机械管理对成本控制有很重要的影响,因此对机械操作人员和管理人员的素质及文化水平的要求都较高,但实际中这些人员的素质及文化水平都偏低。首先,缺乏专业的操作管理人员;其次,欠缺对现有操作及管理人员的培训,很多操作人员原本技术水平较高,但由于新机械应用后没有接受培训,职业技能无法提高;最后,工程行业具有专业技术水平的机械操作及管理人员竞争激烈很大,导致人才流失频繁;最后,新员工培训时间仓促,无法掌握操作要领,不仅无法完全按照规定进行操作,也没有及时进行维护和保养,这些因素都导致成本增加。
2加强机械管理对成本控制的具体措施
2.1加强机械采购环节的管理机械采购是机械管理前期最重要的部分,可以说机械采购具有决策地位,决定后续的使用、维护和管理等环节,因此做好机械采购可以促进机械管理水平的提升,从而提升经济效益。工程项目在施工过程中如果需要增加机械设备,需要经过分析、筛选方案和决策后再进行采购。通过研讨会征集机械操作人员和管理人员的意见,确定多套可行性高的方案,结合机械性能和价格等因素综合决定,最后再进行采购。
2.2科学合理的运用机械设备机械设备科学合理的应用要做到如下两点:第一,在确保施工质量、效率及技术要求的基础上,尽量将机械动力、燃料及劳动消耗降到最低;第二,实时监测机械运行情况,确保机械设备正常运行。实际上,机械设备应用评价要素就是产量、时间和出勤率,其中产量是根据机械自身性能确定的,所以要结合工程实际情况确定。机械设备更加科学合理的应用,就要从机械出勤率和时间利用系统考虑,不断提高这两项指标,同时加强维修保养,延长机械作业时间,从而提高效率降低成本。
2.3加强机械管理制度的建立与完善目前很多工程类企业没有完善的机械管理制度,制度是管理的核心,是将管理的内容及细节明确的标记出来,科学有效的制度体系才会提高管理水平。因此要做好机械管理工作,就要有完善的制度为其支撑。机械管理制度的建立与完善应结合工程企业特点,将管理内容、职责、细节及落实情况都做出明确规定,坚决杜绝存在“形式化”或逃避的情况,必须做到严格按照制度落实,控制好工程成本。
2.4加强对机械操作人员的控制要保证机械操作人员、使用人员和管理人员进行定期的培训,培训内容包括机械维修保养、使用方法、理论知识、职业技能和实践等,帮助机械人员建立安全第一的观念,提高安全意识与服务意识。培训可以帮助机械人员快速提升自身综合水平,激发每一位员工的潜能,使所有员工都成为专业技术人员。
2.5加强机械进场管理在机械设备进场前,要做好机械的验收工作,包括机械质量、技术规范、外观状态、部件结构等,如果发现问题要及时解决,避免问题机械进场引起事故或影响施工质量。同时要做好机械进场的移交手续和验收记录等工作。
2.6加强机械维修保养工作机械维修保养是为了保证机械处于良好的状态,这样才能正常运行,因此要有计划的做好机械维修保养工作。机械维修保养可以总结为:调整、紧固、、防腐和清洁。机械维修保养分为定期保养和每班保养,定期保养是根据机械实际使用时间分段进行的保养。机械保养要以保养替代维修为目标,就是加大保养力度以降低维修频率,从而降低维修成本,提高机械使用效率。每班保养是指班前班后的保养,如零部件清洁、燃油油的补充、冷却水补充、制动系统灵活性检查等。
机械管理对成本控制的作用很重要,不能讲机械管理局限于采购、使用、维修保养和报废等层面上,要将管理动态化,机械是企业的资本,要尽可能提升其流动性和运行速度。在市场经济发展迅速的今天,依靠科学高效的机械管理,及时淘汰过时或报废的机械、及时补充新型机械并做好废旧机械的转让,维护成本低又可通过出租提高收益的设备,企业可以保留或继续增加数量,不断降低机械管理费用、简化管理流程,最终实现降低成本的目的。
3结语
1.1减轻工作量，缩短设计周期
使用控制工程，可以轻易地将设计师脑海中的三维模型反映到计算机中，而不是简单地用二维图纸表示出来，这大大降低了设计师的工作强度，加快了新产品的更新速度，提高了市场竞争力。
1.2使零件设计变得简单
利用机械制造与控制工程之间的联系，可以很简单地对零件进行设计以及后期的修改，可以在设计过程中不断加入新的设计思想，从而不断完善设计。同时控制工程可以根据零件相互之间的位置以及配合关系，在保证零件之间配合的前提下，完成零件设计，从而避免在零件后期出现装配不上的问题。
1.3使零件装配更加直观
机械制造与控制工程能够施加装配约束以及装配分析，可分析装配体各零件之间的关系，同时通过隐藏（显示）某些零件，进而清晰地显示出装配体内部结构。对于运动件可以使用运动仿真，通过施加约束以及驱动保证运动的可靠性以及可行性。
2机械制造与控制工程之间的联系
2.1控制工程有利于促进机械制造业的研发
