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制造業(yè)是一種將物流、能量、資金、人力、信息、等資源按照社會需求轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蔚奈镔|(zhì)產(chǎn)品和無形的軟件、服務(wù)等具有更高應(yīng)用價(jià)值的產(chǎn)品的行為和過程。制造的內(nèi)涵有廣義和狹義之分：狹義的制造是指生產(chǎn)環(huán)境內(nèi)與物流有關(guān)的加工和裝配過程；而廣義的制造則包括市場分析、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝分析、生產(chǎn)準(zhǔn)備、加工裝配、質(zhì)量保證、生產(chǎn)管理、市場營銷、售前和售后服務(wù)，以及產(chǎn)品報(bào)廢后的回收處理等整個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)周期內(nèi)的一系列相互聯(lián)系的生產(chǎn)活動(dòng)。由下圖1可看出：隨著社會的進(jìn)步和制造活動(dòng)的發(fā)展，制造的概念在不斷的發(fā)展進(jìn)化。縱觀300多年世界經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展史，不難看出持續(xù)不斷的科學(xué)進(jìn)步和技術(shù)革命，是人類文明進(jìn)步的原動(dòng)力。
制造產(chǎn)業(yè)是人類社會賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ)，是社會物質(zhì)財(cái)富的主要來源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，美國68%的財(cái)富來源與制造業(yè)；日本國民總產(chǎn)值中49%（1990年）是由制造業(yè)提供的。英國再20世紀(jì)70年代制造業(yè)對于國民生產(chǎn)總值的貢獻(xiàn)約為35%，與20世紀(jì)90年代下降至25%左右，而計(jì)劃在2010年回升至30%。我國制造業(yè)在國民總產(chǎn)值中所占的比例接近40%，并正在以強(qiáng)勁勢頭增長，目前《財(cái)富》500強(qiáng)企業(yè)中已有近400家在我國投資2000多個(gè)項(xiàng)目。世界上最主要的電腦、電子產(chǎn)品、電信設(shè)備、石油化工等制造商已將其生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至我國。制造業(yè)的水平反映了一個(gè)國家獲地區(qū)的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技水平、人民的生活質(zhì)量及國防能力。
現(xiàn)代制造系統(tǒng)是現(xiàn)代制造的載體，在現(xiàn)實(shí)生活中，一個(gè)典型的制造類現(xiàn)代企業(yè)（集體）就是一個(gè)完整意義上的現(xiàn)代制造系統(tǒng)。圖2是一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化全球制造系統(tǒng)的模型，它是一種動(dòng)態(tài)聯(lián)盟和虛擬企業(yè)的結(jié)構(gòu)模式，其內(nèi)涵表明現(xiàn)代制造系統(tǒng)是一個(gè)全球化、網(wǎng)絡(luò)化、可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的虛擬系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)的概念有著重大的區(qū)別。
系統(tǒng)觀念是人類歷史上最古老的概念，其內(nèi)涵與外延因研究領(lǐng)域而異各不相同。《辭海》中將系統(tǒng)定義為“自成體系的組織；相同或相類似的事物按一定的秩序和內(nèi)部聯(lián)系組合而成的整體。”制造系統(tǒng)是制造業(yè)的基本組成實(shí)體。物質(zhì)（料）、能源、信息和決策構(gòu)成了制造系統(tǒng)的四大要素。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO：International Organization for Standardization）給出的ISO制造系統(tǒng)通用行為模式如圖3所示。從圖3中可以看出，制造系統(tǒng)具有顯著的動(dòng)態(tài)特性，它始終處于產(chǎn)生要素，如原材料、能量、信息、等的不斷輸入和有形財(cái)富即產(chǎn)品的不斷輸出這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)過程中。
1 機(jī)電一體化的概念、產(chǎn)品、目的
隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，制造業(yè)必將走向更高層次――機(jī)電一體化。以機(jī)械工程學(xué)和電子工程學(xué)為支柱，綜合控制工程學(xué)、信息工程學(xué)、材料學(xué)、光學(xué)等形成的多學(xué)科綜合技術(shù)，就是機(jī)電一體化技術(shù)。簡單的說，機(jī)電一體化就是機(jī)械的電子化或者機(jī)械電子工程。但機(jī)電一體化的概念內(nèi)涵隨著人類社會的發(fā)展也在發(fā)展。當(dāng)初的機(jī)電一體化是指機(jī)械與電子的結(jié)合，機(jī)電一體化產(chǎn)品也比較簡單。但隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)等向經(jīng)濟(jì)、軍事和社會生活的各個(gè)領(lǐng)域滲透，引起了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深刻變革。