本科機電一體化學位畢業論文

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摘要：機電一體化是現代科學技術發展的必然結果。文章概述機電一體化的核心技術，分析機電一體化發展進程，提出機電一體化向智能化邁進的趨勢。
關鍵詞：機電一體化；核心技術；發展進程；發展趨勢

機電一體化技術是面向應用的跨學科技術，是機械、微電子、信息和控制技術等有機融合、相互滲透的結果。今天機電一體化技術發展飛速，機電一體化產品更日新月異。

一、機電一體化的核心技術

1.機械技術：是機電一體化的基礎，機械技術的著眼點在於如何與機電一體化技術相適應，利用其高、新技術來更新概念，實現結構上、材料上、性能上變更，滿足減小重量、縮小體積、提高精度、提高剛度及改善性能要求。

2.計算機與信息技術：其中信息交換、存取、運算、判斷與決策、人工智慧技術、專家系統技術、神經網路技術均屬於計算機信息處理技術。

3.系統技術：即以整體概念組織應用各種相關技術，從全局角度和系統目標出發，將總體分解成相互關聯的若干功能單元，介面技術是系統技術中一個重要方面，是實現系統各部分有機連接的保證。

4.自動控制技術：其范圍很廣，在控制理論指導下，進行系統設計，設計後的系統模擬，現場調試，控制技術包括如高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現、檢索等。

5.感測檢測技術：是系統的感受器官，是實現自動控制、自動調節的關鍵環節。其功能越強，系統的自動化程序就越高。

6.伺服傳動技術：包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置，伺服系統是實現電信號到機械動作的轉換裝置與部件、對系統的動態性能、控制質量和功能有決定性的影響。

二、機電一體化的發展進程

1.數控機床問世：自從1952年美國第1台數控銑床問世至今已50個年頭。我國數控機床製造業在80年代曾有過高速發展階段，尤其是在1999年後，國家向國防工業及關鍵民用工業部門投入大量技改資金，使數控設備製造市場一派繁榮。

2.微電子技術的發展：我國的集成電路產業起步於1965年，經過30多年發展，已初步形成包括設計、製造、包裝業共同發展的產業結構。

3.可編程序控制器（PLC）的應用於工業：上世紀60年代後期，美國汽車製造業開發一種Molar DigitalController（MODICON）取代繼電控制盤。MODICON是世界上第一種投入商業生產的PLC.70年代是PLC崛起，並首先在汽車工業獲得大量應用。80年代是它走向成熟，全面採用微電子及微處理器技術。90年代又開始了PLC的第三個發展時期。90年代後期進入了第四階段。其特徵是：在保留PLC功能的前提下，採用面向現場匯流排網路的體系結構，採用開放的通信介面，如乙太網、高速串口；採用各種相關的國際工業標准和一系列的事實上的標准；從而使PLC和DCS這些原來處於不同硬體平台的系統，正隨著計算技術、通信技術和編程技術的發展，趨向於建立同一硬體平台，運用同一個操作系統、同一個編程系統，執行不同的DCS和PLC功能。這就是真正意義上的EIC三電一體化。
4.激光技術、模糊技術、信息技術等新技術的出現：以激光技術為首的光電子技術是未來信息技術發展的關鍵技術，它集中了固體物理、波導光學、材料科學、微細加工和半導體科學技術的科研成就，成為電子技術與光子技術自然結合與擴展、具有強烈應用背景的新興交叉學科，對於國家經濟、科技和國防都具有重要的戰略意義。

三、機電一體化向智能化邁進

20世紀90年代後期，各主要發達國家開始了機電一體化技術向智能化方向邁進的新階段。一方面，光學、通信技術等進入了機電一體化，微細加工技術也在機電一體化中嶄露頭角，出現了光機電一體化和微機電一體化等新支；另一方面，對機電一體化系統的建模設計、分析和集成方法，機電一體化的學科體系和發展趨勢都進行了深入研究。同時，由於人工智慧技術、神經網路技術及光纖技術等領域取得的巨大進步，為機電一體化技術開辟了發展的廣闊天地，也為產業化發展提供了堅實的基礎。未來機電一體化的主要發展方向有：

1.智能化：是21世紀機電一體化技術發展的一個重要發展方向，是在控制理論的基礎上，吸收人工智慧、運籌學、計算機科學、模糊數學、心理學、生理學和混沌動力學等新思想、新方法，模擬人類智能，使它具有判斷推理、邏輯思維、自主決策等能力，以求得到更高的控制目標。