提高其管理水平一般有三种控制工程模式，分别是智能控制的认知结构、函数型连接神经元、实现智能计算结构的混合网络。智能控制的认知结构，体现的是控制工程中的一种，它构成了一种智能计算结构，它与人一起设计并实现智能控制算法。主要的作用是弥补人脑计算模拟的不足，主要参与定性规划、督导等，这样就可以使我们的机械制造业变得更加有效率。而函数型连接神经元和实现智能计算结构的混合网络实例，可以更加肯定的设计机械制造的一些模型，促进机械制造业的发展。因此，为了降低计算复杂性，提高运算的效率和实时性，需要对信息空间实施广义优化，分割具有多分辨率的信息空间。这样一来，我们就更加需要对机械制造业进行一定的控制工程的作业。设计人只需将建立的产品模型装配在一起，就可以发现其结构或者功能上的不合理之处，并及时进行修正，既提高了设计效率，又保证了设计的可行性。
2.2控制工程有利于促进机械制造的成本优化
在当前竞争环境下，国内机械制造企业存在着一个普遍的问题，那就是在生产成本控制方面面临巨大压力。所以如何在满足外部需求的同时尽可能地控制并降低内部成本消耗，已经成为各企业共同关注与亟待解决的一个重要问题，同时也是我们必须采取措施加以解决的问题。而此时，我们必须要对成本进行合理有效的控制，使其发挥最大的效用。对车间资源配置进行调整以实现总体成本优化，实现各种资源的优化配置，同时考虑资源使用方式的多样性，这样就可以在很大程度上节约资本，所以我们必须要利用控制工程来促进资源的合理利用。一方面需要结合生产对各种资源配置方案的调整效果作出准确的评价，另一方面又需要提供有效的备选方案的优化选择，通过搜索比较，我们可以发现，这样就可以实现问题的快速解决，更好地优化机械制造的成本。
2.3机械制造的发展也可以促进控制工程的发展
机械制造业的发展可以为我们提供大量的资金支持，这样我们就可以很明显地看出工程制造的发展方向，也可以使控制工程得到快速的发展。机械制造可以使控制工程实现对输入信息的有效扩展与增强，同时也可以完成中枢处理的动态局域网络，能实现信息空间的优化分解，大大降低计算的复杂性，提高工作的效率和实时性。这种框架具有较强的信息融合和技术集成能力，大大提高了机械制造业的工作效率。所以，我们必须要加强相关技术培训，进一步促进我国相关技术的发展，提高我国的综合经济实力。随着近年来科技的不断发展，人们对于新产品的需求程度以及开发力度也逐渐加大，但是传统的设计方法是从无到有，这大大增加了新产品的开发周期和产品成本。随着科技水平的不断提高，越来越多的军用技术向民用技术转化，减小了工作强度，提高了设计效率。
3如何促进二者的和谐共同发展
3.1加强对相关技术人员的培养
随着科学技术的发展，先进设备不断涌现，机械设计和工艺安排方面有了较快的发展。就目前市场的生产水平而言，大型企业资金雄厚，拥有先进的技术和生产设备，而中、小型企业在工艺安排和夹具设备方面相对较差，希望通过对输出轴零件的工艺和专用夹具的设计，解决中、小企业所存在的问题，提高生产效率、提高产品精度，降低生产成本。所以说我们必须要培养相关技术人员，促进CAD技术的发展。如复杂的石雕图形是无法通过传统的加工手段制造出来，只能由技艺高超的雕刻师傅们手工雕刻，而采用了三维数据设计以后这些问题就迎刃而解。通过对手工雕刻的实物进行扫描处理，形成雕刻机能够识别的文件，控制雕刻机进行批量化石雕生产。
3.2在机械制造工艺中有效应用控制工程
将各种原材料、半成品加工成产品的方法和过程叫做机械制造工艺。随着先进工业和科学技术的发展，机械制造工艺发展起来。机床和工件之间的连接需要用到夹具，夹具能使工件相对于机床或者刀具获得正确的位置。工件加工表面的位置精度和生产效率很大部分取决于夹具的好坏，按使用范围可以把夹具分为：专业夹具、通用夹具、组合夹具和随行夹具、可调整夹具和成组夹具等。控制工程设计旨在通过对减速器输出轴的零件图进行分析，了解它的技术要求，对其制造工艺以及专业夹具进行设计。所以必须要加强相关的宣传，在机械工程设计领域中更好地应用控制工程。在产品设计后期的优化设计中，产品的综合力学分析以及结构优化都是非常必要的。
3.3企业加大资金的投入
1.控制目标和策略
