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。