机械工程控制基础论文

精品-------精品精品-----实用文档--精品精品-------精品目录摘要………………2关键词……………2引言………………21机械控制理论的研究对象及任务……………21.1机械控制理论的研究对象……………21.2机械控制理论的任务………………32机械控制理论的系统稳定性………………32.1什么是稳定性…………33机械制造……………………43.1先进制造技术分类………………………43.2虚拟制造系统…………53.3虚拟制造技术应用………………………54机械制造的发展及控制理论的应用………64.1机械制造的发展…………74.2控制理论…………………7结论…………………8参考文献……………9

机械制造系统的发展及应用冯强（合肥学院机械设计制造及其自动化专业2008级）摘要：了解控制理论在机械控制工程中的应用主要在对控制理论本质反面的理解。随着人类的物质文化水平的不但提高，控制在我们的生活学习当中处处可见，就我们的身体就是一个很好的控制系统。我们的每一个器官完成不同功能的同时又存在着相互的协调、辅助和制约。控制理论在机械控制工程中也是一样的只不过是由我们给它设定应作方式而已。一个好的控制系统就一定是相对比较稳定的控制系统，所以系统的稳定性在系统中是非常重要的。而系统要稳定必定于反馈有关。内容包括：拉普拉斯变换的数学方法，系统的数学模型，系统的瞬态响应与误差分析，系统的频率特性，系统的稳定性，控制系统的校正与设计，以及离散系统分析基础等。关键词：控制理论；稳定性；系统反馈；系统引言“机械工程控制论”是一门技术科学，它是研究“控制论”在“机械工程”中应用的科学。当前机械制造技术正向着高度自动化的方向发展，各种先进的自动控制加工系统不断出现，过去那种只侧重于局部和静态的研究方法已不能符合要求，应将机械加工过程各个环节的组合看作是一个动力系统，从控制论的角度来研究和解加工中所出现的各种技术问题。1机械控制理论的研究对象及任务机械控制理论的研究对象和理论范畴在不断扩大。近20年来该学科的各个方面都有了很大的发展。到目前为止,它所包含的主要理论和方法有下列6个方面。系统辨识和信息处理由于工程控制论中所有的概念和方法都是建立在定量研究的基础之上，为了实现对工程系统的控制，精密地定量描述它的行为和结构就具有决定性的意义。找出能够完全描述系统状态的全体变量，区分为输入量、受控量和控制量等不同类别，把表现为机械的、电的、光的、声的各种物理信号形式的变量从各种随机因素和噪声中提取出来，确定各变量在各种不同条件下的变化规律，这就是系统辨识理论的任务。用滤波、预测、相关处理、逼近等方法从噪声中分离出具有本质意义的信息以及寻求各变量之间的相互关系，这是属于信息处理理论和方法的范畴。近年来发展起来的模式识别理论和方法能够对已经提取出来的物理信号进行更精细的分析,以便用机器手段去理解它的含义,并用文字或图形显示出来，为管理和操作人员提供准确的信息，这是信息处理理论的新成就。1.1机械工程控制论的研究对象

机械工程控制论是研究以机械工程技术为对象的控制论问题。具体地讲，是研究在这一工程领域中广义系统的动力学问题，即研究系统在一定的外界条件（即输入与干扰）作用下，系统从某一初始状态出发，所经历的整个动态历程，也就是研究系统及其输入、输出三者之间的动态关系。例如，机床数控技术中，调整到一定状态的数控机床就是系统，数控指令就是输入，而数控机床的运动就是输出。

因为输入的结果是改变系统的状态，并使系统的状态不断改变，这就是力学中所讲的强迫运动；而当系统的初始状态不为零时，即使没有输入，系统的状态也会不断改变，这也就是力学中所讲的自由运动。因此从使系统的状态不断发生改变这点来看，将系统的初始状态看作为一种特殊的输入，即“初始输入”或“初始激励”也是十分合理的。