在实际工作中，极其的作业形式和作业方法都存在着一定的差异，所以智能控制技术在控制目标和控制策略的选择上也存在着很大的不同。在智能控制技术应用于挖掘机领域方面，其主要要实现的控制目标就是要实现节能环保，同时也要提高机械生产的效率。智能控制技术使用在压路机领域方面主要就是要实现碾压的质量和压实的速度。当前挖掘机主要有两种控制策略,一是“负载适应控制”另一种是“动力适应控制”。负载适应控制主要就是指在发动机发出功率已经稳定的情况下，液压系统能够根据实际的需要对自身的运行状态进行适当的调整，从而使其能够以最佳的状态来完成工作。动力适应控制就是在实际的工作中发动机要根据运行的具体情况支持发动机的动力输出，这也极大的节约了能源。采用“负载适应控制”技术的挖掘机,一般设有几种动力选择模式,如最大功率模式,标准功率模式和经济功率模式,每种模式下的发动机输出功率基本恒定,同时液压泵业设有几条恒功率曲线与之匹配。由于系统中采用了发动机速度传感控制技术（ESS控制技术）,在匹配时将每种功率模式下的泵的吸收功率设定为大于或等于该模式下的发动机输出功率,这样可以使液压系统充分吸收利用发动机的功率,减少能量损失。还可以通过对泵的吸收功率的调节,协调负载与发动机的动力输出,避免发动机熄火。在实际的工作中，操作人员需要根据作业面的具体情况选择发动机电费模式，所以这种方式在实行的过程中还需要一定的人工参与，如果操作不当，非常容易造成浪费的现象。采用动力适应控制以后挖掘机就能够开启自动控制的模式，在作业的过程中，该技术可以根据实际的需要为发动机的运行提供一定的动力，这样也有效的避免了资源和能源的浪费现象，该系统可以根据机械运行的实际需要来供给动力，在运行的过程中不需要过多人工的操作和参与，在经济性和高效性上都有着很好的表现。这一系统的运行思路是让机器对施工的具体情况进行有效的识别，同时根据其分析的具体状况制定适当的解决办法，发动机和该系统在运行的过程中会对运行的状态进行适当的调整，这样就能够保证其在运行的过程中处于良好的状态。在挖掘机智能控制技术中还需要一些节能和为操作提供方便的方法，采用这些方法能够更好的对系统进行维护和保养，能够更加有效的提升整个系统的性能和运行质量。智能压路机在使用智能控制技术的过程中需要根据设定的质量和目标对压实的效果进行有效的检测和控制，同时还要通过系统的自我调节来寻找最佳的解决方案。
2.控制方法
任何智能控制系统包含三个过程：
（1）采集信息；
（2）处理信息并做出决策和思考；
（3）决定执行。挖掘机是通过检测液压系统得运行参数来识别载荷大小的,如检测液压系统中泵的控制压力,泵的输油压力和各机构（行走,回转,动臂提升和斗杆收回）的工作压力等。有的还检测先导手柄的位移量和系统流量等。挖掘机控制器根据采集的信息,通过模糊控制理论推理出所需功率的大小和发动机的最佳转速。执行决定的过程是由控制器驱动发动机油门执行器,使发动机设定到理想的转速和输出功率。而压路机是通过连续检测振动轮的振动加速来识别地面压实质量的。振动轮内的旋转偏心快产生的振动,理论上是一条正弦曲线。当振动轮在地面上振动时,曲线总是被扰动的,在软地面上额度扰动小,在硬地面上的扰动大。通过对压路机振动轮的加速度进行快速傅立叶变换处理,能够计算出地面压实的数据。
二、结语
1数控技术的便利性
（1）数控技术的便利性是多方面的展现与传统制造业相比，数控技术的应用就很好地减少了机械制造中繁复的工艺流程，通过这种减少工艺流程的方法之后，那么数控技术的便利性就会完全展露无遗。
（2）数控技术在机械制造中的发展应用还能够改变机械制造中的加工工艺参数，改变了机械制造中的加工工艺参数之后，我们的机械制造将会更加的便利。
2数控技术的高效率
（1）数控技术在机械制造中的发展应用能够实现一次装夹工件完成多道工序的加工，从而能确保加工的精度和减少辅助的时间；
（2）数控技术在机械制造中的发展应用能够高质量的完成普通机床难以完成的复杂零件和零件曲面形状的加工；
（3）在我国机械制造产品的稳定性和可靠性存在一定的问题
再加上网络化程度也不够普及，只用于一些简单的程序数据传输，就串口通讯技术来说，网络数字化水平不高，集成化和远程故障的排除能力较弱。总而言之，数控技术在我国机械制造业的应用上还不是很成熟，需要投入更多的人力和财力，加强相关方面的技术人员的培训，不断地吸收新技术的同时，真正做到将技术成果实践于实际操作中。
二数控技术在机械制造中的实际应用探究
1数控技术在机床方面的实际应用
在机床的数字化作用下对于刀具以及机械的部件以及主轴的变速等等都是由数字来进行操作，只需要在对机械的一些零部件加工之前由编程人员把零部件的相关程序进行编程，而后再通过程序的载体，在这一过程中如果是想改变对机械的零部件加工只要在电脑系统的程序中进行修改，输入新的程序即可，这对于传统的人工调整有着很大的方便性，在效率上得到了提高。
2数控技术在汽车机械制造中的实际应用
在我国的经济得到稳步上升过程中人们的生活水平也随之得到了很大的提高，在对产品的消费方面需求愈来愈大，在这一市场激烈竞争的背景下数控技术就有着其重要的作用，数控技术在汽车机械制造中得以应用能够在质量上以及效率上都能够得到有效的提高，对于汽车的零部件的加工以及新产品的研制都有着很好的效率提升，从而也把汽车机械的零部件加工向着集成化以及规模化的方向得到了发展。