2.網路化：20世紀90年代，計算機技術等的突出成就是網路技術。機電一體化新產品一旦研製出來，只要其功能獨到，質量可靠，很快就會暢銷全球。因此，機電一體化產品無疑將朝著網路化方向發展。

3.微型化：興起於20世紀80年代末，指的是機電一體化向微型機器和微觀領域發展的趨勢。國外稱其為微電子機械繫統（MEMS），泛指幾何尺寸不超過1立方厘米的機電一體化產品，並向微米、納米級發展。微機電一體化產品體積小、耗能少、運動靈活，在生物醫療、軍事、信息等方面具有不可比擬的優勢。

4.綠色化：機電一體化產品的綠色化主要是指，使用時不污染生態環境，報廢後能回收利用。綠色產品在其設計、製造、使用和銷毀的生命過程中，符合特定的環境保護和人類健康的要求，對生態環境無害或危害極少，資源利用率極高。設計綠色的機電一體化產品，具有遠大的發展前途。

5.系統化：其表現特徵之一就是系統體系結構進一步採用開放式和模式化的匯流排結構。系統可以靈活組態，進行任意剪裁和組合，同時尋求實現多子系統協調控制和綜合管理。表現特徵之二是通信功能的大大加強，特別是「人格化」發展引人注目，即未來的機電一體化更加註重產品與人的關系。一是如何賦予機電一體化產品人的智能、情感、人性顯得越來越重要，特別是對家用機器人，其高層境界就是人機一體化。另一層含義是模仿生物機理，研製各種機電一體化產品。

結束語：

當然，機電一體化的發展不是孤立的，與機電一體化相關的技術還有很多，並隨著科學技術的發展，各種技術相互融合的趨勢將越來越明顯，機電一體化技術的發展與應用也將更加廣闊。

參考文獻：

[1]王靜。淺析機電一體化技術的現狀和發展趨勢[J].同煤科技。2006.（4）

[2]石美峰。機電一體化技術的發展與思考[J].山西焦煤科技。2007.（3）

C. 本科《機電一體化系統設計》畢業論文怎麼寫

這個呢》機電一體化技術及其應用研究
摘 要 討論了機電一體化技術對於改變整個機械製造業面貌所起的重要作用，並說明其在鋼鐵工業中的應用以及發展趨勢。
關鍵詞 機電一體化 技術 應用