机械工程控制论所研究的系统是极为广泛的，这个系统可大可小，可繁可简，完全由研究的需要而定。例如，当研究机床在切削加工过程中的动力学问题时，切削加工本身可作为一个系统；当研究此台机床所加工工件的某些质量指标时，这一工件本身又可作为一个系统。1.2机械控制理论的任务欲使工程系统按希望的方式运行，完成预定的任务，应该正确地选择控制方式。几乎所有的工程系统都有共同的特性：为达到同一个目标，存在着许多控制策略。不同的控制策略所付出的代价也各异，例如能量消耗，所费时间的长短，材料、人力和资金的消耗等均不相同。研究如何以最小的代价达到控制的目的的原理和方法称为最优控制理论。寻求以最短时间达到控制目的的理论称为最速控制理论。线性规划、动态规划、极大值原理、最优化理论等都是经过实践证明具有严密结构的最优控制理论。为了解决最优控制的工程实现问题，科学家们又创造了很多适用于计算机程序的算法，称为最优化技术。最优控制理论和最优化技术的建立是工程控制论中最突出的成就。受控系统的工作环境、任务和目标常发生变化。为了使工程系统能自动适应这些变化，科学家们创立了一系列设计原理和方法，赋予系统以自我进化的能力，即根据变化了的环境条件或工作任务，系统能够自动地改变自己的结构、参数和获得新的功能。最早出现的是自稳定系统，它能在环境条件发生剧烈变化时自动地改变自己的结构，始终保持稳定的工作状态而无需操作人员去干预。用自适应控制理论（见适应控制系统）设计的工程系统能自动地对外界条件变化作出反应，改变自己的结构参数，保持优良的性能和高精度。计算机用于工程系统后，由于具有信息存储能力，出现了自学习系统。经过有经验的操作人员示教以后，系统把一切操作细节都记忆下来，从此就能准确地自动再现已学到的操作过程，完成指定的任务。只要存储容量足够大，同一工程系统可记忆若干种操作过程，就成为多功能系统。把专家们在某一专门领域中的知识和经验存储起来，工程系统就获得处理复杂问题的能力，这种系统称为专家系统。为完成不同的任务而能自动重组结构的系统称为自组织系统。工程控制论的研究工作还一直受着仿生学新成就的启发和鼓舞，不断引进新的概念，发明新的理论，以求工程系统部分地模仿生物的技能。能够辨识人的声音，认识和翻译文字，具有不断增长的逻辑判断和自动决策能力的智能系统已在工业生产领域和服务行业中采用，这是具有自我进化能力的工程控制论系统的最新成就。2机械控制理论的系统稳定性在机械控制理论中系统稳定性是非常重要的概念。我们都知道无论是什么系统如果不能相对的稳定那么系统最终会出问题，就那电力系统稳定性说。系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。2.1什么是稳定系统稳定性是指：设一线性定常系统原处于某一平衡状态，若它瞬间受到某一扰动作用而偏离了原来的平衡状态，当此扰动撤消后，系统仍能回到原有的平衡状态，则称该系统是稳定的。反之，若系统对干扰的瞬态响应随着时间的推移而不断扩大或发生持续振荡，则系统为不稳定。由此可知：线形系统的稳定性取决于系统的固有特征（结构、参数），与系统的输入信号无关。3机械制造几百年来，制造一直是由手工艺和体力劳动完成的。工业革命以后，机器发挥着越来越重要的作用，使制造业出现了飞速发展，先进制造技术成为产品竞争的主要手段。改革开放之后，我国已成为世界制造大国，但，要从中国制造逐步成为中国创造，必须依靠先进制造技术。制造是人类所有经济活动的基石，是人类历史发展和文明进步的动力。从狭义来看，制造是机电产品的机械加工工艺过程，从广义来看，是涉及制造工业中产品设计，生产相关活动的总称。小制造指传统的机械制造，重点是加工和装配。大制造指产品的生命周期中，从供应市场到需求市场整个供应链中的所有活动。随着WTO的脚步，中国制造业融入了世界经挤之中，成为我国新阶段经济发展的主要增长点之一，在工业现代化中起到了主导作用。改革开放20多年来，引进国外先进技术2500多项，占全国的1/3以上。近几年的新产品，50%达到80年代中后期的世界水平，一些重要产品的年生产能力已跃居世界前列，我国已成为世界最大的服装纺织品出口国，与日本、马来西亚和特国并称世界消费类电子产品四大生产国。一些新产品已达世界领先或先进水平，如电主轴高速卧式加工中心、激光切割机床、并联构型机床、6000米水下机器人等。