3数控技术在煤矿机械制造中的实际应用
（1）当前的煤矿产业的发展中对于采煤机械的要求也已经愈来愈高
在实际的采煤环境制约下采煤机的种类也比较的多，并且都不是大批的进行生产，这就给采煤机械的制造有了很大的困难，对于传统的机械制造的技术在采煤机的单件下料问题上得不到很好的解决，而数控技术的应用可以通过龙骨板程序进行下料，对于在套料的选用方案上起到了很好的优化作用，在效率提高的同时，在对机械的零部件生产过程中的精确度也有了很好的保障。
（2）在数控技术得到了一定程度的发展的同时
也应当清醒的看到一些不足之处，在长期的发展过程中，我国的数控机床还处在一个低档膨胀和中档发展迟缓以及高档进口的这样一个局面，在我国的一些重要的工程方面的应用上还是依靠于进口的设备和技术来完成，从整体的发展上来看，我国在数控技术上的水平以及精确度和质量、性能和其他国家相比还处于比较落后的阶段，在自主创新能力方面还不够，在自主产权的操作系统方面还比较的缺乏。
三结语
在18世纪出现了液压传动技术，随后得到快速的发展。在煤矿生产作业的过程中，涉及到的采煤机、掘进机、液压支架等都使用了相应的液压传动系统。由于组成液压系统的零件较多，装配要求严格，在使用或更换过程中难免出问题。对于液压传动设备而言，由于其抗污染能力比较低，进而使其变得脆弱。根据相关资料显示，由液压系统污染引发的故障在液压故障中占70%～80%。通过采取措施确保系统的清洁性，进一步保证液压系统正常性，以及运行的可靠性。对于煤矿机械设备液压系统来说，为了确保其清洁性，所以在日常维护、使用过程中，如何对液压系统进行正确的使用与维护成为一项重要工作。
2系统污染的危害与原因
污物侵入液压系统，首先可能影响液压油的油质，缩短系统服务年限，并且系统内部各零部件可能会加速磨损、烧伤，严重时会造成控制阀动作失灵。除此之外，液压件的节流孔、节流缝隙可能被侵入的污物堵塞，系统运行状态失稳，甚至部分元件动作失灵，进而引发事故等。在液压缸内部，灰（煤、岩）尘颗粒会加速损坏密封件，拉伤缸筒内表面，损坏密封件增大泄漏，进而在一定程度上出现推力不足、爬行、速度缓慢等，伴有振动或异常声响，并且液压马达扭矩不足、运行状态不稳定。若污物堵塞现象严重，造成较大的阻力，则滤网可能被击穿，无法持续过滤，并且形成恶性循环。系统被污染的原因需要从多个维度来分析。但从污染产生的机理来看，可将系统污染的原因归结为两点：一是污染物潜伏于制作、安装或维修阶段。二是系统运行时被污染。
3液压系统制作、安装、维修中的污染控制
液压系统在制作和安装时，若不注意保洁，就可能使系统内部混入灰尘、焊渣、锈片、毛刺、磨料、切屑、型砂、涂料等污染物。这些固体颗粒的混入会严重威胁系统的运行状态。因此，应该重点强化该阶段的运维工作，减少污染，保证液压系统经安装维修后能够安全、稳定地运行。
3.1液压零件加工的污染控制通常采用湿加工法加工液压零件。在加工过程中，要求每一道工序必须滴加清洗液或液，保证表面的清洁度达标。煤矿液压系统通常要加工接头、泵体、马达、阀组和缸体。
3.2液压元件、零件的清洗安装前对液压件进行维修。彻底清洗被污染的旧液压件后方可使用。清洗要求如下：①按照国家标准，在无尘室或净化室内拆装和清洗液压件。若条件不允许，则必须隔离操作室，装配液压件的工作室不要和机械加工车间、钳工车间共用，不宜选择露天操作或在简陋的棚子、仓库、杂物间等随意的场地内装配液压件。对液压件进行拆装时，为避免拆装液压件时，灰尘、毛发、纤维等固体物落入液压系统造成认为污染，要求必须使用不易掉落纤维的布料制作工装，不穿戴工作服的员工禁止进入操作室。另外，操作室禁止进食和吸烟。②在专用清洗台上拆洗液压件。如果是临时工作台，拆洗前必须将工作台清理干净。③选择与液压系统配套的液压油来拆洗液压件，也可以用汽油、煤油。④用干燥洁净的压缩空气将液压件吹干，切忌用皮老虎向零件鼓风，以免灰尘混入，造成二次污染。⑤不允许在钳工台、装配台、地板或地面上直接搁置拆洗后的液压件，应该找注入液压油的带盖子的容器放置。⑥拆洗后不用于装配的液压件必须搁置在防锈油中保存，以免零件锈蚀。
3.3液压件装配中的污染控制①通过“干装配”法装配零件。“干装配”就是液压件拆洗后，待其表面干燥后再装配，以免零件表面残留清洗液影响装配效果。②装配过程中切忌用铁器敲打零件。可借助铜棒、木锤或橡皮锤进行打击。③禁止带手套进行零件装配工作。手套等纤维制品容易对系统造成二次污染。④暂不组装的液压元件、组件应该用塑料塞塞住油口妥善存放。
3.4液压件运输中的污染控制运输中的液压元件、组件不宜沾水沾尘。液压件如需向井下运输，应提前打好塑料包装或用防雨纸包裹零件，以免运输过程中零件沾水或混入尘土。装箱前和开箱时，重点查看液压件的油口是否被塞子赛牢，及时对受污染的零件进行清污，如污染严重，应该进行二次拆洗。