1 機電一體化技術發展
機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴於相關技術的進步與發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網路化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
1.1 數字化
微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人；而計算機網路的迅速崛起，為數字化設計與製造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成製造等。數字化要求機電一體化產品的軟體具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數字化的實現將便於遠程操作、診斷和修復。
1.2 智能化
即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O介面和智能工藝資料庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網路、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智慧技術的進步與發展，為機電一體化技術發展開辟了廣闊天地。
1.3 模塊化
由於機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研製和開發具有標准機械介面、動力介面、環境介面的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研製具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標准模塊化單元迅速開發出新的產品。
1.4 網路化
由於網路的普及，基於網路的各種遠程式控制制和監視技術方興未艾。而遠程式控制制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場匯流排和區域網技術使家用電器網路化成為可能，利用家庭網路把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家裡可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網路化方向發展。
1.5 人性化
機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。
1.6 微型化
微型化是精細加工技術發展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量製作的，集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路，直至介面、通信和電源等於一體的微型器件或系統。自1986年美國斯坦福大學研製出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研製出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發出各種MEMS器件和系統，如各種微型感測器（壓力感測器、微加速度計、微觸覺感測器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。
1.7 集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，並使各部分協調而又安全地運轉，然後再通過軟、硬體將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。
1.8 帶源化
是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由於在許多場合無法使用電能，因而對於運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。
1.9 綠色化
科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的後果。所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。在其設計、製造、使用和銷毀時應符合環保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。
2 機電一體化技術在鋼鐵企業中應用
在鋼鐵企業中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結合起來，採用組裝合並方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有力條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用於以下幾個方面：
2.1 智能化控制技術(IC)
由於鋼鐵工業具有大型化、高速化和連續化的特點，傳統的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要採用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網路等，智能控制技術廣泛應用於鋼鐵企業的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面，如高爐控制系統、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、煉鋼---連鑄---軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。
2.2 分布式控制系統(DCS)
分布式控制系統採用一台中央計算機指揮若乾颱面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發展，分布式控制系統的功能越來越多。不僅可以實現生產過程式控制制，而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監視集中控制分散，故障影響面小，而且系統具有連鎖保護功能，採用了系統故障人工手動控制操作措施，使系統可靠性高。分布式控制系統與集中型控制系統相比，其功能更強，具有更高的安全性。是當前大型機電一體化系統的主要潮流。
2.3 開放式控制系統(OCS)
開放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。「開放」意味著對一種標準的信息交換規程的共識和支持，按此標准設計的系統，可以實現不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統通過工業通信網路使各種控制設備、管理計算機互聯，實現控制與經營、管理、決策的集成，通過現場匯流排使現場儀表與控制室的控制設備互聯，實現測量與控制一體化。
2.4 計算機集成製造系統(CIMS)
鋼鐵企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程式控制制連成一體，用以實現從原料進廠，生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業已基本實現了過程自動化，但這種「自動化孤島」式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產的要求。未來鋼鐵企業競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優價廉，及時交貨。為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實現生產、經營、管理整體優化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業的競爭力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業在20世紀80年代已廣泛實現CIMS化。
2.5 現場匯流排技術(FBT)
現場匯流排技術(Fied Bus Technology)是連接設置在現場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的數字式、雙向、多站通信鏈路。採用現場匯流排技術取代現行的信號傳輸技術(如4～20mA，DC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現場儀表裝置與更高一級的控制系統之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現場匯流排連接可省去66%或更多的現場信號連接導線。現場匯流排的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統的現場匯流排化儀表，如智能變送器、智能執行器、現場匯流排化檢測儀表、現場匯流排化PLC(Programmable Logic Controller)和現場就地控制站等的發展。
2.6 交流傳動技術
傳動技術在鋼鐵工業中起作至關重要的作用。隨著電力電子技術和微電子技術的發展，交流調速技術的發展非常迅速。由於交流傳動的優越性，電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數字技術的發展，使復雜的矢量控制技術實用化得以實現，交流調速系統的調速性能已達到和超過直流調速水平。現在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或非同步電機實現可逆平滑調速。交流傳動系統在軋鋼生產中一出現就受到用戶的歡迎，應用不斷擴大。
參考文獻
1 楊自厚． 人工智慧技術及其在鋼鐵工業中的應用[J]．冶金自動化，1994（5）
2 唐立新.鋼鐵工業CIMS特點和體系結構的研究[J]．冶金自動化，1996（4）
3 唐懷斌． 工業控制的進展與趨勢 [J]．自動化與儀器儀表，1996（4）
4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中國科學技術大學出版社，1996
5 林行辛． 鋼鐵工業自動化的進展與展望[J]．河北冶金，1998（1）
6 殷際英． 光機電一體化實用技術[M]．北京：化學工業出版社，2003
7 芮延年． 機電一體化系統設計[M]． 北京：機械工業出版社，2004．

D. 機電一體化畢業論文，5000字左右

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G. 機電一體化的畢業論文

機電一體化技術及其應用研究
摘 要 討論了機電一體化技術對於改變整個機械製造業面貌所起的重要作用，並說明其在鋼鐵工業中的應用以及發展趨勢。
關鍵詞 機電一體化 技術 應用