但是，我们也应该清醒地看到存在着很多不足，主要表现在技术创新能力薄弱、技术含量低、劳动生产率低、工业增加值低，总体停留在劳动者集型阶段。另外，系统管理手段落后、管理水平低，体制陈旧、机制僵化、条块分割、地方保护主义严重等等。

先进制造技术是在传统制造技术基础上，吸收机械、电子、信息、材料、能源和现代管理等方面的成果，综合应用于产品设计、制造全过程，以实现优质、高效、低耗、清洁、灵活的生产，提高对市场的适应和竞争能力的制造技术总称。进制造技术的特征明显：综合性技术，将各种相关技术集合成一个整体，强调人、技术、管理的有机结合；动态技术，要不断地吸收和利用各种高新技术成果，将其渗透到制造系统的各个部分和整个过程；面向工业应用全球竞争的技术，有明显的需求导向特征，不以追求技术高新度为目的，重在实际效果；面向21世纪的技术，它保留了传统有效要素，吸收高新技术，强调环保、符合可挎续发展。3.1

先进制造技术分类(1)计算机辅助制造(CAM)及仿真加工技术

利用数控机床，数控加工中心配以CAM技术，可以实现零件部分或全部加工过程的自动化。充分利用CAD的产品三维模型，在CAM和仿真软件中定义和模拟机床，模拟加工刀具、夹具等加工工艺系统，制定零件的工艺路线和工序内容，进行刀位轨迹规划、刀位轨迹计算、刀具干涉计算、进行针对加工机床后置处理数控加工程序。利用加工过程仿真软件在计算机仿真加工对象在加工过程中的运动和状态进行虚拟加工，检查NC代码和装夹等因素引起的碰撞干涉现象，优化加工方案和加工工艺，并具有动画功能。

(2)计算机辅助工艺设计规划(CAPP)

通过PDM传递各发电设备的零部件信息，通过CAPP建立各企业的工艺资源库，向计算机输入被加工零件加工工艺信息，由计算机自动输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件。包括毛坯选择及毛坯图生成、定位夹具选择、加工方法选择、加工顺序选择、工艺设备选择、工艺参数选择等，可优化加工工艺，合理设备负荷，大大降低工艺准备周期。

(3)柔性制造系统(FMS)

推广FMS技术，以加工中心为基础，包括加工中心、立体仓库、物料运输系统和控制系统。FMS可以实现加工高度柔性，有利于发电设备这种单件加工、小批量生产和增强对市场响应的敏捷性。

(4)特种加工和新兴制造技术

如将快速成型技术等特种加工应用于水轮机模型制造中，可大大缩短试制周期。

(5)三维测量及大尺寸测量技术3.2虚拟制造系统

虚拟制造系统(VirtualManufacturingSystem，VMS)是基于虚拟制造技术实现的制造系统，是现实制造系统(RealManufacturingSystem)在虚拟环境下的映射。它由虚拟信息系统(VirtualInformationSystem，VIS)和虚拟物理系统(VirtualPhysicalSystem，VPS)构成。虚拟信息系统利用计算机信息系统模拟现实信息系统(RealInformationSystem，RIS)的设计、规划、调度、控制、评估等活动。虚拟物理系统利用计算机信息系统模拟现实物理系统(RealPhysicalSystem，RPS)的制造过程和制造活动。