機(jī)電一體化也在這場新技術(shù)革命中產(chǎn)生了新的變化，此時(shí)的機(jī)電一體化已不只是機(jī)械裝置與電子裝置的簡單組合，而是機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感測試技術(shù)及軟件編程技術(shù)等多種技術(shù)的相互交叉與融合，代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，對國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響更是巨大和深遠(yuǎn)的。因此，只有從機(jī)電一體化的發(fā)展中去認(rèn)識機(jī)電一體化的動(dòng)向及其作用，認(rèn)清我國機(jī)電一體化的現(xiàn)狀，制定出確實(shí)可行的發(fā)展途徑，才能使我國的機(jī)電一體化技術(shù)趕上或超過世界先進(jìn)水平。
如圖4。機(jī)電一體化打破了傳統(tǒng)的機(jī)械工程、電子工程、化學(xué)工程、建筑工程、信息工程、控制工程等舊模塊的劃分，形成了融機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)為一體的一門新興的交叉學(xué)科。近年來，利用機(jī)電一體化概念得到的產(chǎn)品和機(jī)械電子裝置隨處可見。
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（2） 原來由人來判斷和操作的設(shè)備，變?yōu)橛蓹C(jī)器進(jìn)行判斷實(shí)現(xiàn)無人操作的設(shè)備，如自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)出納機(jī)（ATM）、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)剪票機(jī)、自動(dòng)分檢機(jī)、無人倉庫以及船舶和飛機(jī)的自動(dòng)導(dǎo)航裝置、預(yù)防碰撞裝置等。
（3） 按照人類所編制的程序?qū)崿F(xiàn)靈活運(yùn)動(dòng)的設(shè)備，如數(shù)控（NC）機(jī)床、工業(yè)機(jī)器人、智能機(jī)器人等。
機(jī)電一體化的目的是使系統(tǒng)（產(chǎn)品）多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)向輕、薄、短、小巧化方向發(fā)展，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產(chǎn)的省力化、自動(dòng)化需求。因此，機(jī)電一體化的研究方法應(yīng)該改變過去那種拼拼湊湊的“混合”設(shè)計(jì)法，應(yīng)該從系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析方法，充分發(fā)揮邊緣學(xué)科技術(shù)的優(yōu)勢。
2 我國制造業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
處于工業(yè)中心地位的制造業(yè), 是國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 是我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力源。沒有先進(jìn)的制造業(yè)不斷地、持續(xù)地武裝、改造和提升各產(chǎn)業(yè)部門的裝備和生產(chǎn)運(yùn)行水平,實(shí)現(xiàn)對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 就不能實(shí)現(xiàn)我國的現(xiàn)代化建設(shè)。我國仍處在工業(yè)化時(shí)期, 目前面臨的是要完成國家工業(yè)化這個(gè)非常艱巨的任務(wù)。工業(yè)化的發(fā)展是一個(gè)相當(dāng)長的階段, 它有初期、中期、后期?，F(xiàn)在我們的發(fā)展處于工業(yè)化中期, 世界各國發(fā)展的歷史證明, 這個(gè)時(shí)期主要是發(fā)展重化工業(yè)。在以發(fā)展重化工業(yè)為主的階段, 制造業(yè)起到非常關(guān)鍵的作用。重化工業(yè)的發(fā)展需要大量的裝備, 比如冶金需要各種鑄造、軋制設(shè)備；化工需要大量的流程裝置；汽車需要大量生產(chǎn)設(shè)備。如何為重化工業(yè)提供裝備, 是制造業(yè)面臨的一個(gè)非常重要的任務(wù)。
現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展，對材料加工工程的技術(shù)要求、質(zhì)量要求和精度要求越來越高，材料加工的產(chǎn)品數(shù)量越來越大。隨著產(chǎn)品生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)批量的不斷加大，人們的勞動(dòng)強(qiáng)度也在不斷的增強(qiáng)。這就要求盡量采用各種各樣的機(jī)械化設(shè)備來使生產(chǎn)過程機(jī)械化、自動(dòng)化。而材料加工設(shè)備，尤其是鍛壓和焊接切割設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)正是適應(yīng)了這種要求。因此這種運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)可靠性、魯棒性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)及運(yùn)動(dòng)控制的精度，直接關(guān)系到材料加工產(chǎn)品的生產(chǎn)數(shù)量、質(zhì)量和生產(chǎn)者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