3.5液压系统总装的污染控制①用压缩空气吹走软管内水分，安装软管。②安装接头体之前先清洗吹干。有的接头体要缠生料带密封。生料带必须沿着螺纹方向缠绕，且生料带要低于螺纹端部，以免拧紧时螺纹切断超出部分对系统造成二次污染。③液压管道安装的污染控制。液压系统中有一个现场作业项目———安装液压油管。在装配现场，液压油管的装配重点在于防尘、防泥水或砂土的污染。要看液压系统的保洁效果怎么样，首先要看液压管路污染控制效果如何。清理完油管头部盖帽后进行装配。装配期间，严禁破布、石块等污物污染管路。装配时，如果中途须停顿一段时间，必须将管口封堵严密。另外，应该用氩弧焊等气体保护焊接法施焊，以免系统内混入焊渣、氧化铁皮等杂物。
3.6油箱加油油箱注油前检查内部清洁度；加入油液前检验清洁度；注油时过滤，切忌直接注油。
4系统运行阶段污染物控制
4．1缸体防尘在液压系统中，液压缸体（千斤顶）是比较关键的元件。系统运行阶段，缸体防尘是必须考虑的一个问题。若现场条件允许，给活塞杆增设可防止杆体与渣石碰撞的防护装置，坏掉的防尘环及时换新，以免煤（岩）尘侵入缸体。
4．2更换元件按照液压系统保洁要求配备新元件。旧元件换新时，兼顾液压系统污染物控制要求，以免因新元件保洁度不达标影响防尘效果。
4．3换油液在使用阶段，若液压油损耗或达到换油期限，须按照保洁标准对液压油进行补充或换新，以确保油品运输及换新过程少污染。建议用原始洁净容器通过洁净手摇油泵抽入油箱进行更换，尽量避免中间环节的污染。另外，在换油过程中，应该彻底清理原油箱，以确保新换的油品清洁度达标。
4．4保证油液温度在液压系统运行时重点关注油液温度的控制。油液温度过高或过低都会影响系统运行状态。油液温度超温可能造成液压系统密封件加速老化甚至损坏，使得污染物侵入油箱，污染系统的运行环境。
4．5检查系统压力系统压力是液压系统运行阶段需要重点关注的另一个部分。系统运行时，若压力突然降低，应快速反应，查明缘由。系统压力下降多半由污染物侵入引起，出现此类状况后油液须立即换新，或者尽快清污，以免影响系统的稳定性。
5总结
机械臂系统是用于教学的新型设备。该设备是北航自动控制系在“211”教学试验建设项目和北京市高效教育改革试点项目中，为自动化专业教学试验提供典型的控制系统模型而自制的设备。机械臂系统是基于对桥式吊车系统的改造，添加了一个下摆，并在两个转轴关节上又加入了控制电机，形成了具有三个自由度结构的工业机械手臂系统。本次毕设正是期望完成对机械臂系统的控制设计仿真和联机调试实际系统，对机械臂的控制方案中的一个方向——BP控制的研究。
论文中将介绍机械臂系统的组成结构、工作原理、数学建模、控制方案和控制软件的设计。文中将详尽介绍基于拉各朗日方程的系统数学建模，面向状态空间的控制方案和面向解耦通道的控制方案，在经典PD控制的基础上加入了现代的神经元网络控制，并比较了它们之间的差异和结合以后所取得的改善。
论文中讨论的神经网络BP控制和PD控制在MATLAB里仿真获得了成功，并同时讨论了两种方法，都分别得到了结果。PD控制在实际系统上进行了调试。
关键词： 机械臂，神经网络，BP控制
目录
第一章 绪论
一 论文的背景与来源 (4)
二 毕设论文的组织结构和取得的结果 (5)
第二章 机械臂系统的介绍
一 系统结构和工作原理 (6)
二 机械臂控制方法概述 (9)
第三章 机械臂的数学模型
一 系统的动力学模型 (12)
二 系统控制要达到的目标 (20)
第四章 机械臂系统的仿真
一 控制系统的仿真概述 (21)
二 机械臂的PD控制 (23)
三 机械臂的BP控制 (33)
第五章 机械臂系统的控制实验
一 VC的介绍 (56)
二 控制软件的功能 (57)
三 控制软件的功能及特点 (59)
四 实验结果分析 (60)
结束语
参考书目
：18000多字
有中、英文摘要
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欠驱动机械系统按照其控制方程中有没有漂移项分为带漂移项的欠驱动机械系统和不带漂移项的欠驱动机械系统。欠驱动机械臂系统可根据是否受势能(如重力、弹力等)影响分为两类：受势能影响的欠驱动机械臂系统和不受势能影响的欠驱动机械臂系统。受势能影响的欠驱动机械臂系统包括Acrobot机器人、Pendubot机器人、倒立摆系统等。不受重力影响的欠驱动机械臂系统包括平面欠驱动机械臂系统，欠驱动H－Drive系统等。这些欠驱动机械臂系统的被动关节都是在水平面内运行，进而使重力对其运动过程影响最小。
