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探讨现代机械工程中自动控制系统的运用问题

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探讨现代机械工程中自动控制系统的运用问题

在人类发展史中，劳动器具的应用推动了生产力的发展。随着经济水平的增长，劳动器具越来越先进，可代替人工做许多工作，在人类生产生活中的作用越来越突出。工业革命之后，机械由木结构迅速朝金属结构过渡，制造工艺也实现了从凭借经验到利用科学的转变，为现代化机械工程奠定了基础。在经济技术的推动下，20世纪40年代经典控制论形成，并逐步发展壮大；计算机和自动化技术则使得机械工程有了进一步发展，并实现了自动化控制，为各个生产领域均做出了巨大贡献。在当前时代，生产工艺日益复杂，为实现高效、高质生产，必须熟练应用自动控制系统，并不断创新改进。

1机械工程及其重大意义

人类在利用、改造大自然为自身服务时，最初多依靠双手完成各项工作。显然这是不够的，因为人力极其有限，伴随着需求的增加，人们的开拓领域越来越广，仅依靠双手在很多方面都受到限制。各种机械器具便在此背景下出现，并不断更新改进，机械能够完成人们用双手无法完成的事，而且效率和质量更佳。经过千百年的演变，积累了大量经验，机械工程规模扩大，研究愈发深入，应用更为广泛，是各个行业都不可或缺的重要组成部分。直至进入现代社会，机械工程开始引进现代化高新技术，机械装置在精度、质量各方面都进入到全新阶段。如今，可上游宇宙天空、下潜大洋深层，远窥百亿光年、近察细胞分子。此外，机械工程在军事、建筑、农业、生物、医疗、勘探等诸多领域都有着广泛应用。

2自动控制系统的发展

现代化机械工程的一个明显特点，就是建立有自动控制系统，实现了自动化控制。所谓自动控制系统，即在无人直接参与的情况下，通过对多种高新技术的应用，能够自动完成生产任务，或能够按照设定程序自动操作的控制系统。系统包括控制器、执行机构、被控对象以及变送器4部分，按照控制原理，可分为开环和闭环两种，在社会各方面都有使用。

自动控制系统的产生是生产水平和经济技术发展到一定阶段的必然产物，如计算机技术、电子技术等。尤其是21世纪以来，自动控制系统在机械工程中的应用受到高度重视。早些时期，自动控制系统多依靠机械装置实现自动控制；当前则主要通过各种专用和通用的单片机，以及工业级控制计算机等控制器来实现；随着科技的进步和研究的深入，自控系统正朝着智能化方向迈进，在将来应用纳米光电子元件、光电子计算机等装置，系统将更稳定，反应越来越快，精确性也更高。

在20世纪40年代经典控制论出现后，以模拟量自控系统为主，但系统输入、输出为单变量；随后朝着多变量发展，实际生产控制中会产生大量的数据，需要快速运算，计算机技术的兴起使此问题得到了很好的解决。到80年代，线性自动控制系统产生，与能够寻求一个最优控制向量作用而使自动化机械系统状态或输出满足某种最优准则的最优自控系统；至90年代，计算机、自动化和电子技术飞速发展，相关研究越来越多，自控系统也进一步改进，实现了自适应控制系统的建立，即根据外部环境的动态变化，该系统可自动调节，始终满足某种最优准则。进入21世纪后，机械工程变得更加复杂，在实际制造加工中，遇到许多非线性的难题，因无法准确构建相应的数学模型，自动控制系统也就难以取得较好的效果。智能控制便应运而生，且倍受青睐，其发展空间十分广阔，是今后的主流。

3关于自动控制系统的研究内容

3.1功能设计

自动控制系统在当前机械工程中的作用不言而喻，随着人们对机械制造、加工、应用等方面要求的不断提高，自动控制系统还需改进，实现更多功能。较为常见的一些功能有自助决策、人机交互、信息实时转换和分析、科学规划、远程通信和远程控制、对控制软件的支持等，是目前自控系统功能的研究重点。但其实际研究过程较为艰难，因为自控系统是多种学科的知识和理论的综合应用，包括机械、计算机、物理、软件、电子信息、通讯、数学、人工智能、人机工程以及心理学等诸多学科。

3.2控制功能计算机

计算机是实现自动控制功能的基础设备，机械工程涉及面较广，不同行业都有与其自身相适应的自控系统。被控对象的用途、功能、体积、参数等因素各有差异，在选择控制功能计算机时，应具体而定。一般而言，当被控机械系统的规模较小时，监视控制量为开关量和少量数据信息的模拟量，实现控制要求较为简单，多采用PLC或单片机；当被控机械系统的规模较大，或要处理海量数据信息时，多选择工控机。系统总线是其基础结构，以并行数字通信方式为主，负责控制模板与计算机CPU间的数据传递交换工作。当前应用较多且发展速度最快的系统总线有STD、VME、PC几种；当被控机械系统为多层次、且较复杂时，分布式自动控制系统无疑是最好的选择，它通过分析各级控制对象的特点，分别采用单片机、PLC总线工控机以及微型计算机等来完成不同的功能