1 機電一體化技術發展
機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴於相關技術的進步與發展，其主要發展方向有數字化、智能化、模塊化、網路化、人性化、微型化、集成化、帶源化和綠色化。
1.1 數字化
微控制器及其發展奠定了機電產品數字化的基礎，如不斷發展的數控機床和機器人；而計算機網路的迅速崛起，為數字化設計與製造鋪平了道路，如虛擬設計、計算機集成製造等。數字化要求機電一體化產品的軟體具有高可靠性、易操作性、可維護性、自診斷能力以及友好人機界面。數字化的實現將便於遠程操作、診斷和修復。
1.2 智能化
即要求機電產品有一定的智能,使它具有類似人的邏輯思考、判斷推理、自主決策等能力。例如在CNC數控機床上增加人機對話功能，設置智能I/O介面和智能工藝資料庫，會給使用、操作和維護帶來極大的方便。隨著模糊控制、神經網路、灰色理論、小波理論、混沌與分岔等人工智慧技術的進步與發展，為機電一體化技術發展開辟了廣闊天地。
1.3 模塊化
由於機電一體化產品種類和生產廠家繁多，研製和開發具有標准機械介面、動力介面、環境介面的機電一體化產品單元模塊是一項復雜而有前途的工作。如研製具有集減速、變頻調速電機一體的動力驅動單元；具有視覺、圖像處理、識別和測距等功能的電機一體控制單元等。這樣，在產品開發設計時，可以利用這些標准模塊化單元迅速開發出新的產品。
1.4 網路化
由於網路的普及，基於網路的各種遠程式控制制和監視技術方興未艾。而遠程式控制制的終端設備本身就是機電一體化產品，現場匯流排和區域網技術使家用電器網路化成為可能，利用家庭網路把各種家用電器連接成以計算機為中心的計算機集成家用電器系統，使人們在家裡可充分享受各種高技術帶來的好處，因此，機電一體化產品無疑應朝網路化方向發展。
1.5 人性化
機電一體化產品的最終使用對象是人，如何給機電一體化產品賦予人的智能、情感和人性顯得愈來愈重要，機電一體化產品除了完善的性能外，還要求在色彩、造型等方面與環境相協調，使用這些產品，對人來說還是一種藝術享受，如家用機器人的最高境界就是人機一體化。
1.6 微型化
微型化是精細加工技術發展的必然，也是提高效率的需要。微機電系統(Micro Electronic Mechanical Systems，簡稱MEMS)是指可批量製作的，集微型機構、微型感測器、微型執行器以及信號處理和控制電路，直至介面、通信和電源等於一體的微型器件或系統。自1986年美國斯坦福大學研製出第一個醫用微探針，1988年美國加州大學Berkeley分校研製出第一個微電機以來，國內外在MEMS工藝、材料以及微觀機理研究方面取得了很大進展，開發出各種MEMS器件和系統，如各種微型感測器（壓力感測器、微加速度計、微觸覺感測器），各種微構件（微膜、微粱、微探針、微連桿、微齒輪、微軸承、微泵、微彈簧以及微機器人等）。
1.7 集成化
集成化既包含各種技術的相互滲透、相互融合和各種產品不同結構的優化與復合，又包含在生產過程中同時處理加工、裝配、檢測、管理等多種工序。為了實現多品種、小批量生產的自動化與高效率，應使系統具有更廣泛的柔性。首先可將系統分解為若干層次，使系統功能分散，並使各部分協調而又安全地運轉，然後再通過軟、硬體將各個層次有機地聯系起來，使其性能最優、功能最強。
1.8 帶源化
是指機電一體化產品自身帶有能源，如太陽能電池、燃料電池和大容量電池。由於在許多場合無法使用電能，因而對於運動的機電一體化產品，自帶動力源具有獨特的好處。帶源化是機電一體化產品的發展方向之一。
1.9 綠色化
科學技術的發展給人們的生活帶來巨大變化，在物質豐富的同時也帶來資源減少、生態環境惡化的後果。所以，人們呼喚保護環境，回歸自然，實現可持續發展，綠色產品概念在這種呼聲中應運而生。綠色產品是指低能耗、低材耗、低污染、舒適、協調而可再生利用的產品。在其設計、製造、使用和銷毀時應符合環保和人類健康的要求，機電一體化產品的綠色化主要是指在其使用時不污染生態環境，產品壽命結束時，產品可分解和再生利用。
2 機電一體化技術在鋼鐵企業中應用
在鋼鐵企業中，機電一體化系統是以微處理機為核心，把微機、工控機、數據通訊、顯示裝置、儀表等技術有機的結合起來，採用組裝合並方式，為實現工程大系統的綜合一體化創造有力條件，增強系統控制精度、質量和可靠性。機電一體化技術在鋼鐵企業中主要應用於以下幾個方面：
