机械控制工程的研究对象和方法

机械工程涉及机械制造、交通运输、航天、能源、材料工程及生物工程等许多行业。由于科学技术的不断发展，计算机的广泛运用，尤其是机械与电子的结合，很多机械产品开始把电子技术、控制技术、计算机技术及机械技术融为一体，使机械控制工程涵盖的对象更加丰富。

“工程控制论”是从工程技术实践中提炼出来的一般性理论，能够应用到工程中去解决实际问题，而机械控制工程则是工程控制论应用于机械工程的一门技术科学。　“工程控制论”提出：“控制论的对象是系统”。下面就引用系统动力学的有关定义及其方法论来说明机械控制工程研究的对象及特点。

1.研究自动控制系统

自动控制理论，包括经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论，主要研究单输入单输出系统；而现代控制理论以状态的概念，研究复杂的多输入多输出系统以及时变系统的最优控制和自适应控制。虽然现代控制理论发展迅速，但是经典控制理论本身已较成熟，对于实际中的大部分控制系统，仍是一种很有效的方法。本书内容限于经典控制理论，主要研究的内容如下。

（1）控制系统分析，就是对已知的系统，对它的静态及动态性能（一般可概括为稳、准、快）进行分析，看是否满足要求，并提出改进措施。

（2）控制系统设计，也称为控制系统综合，就是根据所要求系统的性能指标，来设计控制系统。

以上两个方面，都需要首先建立系统的数学模型。

2.研究机械动力学系统

机械动力学系统，主要是指动态机械系统。这里系统的定义是：一个由相互作用的各部分组成的具有一定功能的整体。研究机械动力学系统，就是研究机械系统的动态特性，这是“机械控制工程”主要任务之一。例如，切削自激振荡、机床工作台低速运动出现爬行现象等各种机械系统产生的自激振荡，是具有内在反馈的闭环系统，这属于系统动力学的范畴。

下面以一个典型例子来说明动力学系统的含义与构成。

图1-10为工作台驱动系统的物理模型图。输入为位移量xi，输出为工作台的位移xo，传动刚度为k，工作台质量为m，与速度有关的摩擦因数为为摩擦力，k（xi-xo）为驱动力。因此，可写出系统的数学模型(www.xing528.com)

图1-10　工作台驱动系统

由系统的数学模型，可以画出工作台驱动系统方框图，如图1-11所示。图中，为算子。可以看出，系统存在内在反馈，有两个反馈回路，是一个闭环系统，当运动速度较低时，这个动力学系统将会产生自激振荡（爬行）。

当运动速度较低，处于摩擦力下降区时（摩擦力与速度关系如图1-12所示），其特性是速度增加，摩擦力c（）下降。反映到式（1-1）中，c（）的符号由“-”变为“+”，也就是摩擦因数变为负摩擦因数，图1-11中的c（）D的负反馈变为正反馈，即相当于向系统中输入能量，于是系统将产生时走时停或时快时慢的爬行现象。

图1-11　工作台驱动系统方框图

图1-12　摩擦力与速度关系

由此例可知，采用控制理论的方法去研究动力学系统，较之古典力学，方法简便、概念清晰。不仅如此，利用控制理论的有关建模方法、传递函数、频率特性、稳定性理论、状态空间、最优控制、信息处理、滤波及预报、系统辨识以及自适应控制等理论与方法，可以使机械工程的设计与研究，从经验阶段提高到理性阶段，从静态阶段提高到动态阶段，对于复杂的、过去无法解决的实际问题，逐渐揭示了其客观规律。