虚拟制造技术是CAD／CAM／CAE技术发展的更高阶段，也是计算机图形技术、虚拟现实技术、仿真技术发展的产物，对产品开发具有重要的实用意义，在我国，虚拟现实技术的研究刚刚起步，多数研究是在CAD／CAM、仿真技术的基础上进行的，主要是在飞机、汽车、挖掘机、轮船等产品制造出来后进行模拟训练。虚拟制造技术研究还仅限于国外理论消化，国外软件引进试用，以及与国内环境的结合上。近几年来，虚拟制造技术已经引起我国科技工作者的关注，开展了一些研究工作，尤其是在虚拟企业的理论和实践活动方面比较活跃，取得了一定进展，并着手进行了一些探索性、应用性的示范工作，如飞机零部件的异地设计，计算机集成制造系统(CIMS)的研究，以及某些工程项目的研究等。对于虚拟制造技术，我们应该遵循“应用为主，促进研究与开发”的原则。综观国内外的虚拟制造技术的发展趋势，我国的制造业应侧重于加强以下几个方面的工作：1虚拟设计，2虚拟制造工艺，3虚拟装配，4虚拟加工设备，5虚拟测试设备，6虚拟企业。相信随着我国政府及有关部门、科研机构和企业对虚拟制造技术应用和发展的重视程度的提高，可以预言我们将逐渐拥有一个适宜的发展环境，虚拟制造技术的研究及其在企业中的应用将有远大的发展前景。3.3虚拟制造技术应用

一制造系统建模

虚拟制造的制造工程技术就是建立制造系统的全信息模型，也就是运用适当的方法将制造系统的组织结构和运行过程进行抽象地表达，并在计算机中以虚拟环境的形式真实地反映出来，同时，构成虚拟制造系统的各种抽象模型与真实实体一一对应，并且具有与真实实体相同的性能、行为和功能。由此可见，制造系统建模技术是实现虚拟制造精确性和预测性的关键。

二产品开发和制造过程仿真

仿真是实现虚拟制造的主要手段，同时虚拟制造也是制造仿真技术的进一步发展。虚拟制造的最终实现就是利用不同层次的仿真手段来模拟和优化产品开发和制造过程，以实现最短的产品开发周期、最低的生产成本和最高的生产效率。

三虚拟产品开发

虚拟产品开发（VirtualProductDevelopmentVPD）强调用计算机完成整个产品的开发过程，它以数字化形式虚拟的、可视地、并行地开发产品，并在制造实物原型之前以虚拟原型形式对产品结构和性能进行分析和仿真，实现设计过程的早期反馈，及早地发现和解决问题，减少产品开发时间和费用。虚拟现实技术和CAD/CAE/CAM/PDM集成技术是实现VPD的主要支持技术。

四制造过程仿真

制造过程仿真可分为制造系统仿真和具体的生产过程仿真，具体的生产过程仿真又包括加工过程仿真、装配过程仿真和检测过程仿真。但由于目前缺乏完善的面向虚拟制造的制造系统建模理论和方法，所以还难以对制造全过程进行实时逼真地仿真，主要的研究还是围绕着具体的生产过程仿真进行的。

(1)虚拟加工加工过程仿真主要包括产品设计的合理性与可加工性、加工方法、机床和切削工艺参数的选择以及刀具和工件之间的相对运动的仿真和分析。

(2)虚拟装配装配过程仿真是根据产品的形状特征和精度特征，在虚拟环境下对零件装配情况进行干涉检查，发现设计上错误，并对装配过程的可行性和装配设备的选择进行评价。

(3)虚拟检测检测过程仿真是模拟真实产品的检测过程。目前，完全真实地模拟检测仪器的检测过程还难以实现，虚拟仪器（VirtualInstrumentVI）则是当前检测技术的研究热点，虚拟仪器应用软件集成了虚拟仪器的所有采集、控制、数据分析、结果输出和用户界面等功能，使传统仪器的某些硬件乃至整个仪器都被计算机软件所代替。