3 傳統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)與現(xiàn)代自動(dòng)控制技術(shù)的比較
傳統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)即“古典控制理論”是以傳遞函數(shù)為基礎(chǔ)，主要研究單輸入控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題，一般只考慮電信號的傳遞、接收和反饋，往往不考慮機(jī)械系統(tǒng)質(zhì)量、慣性的影響和機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。但現(xiàn)代設(shè)備變得越來越復(fù)雜，如材料加工設(shè)備中的機(jī)械手、焊接機(jī)器人等，由于運(yùn)動(dòng)部件質(zhì)量大、慣性大動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，因而運(yùn)動(dòng)控制困難，運(yùn)動(dòng)控制精度難以保證。因此，結(jié)合機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)理論和自動(dòng)控制理論，對材料加工設(shè)備進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制精度研究，對于提高設(shè)備運(yùn)行精度、生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要的意義。
由于數(shù)字計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，復(fù)雜系統(tǒng)的時(shí)域分析成為了可能，因此現(xiàn)代控制理論應(yīng)運(yùn)而生。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)和機(jī)械工程技術(shù)等的集成綜合應(yīng)用技術(shù)，用于機(jī)械傳動(dòng)的自動(dòng)化和智能化的創(chuàng)建，對機(jī)械傳動(dòng)等進(jìn)行運(yùn)動(dòng)位置、運(yùn)動(dòng)軌跡和各種運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的控制和管理。它也是以狀態(tài)空間法為基礎(chǔ)，研究多輸入、多輸出、變參數(shù)、變結(jié)構(gòu)、非線性、高精度、高效能等控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)問題，主要在時(shí)間域內(nèi)進(jìn)行，從而適應(yīng)了現(xiàn)代加工設(shè)備日益增長的復(fù)雜性，同時(shí)滿足了軍事、空間技術(shù)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)_性、重量、成本等方面的嚴(yán)格要求。現(xiàn)代控制理論與傳統(tǒng)控制理論相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）采用了新技術(shù)，功能更加強(qiáng)大，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)軌跡的控制，是傳統(tǒng)數(shù)控裝置的替代產(chǎn)品；（2）結(jié)構(gòu)型式模塊化，用它可以方便的互相結(jié)合，建立適合于不同場合及不同功能需求的控制系統(tǒng)；（3）操作簡便，在PC(program control)機(jī)上經(jīng)簡單編程就可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制，而不一定需要專門的數(shù)控軟件。
現(xiàn)代制造業(yè)中的機(jī)械設(shè)備只有結(jié)合現(xiàn)代控制理論，才能提高產(chǎn)品生產(chǎn)率，才能更加促進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展。“機(jī)械自動(dòng)控制”是研究“控制理論”在機(jī)械工程中具體應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)，其理論性和實(shí)踐性都較強(qiáng)。為了使學(xué)習(xí)者和研究者在打基礎(chǔ)的過程中收到事半功倍的效果，作者開發(fā)了仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng).建立系統(tǒng)通常有兩種途徑：一種是硬件，以信號發(fā)生器、示波器、機(jī)械 (或電子) 式控制機(jī)構(gòu)等組成，即根據(jù)相似原理組成的物理仿真；另一種是軟件，即編程組成的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，即計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)為工具對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的一種方法。隨著計(jì)算機(jī)硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)的方便、價(jià)廉、靈活而可靠的優(yōu)點(diǎn)日益顯現(xiàn)。
4 控制系統(tǒng)仿真軟件MATLAB(SIMULINK)的簡介
