Мехатроника

Министерство сельского хозяйства Российской Федерации 

Департамент научно-технологической политики и образования 

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего образования 

«Волгоградский государственный аграрный университет» 

А. П. Сергеев 
В. А. Улексин 

МЕХАТРОНИКА

КУРС ЛЕКЦИЙ

Волгоград 

Волгоградский ГАУ 

2019

УДК 681.51
ББК 32.966
С-32

Рецензенты:

кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование и 
электрохозяйство предприятий АПК» ФГБОУ ВО «Волгоградский 
ГАУ» В.И. Шанцин; кандидат технических наук, доцент кафедры 
«Процессы и аппараты химических и пищевых производств» ФГБОУ 
ВО «Волгоградский ГТУ» Л.С. Рева

Сергеев, Александр Павлович 

С-32
Мехатроника: курс лекций / А.П. Сергеев., В.А. Улексин.

– Волгоград: ФГБОУ ВО Волгоградский ГАУ, 2019. – 220 с. 

Курс лекций разработан на основе договора о творческом содруже
стве между Волгоградским (Россия) и Днепропетровским (Украина) государственными аграрными университетами и предназначен для студентов 
факультетов механизации сельского хозяйства в качестве пособия. 

В работе приведены основные понятия по дисциплине «Мехатрони
ка», конспективно изложены основные положения физики, информатики и 
программирования, необходимые для усвоения предмета в пределах программы, приведен принцип действия основных приборов современного автотракторного электрооборудования и микропроцессорных систем управления автомобилей и тракторов, на примере которых рассмотрены подходы 
к построению мехатронных систем. Фактическое количество лекций и их 
содержание может изменяться в соответствии с изменениями рабочей программы. 

Курс
лекций представляет одну из
составных частей учебно
методического комплекса по дисциплине, предусматривающего выполнение серии лабораторных работ, включающего компьютерную программу 
тестового контроля знаний и др.

Курс лекций будет полезен для студентов, обучающихся по направ
лениям: 35.03.06 – Агроинженерия,  43.03.01 – Сервис, 44.03.04 – Профессиональное обучение. А также может быть полезен инженерам, преподавателям и аспирантам технических специальностей.

УДК 681.51
ББК 32.966

© ФГБОУ ВО Волгоградский государственный аграрный университет, 2019
© Сергеев А. П., Улексин В. А., 2019

К ЧИТАТЕЛЮ

Мехатроника – новая дисциплина, вобравшая в себя достижения 

механики, электроники, теории автоматического регулирования, информатики, кибернетики, вычислительной техники. Поэтому полное 
представление о мехатронике может быть получено лишь в результате 
изучения всех этих наук, каждая из которых имеет свои, свойственные 
ей особенности. В настоящей работе приведены только основные положения, достаточные для понимания функционирования мехатронных устройств, окружающих нас все более плотно.

ВВЕДЕНИЕ

«Труд создал человека» – к такому выводу пришел Фридрих 

Энгельс в известной работе «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека» [58]. Суть этого утверждения заключается в том, 
что человек, в отличие от других живых существ, на протяжении всей 
истории своего развития, как вида, должен был трудиться, работать, а 
работа, как отмечает Энгельс, начинается с изготовления примитивных орудий.

Работа человека заключается в осуществлении комплекса осо
знанных действий, направленных на достижение заранее запланированного результата и включает физические и управляющие (умственные, 
интеллектуальные, связанные с обработкой информации) действия. 

Эффективность работы зависит от затрат и физических, и ум
ственных усилий. Увеличение каждой из этих составляющих увеличивает утомляемость человека и ограничивает эффективность (производительность) труда. Цель изобретательства, научной деятельности 
человека и результат развития цивилизации – постоянное повышение 
производительности труда за счет использования разнообразных природных ресурсов и сил, реализуемых через механизмы и машины. 
Иерархия средств механизации ручного труда имеет вид: простые 
орудия, механизмы, машины, автоматы, роботы [47].

Орудия труда, как предметы, облегчающие ручной труд чело
века, появились в незапамятные времена и продолжают изобретаться 
и совершенствоваться вместе с развитием технологий производства. 
Интересно, что в патентных заявках до настоящего времени встречаются изобретения особых лопат, ножей, молотков и других, казалось 
бы, давно известных вещей. Молоток для использования в космосе 
существенно отличается от молотка обычного, «земного». 

Для выполнения сложных технологических процессов применя
ются разнообразные механизмы. Несмотря на ограниченность «номенклатуры» элементарных механизмов и деталей, рассматриваемых в курсе теории механизмов и машин (рычаг, колесо, клин, канат, блок, коловорот, винт), общее количество их комбинаций не поддается учету.

Значительный шаг в деле повышения производительности труда 

человечество сделало созданием машин – сложных механических систем, оборудованных приводным двигателем. Мощные двигатели за 
счет использования природной энергии позволяют при выполнении 
любой механической работы разгрузить человека от значительных физических усилий. При этом существенно повышается интеллектуальная 
нагрузка на оператора, связанная с процессом управления, которая становится помехой дальнейшего повышения производительности.

