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案例頻道0 引言
制造業是一種將物流、能量、資金、人力、信息、等資源按照社會需求轉變為有形的物質產品和無形的軟件、服務等具有更高應用價值的產品的行為和過程。制造的內涵有廣義和狹義之分：狹義的制造是指生產環境內與物流有關的加工和裝配過程；而廣義的制造則包括市場分析、產品設計、工藝分析、生產準備、加工裝配、質量保證、生產管理、市場營銷、售前和售后服務，以及產品報廢后的回收處理等整個產品生產周期內的一系列相互聯系的生產活動。由下圖1可看出：隨著社會的進步和制造活動的發展，制造的概念在不斷的發展進化。縱觀300多年世界經濟社會的發展史，不難看出持續不斷的科學進步和技術革命，是人類文明進步的原動力。
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現代制造系統是現代制造的載體，在現實生活中，一個典型的制造類現代企業（集體）就是一個完整意義上的現代制造系統。圖2是一個網絡化全球制造系統的模型，它是一種動態聯盟和虛擬企業的結構模式，其內涵表明現代制造系統是一個全球化、網絡化、可動態重構的虛擬系統，與傳統的制造系統的概念有著重大的區別。
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圖3 ISO制造系統通用行為模式 |
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隨著制造業的不斷發展和科學技術的不斷進步，制造業必將走向更高層次――機電一體化。以機械工程學和電子工程學為支柱，綜合控制工程學、信息工程學、材料學、光學等形成的多學科綜合技術，就是機電一體化技術。簡單的說，機電一體化就是機械的電子化或者機械電子工程。但機電一體化的概念內涵隨著人類社會的發展也在發展。當初的機電一體化是指機械與電子的結合，機電一體化產品也比較簡單。但隨著微電子技術、信息技術、自動化技術、新材料技術、生物技術等向經濟、軍事和社會生活的各個領域滲透，引起了傳統產業的深刻變革。機電一體化也在這場新技術革命中產生了新的變化，此時的機電一體化已不只是機械裝置與電子裝置的簡單組合，而是機械技術、電子技術、信息技術、自動控制技術、傳感測試技術及軟件編程技術等多種技術的相互交叉與融合，代表著機械工業技術革命的前沿方向，對國民經濟產生的影響更是巨大和深遠的。因此，只有從機電一體化的發展中去認識機電一體化的動向及其作用，認清我國機電一體化的現狀，制定出確實可行的發展途徑，才能使我國的機電一體化技術趕上或超過世界先進水平。
如圖4。機電一體化打破了傳統的機械工程、電子工程、化學工程、建筑工程、信息工程、控制工程等舊模塊的劃分，形成了融機械技術、微電子技術、信息技術等多種技術為一體的一門新興的交叉學科。近年來，利用機電一體化概念得到的產品和機械電子裝置隨處可見。
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圖4 構成機電一體化的學科 |
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（1） 原來僅有機械機構實現運動的裝置，通過與電子技術相結合來實現同樣運動的新裝置，如石英鐘表、自動（微機控制）照相機、電子縫紉機、電動（電子式）游戲機、電子式調速器等。當機械縫紉機通過與電子技術相結合，就變成電子縫紉機。它裝有大規模集成電路的半導體存儲器、控制器以及直流轉換的衛星控制系統，能自動操縱幾十種裝飾性花樣。
（2） 原來由人來判斷和操作的設備，變為由機器進行判斷實現無人操作的設備，如自動售貨機、自動出納機（ATM）、自動售票機、自動剪票機、自動分檢機、無人倉庫以及船舶和飛機的自動導航裝置、預防碰撞裝置等。
（3） 按照人類所編制的程序實現靈活運動的設備，如數控（NC）機床、工業機器人、智能機器人等。