欠驱动机械臂系统是一种高度非线性系统，并且在控制过程中不可避免的带有漂移项。与一阶非完整系统相比，对欠驱动机械臂控制的困难之一便是对控制方程中的漂移项进行控制。
目前有关此方面的研究文献已有一些，但有价值的一般性结果还很少见。此类系统的控制仍是一个尚未得到解决的问题，成为机器人研究领域的新热点。欠驱动机械系统涉及对象较多，范围很广，接下来就具有代表性的工作分国外和国内研究进行简单介绍。
2国外关于欠驱动机械系统的研究综述
近些年来，在欠驱动机器人的控制方面已取得一些进展。国外对这方面的研究比较多。
G-oriolo等推导了欠驱动机器系统的加速度约束条件在一定条件下能分别转变为二阶非完整约束、一阶非完整和完整约束条件，并研究了欠驱动系统的可控性，提出了将系统稳定于平衡流彤的方法DeLuca指出欠驱动系统一般具有以下三类控制问题：(1)路径规划一给定初始位姿和期望位姿，计算一条动态可行的路径；(2)路径跟踪一给定动态可行路径，计算反馈控制律使跟踪误差渐近趋于零；(3)设定点调节一给定期望位姿(平衡状态)，计算反馈控制规律使其渐近稳定。如果没有可行的路径，研究路径跟踪和设定点调节就失去意义。同时，虽然路径存在但不一定能够计算得到，但可以通过设定点调节控制得到一条渐近稳定的路径。
MW·SPong用驱动自由度和欠驱动自由度的相关动态方程进行部分反馈线性化，提出了基于被动和能量的控制方法以及混合开关控制方法，并研究了欠驱动系统的非完整性问题；M.Reyhanoglu研究了欠驱动机械系统的动态和控制问题，给出了一些判断欠驱动机械系统的可控性及可镇定的条件；A.DeLuca给出了欠驱动机械系统小时间局部可控的条件。
上面的相关研究都是欠驱动机械系统分析和控制的一般性方法，以理论分析为主，主要分析欠驱动机械系统的可控性和可镇定性，工具有几何控制理论、代数控制理论以及反馈控制理论等。具体控制方法都是针对某一种具体控制对象提出的。针对运动控制受重力影响的欠驱动机械臂系统有以下成果：
MW·SPong用部分反馈线性化方法和基于能量的模糊控制研究了Acrobot的摆起控制，用线性二次型调节器进行平衡控制；S·CBrown提出了分别用LQR、模糊和自适应模糊控制方法进行Acrohot的平衡控制，而且采用部分反馈线性化PD控制、经典的状态反馈控制以及基于部分反馈线性化的模糊控制进行摆起控制，并使用了遗传算法调节各个控制器的参数。M.J.zhang用部分反馈线性化方法进行Pendubot的摆起控制，用复合控制方法进行平衡控制，并给出了欠驱动机械系统为非完整系统的楔积判断方法；LFantoni针对Pendubot提出了基于能量的控制方法，并将其稳定于其不稳定平衡点。
下面针对运动控制不受重力影响的欠驱动机械臂系统来进行介绍：
对于两杆平面机器人，当只有第一个杆有驱动时，Su—zuki等通过主动关节的周期运动来控制被动关节渐近稳定到平衡点，并且利用平均法将系统模型简化，使用李亚普诺夫稳定性方法设计了非线性反馈控制器；DeLuca等基于幂零近似理论给出了该系统局部可达性和小范围局部可控性的证明并提出了一种重复开环控制方法，将系统稳定到了平衡位置。
对于第三个关节为被动关节，前两个关节为主动关节的水平三连杆欠驱动机械臂，Arai通过构造状态空间中的任意两点之间的运动轨迹证明了该类机械手的全局可控性，同时也提出了一个反馈控制方法以实现轨迹跟踪。Murry证明了该系统在平衡点处的小范围局部可控性。
对于具有一个欠驱动关节的机器人系统，Rathinam和Murray给出了系统为构形平滑的条件以及构造平坦输出的算法，Arai利用time－sealling方法给出了一种双向路径规划算法。针对手端驱动的多杆冗余机器人系统，DeLuca等人分析了系统的可控条件，并对PPR机器人系统给出了开环控制算法；Aneke在2003年的博士论文里面对欠驱动机械臂进行了详细的研究，并对实物成功的进行了控制。3国内关于欠驱动机械系统的研究综述
国内对欠驱动机械系统控制的研究还比较少，并且到目前为止还没有有关整类欠驱动系统理论研究和控制器设计方面的文献，都是针对某一具体控制对象提出的，如：赖旭芝针对体操机器人(ACrobot)和多自由度欠驱动手臂机器人提出了一种模糊与变结构控制相结合的方法，将控制分为摆起控制和平衡控制两个阶段；李德毅提出了云模型的概念并将之用于三级倒立摆的控制中，使三级倒立摆处于动态平衡模式状态；李洪兴哪]用变论域模糊控制方法将直线四级倒立摆的实物成功的进行了控制，还用同一方法对平面三级倒立摆成功的进行了实物控制；李祖枢对倒立摆的起摆作出了突破性的进展，并成功的实现了二级倒立摆的起摆；傅冬雪将基于能量的非线性控制应用到Pendubot机器人的摆起控制中，并用LQR进行平衡控制。北方工业大学的何广平教授对平面欠驱动机械臂的两连杆和三连杆欠驱动机械臂的可控性和轨迹跟踪镇定有比较全面的研究，并取得一些非常有价值的结论。
