内容重复，重点不强，削弱了自身的特点;③没有处理好课堂教学和课外自学二者间的关系。现有的教材注重知识的传授，对学生自学能力的培养，关注不够，这既造成了课程授课负担过重，而且在课时数的限制下，预期的培养目标难以实现。

1 机械电气电子控制技术的发展

机械装置在控制方法上从手动到自动，在控制功能上从简单到复杂，在操作上由笨重到轻巧。随着新的控制理论和新型器件及通讯网络的出现，又为机械电气电子控制技术的发展开拓了新途径，电控系统的控制器、执行机构及控制对象均已发生变化，尤其是控制器和执行机构的变化尤为明显。

从控制器角度来看，机械装置控制器可分为四个阶段:继电器接触器控制器、顺序逻辑控制器、微处理器及PLC控制器和现场总线控制器，其发展过程如图1所示。

图1 机械装置控制发展示意图

1.1 继电器接触器控制系统

早期的继电器接触器控制系统，由于其控制器是由各种刀闸、按钮、行程开关、中间继电器、时间继电器、过流继电器、过压继电器以及热继电器等电器装置构成的逻辑控制电路来实现，而被称为机床电器控制系统。因为控制系统的工作电压比较低，被称为低压电器控制系统。该类系统的控制对象是电机、气缸、液压缸、电磁铁和电磁阀，并通过执行器—接触器，来实现对机床的启动、停车和有极调速等控制。而继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强和价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。

1.2 顺序逻辑控制系统

在实际生产中由于大量存在顺序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，进而出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置—顺序控制器。它通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触器控制功能。控制对象和执行机构与继电器接触器控制系统相同。由于顺序逻辑控制器将属于弱电领域的电子技术引入了机械的电控系统当中，机床电器控制系统变成了机床电气控制系统，弱电控制强电的转变变得越发清晰。随着微处理器技术的快速发展，顺序逻辑控制系统很快就被后续的微处理器为代表的控制系统所取代。此外，它与继电器接触器控制系统相比，除了控制器有所变化外，执行器和控制对象一致，而且都属于低压控制系统。因此，顺序逻辑控制系统和继电器接触器控制系统，被一同称为低压电器控制系统。

1.3 微处理器和PLC控制

上世纪70年代将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了可编程程序控制器PLC，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。与此同时，嵌入式芯片快速发展也为机械装置控制提供更多选择，单片机、DSP、ARM和FPGA等微处理器广泛应用于工业现场控制。此时的控制器是由各种微处理器或PLC构成，执行器除了包括能够直接驱动电机和电磁铁等受控对象的接触器和固态开关外，还包括能够直接驱动电机的电机驱动器如变频器和伺服驱动器装置。在功能上，除了可以实现单个电机正反转、交直流调速和位置伺服控制功能外，还能实现多电机的同步控制功能。

1.4 现场总线控制系统

随着相关技术发展，依托模块化和标准化的理念的深入，复杂机械装置电气电子控制系统通过现场总线将各个控制子系统集成起来。在现场总线控制系统中，现场总线控制器向机床电气控制系统发出某种运行要求的指令，由机床电气控制系统来驱动电机等受控对象完成预定动作，此时，机床电气控制系统中的控制器既是机床本体的控制器，也是现场总线控制系统的执行器。

2 课程相关学科的发展

我们从机械电气电子控制技术的发展历史，可以发现机械电气电子控制系统控制器、执行器和控制对象发生了变化，尤其是控制器和执行器变化非常明显。控制器不断向复杂、柔性、弱电、小型、智能和网络化方向发展，而执行器则由原来的接触器为主的单件构成，向以系统模块化方向发展。以控制对象为电机的执行器为例，现场总线控制系统的执行器可以是微处理器和PLC控制系统的控制器和执行器的集成系统，而以电机驱动器为主要执行器的微处理器和PLC控制系统，则因包括电机控制的执行器和控制器，而类似于低压电器控制系统的控制器和执行器。在这种不断升级的过程中，其实伴随着其他新学科、新课程的诞生和发展。

