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1 機電一體化的概念、產(chǎn)品、目的

    隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，制造業(yè)必將走向更高層次――機電一體化。以機械工程學(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)，就是機電一體化技術(shù)。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(nèi)涵隨著人類社會的發(fā)展也在發(fā)展。當初的機電一體化是指機械與電子的結(jié)合，機電一體化產(chǎn)品也比較簡單。但隨著微電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動化技術(shù)、新材料技術(shù)、生物技術(shù)等向經(jīng)濟、軍事和社會生活的各個領(lǐng)域滲透，引起了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深刻變革。機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(shù)、電子技術(shù)、信息技術(shù)、自動控制技術(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，代表著機械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，對國民經(jīng)濟產(chǎn)生的影響更是巨大和深遠的。因此，只有從機電一體化的發(fā)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(xiàn)狀，制定出確實可行的發(fā)展途徑，才能使我國的機電一體化技術(shù)趕上或超過世界先進水平。

如圖4。機電一體化打破了傳統(tǒng)的機械工程、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，利用機電一體化概念得到的產(chǎn)品和機械電子裝置隨處可見。

（1） 原來僅有機械機構(gòu)實現(xiàn)運動的裝置，通過與電子技術(shù)相結(jié)合來實現(xiàn)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(diào)速器等。當機械縫紉機通過與電子技術(shù)相結(jié)合，就變成電子縫紉機。它裝有大規(guī)模集成電路的半導(dǎo)體存儲器、控制器以及直流轉(zhuǎn)換的衛(wèi)星控制系統(tǒng)，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(shè)備，變?yōu)橛蓹C器進行判斷實現(xiàn)無人操作的設(shè)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(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)靈活運動的設(shè)備，如數(shù)控（NC）機床、工業(yè)機器人、智能機器人等。

機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、自動化需求。因此，機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)計法，應(yīng)該從系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代設(shè)計分析方法，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)濟持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ), 是我國現(xiàn)代化建設(shè)的發(fā)動機和動力源。沒有先進的制造業(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)運行水平,實現(xiàn)對環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展, 就不能實現(xiàn)我國的現(xiàn)代化建設(shè)。我國仍處在工業(yè)化時期, 目前面臨的是要完成國家工業(yè)化這個非常艱巨的任務(wù)。工業(yè)化的發(fā)展是一個相當長的階段, 它有初期、中期、后期。現(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, 這個時期主要是發(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(shè)備來使生產(chǎn)過程機械化、自動化。而材料加工設(shè)備，尤其是鍛壓和焊接切割設(shè)備的運動控制系統(tǒng)正是適應(yīng)了這種要求。因此這種運動控制系統(tǒng)的運動可靠性、魯棒性、動態(tài)響應(yīng)及運動控制的精度，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)者的勞動強度。

3 傳統(tǒng)自動控制技術(shù)與現(xiàn)代自動控制技術(shù)的比較

傳統(tǒng)自動控制技術(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(tǒng)質(zhì)量、慣性的影響和機械系統(tǒng)的動態(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)備中的機械手、焊接機器人等，由于運動部件質(zhì)量大、慣性大動態(tài)響應(yīng)慢，因而運動控制困難，運動控制精度難以保證。因此，結(jié)合機械系統(tǒng)運動學(xué)理論和自動控制理論，對材料加工設(shè)備進行運動控制精度研究，對于提高設(shè)備運行精度、生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量都具有重要的意義。

由于數(shù)字計算機的出現(xiàn)，復(fù)雜系統(tǒng)的時域分析成為了可能，因此現(xiàn)代控制理論應(yīng)運而生。它是計算機技術(shù)、傳感技術(shù)、電力電子技術(shù)和機械工程技術(shù)等的集成綜合應(yīng)用技術(shù)，用于機械傳動的自動化和智能化的創(chuàng)建，對機械傳動等進行運動位置、運動軌跡和各種運動參數(shù)進行實時的控制和管理。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)計問題，主要在時間域內(nèi)進行，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：（1）采用了新技術(shù)，功能更加強大，可以實現(xiàn)多種運動軌跡的控制，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)機上經(jīng)簡單編程就可以實現(xiàn)運動控制，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，才能更加促進制造業(yè)的發(fā)展。“機械自動控制”是研究“控制理論”在機械工程中具體應(yīng)用的專業(yè)基礎(chǔ)，其理論性和實踐性都較強。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)了仿真實驗系統(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、機械 (或電子) 式控制機構(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，即編程組成的實驗系統(tǒng)，即計算機仿真。計算機仿真是以數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，以計算機為工具對系統(tǒng)進行實驗研究的一種方法。隨著計算機硬件、軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機仿真實驗的方便、價廉、靈活而可靠的優(yōu)點日益顯現(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)計亦非常困難,傳統(tǒng)的設(shè)計方法已很難勝任。隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,控制系統(tǒng)的計算機輔助設(shè)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(huán)境,對實際復(fù)雜系統(tǒng)進行仿真分析研究,可迅速獲得某種意義下的“最優(yōu)”控制效果的實施方案，從而提高進一步設(shè)計實際電路的成功率和優(yōu)秀率。一般而言,對控制系統(tǒng)進行計算機仿真,首先應(yīng)建立系統(tǒng)模型,然后依據(jù)模型編制仿真程序,充分利用計算機作為工具對其進行數(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(xiàn)為系統(tǒng)仿真提供了強有力的支持,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)值運算、圖像與圖形顯示及處理、高水平的圖形界面設(shè)計風(fēng)格等于一身。單獨采用MATLAB 語言就可以實現(xiàn)C 或FORTRAN 等編程語言能做的大部分工作,并且實現(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)境下實現(xiàn)動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真的一個集成環(huán)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(tǒng)模型, 用戶只要在模型庫窗口上調(diào)出各個系統(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)進行仿真和分析。這種方框圖式的建模方法很容易將一個復(fù)雜系統(tǒng)的數(shù)學(xué)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(tǒng)進行仿真研究時,首先要解決控制系統(tǒng)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(xiàn)起來相當容易且直  觀,SIMULINK完全采用框圖的“抓取”功能來構(gòu)造動態(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操作,尤其是當系統(tǒng)采用常規(guī)控制規(guī)律時,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,簡單地應(yīng)用SIMULINK便無法進行仿真,此時若引入S 函數(shù)來描述復(fù)雜控制規(guī)律的動態(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,但因其在進行仿真運算時,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(tài)系統(tǒng)的構(gòu)造都可通過輸入系統(tǒng)框圖來實現(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)是我國實現(xiàn)現(xiàn)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(xiàn)代加工制造已進入了機械、電子、計算機、光等技術(shù)被整合為一體的“光、機、電、算”一體化階段。加工制造技術(shù)與控制理論的結(jié)合，促進了這個一體化的進程，推動了自動化的發(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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