大部分实际的一阶无漂移非完整系统都可通过状态和输入反馈变换转换为一阶链式标准型，从而使得控制器的设计得到简化，但对二阶非完整系统，目前尚无公认的标准型。对于含有一个欠驱动关节的三杆机器人系统和手端驱动的PPR机器人系统，马保离等通过状态和输人变换将其转化为二阶链式形式，然而对于一般的欠驱动机器人系统目前还没有得到将其化为二阶链式标准型的条件和算法。
1 引言
机电控制技术是机械、电子、计算机和自动控制等技术的有机结合,机械电子工程专业主要培养德、智、体全面发展,并能从事机电一体化产品和系统的设计、制造、运行的工程技术人才。学生通过学习可获得工程师的初论文联盟步训练,适合到企事业单位从事技术及管理工作。培养目标上主要包括以下几个方面:(1)、系统地掌握机械制图、力学、机械制造工艺等机械工程方面的基础理论、基本知识;(2)、掌握电子技术、微机应用技术、检测与控制技术的基本理论和基本知识;(3)、具有一定的机电一体化产品和系统的设计、制造、使用和维护的综合能力;(4)、具有一定的计算机应用能力。
matlab是矩阵实验室(matrix laboratory)的简称,是美国mathworks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括matlab和simulink两大部分。matlab作为现代数学计算和计算机模拟仿真的应用软件,将高性能的数值计算可视化,提供了大量的内置函数．从而被广泛地应用于科学计算、控制系统、信息处理等领域,已经成为工科学生一门必备的数学工具。本文将机械工程控制的数学建模问题通过matlab来实现,将传统的问题通过现代化的工具实现,以显示matlab在机械控制工程中处理问题的快捷性与优越性。
2 机电控制课程特点
机械控制工程基础是一门多学科交叉的基础课程,机电控制工程基础的基本问题是:建立系统的数学模型;系统分析计算;综合校正确定控制规律。本课程的基本任务,是使学生获得机电控制系统的基本理论,掌握系统的基本分析方法和计算方法。为设计机电控制系统及后继课程的学习和进一步研究学习控制理论打下一定的基础。本课程中应用的数学较多,在控制理论书籍中使用了大量的数学,使得大多数机械类学生学习控制工程感到抽象和困难,对学习这些理论的目的性缺乏认识,影响了学习兴趣,学习效果欠佳。为帮助学生更好地理解基本概念,掌握基本理论和基本方法,将matlab先进控制软件工具以及教改和教学研究成果及学科最新发展引入教学,使学生加深对经典控制理论的理解。仿真实验内容丰富灵活,弥补了传统实验的不足。学生可不受实验室的限制,只要有计算机,何时何地就能进行。从应用情况看,基于matlab的自动控制原理仿真起到了很好的辅助教学的作用,能把抽象的理论知识与可视的图形结合起来,深化理论知识。
3 运用matlab实现系统分析范例
matlab作为一种高性数值能计算软件,其系统控制工具箱主要处理以传递函数为主要特征的经典控制和以状态空间为主要特征的现代控制中的问题。该工具箱对控制系统的建模、分析和设计提供了一个完整的解决方案,是matlab最有力和最基本的工具箱之一。其功能包括系统建模、系统分析、系统设计。在工程控制中有很重要的影响。而早期的控制系统分析过程复杂而耗时,如想得到一个系统的冲激响应曲线,首先需要编写一个求解微分方程的子程序,然后将已经获得的系统模型输入计算机,通过计算机的运算获得冲激响应的响应数据,然后再编写一个绘图程序,将数据绘制成可供工程分析的响应曲线。所以matlab控制系统工具箱和simulink辅助环境的出
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现,给控制系统分析带来了福音,只需要几个命令就可实现复杂的人工工作,如图1所示的伯德图与奈奎斯特图的绘制。 论文联盟
4 实践课程教学改革的实施
为了突出重点,突破难点,在课程教学中尽量运用matlab进行范例解析,形象地向学生展现机械控制工程中生硬晦涩的数学内容。为了让学生加强对教学重点的掌握和难点的理解,实现教学目标,由浅入深分阶段实施实践教学。
首先是范例分析阶段:由任课教师提供典型范例,进行深入细致的讲解,并针对不同知识点设计课程作业,深入浅出的帮助学生完成从理论到实践的过渡,使学生掌握最基本的专业技能和基本理论。
其次是模拟设计训练阶段:由教师提供综合范例,要求学生运用所学知识完成任务,其目的是提高学生的matlab应用能力,巩固掌握的机械控制工程知识和技能,增强创新的能力和意识。