機電一體化的目的是使系統（產品）多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使產品結構向輕、薄、短、小巧化方向發展，不斷滿足人們生活的多樣化需求和生產的省力化、自動化需求。因此，機電一體化的研究方法應該改變過去那種拼拼湊湊的“混合”設計法，應該從系統的角度出發，采用現代設計分析方法，充分發揮邊緣學科技術的優勢。
2 我國制造業發展現狀
處于工業中心地位的制造業, 是國民經濟持續發展的基礎, 是我國現代化建設的發動機和動力源。沒有先進的制造業不斷地、持續地武裝、改造和提升各產業部門的裝備和生產運行水平,實現對環境的可持續發展, 就不能實現我國的現代化建設。我國仍處在工業化時期, 目前面臨的是要完成國家工業化這個非常艱巨的任務。工業化的發展是一個相當長的階段, 它有初期、中期、后期。現在我們的發展處于工業化中期, 世界各國發展的歷史證明, 這個時期主要是發展重化工業。在以發展重化工業為主的階段, 制造業起到非常關鍵的作用。重化工業的發展需要大量的裝備, 比如冶金需要各種鑄造、軋制設備；化工需要大量的流程裝置；汽車需要大量生產設備。如何為重化工業提供裝備, 是制造業面臨的一個非常重要的任務。
現代工業的迅猛發展，對材料加工工程的技術要求、質量要求和精度要求越來越高，材料加工的產品數量越來越大。隨著產品生產率的提高和生產批量的不斷加大，人們的勞動強度也在不斷的增強。這就要求盡量采用各種各樣的機械化設備來使生產過程機械化、自動化。而材料加工設備，尤其是鍛壓和焊接切割設備的運動控制系統正是適應了這種要求。因此這種運動控制系統的運動可靠性、魯棒性、動態響應及運動控制的精度，直接關系到材料加工產品的生產數量、質量和生產者的勞動強度。
3 傳統自動控制技術與現代自動控制技術的比較
傳統自動控制技術即“古典控制理論”是以傳遞函數為基礎，主要研究單輸入控制系統的分析和設計問題，一般只考慮電信號的傳遞、接收和反饋，往往不考慮機械系統質量、慣性的影響和機械系統的動態響應。但現代設備變得越來越復雜，如材料加工設備中的機械手、焊接機器人等，由于運動部件質量大、慣性大動態響應慢，因而運動控制困難，運動控制精度難以保證。因此，結合機械系統運動學理論和自動控制理論，對材料加工設備進行運動控制精度研究，對于提高設備運行精度、生產率和產品質量都具有重要的意義。
由于數字計算機的出現，復雜系統的時域分析成為了可能，因此現代控制理論應運而生。它是計算機技術、傳感技術、電力電子技術和機械工程技術等的集成綜合應用技術，用于機械傳動的自動化和智能化的創建，對機械傳動等進行運動位置、運動軌跡和各種運動參數進行實時的控制和管理。它也是以狀態空間法為基礎，研究多輸入、多輸出、變參數、變結構、非線性、高精度、高效能等控制系統的分析和設計問題，主要在時間域內進行，從而適應了現代加工設備日益增長的復雜性，同時滿足了軍事、空間技術和工業應用領域對精確性、重量、成本等方面的嚴格要求。現代控制理論與傳統控制理論相比具有以下優點：（1）采用了新技術，功能更加強大，可以實現多種運動軌跡的控制，是傳統數控裝置的替代產品；（2）結構型式模塊化，用它可以方便的互相結合，建立適合于不同場合及不同功能需求的控制系統；（3）操作簡便，在PC(program control)機上經簡單編程就可以實現運動控制，而不一定需要專門的數控軟件。
現代制造業中的機械設備只有結合現代控制理論，才能提高產品生產率，才能更加促進制造業的發展。“機械自動控制”是研究“控制理論”在機械工程中具體應用的專業基礎，其理論性和實踐性都較強。為了使學習者和研究者在打基礎的過程中收到事半功倍的效果，作者開發了仿真實驗系統.建立系統通常有兩種途徑：一種是硬件，以信號發生器、示波器、機械 (或電子) 式控制機構等組成，即根據相似原理組成的物理仿真；另一種是軟件，即編程組成的實驗系統，即計算機仿真。計算機仿真是以數學模型為基礎，以計算機為工具對系統進行實驗研究的一種方法。隨著計算機硬件、軟件技術的飛速發展，計算機仿真實驗的方便、價廉、靈活而可靠的優點日益顯現。