2.1 智能化控制技術(IC)
由於鋼鐵工業具有大型化、高速化和連續化的特點，傳統的控制技術遇到了難以克服的困難，因此非常有必要採用智能控制技術。智能控制技術主要包括專家系統、模糊控制和神經網路等，智能控制技術廣泛應用於鋼鐵企業的產品設計、生產、控制、設備與產品質量診斷等各個方面，如高爐控制系統、電爐和連鑄車間、軋鋼系統、煉鋼---連鑄---軋鋼綜合調度系統、冷連軋等。
2.2 分布式控制系統(DCS)
分布式控制系統採用一台中央計算機指揮若乾颱面向控制的現場測控計算機和智能控制單元。分布式控制系統可以是兩級的、三級的或更多級的。利用計算機對生產過程進行集中監視、操作、管理和分散控制。隨著測控技術的發展，分布式控制系統的功能越來越多。不僅可以實現生產過程式控制制，而且還可以實現在線最優化、生產過程實時調度、生產計劃統計管理功能，成為一種測、控、管一體化的綜合系統。DCS具有特點控制功能多樣化、操作簡便、系統可以擴展、維護方便、可靠性高等特點。DCS是監視集中控制分散，故障影響面小，而且系統具有連鎖保護功能，採用了系統故障人工手動控制操作措施，使系統可靠性高。分布式控制系統與集中型控制系統相比，其功能更強，具有更高的安全性。是當前大型機電一體化系統的主要潮流。
2.3 開放式控制系統(OCS)
開放控制系統(Open Control System)是目前計算機技術發展所引出的新的結構體系概念。「開放」意味著對一種標準的信息交換規程的共識和支持，按此標准設計的系統，可以實現不同廠家產品的兼容和互換，且資源共享。開放控制系統通過工業通信網路使各種控制設備、管理計算機互聯，實現控制與經營、管理、決策的集成，通過現場匯流排使現場儀表與控制室的控制設備互聯，實現測量與控制一體化。
2.4 計算機集成製造系統(CIMS)
鋼鐵企業的CIMS是將人與生產經營、生產管理以及過程式控制制連成一體，用以實現從原料進廠，生產加工到產品發貨的整個生產過程全局和過程一體化控制。目前鋼鐵企業已基本實現了過程自動化，但這種「自動化孤島」式的單機自動化缺乏信息資源的共享和生產過程的統一管理，難以適應現代鋼鐵生產的要求。未來鋼鐵企業競爭的焦點是多品種、小批量生產，質優價廉，及時交貨。為了提高生產率、節能降耗、減少人員及現有庫存，加速資金周轉，實現生產、經營、管理整體優化，關鍵就是加強管理，獲取必須的經濟效益，提高了企業的競爭力。美國、日本等一些大型鋼鐵企業在20世紀80年代已廣泛實現CIMS化。
2.5 現場匯流排技術(FBT)
現場匯流排技術(Fied Bus Technology)是連接設置在現場的儀表與設置在控制室內的控制設備之間的數字式、雙向、多站通信鏈路。採用現場匯流排技術取代現行的信號傳輸技術(如4～20mA，DC直流傳輸)就能使更多的信息在智能化現場儀表裝置與更高一級的控制系統之間在共同的通信媒體上進行雙向傳送。通過現場匯流排連接可省去66%或更多的現場信號連接導線。現場匯流排的引入導致DCS的變革和新一代圍繞開放自動化系統的現場匯流排化儀表，如智能變送器、智能執行器、現場匯流排化檢測儀表、現場匯流排化PLC(Programmable Logic Controller)和現場就地控制站等的發展。
2.6 交流傳動技術
傳動技術在鋼鐵工業中起作至關重要的作用。隨著電力電子技術和微電子技術的發展，交流調速技術的發展非常迅速。由於交流傳動的優越性，電氣傳動技術在不久的將來由交流傳動全面取代直流傳動，數字技術的發展，使復雜的矢量控制技術實用化得以實現，交流調速系統的調速性能已達到和超過直流調速水平。現在無論大容量電機或中小容量電機都可以使用同步電機或非同步電機實現可逆平滑調速。交流傳動系統在軋鋼生產中一出現就受到用戶的歡迎，應用不斷擴大。
參考文獻
1 楊自厚． 人工智慧技術及其在鋼鐵工業中的應用[J]．冶金自動化，1994（5）
2 唐立新.鋼鐵工業CIMS特點和體系結構的研究[J]．冶金自動化，1996（4）
3 唐懷斌． 工業控制的進展與趨勢 [J]．自動化與儀器儀表，1996（4）
4 王俊普． 智能控制[M]． 合肥：中國科學技術大學出版社，1996
5 林行辛． 鋼鐵工業自動化的進展與展望[J]．河北冶金，1998（1）
6 殷際英． 光機電一體化實用技術[M]．北京：化學工業出版社，2003
7 芮延年． 機電一體化系統設計[M]． 北京：機械工業出版社，2004．