我们从各类控制系统中的执行器的角度来观察，早期的电机控制仅有启停和正反转控制要求。由于要求简单、内容少，机械工程学科就可直接包括低压电器控制技术的内容。但是随着系统性能要求的提高，电机不仅要调速，甚至还要精确定位控制功能。由于难度大幅提高，引入了大量新的电机驱动技术，而这些技术与电气工程学科、计算机学科和信息控制工程学科关系更为密切。因此，“电力电子及电力传动”这个新学科方向便诞生了，其中交直流调速系统和交直流伺服驱动系统等内容就属于该学科方向核心专业课程—“电力电子学”这门新课程讲授的内容。从控制器的角度来观察，低压电器系统的控制器全部由硬件构成的逻辑电路来实现，同样因为要求简单、内容少，可以直接安排在“机床电器控制技术”课程中。随着系统性能要求的提高和复杂性大幅增加，出现了以微处理器和PLC为核心的控制器。同样内容过多，出现了专门介绍微处理器和PLC的结构、工作原理和应用的课程，其中典型的课程有“单片机原理和接口技术”和“PLC控制技术”。至于现场总线控制系统，由于种类和内容繁多，随即诞生了专门介绍现场总线工作原理和控制技术的课程，即“现场总线控制技术”。

3 课程定位中主要问题及处理办法

3.1 课程定位

在课程任务定位后，还要考虑该课程自身内在因素和其它学科或课程对其影响的外部因素的定位。从自身来讲，由于历史上出现了多个典型系统，至今也仍在被实际使用，因此如何归类，如何考量各类控制系统的内容，以及“现场总线控制系统”作为一个典型分布式网络机电控制系统而放进“机械电气电子控制技术”课程中的做法是否合适?如果不合适，那么合适的处理办法又是什么?这些问题，都是定位前必须要给出解答的。而从与其它学科或课程的关系处理上，同样由于这些学科都是与机械电气电子控制技术相关，既然不能全面包括，那么“机械电气电子控制技术”课程中安排对应的内容，侧重点是什么?此外，课时与要讲授众多的控制系统内容间矛盾、理论与实践教育间的关系以及课堂内授课和课外自学间的关系，同样是定位前必须要认真处理的问题。

3.2 课程任务

在给定了机械负载特性和控制性能要求的前提下来设计一个适合要求的电气电子控制系统。简言之，就是专门研究机械装置的电控系统设计技术。从这个任务规定来看，有关控制要求、机械负载特性和环境特性，即任务书的确定问题不属于这门课程讲授内容，应全部归结为机械电控系统设计的给定条件。其次，在典型机械电气电子控制系统的归类划分问题上，尽管各类典型系统实际上有交叉关系，但是因电控系统的知识点都是由各类典型系统为基本单元构成，因此在课程中仍以典型系统的内容讲解为主。但是，考虑到继电器接触器控制系统与顺序逻辑控制系统的执行器和受控对象一致，针对控制器的实现方法不一样，而且后者已运用不多，因此建议将二者统一合并为低压电器控制系统。

3.3 课程内容

在该系统中，以继电器接触器控制系统设计内容为主，捎带顺序逻辑控制系统中的控制器实现原理内容。其次，对于各个典型的机械电气电子控制系统也有多种类型，如微处理器控制系统的控制器就包含可编程控制器(PLC)、可编程自动化控制器(PAC)、嵌入式微控制芯片(MCS51单片机、PIC单片机、AVR单片机、ARM、DSP、FPGA)及 PC 机等多种类型。在课程中包括所有这些内容，显然是不合适的，如果加上多种执行器，那么在有限的课时是根本无法完成的。因此选择这部分内容时，采取了以生产实践中大量使用的典型系统如PLC系统为主，同时从技术的角度上，兼顾一些非主流的内容的做法。对于非主流微处理器控制系统，可以考虑安排有关单片机在机械电控系统中应用技术的内容。

通过这些内容讲解，学生也就可了解DSP、嵌入式系统、FPGA和PC机应用于机械电控系统所需的知识点。出于对机械电控系统运行状态监视与控制要求，现在一般机械电控系统也都含有各类通信接口，以便上位机通过这些通信端口来实现对下位机控制系统实现监测与控制功能，这与现场总线控制系统的工作方法是一致的。

由于现场总线种类繁多，目前主要的就有TCP/IP、Ethernet、CAN、FF、Profibus、Modbus、DeviceNet、USB、RS232和RS485等多种，将其安排进微处理器和PLC典型控制系统，或者安排一节包括这些所有总线控制技术的做法，都是不合适的。考虑到，各类通信方式主要区别表现在机械、电气接口和协议接口等三个方面的性能，但是知识点一致，因此可以考虑选用一个或两个典型系统的实例来加以讲解。

