簡(jiǎn)述控制工程在機(jī)械電子工程中的作用

李素京

【摘要】機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中，必不可少的一部分就是控制理論，控制理論的精準(zhǔn)程度與否，關(guān)系到機(jī)電設(shè)備的穩(wěn)定性和運(yùn)行的準(zhǔn)確性，因此，控制工程在機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)中占有重要地位。本文通過(guò)對(duì)控制理論的介紹，和一個(gè)典型控制系統(tǒng)“伺服系統(tǒng)”的論述，闡明了控制理論在機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的重要作用，以及大力發(fā)展控制工程的必要性。

【關(guān)鍵詞】控制理論 控制工程 機(jī)械電子工程

與自人類(lèi)使用工具以來(lái)就有的機(jī)械工程相比，電子技術(shù)是二十世紀(jì)發(fā)展的新學(xué)科。機(jī)械工程與電子技術(shù)的結(jié)合始于上世紀(jì)。起初，二者結(jié)合是分離的“塊與塊”關(guān)系，或者是功能結(jié)構(gòu)上的相互替代。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)，機(jī)械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)通過(guò)信息有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，形成了真正的機(jī)械電子工程。人工智能技術(shù)的發(fā)展與滲透，使得機(jī)械電子在傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)能量連接、功能連接的基礎(chǔ)上，更加強(qiáng)調(diào)了信息連接和驅(qū)動(dòng)，并逐步使機(jī)械電子系統(tǒng)向具有一定智能的方向發(fā)展。

機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)可細(xì)分為機(jī)械電子系統(tǒng)（傳動(dòng)和模擬技術(shù)，機(jī)器和設(shè)備，機(jī)械人技術(shù)及其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，傳感和執(zhí)行元件技術(shù)，測(cè)量技術(shù)和圖像處理等），微型，超微型機(jī)械（微系統(tǒng)技術(shù)，微型和精密儀器的功能組，微系統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)等）和生物機(jī)械（機(jī)器人技術(shù)，生物系統(tǒng)，仿生執(zhí)行技術(shù)，控制和設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)等）。

一、控制工程學(xué)簡(jiǎn)介

控制工程（control engineering）是處理自動(dòng)控制系統(tǒng)各種工程實(shí)現(xiàn)問(wèn)題的綜合性工程技術(shù)。控制工程是以工程控制論為理論基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用了信息理論和計(jì)算機(jī)理論的相關(guān)概念。控制工程不局限于任何一個(gè)工程學(xué)科，在機(jī)械工程、采礦工程、管理工程、航空工程、電氣工程、生物工程、土木工程等工程學(xué)科中都有同樣而廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際應(yīng)用中，控制工程還融合了自動(dòng)控制技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科的相關(guān)知識(shí)。其應(yīng)用的控制理論主要有兩種：“古典控制理論”，“現(xiàn)代控制理論”。“古典控制理論”的內(nèi)容主要是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入和單輸出線性定常時(shí)不變這類(lèi)控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。而“現(xiàn)代控制理論”是在“古典控制理論”的基礎(chǔ)上，以狀態(tài)空間方程為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問(wèn)題。隨著機(jī)械工業(yè)的迅速發(fā)展，智能機(jī)器人、軋機(jī)系統(tǒng)、先進(jìn)加工控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，與控制工程的結(jié)合愈來(lái)愈廣泛而密切。

二、機(jī)械電子工程

早期的機(jī)械工業(yè)以手工加工為主，生產(chǎn)力低，但適應(yīng)性強(qiáng)；三十年代開(kāi)始集中在標(biāo)準(zhǔn)件和流水線，適合于大批量生產(chǎn)，但缺乏靈活性；現(xiàn)代生產(chǎn)一般要求轉(zhuǎn)產(chǎn)周期短、生產(chǎn)靈活性強(qiáng)、產(chǎn)品質(zhì)量高，因此常采用以機(jī)械電子系統(tǒng)為主要構(gòu)成的FMS可以達(dá)到上述要求。與傳統(tǒng)的機(jī)械工業(yè)相比，機(jī)械電子工程有著鮮明的特點(diǎn)：就設(shè)計(jì)而言，機(jī)械電子工程并不是一門(mén)有嚴(yán)格界線并且獨(dú)立的工程學(xué)科，而是在設(shè)計(jì)過(guò)程中一個(gè)綜合思想的實(shí)踐。設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置和目標(biāo)，機(jī)械電子工程把它的核心部分（機(jī)械工程、電子工程、汁算機(jī)技術(shù)）與其它領(lǐng)域的技術(shù)，如：制造技術(shù)、管理技術(shù)和生產(chǎn)加工實(shí)踐等有機(jī)地結(jié)合在一起，采用一種基于信息的自頂向下的模塊化策略，完成設(shè)計(jì)就系統(tǒng)（產(chǎn)品）而言，機(jī)械電子系統(tǒng)（產(chǎn)品）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，元件和運(yùn)動(dòng)部件少（如電子表），它用小巧的電子系統(tǒng)取代“傻、大、笨、粗”的機(jī)械系統(tǒng)，減小了系統(tǒng)的體積，提高了性能，但是系統(tǒng)的復(fù)雜性卻大大增加了。