電機功率轉換的原理

引言：
電機調速實質的探討，是關繫到近代交流調速發展的重要理論問題。隨著近代變頻調速矢量控制及直接轉矩控制等調速控制理論的提出和實踐，很多有關文獻和論著都把調速的轉矩控制確認為調速的普遍規律，並提出調速的實質和關鍵在於電磁轉矩控制。然而，這種觀點尚缺乏理論和實踐的證明，值得商榷。
本文根據電機功率轉換的普遍原理，提出並證明恆轉矩調速的實質在於電機的軸功率控制，轉速調節是功率控制的響應，其關鍵為如何通過電功率控制軸功率。
一、功率控制與轉矩控制
根據機電能量轉換原理，凡電動機都可劃分為主磁極和電樞兩個功能部分。主磁極的作用是建立主磁場，電樞則是與磁場相互作用將電磁功率轉換為軸功率。
直流電動機的主磁極和電樞不僅結構鮮明，而且功能獨立，無疑符合以上定義。而交流（非同步）電動機通常以定子、轉子劃分構成，需加說明。
根據所述電樞定義，非同步機的軸功率產生於轉子，因此，非同步機真正的電樞是轉子。問題在於定子，一方面定子勵磁產生主磁場，故定子是主磁極。另一方面，定子又通過電磁感應為電樞（轉子）輸送電磁功率，卻不產生軸功率，因此定子又具有電樞的部分特徵，這里我們把它稱為偽電樞。定子的這種復合功能，是非同步機區別於直流機的主要特徵。
從電樞輸出角度觀察，電動機的軸功率與電磁轉矩機械轉速的關系為：
PM＝MΩ (1)
或 Ω＝PM／M （2）
公式（2）除了給出了電機轉速與軸功率和電磁轉矩間的量值關系以外，同時表明，電機轉速最終只能通過軸功率或電磁轉矩兩種控制獲得調節，前者簡稱功率控制，後者簡稱轉矩控制。
1. 功率控制
功率控制是以軸功率PM為調速主控量， 作用對象必然是電樞或偽電樞。電磁轉矩在調速穩態時，取決於負載轉矩的大小。
即 M＝Mfz (3)
當負載轉矩一經為客觀工況所確定之後，電磁轉矩就唯一地被決定了，因此電磁轉矩不僅與調速控制無關，而且不能隨意改變其量值。
電磁轉矩對轉速的作用表現在調速的過渡過程，轉矩的變化是轉速響應滯後的結果，此時，功率控製造成電磁轉矩響應。
設電機調速前的穩態轉速為Ω1，軸功率為PM1，調速後的穩態轉速為Ω2，相應的軸功率變為PM2。 由於電磁轉矩：
M＝PM／Ω (4）
故調速時，電磁轉矩變為：
M＝PM2／Ω
由於受慣性的作用，在t＝0的調速瞬時Ω＝Ω1，故
M＝PM2／Ω1
t=0
此時的電磁轉矩將與原來的電磁轉矩M1＝PM1／Ω1不等，轉矩平衡被破壞並產生動態轉矩，電機轉速在動態轉矩作用下開始由Ω1向Ω2過渡，其變化規律為：
Ω1＝（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2 （5）
電磁轉矩則為：M＝PM2／（Ω1－Ω2）e－t/T＋Ω2
隨著時間增大，動態轉矩減小，直至電磁轉矩與新的負載轉矩平衡，即：
M＝PM2／Ω2＝Mfz，
轉速穩定在Ω2不變，電機調速結束。 上述的調速過程可以由圖1的框圖說明。