Функции автоматического управления частично выполняют 

разнообразные автоматы, которые позволяют существенно увеличить 
скорость и точность выполнения технологического процесса. Автоматизация машин строится на общих принципах, которые рассматриваются в теории автоматического регулирования, внедряется в разнообразнейшие области, но не позволяет полностью исключить человека-оператора из технологического процесса.

Наивысшей степенью вытеснения человека из процесса труда

является внедрение роботов и роботизированных систем, позволяющих максимально интенсифицировать любое производство. Разработка роботов нуждается в знаниях точной механики, электротехники, 
электроники, теории автоматического регулирования, информатики и 
кибернетики.

Кибернетика, изучающая принципы управления разнообразны
ми объектами, может рассматриваться как наука о средствах расширения интеллектуальных возможностей человека, подобно тому, как 
механика изучает средства расширения его физических возможностей. 

Принципы построения элементов сложных автоматизированных 

механических систем изучает мехатроника – наука об управлении 
механическим движением с помощью электронных средств.

ЛЕКЦИЯ 1 

ПРЕДМЕТ МЕХАТРОНИКИ КАК НАУКИ.

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ МЕХАТРОННЫХ 

СИСТЕМ

«…Последовательность, последовательность и последова
тельность. С самого начала своей работы приучайте себя к строгой последовательности в накоплении знаний. Изучайте азы 
науки, прежде чем пытаться взойти на ее вершину. Никогда не 
беритесь за последующее, не усвоив предыдущего…» 

И.П.Павлов

Термин «мехатроника» (у некоторых авторов – «механотрони
ка» [14, 25]) является комбинацией слов «механика» и «электроника». 
Впервые термин «мехатронные системы» для обозначения регулируемых электроприводов употреблен в 1969 году японской фирмой 
Yaskawa Electrіc [36], которая в 1972 году зарегистрировала товарный 
знак для мехатронных систем (см. на титульной странице).

С развитием микроэлектроники все больше сложных машин и 

механизмов с интегрированными (встроенными) устройствами регулирования становятся принадлежащими к мехатронным системам. 
Современная техника уже не представляется без микроэлектронных 
систем управления, что обусловило появление в программах подготовки механиков дисциплины «мехатроника», которая обобщает опыт 
применения мехатронных устройств во всех областях машиностроения. Не является исключением и тракторо-, автомобиле- и сельхозмашиностроение. Отличной особенностью мехатронных аппаратов является органическое объединение механических, электротехнических и 
компьютерных компонентов (рис. 1.1). 

Рисунок 1.1 – Компоненты мехатронной системы [36]

Рассмотрим подробнее объекты, которые изучает мехатроника.
К механическим компонентам мехатронных систем относятся 

орудия, механизмы и машины, которые применяются человеком для 
выполнения
механической работы, являющейся
перемещением 

предметов в пространстве под действием физических усилий. 

Уже в простейших орудиях, механизмах и машинах можно 

найти разнообразные элементы стабилизации или параметрического 
регулирования, которые облегчают процесс управления орудием или 
машиной и способствуют повышению производительности труда. 

Сущность параметрического регулирования (стабилизации) 

заключается в выборе параметров орудия или характеристик звеньев 
механизма (устройства, машины) таким образом, чтобы действие посторонних сил (возмущений) вызвало возможно меньшие изменения 
выходных параметров и в наименьшей степени влияло на показатели 
работы. Например, для удобства использования и повышения эффективности простого инструмента (ножа, молотка, топора, мотыги, лопаты) выбор массы, формы рабочего органа и рукояти, расположения
центра масс и т. п., должно способствовать стабильности рабочего 
процесса и облегчению работы. Наглядным и понятным примером 
стабилизации более сложных машин может служить хорошо всем известный велосипед: установка вилки переднего колеса велосипеда под 
углом φ (рис. 1.2) и смещение оси колеса относительно оси поворота 
вилки δ способствуют появлению стабилизирующего момента М, значение которого зависит от поворота колеса α, и который способствует
возвращению отклоненного колеса в положение прямолинейного 
движения. Это облегчает велосипедисту управление велосипедом.

Рисунок 1.2 – Стабилизация движения переднего колеса велосипеда

Системы автоматического регулирования служат той же цели 

– облегчению управления объектом регулирования (механизмом, машиной, процессом), который подвергается действию возмущающих 

факторов. Любую систему автоматического регулирования (САР) 
можно свести к обобщенной схеме, представленной на рис. 1.3. В отличие от стабилизации (параметрического регулирования) системы 
автоматического регулирования для своего функционирования должны включать набор вспомогательных устройств, воспроизводящих 
действия оператора при ручном регулировании. Эти действия состоят 
в поддержании в заданных пределах режима (положения, скорости, 
усилия и т. п. ) выходного звена (или выходного, регулируемого параметра) действием на входное (регулирующее) звено или на регулирующий орган объекта регулирования. В классическом определении 
системой автоматического регулирования называют замкнутую 
динамическую систему, в которой измеряется разность между заданным и текущим значениями регулируемого параметра и, в зависимости от результата измерения, осуществляется автоматическое действие, направленное на уменьшение указанной разности до допустимо малой величины [9].