4 控制系統仿真軟件MATLAB(SIMULINK)的簡介
隨著科學技術的發展,對控制系統控制的效果要求越來越高,控制算法越來越復雜,控制器設計亦非常困難,傳統的設計方法已很難勝任。隨著計算機技術的飛速發展,控制系統的計算機輔助設計(簡稱CACSD) 很好地解決了這一難題。在計算機上建立一個模擬工程環境,對實際復雜系統進行仿真分析研究,可迅速獲得某種意義下的“最優”控制效果的實施方案，從而提高進一步設計實際電路的成功率和優秀率。一般而言,對控制系統進行計算機仿真,首先應建立系統模型,然后依據模型編制仿真程序,充分利用計算機作為工具對其進行數值求解,并將結果加以顯示。通常在仿真過程中,十分耗費時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大的仿真語言,如SABER、MATLAB(SIMULINK) 等,這些語言的出現為系統仿真提供了強有力的支持,極大地簡化了系統仿真過程。目前,我國控制領域中應用最為普遍的仿真語言是MATLAB 語言,它集可靠的數值運算、圖像與圖形顯示及處理、高水平的圖形界面設計風格等于一身。單獨采用MATLAB 語言就可以實現C 或FORTRAN 等編程語言能做的大部分工作,并且實現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語言環境下實現動態系統建模、仿真的一個集成環境, 它的存在使MATLAB 的功能得到進一步擴展。SIMULINK 中存儲了大量系統模型, 用戶只要在模型庫窗口上調出各個系統環節,并用連線連接起來, 便可利用SIMULINK提供的功能對系統進行仿真和分析。這種方框圖式的建模方法很容易將一個復雜系統的數學模型輸入到計算機中, 大大簡化了編程過程。在對實際控制系統進行仿真研究時,首先要解決控制系統模型的輸入問題,然后才能對其進行進一步地分析與仿真。MATLAB 語言提供的仿真工具SIMULINK 的強大功能使得這一問題實現起來相當容易且直 觀,SIMULINK完全采用框圖的“抓取”功能來構造動態系統,系統的創建過程就是繪制方框圖的過程。在SIMULINK環境中方框圖的繪制完全依賴于鼠標操作,尤其是當系統采用常規控制規律時,更顯得簡單方便。然而若系統采用不能直接用傳遞函數加以描述的控制規律時,簡單地應用SIMULINK便無法進行仿真,此時若引入S 函數來描述復雜控制規律的動態特性,再經過通用S 函數模塊(S - function block) 處理,用戶就能獲得一個自創建的SIMULINK模塊,仿真結果證明,利用這種新模塊仿真,不會降低效率。用S 函數模塊將M 文件(描述復雜控制規律的S 函數) 置于SIMULINK中,雖是解決復雜系統仿真建模問題的一種有效手段,但因其在進行仿真運算時,須先在MATLAB 工作間中定義相關變量值, 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 函數封裝起來,創建一個真正的SIMULINK模塊,像其它標準模塊一樣,這個封裝后的模塊具有獨特的圖標和方便易用的對話框。這樣任何動態系統的構造都可通過輸入系統框圖來實現,SIMUL IN K簡單直觀的可視化建模優勢在控制系統仿真中能得以充分發揮。
5 結論
制造業是我國實現現代化的原動力，是國家實力的支柱，是支撐共和國大廈的基石。現代加工制造已進入了機械、電子、計算機、光等技術被整合為一體的“光、機、電、算”一體化階段。加工制造技術與控制理論的結合，促進了這個一體化的進程，推動了自動化的發展，引起了加工制造觀念的更新、加工制造模式的轉變，智能化前景已現端倪。
參考文獻
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8）張洪，“機械自動控制仿真實驗系統的開發”，江南大學學報，2002.6
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