控制工程在机械电子工程中的应用 杨配锋

控制工程在机械电子工程中的应用杨配锋

摘要：机电一体化设计中，必不可少的一部分就是控制理论，控制理论的精准

程度与否，关系到机电设备的稳定性，和运行的准确性，因此，控制工程在机械

电子专业中占有重要地位。本文通过对控制理论的介绍，和一个典型控制系统"伺服系统"的论述，阐明了控制理论在机电一体化设计中的重要作用，以及大力发展控制工程的必要性。

关键词：控制理论；控制工程；机械电子工程

与自人类使用工具以来就有的机械工程相比，电子技术是二十世纪发展的新

学科。机械工程与电子技术的结合始于上世纪。起初，二者结合是分离的“块与块”关系，或者是功能结构上的相互替代。随着计算机技术发展的推动，机械系统和

电子系统通过信息有机地联系起来，形成了真正的机械电子工程。人工智能技术

的发展与渗透，使得机械电子在传统的机械系统能量连接、功能连接的基础上，

更加强调了信息连接和驱动，并逐步使机械电子系统向具有一定智能的方向发展。

机械电子专业可细分为机械电子系统（传动和模拟技术，机器和设备，机械

人技术及其运动系统，传感和执行元件技术，测量技术和图像处理等），微型，

超微型机械（微系统技术，微型和精密仪器的功能组，微系统的测量技术等）和

生物机械（机器人技术，生物系统，仿生执行技术，控制和设计，控制系统等）。

一、控制工程学简介

控制工程（control engineering）是处理自动控制系统各种工程实现问题的综

合性工程技术。控制工程是以工程控制论为理论基础，综合应用了信息理论和计

算机理论的相关概念。控制工程不局限于任何一个工程学科，在机械工程、采矿

工程、管理工程、航空工程、电气工程、生物工程、土木工程等工程学科中都有

同样而广泛的应用。在实际应用中，控制工程还融合了自动控制技术、电子技术、计算机技术等多个学科的相关知识。其应用的控制理论主要有两种：“古典控制理论”，“现代控制理论”。“古典控制理论”的内容主要是以传递函数为基础，主要研

究单输入和单输出线性定常时不变这类控制系统的分析和设计问题。而“现代控制理论”是在“古典控制理论”的基础上，以状态空间方程为基础，研究多输入、多输出、变参数、非线性等控制系统的分析和设计问题。随着机械工业的迅速发展，

智能机器人、轧机系统、先进加工控制系统不断涌现，与控制工程的结合愈来愈

广泛而密切。

二、机械电子工程

早期的机械工业以手工加工为主，生产力低，但适应性强；三十年代开始集

中在标准件和流水线，适合于大批量生产，但缺乏灵活性；现代生产一般要求转

产周期短、生产灵活性强、产品质量高，因此常采用以机械电子系统为主要构成

的FMS可以达到上述要求。与传统的机械工业相比，机械电子工程有着鲜明的特点：就设计而言，机械电子工程并不是一门有严格界线并且独立的工程学科，而

是在设计过程中一个综合思想的实践。设计中，根据系统结构配置和目标，机械

电子工程把它的核心部分（机械工程、电子工程、汁算机技术）与其它领域的技术，如：制造技术、管理技术和生产加工实践等有机地结合在一起，采用一种基

于信息的自顶向下的模块化策略，完成设计就系统（产品）而言，机械电子系统（产品）结构简单，元件和运动部件少（如电子表），它用小巧的电子系统取代“傻、大、笨、粗”的机械系统，减小了系统的体积，提高了性能，但是系统的复

杂性却大大增加了。

机械电子学要求机械与电子技术的规划应用和有效结合，以构成一个最优的

产品或系统。现代的机械电子系统除了“块与块”之间的动力联系之外，还有信息

之间的相互联系，并由具有数值运算和逻辑推理能力的计算机来对机械电子系统

的所有信息进行智能处理，人们已经认识到生产改革的未来属于那些懂得怎样去

优化机械和电子系统之间联系的人；尤其是在先进生产和制造系统的应用中，对

优化的需求将会变得更为迫切；在这些系统中，人工智能、专家系统、智能机器

人以及先进的工艺制造系统将构成未来工厂的下一代工具。

三、控制理论在机电系统中的应用

伺服系统（servosystem）是将指令信号精确、快速的转换为相应的物理实现。例如，飞机和船舶的舵角操纵由于所需的力很大，不可能由人力直接操纵，需要

伺服系统来完成，伺服系统的作用就是使舵面的转角精确地跟随驾驶员的操纵动作。当使用自动驾驶方式时，伺服系统要使舵面转角精确实现自动驾驶仪输入的

指令。

工业机器人的一个关节，就用到了伺服系统。它的受控过程是机器人的关节

运动。采用微处理机作为控制器。关节轴的实际位置由旋转变压器测量，转换为

电的数字信号后，反馈给控制器。微处理机经过控制算法后，输出控制指令，再

经过数模转换和伺服功率放大，提供给关节上的伺服电机。伺服电动机根据控制

指令驱动关节轴转动，直至机器人运动达到输入参考信号设定的位置为止。

伺服系统是机电控制系统中典型的一个重要部分，其应用的主要就是控制理

论来实现机械与电子的相互结合。

四、结语

随着科技的进步，机电技术的发展必然走向电子化，智能化，这是时代进步

的需求，这也是科学技术发展的必然结果，尤其是电子信息时代的来临，我国机

电人员将电子信息技术充分地与机电技术相整合，同时应用控制理论将这个机电

系统设计好，使它具有足够的稳定性，准确性，快速性。控制工程理论的应用与

发展促进了工业生产使机械自动化的方向更精准的方向进行，同时也间接地促进

了我国经济的发展。

总之，控制工程在机械电子专业中具有重要的地位，它是保证机电一体化设

计中控制装置的理论基础，此外在诸多科学技术领域中也有着重要应用价值。