李素京

【摘要】機電一體化設計中，必不可少的一部分就是控制理論，控制理論的精準程度與否，關系到機電設備的穩(wěn)定性和運行的準確性，因此，控制工程在機械電子專業(yè)中占有重要地位。本文通過對控制理論的介紹，和一個典型控制系統(tǒng)“伺服系統(tǒng)”的論述，闡明了控制理論在機電一體化設計中的重要作用，以及大力發(fā)展控制工程的必要性。

【關鍵詞】控制理論 控制工程 機械電子工程

與自人類使用工具以來就有的機械工程相比，電子技術是二十世紀發(fā)展的新學科。機械工程與電子技術的結合始于上世紀。起初，二者結合是分離的“塊與塊”關系，或者是功能結構上的相互替代。隨著計算機技術發(fā)展的推動，機械系統(tǒng)和電子系統(tǒng)通過信息有機地聯(lián)系起來，形成了真正的機械電子工程。人工智能技術的發(fā)展與滲透，使得機械電子在傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)能量連接、功能連接的基礎上，更加強調(diào)了信息連接和驅動，并逐步使機械電子系統(tǒng)向具有一定智能的方向發(fā)展。

機械電子專業(yè)可細分為機械電子系統(tǒng)（傳動和模擬技術，機器和設備，機械人技術及其運動系統(tǒng)，傳感和執(zhí)行元件技術，測量技術和圖像處理等），微型，超微型機械（微系統(tǒng)技術，微型和精密儀器的功能組，微系統(tǒng)的測量技術等）和生物機械（機器人技術，生物系統(tǒng)，仿生執(zhí)行技術，控制和設計，控制系統(tǒng)等）。

一、控制工程學簡介

控制工程（control engineering）是處理自動控制系統(tǒng)各種工程實現(xiàn)問題的綜合性工程技術?？刂乒こ淌且怨こ炭刂普摓槔碚摶A，綜合應用了信息理論和計算機理論的相關概念。控制工程不局限于任何一個工程學科，在機械工程、采礦工程、管理工程、航空工程、電氣工程、生物工程、土木工程等工程學科中都有同樣而廣泛的應用。在實際應用中，控制工程還融合了自動控制技術、電子技術、計算機技術等多個學科的相關知識。其應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，主要研究單輸入和單輸出線性定常時不變這類控制系統(tǒng)的分析和設計問題。而“現(xiàn)代控制理論”是在“古典控制理論”的基礎上，以狀態(tài)空間方程為基礎，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、非線性等控制系統(tǒng)的分析和設計問題。隨著機械工業(yè)的迅速發(fā)展，智能機器人、軋機系統(tǒng)、先進加工控制系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，與控制工程的結合愈來愈廣泛而密切。

二、機械電子工程

早期的機械工業(yè)以手工加工為主，生產(chǎn)力低，但適應性強；三十年代開始集中在標準件和流水線，適合于大批量生產(chǎn)，但缺乏靈活性；現(xiàn)代生產(chǎn)一般要求轉產(chǎn)周期短、生產(chǎn)靈活性強、產(chǎn)品質(zhì)量高，因此常采用以機械電子系統(tǒng)為主要構成的FMS可以達到上述要求。與傳統(tǒng)的機械工業(yè)相比，機械電子工程有著鮮明的特點：就設計而言，機械電子工程并不是一門有嚴格界線并且獨立的工程學科，而是在設計過程中一個綜合思想的實踐。設計中，根據(jù)系統(tǒng)結構配置和目標，機械電子工程把它的核心部分（機械工程、電子工程、汁算機技術）與其它領域的技術，如：制造技術、管理技術和生產(chǎn)加工實踐等有機地結合在一起，采用一種基于信息的自頂向下的模塊化策略，完成設計就系統(tǒng)（產(chǎn)品）而言，機械電子系統(tǒng)（產(chǎn)品）結構簡單，元件和運動部件少（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)的復雜性卻大大增加了。

機械電子學要求機械與電子技術的規(guī)劃應用和有效結合，以構成一個最優(yōu)的產(chǎn)品或系統(tǒng)?，F(xiàn)代的機械電子系統(tǒng)除了“塊與塊”之間的動力聯(lián)系之外，還有信息之間的相互聯(lián)系，并由具有數(shù)值運算和邏輯推理能力的計算機來對機械電子系統(tǒng)的所有信息進行智能處理，人們已經(jīng)認識到生產(chǎn)改革的未來屬于那些懂得怎樣去優(yōu)化機械和電子系統(tǒng)之間聯(lián)系的人；尤其是在先進生產(chǎn)和制造系統(tǒng)的應用中，對優(yōu)化的需求將會變得更為迫切；在這些系統(tǒng)中，人工智能、專家系統(tǒng)、智能機器人以及先進的工藝制造系統(tǒng)將構成未來工廠的下一代工具。

三、控制理論在機電系統(tǒng)中的應用

伺服系統(tǒng)（servosystem）是將指令信號精確、快速的轉換為相應的物理實現(xiàn)。例如，飛機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)來完成，伺服系統(tǒng)的作用就是使舵面的轉角精確地跟隨駕駛員的操縱動作。當使用自動駕駛方式時，伺服系統(tǒng)要使舵面轉角精確實現(xiàn)自動駕駛儀輸入的指令。

工業(yè)機器人的一個關節(jié)，就用到了伺服系統(tǒng)。它的受控過程是機器人的關節(jié)運動。采用微處理機作為控制器。關節(jié)軸的實際位置由旋轉變壓器測量，轉換為電的數(shù)字信號后，反饋給控制器。微處理機經(jīng)過控制算法后，輸出控制指令，再經(jīng)過數(shù)模轉換和伺服功率放大，提供給關節(jié)上的伺服電機。伺服電動機根據(jù)控制指令驅動關節(jié)軸轉動，直至機器人運動達到輸入?yún)⒖夹盘栐O定的位置為止。

伺服系統(tǒng)是機電控制系統(tǒng)中典型的一個重要部分，其應用的主要就是控制理論來實現(xiàn)機械與電子的相互結合。

四、結語

隨著科技的進步，機電技術的發(fā)展必然走向電子化，智能化，這是時代進步的需求，這也是科學技術發(fā)展的必然結果，尤其是電子信息時代的來臨，我國機電人員將電子信息技術充分地與機電技術相整合，同時應用控制理論將這個機電系統(tǒng)設計好，使它具有足夠的穩(wěn)定性、準確性、快速性?？刂乒こ汤碚摰膽门c發(fā)展促進了工業(yè)生產(chǎn)中的機械自動化往更精準的方向進行，同時也間接地促進了我國經(jīng)濟的發(fā)展。

總之，控制工程在機械電子專業(yè)中具有重要的地位，它是保證機電一體化設計中控制裝置的理論基礎，此外在諸多科學技術領域中也有著重要應用價值。

參考文獻：

[1]董景新，等.控制工程基礎（第三版）[M].北京：清華大學出版社，2009.

[2]趙麗娟，張建卓，李建剛.控制工程基礎與應用[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2009.