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對控制系統(tǒng)控制的效果要求越來越高,控制算法越來越復(fù)雜,控制器設(shè)計(jì)亦非常困難,傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法已很難勝任。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(簡稱CACSD) 很好地解決了這一難題。在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)模擬工程環(huán)境,對實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析研究,可迅速獲得某種意義下的“最優(yōu)”控制效果的實(shí)施方案，從而提高進(jìn)一步設(shè)計(jì)實(shí)際電路的成功率和優(yōu)秀率。一般而言,對控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真,首先應(yīng)建立系統(tǒng)模型,然后依據(jù)模型編制仿真程序,充分利用計(jì)算機(jī)作為工具對其進(jìn)行數(shù)值求解,并將結(jié)果加以顯示。通常在仿真過程中,十分耗費(fèi)時(shí)間與精力的是編制與修正仿真程序。近年來國際控制界推出了一些功能強(qiáng)大的仿真語言,如SABER、MATLAB(SIMULINK) 等,這些語言的出現(xiàn)為系統(tǒng)仿真提供了強(qiáng)有力的支持,極大地簡化了系統(tǒng)仿真過程。目前,我國控制領(lǐng)域中應(yīng)用最為普遍的仿真語言是MATLAB 語言,它集可靠的數(shù)值運(yùn)算、圖像與圖形顯示及處理、高水平的圖形界面設(shè)計(jì)風(fēng)格等于一身。單獨(dú)采用MATLAB 語言就可以實(shí)現(xiàn)C 或FORTRAN 等編程語言能做的大部分工作,并且實(shí)現(xiàn)起來要比這些語言簡捷方便得多。
建模仿真可視化功能SIMULINK是MATLAB 五大通用功能之一, 它是基于MATLAB語言環(huán)境下實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個(gè)集成環(huán)境, 它的存在使MATLAB 的功能得到進(jìn)一步擴(kuò)展。SIMULINK 中存儲了大量系統(tǒng)模型, 用戶只要在模型庫窗口上調(diào)出各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié),并用連線連接起來, 便可利用SIMULINK提供的功能對系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。這種方框圖式的建模方法很容易將一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型輸入到計(jì)算機(jī)中, 大大簡化了編程過程。在對實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究時(shí),首先要解決控制系統(tǒng)模型的輸入問題,然后才能對其進(jìn)行進(jìn)一步地分析與仿真。MATLAB 語言提供的仿真工具SIMULINK 的強(qiáng)大功能使得這一問題實(shí)現(xiàn)起來相當(dāng)容易且直 觀,SIMULINK完全采用框圖的“抓取”功能來構(gòu)造動(dòng)態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)的創(chuàng)建過程就是繪制方框圖的過程。在SIMULINK環(huán)境中方框圖的繪制完全依賴于鼠標(biāo)操作,尤其是當(dāng)系統(tǒng)采用常規(guī)控制規(guī)律時(shí),更顯得簡單方便。然而若系統(tǒng)采用不能直接用傳遞函數(shù)加以描述的控制規(guī)律時(shí),簡單地應(yīng)用SIMULINK便無法進(jìn)行仿真,此時(shí)若引入S 函數(shù)來描述復(fù)雜控制規(guī)律的動(dòng)態(tài)特性,再經(jīng)過通用S 函數(shù)模塊(S - function block) 處理,用戶就能獲得一個(gè)自創(chuàng)建的SIMULINK模塊,仿真結(jié)果證明,利用這種新模塊仿真,不會降低效率。用S 函數(shù)模塊將M 文件(描述復(fù)雜控制規(guī)律的S 函數(shù)) 置于SIMULINK中,雖是解決復(fù)雜系統(tǒng)仿真建模問題的一種有效手段,但因其在進(jìn)行仿真運(yùn)算時(shí),須先在MATLAB 工作間中定義相關(guān)變量值, 這顯然是不方便的。SIMULINK提供的封裝(masking) 功能,允許用戶將M 文件編寫的S 函數(shù)封裝起來,創(chuàng)建一個(gè)真正的SIMULINK模塊,像其它標(biāo)準(zhǔn)模塊一樣,這個(gè)封裝后的模塊具有獨(dú)特的圖標(biāo)和方便易用的對話框。這樣任何動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造都可通過輸入系統(tǒng)框圖來實(shí)現(xiàn),SIMUL IN K簡單直觀的可視化建模優(yōu)勢在控制系統(tǒng)仿真中能得以充分發(fā)揮。
5 結(jié)論
制造業(yè)是我國實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的原動(dòng)力，是國家實(shí)力的支柱，是支撐共和國大廈的基石?，F(xiàn)代加工制造已進(jìn)入了機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、光等技術(shù)被整合為一體的“光、機(jī)、電、算”一體化階段。加工制造技術(shù)與控制理論的結(jié)合，促進(jìn)了這個(gè)一體化的進(jìn)程，推動(dòng)了自動(dòng)化的發(fā)展，引起了加工制造觀念的更新、加工制造模式的轉(zhuǎn)變，智能化前景已現(xiàn)端倪。
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