圖1 功率控制的調速流程
功率控製作用的是電樞，主磁場或主磁通量保持不變，根據電機理論，電機的額定電磁轉矩正比於主磁通量，受限於電樞的最大載流量。因此功率控制調速時，電機的額定電磁轉矩輸出能力不變，屬於恆轉矩調速。
2. 轉矩控制
根據公式（2），電機轉速在軸輸出功率不變的前提下，與電磁轉矩成反比。由於受電磁轉矩以額定轉矩為上限的約束，轉矩控制實際上只能在額定轉矩以下實現，因此屬於恆功率調速。
電磁轉矩的獨立控制方法主要依據轉矩公式：
M＝CMΦmIS （直流機） (6)
或 M＝CMΦmI2COSφ2 （交流機） (7)
受控的物理量為主磁通Φm，由於主磁通量Φm產生於主磁極，因此轉矩控制實際上是磁場控制，作用對象為主磁極。轉矩控制調速同樣要保證穩態時的轉矩平衡，即：
M＝Mfz
由於調速穩態時，電磁轉矩發生了變化，因此要求負載轉矩適應於電磁轉矩變化，即要求負載跟蹤電機。
轉矩控制實際是弱磁調速，主要用於額定轉速以上的調速。鑒於本文重點討論的是功率控制，故不贅述。
二、功率控制的方法與性能
電機調速的軸功率控制只能通過電功率間接控制來實現。以非同步機為例，圖2是其等效三埠網路。

圖2.非同步機的等效網路
其中電樞（轉子）除產生軸功率輸出外，還產生以感應電壓u2和電流i2為參量的電功率響應。由於該功率與轉差率成正比，故稱轉差功率，其埠簡稱Ps口。
如果電機轉子為籠型，其繞組呈短路狀，Ps口為封閉不可控的。反之為繞線型，Ps口則是開啟可控的， 轉子可以通過Ps口輸出或輸入電功率。由此可見，非同步機的功率控制調速有兩種方式，一種是通過偽電樞間接對電樞實現軸功率控制；另一種是通過Ps口直接控制電樞軸功率。 前者主要適用於籠型非同步機，後者則適用於繞線型非同步機。
1. 定子偽電樞功率控制。

圖3.非同步機定子功率控制調速
作為偽電樞，定子向電樞（轉子）傳輸的電磁功率：
Pem＝P1－△P1 （8）
電樞的軸功率則為：
PM＝Pem－△P2 (9)
故 PM＝P1－（△P1＋△P2） (10)
可見，控制偽電樞的輸入功率P1或增大其損耗△P1就可以控制電樞的軸功率，後者顯然是低效率、高損耗的調速，不宜推薦。
控制P1調速的唯一方法是調壓━━變頻， 即所謂的變頻調速。由於：
P1＝m1U1I1COSφ1 (11)
故對於電壓源供電調節端電壓U1是控制功率P1的必須手段。問題的關鍵是為什麼不能單純調壓，而必須輔以變頻？這是定子除了偽電樞的功能之外，還同時兼主磁極之故。
前已敘及，功率控制的要點有：
① 保持主磁通量不變
② 作用對象是電樞或偽電樞
③ 控制目標是軸功率
如果單純調壓而頻率不變，定子的主磁極功能就要受到嚴重影響。根據電機理論，做為主磁極，定子的主磁通量：
Φm＝E／4.44W1kr1f1
＝KE1／f1
≈KU1／f1 (12)
恆頻調壓的結果，主磁通Φm將隨U1下降而減小，形成了前述的轉矩控制。更主要的是此時不但未能控制功率P1，反而增大了電機損耗，與目的絕然相悖。
設負載為恆轉矩性質，由轉矩平衡方程，電磁轉矩：
M＝Mfz＝const
又 M＝CMΦmI1COSφ1
＝CMΦmI2COSφ2 (13)
設功率因數不變，定轉子電流I1、I2將隨主磁通Φm下降而正比增大，其結果功率P1不變，但定轉子損耗：
△P1＝m1I 12 r1
△P2＝m2I 222 r1
將按電流的平方律增大。根據式（10），軸功率控制雖能實現，卻屬低效率高損耗的調速。
為此，非同步機定子的功率控制調速，必須要將定子的主磁極和偽電樞兩種功能游離開。針對同一定子繞組，一方面使主磁極產生的磁場保持穩定，同時又要控制其向電樞傳遞的電磁功率。
於是變頻調速建立了一條重要原則，就是調壓變頻，且保證V／F（壓頻比）為常數，這樣就確保了上述控制要求的實現。順便指出，近代變頻調速的矢量控制，實際上就是遵循這一原理。矢量控制的核心思想，是把磁場與轉矩游離開，分別加以控制，認為調速的根本在於轉矩，而事實上游離的卻是磁場和電磁功率，雖然結果無誤，但理論上必須加以澄清。
2. 轉子功率控制
對於繞線轉子非同步機的調速，可以利用轉差功率埠━Ps口直接控制軸功率。方法是由Ps口移出或注入轉差功率。需要指出：
① 所述的轉差功率應區別經典電機學中的轉子損耗轉差功率，為此將後者稱為轉子損耗功率，記以△P2。
② 轉差功率有電能與熱能之分，分別記以Pes和Prs，兩者性質不同，對調速的影響也不同。