五可制造性评价

可制造性评价主要包括对技术可行性、加工成本、产品质量和生产效率等方面的评估。精确地进行产品的可制造性评价以便对产品开发和制造过程进行改进优化是虚拟制造技术的根本目的。目前，可制造性评价策略有基于规则和基于规划两种方法。4机械制造的发展及控制理论21世纪初，机械制造业发展的特点是现代化高新技术的综合利用，其趋势是四化：即柔性化、敏捷化、智能化和信息化。再也不是以20世纪20～40年代发展起来的机械学科自身的成就——凸轮及其它机械为基础，采用专用机床、夹具、刀具、量具组成的流水式生产线——刚性自动化。刚性自动化的缺点是严重影响产品的更新换代，妨碍采用高新技术，产品在国际市场上缺乏竞争力。4.1机械制造的发展目前，我国机械制造业中，一些国营企业亏损，产品在国内外市场上缺乏竞争力，产品大量积压，除与经营管理体制有关外，与企业设备陈旧、工程技术人员知识老化有很大关系。为了适应市场经济，重振我国机械制造业，很有必要重新认识机械制造业，了解当前国际上机械制造业和21世纪初机械制造业发展的特点和今后的趋势。制造技术是国民经济发展的支柱在20世纪末的1999年第46届国际生产工程学会(CIRP)年会上，该届年会主席——日本学者吉川教授在报告中指出，世界上各发达工业国家经济上的竞争，主要是制造技术的竞争。在各个国家企业生产力的构成中，制造技术的作用一般占55%～65%，日本及亚洲四小龙的发展，在很大程度上都是与他们重视制造技术有关。这些国家和地区十分重视将世界各国高新技术专利买回来，通过制造技术，形成独、特、高的产品，率先占领世界市场。这就是他们之所以能崛起、腾飞的决窍。机械制造业必须领先信息科学、材料科学来改造自己；另一方面，信息科学、材料科学也必须依赖于制造技术来取得新的发展。例如，在计算机的发展中，最关键的问题是高密集度的大规模集成电路与存储器件的制作，它们有赖于制造技术的发展。美、日等国的专家已将制造科学与信息科学、材料科学、生物科学一起列为当今时代四大支柱科学。美国由于近年来缺乏对制造科学的重视，使他们许多产品缺乏竞争力。为此，美国政府已批准将先进制造计划列为1996年国家预算唯一重点支持的科技领域，这已引起美国、日本、欧洲在制造技术上新一轮的竞争。要重新认识机械制造业，尚包含着另一种意义。它已经不是传统意义上的机械制造，即所谓的机械加工。它是集机械、电子、光学、信息科学、材料科学、生物科学、激光学、管理学等最新成就为一体的一个新兴技术与新兴工业。4.2控制理论一个复杂系统可能有多个输入和多个输出，并且以某种方式相互关联或耦合。为了分析这样的系统，必须简化其数学表达式，转而借助于计算机来进行各种大量而乏味的分析与计算。从这个观点来看，状态空间法对于系统分析是最适宜的。经典控制理论是建立在系统的输入-输出关系或传递函数的基础之上的，而现代控制理论以n个一阶微方程来描述系统，这些微分方程又组合成一个一阶向量-矩阵微分方程。应用向量-矩阵表示方法，可极大地简化系统的数学表达式。状态变量、输入或输出数目的增多并不增加方程的复杂性。事实上，分析复杂的多输入-多输出系统，仅比分析用一阶纯量微分方程描述的系统在方法上稍复杂一些。控制系统的基于状态空间的描述、分析与设计。本章将首先给出状态空间方法的描述部分。将以单输入单输出系统为例，给出包括适用于多输入多输出或多变量系统在内的状态空间表达式的一般形式、线性多变量系统状态空间表达式的标准形式(相变量、对角线、Jordan、能控与能观测)、传递函数矩阵，以及利用MATLAB进行各种模型之间的相互转换。

结论：在我们现有的知识基础上实在是写不出什么机械控制的论文，怎么写都感觉是泛泛而谈没什么真实的内容。也就是些对书本内容的感想之类的，在力求阐明机械工程控制论的基本概念、基本知识和基本方法的基础上，密切结合机械工程实际，同时注重机、电结合，以便沟通与加强数理基础和专业知识之间的联系，为将来控制理论应用于工程实际打下基础。内容主要包括：本门学科概要介绍；拉普拉斯变换的数学方法；系统的数学模型；系统的瞬态响应与误差分析、频率特性和稳定性；机械工程控制系统的校正与设计；控制系统的计算机仿真与辅助设计等。

参考文献：[1].杨叔子,杨克冲，机械工程控制基础[M].第五版.武汉：华中科技大学出版社，2005:26-47.[2].董必钦．三峡水利枢纽中的液压启闭机[J]．中国三峡建设，