Рисунок 1.3 – Общая схема системы автоматического регулирования [9]

Например, поддержание заданной скорости движения (регулируе
мый параметр) автомобиля (объект регулирования) осуществляется 
действием на педаль «газа» (регулирующий орган) таким образом, чтобы компенсировать все отклонения от заданной скорости через неравномерность сопротивления движению (возмущающие факторы).

При ручном регулировании скорости автомобиля водитель, ко
торый в системе регулирования представляет собой и исполнительный орган и сравнивающее устройство, определяя скорость движения машины по спидометру (чувствительный элемент) и сопоставляя фактическую скорость с разрешенной дорожным знаком – (задатчик), принимает решение и действует на педаль «газа», приводя 
фактическую скорость в соответствие с разрешенной (заданной). 

В классической постановке задача автоматизация регулирования 

сводится к созданию комплекса устройств, которые могут выполнять 
действия оператора без его участия. Такой комплекс (чувствительный 
элемент, задатчик, сравнивающее устройство и исполнительный орган) может строиться на основе элементов (звеньев) разной природы –
механических, гидравлических, пневматических, электромагнитных и 
т.д., которые в общей теории автоматического регулирования называют элементной базой.

Например

Всережимный механический регулятор тракторного дизеля (на 

основе механической элементной базы) поддерживает заданную частоту вращения (регулируемый параметр) дизеля (объект регулирования) путем изменения положения рейки топливного насоса (регулирующий орган), изменяющей цикловую подачу топлива, которая, в данном случае, является входным параметром дизеля. Частота вращения 
может изменяться от воздействия возмущающих факторов (момент 
нагрузки, техническое состояние двигателя, качество топлива, температура окружающей среды и т. п.). 

Регулятор (рис. 1.4) имеет грузы 1, шарнирно установленные на 

валике регулятора 2 и своими выступами через упорный подшипник 
упирающиеся в муфту 3. Муфта нагружена пружиной 4 и связана с 
рейкой топливного насоса 6 через главный рычаг регулятора 5. Перемещение главного рычага ограничено упорами 7. Скоростной режим 
двигателю задает водитель соответствующим изменением сжатия (а) 
или натяжения, (б) пружины 4.

а)
б)

Рисунок 1.4 – Кинематическая схема (а, [40]) и схема работы

центробежного регулятора частоты вращения тракторного дизеля

Д240 (б, [15])

При установившемся скоростном режиме существует равнове
сие между центробежной силой грузов и силой пружины, система рычагов и рейка топливного насоса находятся в покое (в равновесии). 
Отклонение частоты вращения от заданной приведет к изменению 
равновесного состояния между центробежной силой грузов 1 и силой 
пружины 4. Преобладающая из этих сил сместит муфту 3, повернет 
главный рычаг 5 и сместит рейку насоса 6 в сторону увеличения или 
уменьшения подачи топлива, что приведет к восстановлению скоростного режима двигателя, заданного водителем. 

В рассмотренном регуляторе центробежные силы грузов (чув
ствительный элемент), зависящие от частоты вращения, и сила 
пружины (задатчик), зависящая от деформации (сжития или растяжения), приложены к главному рычагу (сравнивающее устройство и, 
одновременно, исполнительный орган), положение которого изменяется при нарушении равенства сил и приводит к перемещению рейки 
топливного насоса (регулирующий орган) объекта регулирования. Таким образом, рассмотренный регулятор имеет все элементы системы 
автоматического регулирования в соответствии с рис.1.3.

Относительно объектов регулирования мехатроники (механиче
ских систем по определению) следует заметить, что входные и выходные параметры объекта регулирования должны быть представлены 
или в виде сил действия на детали (элементы), или в виде перемещения деталей (элементов), а дополнительные электронные устройства, 
предназначенные для автоматического регулирования, должны взаимодействовать с помощью электрических сигналов. Для согласования 
работы механических и электронных компонентов нужны двухсторонние преобразования сигналов:

а) – преобразование первичных сигналов в виде сил и переме
щений деталей в соответствующие электрические сигналы в виде 
напряжения или тока; 

б) – преобразование управляющих сигналов в виде напряжения 

или тока в силы действия и перемещение соответствующих деталей.

При применении гидравлических или пневматических устройств, 

как элементной базы САР механическими устройствами, также требуется согласование – двустороннее преобразование сигналов: 

– преобразование первичных сигналов в виде сил и перемеще
ний в соответствующие сигналы в виде давления, объема, расхода рабочего тела; 

– преобразование сигналов в виде давления, объема, расхода ра
бочего тела в механические сигналы – силы действия и перемещение 
соответствующих деталей.