3.4 与其它课程关系的处理

我们应注重其它课程提供的模块功能和接口技术。以“电力电子技术”课程提供的电机驱动器为例，机械电气电子控制技术重点关注其接口技术和功能。关于理论与实践教育，为提高教育效率和质量，建议在低压电器控制系统、微处理器和PLC控制系统以及现场总线控制系统等章节安排的实例，也就是要做的实验内容。关于课堂内授课和课外自学间的关系。在这个问题上，要在教材上，有意识安排各个典型控制系统的知识点、理解的顺序，启发学生的学习新系统设计的思维模式，以便实现学生达到触类旁通的效果。

4 课程各部分内容界定

4.1 控制器内容范围界定

对于低压电器控制系统，以继电器接触器控制系统为主，顺序逻辑控制系统为辅;对于微处理器和PLC控制系统，以PLC控制系统为主，微处理器控制系统为辅。选择案例重点关注知识点，对于现场总线控制系统以应用简单和容易实施的RS-232、Modbus和CAN作为典型代表，讲解基本原理及应用。其余内容可以作为外围内容由学生自己扩展学习，依据个人需要可以选修“现场总线”和“计算机网络”等相关课程。

4.2 执行器相关内容界定

对于低压电器控制系统，以接触器和电磁阀为主要内容;对于微处理器和PLC控制系统，以变频器、伺服驱动器和直流电机驱动器等执行器的选择和使用方法为主要内容;对于现场总线控制系统，以伺服驱动器为执行器的选择和使用方法为课程的主要内容。

4.3 受控对象内容界定

对于低压电器控制系统，以液压缸、直流电机和三相异步电机为主要内容;对于微处理器和PLC控制系统，以交流变频电机和步进电机为主要内容;对于现场总线控制系统，以交流伺服电机为主要内容。受控对象内容，重点在于选择和使用方法。

4.4 教学案例与实验内容界定

对于低压电器控制系统，安排一个继电器接触器控制系统和顺序逻辑控制器都可实现系统的实验课题;对于微处理器和PLC控制系统，安排一个二者都可实现的以变频器为执行器的实验课题;对于现场总线控制系统，安排一个以PC主机和单片机为从机，通信协议采用RS-232，执行器为伺服驱动器的实验课题。

5 关于课程名称说明

目前，关于“机械电气电子控制技术”课程名称有多种，典型的就有:“机床电气控制技术”、“机电控制技术”、“机电传动控制技术”、“机械运动控制技术”和“(光)机电集成控制技术”等。尽管名称有些差别，但是都以机械工程学科的学生为授课对象，而且都以机械的电控系统设计技术为主要任务，因此笔者以为使用统一的“机械电气电子控制技术”课程名称似乎更合适。“机床电气控制技术”名称与现实不断扩大的应用对象相违，“机电控制技术”应用对象和被应用对象难以区别。“机电传动控制技术”和“机械运动控制技术”将机械的控制要求狭隘地限制在传动或运动性能上，实际上机械装置有多种不同的控制要求比如以炉体温度为控制要求的中频炉，因此二者并不合适。由于光本身也是一种电磁波，而且光在机械电气电子控制技术中的内容并不多，取名“光机电集成控制技术”似乎有华而不实之嫌。

6 结语

本文依据机械电气电子课程实现的目的和专业化发展的要求，以控制器及执行器的发展为主线分析了机械电气电子控制系统的演变，对“机械电气电子控制技术”课程教学范围进行定位研究，明确了机械电气电子控制技术的研究任务，对相关学科中的内容关注重点，分析了定位过程中遇到的主要困难，提出了相应的解决办法，最终确定了“机械电气电子控制技术”课程中的有关内容。本文的定位研究将对该课程后续的教学起到积极的指导作用。

[1]陈韦明，何美生.电气控制及PLC控制技术[M]，北京:清华大学出版社，2010

[2]齐占庆，王振臣.机床电气控制技术[M]，北京:机械工业出版社，2008

[3]欧益宝，雷菊珍.机械类《机床电气控制与PLC》教学改革[J]，北京:科技资讯，2006，(33):80-81

[4]黄娟花.《机床电气控制技术》项目教学环境下的学生差异性[J]，北京:中国科教创新导刊，2011，35:164

[5]Jon S.Wilson著，林龙信，邓斌译.传感器技术手册(Sensor Technology Handbook.Turing)[M]，北京:人民邮电出版社，2009