本小节主要从机电一体化的相关基本概念、机电一体化技术的基本特征、机电一体化的最新发展趋势等三个方面对机电一体化技术做较为全面的介绍，接下来详细介绍。
1.1机电一体化的基本概念
机电一体化技术从大的领域来说属于机械领域，其定义版本较多，其中一种较为权威的定义表述如下：机电一体化一般是指在机械的设计与功能扩展中，应用机械特有的主要功能、信息处理、功能控制等，把机械系统的控制中心进行集成化，并且与安装在计算上的上位机软件实现双向通信，一般来说，机电一体化技术也是一门交叉学科技术，涉及到的主要技术有通信技术，机械技术，微电子技术，电力电子技术等，机电一体化技术的核心功能就是把以上技术结合起来，形成一个整体并内嵌入机械系统中。
1.2机电一体化技术的基本特征
机电一体化技术作为一门应用广泛的技术，有其自身的特点，通过实际调查总结和查阅相关资料，本文总结出了机电一体化技术的3个主要特点，接下来详细说明如下。（1）应用的广泛性：机电一体化技术由于涉及的技术较多，是一门涉及多学科的交叉技术，正是由于这一特点，使得机电一体化技术应用十分广泛，已经远远超出了机械工程的应用范畴，当然，本文的研究重点还是放在机电一体化技术在机械工程上的应用及发展趋势。（2）具有很强的逻辑性：由于机电一体化的核心任务就是把各种技术合理融合，应用到机械领域中，把系统的机械机构和上位机软件控制合为一体，也就是形成一个统一的整体，从这个层面来说，机电一体化技术具有很强的逻辑性，或者说拥有很强的系统性。（3）机电一体化具有很强的最优化建模理论：机电一体化技术经过多年的发展，已经形成完整的最优化理论体系，相关算法可以参阅相关文献，限于论文篇幅，在这里不再累述。
1.3机电一体化技术的最新发展趋势
经过多年的发展，机电一体化技术已经形成了自己的理论体系，随着我国高新技术不断发展，越来越多的新技术被应用到机电一体化技术上，机电一体化的最新的发展趋势是控制智能化、精确化、零延迟化、结合计算机处理技术和信号传输技术，机电一体化技术也朝着无线控制、高速控制、精确控制的方向发展。
2机电一体化技术在机械工程上的应用以及发展趋势分析
本小节在上文介绍机电一体化技术相关知识的基础上探讨机电一体化技术在机械工程领域的当前应用以及未来的发展趋势，结合实际，本文从机电一体化技术应用于机械工程领域的历程分析、机电一体化在现代机床控制上的应用、机电一体化技术在全自动包装机领域的应用等三方面简单论述机电一体化技术在机械工程上的应用以及发展趋势，下面详细讨论。
2.1机电一体化技术应用于机械工程领域的历程分析
在国外，机电一体化技术应用到机械工程领域较早，通过查阅资料得知，美国在上世纪90年代就把自动控制设备应用与机械制造领域，我国相对起步晚，但是起点较高，20世纪60年代，我国通过引进苏联控制设备，逐渐把机电一体化技术应用到机械领域，并在20世纪80年代，实现机电控制设备国产化，随着科技不断进步，以计算机处理技术和无线通信技术为代表的新技术不断应用与机电一体化技术，这使得机电一体化技术焕发出勃勃生机，应用领域进一步扩大。
2.2机电一体化在现代机床控制上的应用
机电一体化在机械工程领域很重要的一个应用领域就是应用在现代机床控制上，现代机床控制要求精度高、速度快、智能化高，这就要求现代机床的控制系统具有很强的抗干扰性，机电一体化技术由于采用计算机处理技术，处理速度快，精度高、内置多块DSP芯片，抗干扰能力强。
2.3机电一体化技术在全自动包装机领域的应用
机电一体化技术除了应用与纯机械工程领域，还大量应用于相关机械与电子相结合的控制领域，通过实际调查得知，我国全自动包装机已经全部采用机电一体化技术，由于包装机械不但设计机械工程知识，还涉及机电控制技术，微机处理技术等，所以一般的控制系统很难胜任，机电一体化技术由于是一门交叉学科，所以具有很强的灵活性，所以机电一体化技术较好的解决了这个问题，机电一体化把软件控制和机械控制结合起来，融为一体，通过上位机软件来控制包装机的运行状态。
3机电一体化技术在机械领域的发展前景
通过对机电一体化当前发展趋势的调查研究，本文认为，机电一体化技术在机械领域的发展前景包括以下几点：（1）专用化趋势不断加强：随着机电一体化应用到机械领域的不断深化，机电一体化技术表现出明显的专用化趋势。（2）智能化不断加强：近年来，随着人工智能等新技术不断应用到机电一体化领域，机电一体化技术也呈现了智能化趋势。（3）能耗低：节约资源，保护环境成为全社会的共识，在这种背景下，机电一体化技术积极加强自身改革，不断研发新技术，把能耗进一步降低。
4结论
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