機(jī)械電子學(xué)要求機(jī)械與電子技術(shù)的規(guī)劃應(yīng)用和有效結(jié)合，以構(gòu)成一個(gè)最優(yōu)的產(chǎn)品或系統(tǒng)。現(xiàn)代的機(jī)械電子系統(tǒng)除了“塊與塊”之間的動(dòng)力聯(lián)系之外，還有信息之間的相互聯(lián)系，并由具有數(shù)值運(yùn)算和邏輯推理能力的計(jì)算機(jī)來(lái)對(duì)機(jī)械電子系統(tǒng)的所有信息進(jìn)行智能處理，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到生產(chǎn)改革的未來(lái)屬于那些懂得怎樣去優(yōu)化機(jī)械和電子系統(tǒng)之間聯(lián)系的人；尤其是在先進(jìn)生產(chǎn)和制造系統(tǒng)的應(yīng)用中，對(duì)優(yōu)化的需求將會(huì)變得更為迫切；在這些系統(tǒng)中，人工智能、專(zhuān)家系統(tǒng)、智能機(jī)器人以及先進(jìn)的工藝制造系統(tǒng)將構(gòu)成未來(lái)工廠的下一代工具。

三、控制理論在機(jī)電系統(tǒng)中的應(yīng)用

伺服系統(tǒng)（servosystem）是將指令信號(hào)精確、快速的轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的物理實(shí)現(xiàn)。例如，飛機(jī)和船舶的舵角操縱由于所需的力很大，不可能由人力直接操縱，需要伺服系統(tǒng)來(lái)完成，伺服系統(tǒng)的作用就是使舵面的轉(zhuǎn)角精確地跟隨駕駛員的操縱動(dòng)作。當(dāng)使用自動(dòng)駕駛方式時(shí)，伺服系統(tǒng)要使舵面轉(zhuǎn)角精確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛儀輸入的指令。

工業(yè)機(jī)器人的一個(gè)關(guān)節(jié)，就用到了伺服系統(tǒng)。它的受控過(guò)程是機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)。采用微處理機(jī)作為控制器。關(guān)節(jié)軸的實(shí)際位置由旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)量，轉(zhuǎn)換為電的數(shù)字信號(hào)后，反饋給控制器。微處理機(jī)經(jīng)過(guò)控制算法后，輸出控制指令，再經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換和伺服功率放大，提供給關(guān)節(jié)上的伺服電機(jī)。伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)控制指令驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直至機(jī)器人運(yùn)動(dòng)達(dá)到輸入?yún)⒖夹盘?hào)設(shè)定的位置為止。

伺服系統(tǒng)是機(jī)電控制系統(tǒng)中典型的一個(gè)重要部分，其應(yīng)用的主要就是控制理論來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電子的相互結(jié)合。

四、結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步，機(jī)電技術(shù)的發(fā)展必然走向電子化，智能化，這是時(shí)代進(jìn)步的需求，這也是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果，尤其是電子信息時(shí)代的來(lái)臨，我國(guó)機(jī)電人員將電子信息技術(shù)充分地與機(jī)電技術(shù)相整合，同時(shí)應(yīng)用控制理論將這個(gè)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)好，使它具有足夠的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、快速性。控制工程理論的應(yīng)用與發(fā)展促進(jìn)了工業(yè)生產(chǎn)中的機(jī)械自動(dòng)化往更精準(zhǔn)的方向進(jìn)行，同時(shí)也間接地促進(jìn)了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

總之，控制工程在機(jī)械電子專(zhuān)業(yè)中具有重要的地位，它是保證機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中控制裝置的理論基礎(chǔ)，此外在諸多科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中也有著重要應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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