圖4.非同步機轉子功率控制調速
當在轉子的Ps口引入電轉差功率Pes時，轉子的軸功率：
PM＝（Pem±Pes）－△P2 （14）
式中的Pem為定子向轉子傳輸的電磁功率，電轉差功率的負號表示從Ps口移出，正號表示從Ps口注入。Pes屬電功率，故與電磁功率相合成，結果使軸功率PM發生變化，電機轉速得到相應調節。
電轉差功率調速的典型實例是串級調速和雙饋調速，前者的電轉差功率為負，流向為從轉子移出，故實現的是額定轉速以下的調速。後者的電轉差功率可以雙向流動，既可以移出，又可以注入，因此可以實現低同步和超同步兩種調速。
當Ps口引入的是熱轉差功率Prs時， 轉子的軸功率則為：
PM＝Pem－（△P2＋Prs） (15)
顯然熱轉差功率的引入，增大了電樞（轉子）的損耗，軸功率隨Prs的增大而減小，其典型例子是非同步機轉子串電阻調速。
三、功率控制的理想空載轉速，效率與機械特性
根據電機學，電動機的理想空載轉速主要取決於電樞的電磁功率，因有：
Ω0＝Pem／M （16）
由於電磁轉矩為負載所決定，理想空載轉速Ω0就決定於某一負載條件下電磁功率的大小。
功率控制調速的電樞功率可以綜合表達為：
PM＝∑Pem－∑p2 （17）
相應的轉速：
PM／M＝∑Pem／M－∑p2／M （18）
Ω＝Ω0－△Ω (19)
其中Ω0＝∑Pem／M為功率控制調速的理想空載轉速，因此調節電樞的電磁功率可以改變電機的理想空載轉速。換言之，電機的理想空載轉速取決於電樞的電磁功率。又，△Ω＝∑p2／M 為電機的轉速降。由此表明增大電樞損耗，可以增加電機轉速降。
電機調速的效率表達為：
η＝PM／（P1－∑pi）
＝PM／（Pem－△P2)
因此，在一定的軸功率PM輸出條件下，控制電磁功率的調速是高效率的節能型調速，而控制損耗功率的調速必然是低效率的耗能型調速。
公式（18）同時刻畫出了功率控制調速的機械特性，當連續改變電磁功率∑Pem時，如果損耗功率不變，電機的理想空載轉速隨∑Pem連續變化，其機械特性為一族平行的曲線。而增大損耗，電磁功率不變時，電機理想空載轉速不變，改變的只是轉速降，其機械特性為一族匯交型曲線。如圖5給出了兩種調速的定性曲線。

圖5 a.電磁功率調速特性 b.轉速降調速特性
綜上所述，可以得出以下結論：
① 電磁功率控制調節的是理想空載轉速，損耗功率控制調節的是轉速降。
② 電磁功率控制是高效率節能型的調速，其機械特性必為平行曲線族。損耗功率控制屬低效率耗能調速，其機械特性必為匯交型曲線族。
四、非同步機調速的分類與方法
與按n＝ 60f1/p·(1-S）表達式不同，根據本文所述的電機調速功率控制理論，非同步機調速可分類表示如下：

性質/方案 控制點/變數 方法 要點
五、結論
1. 電機調速的基本原理有兩種，一為軸功率控制，二是轉矩控制。轉矩控制實際是磁場控制，適於恆功率調整。
2.軸功率控制的作用對象是電樞或偽電樞， 並最終只能通過電功率控制來實現。其中，電磁功率調節的是理想空載轉速，損耗功率改變的是轉速降。前者為高效節能型，後者為低效耗能型，兩者的機械特性亦由此決定。
3. 軸功率控制的調速具有恆轉矩特性，電磁轉矩的變化是轉速響應滯後所造成的，調速穩態時，電磁轉矩只決定於負載，與控制無關。
4. 變頻調速和電轉差功率控制調速同屬電磁功率控制調速，兩者性能一致，並無本質差別。