控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化中的作用與應(yīng)用進(jìn)展

王小中

控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化中的作用與應(yīng)用進(jìn)展

王小中

（金華市名仕科技股份有限公司，浙江金華，322312）

基于控制技術(shù)在機(jī)械自動(dòng)化中的應(yīng)用，著重分析了機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本模型，接著闡述了多種控制技術(shù)；最后對(duì)機(jī)械自動(dòng)化的發(fā)展方向進(jìn)行了展望。為相關(guān)企業(yè)推進(jìn)機(jī)械自動(dòng)化、機(jī)電一體化、機(jī)械系統(tǒng)智能化建設(shè)提供了參考與借鑒。

機(jī)械自動(dòng)化；控制技術(shù)；作用；模型；發(fā)展前景

引言

隨著計(jì)算機(jī)、通訊、控制技術(shù)以及智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，帶動(dòng)了傳感器產(chǎn)品、數(shù)控機(jī)床、遙控遙感設(shè)備以及管理控制系統(tǒng)快速發(fā)展。先進(jìn)的信息處理系統(tǒng)、控制理論及方法的融合打破了傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式和管理方式。機(jī)械工業(yè)也在發(fā)生著重大變革，在機(jī)械自動(dòng)化、機(jī)電一體化道路上不斷前進(jìn)，并朝著智能化方向邁進(jìn)[1]。其中控制技術(shù)的發(fā)展極大地提升了機(jī)械制造企業(yè)的技術(shù)水平，奠定了機(jī)械制造業(yè)向著“高、精、尖”、“定制化”、“個(gè)性化”方向發(fā)展。

機(jī)械自動(dòng)化是指在制造企業(yè)的生產(chǎn)車間中，采用電子信息技術(shù)、控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)被加工物品的自動(dòng)生產(chǎn)，或在各個(gè)流水線之間自動(dòng)的、連續(xù)的不斷被加工制造。機(jī)械管理系統(tǒng)是企業(yè)信息化管理系統(tǒng)的重要組成部分，它是實(shí)時(shí)控制機(jī)床、機(jī)械操作手、生產(chǎn)線流程、產(chǎn)品備料、物流等的信息管理系統(tǒng)。在全球先進(jìn)的機(jī)械產(chǎn)品制造企業(yè)中，如西門子、ABB等，企業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)、零部件信息庫(kù)、控制軟件模塊等已經(jīng)扎根在企業(yè)信息化系統(tǒng)中；其企業(yè)管理全面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化；企業(yè)生產(chǎn)流程規(guī)范化；“個(gè)性化”產(chǎn)品設(shè)計(jì)模塊化，使得這些先進(jìn)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量高、速度可控。

目前，我國(guó)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展水平、生產(chǎn)企業(yè)中機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化程尚可，數(shù)控機(jī)床使用較普遍，自動(dòng)化設(shè)備數(shù)量也比較多，但是企業(yè)信息化系統(tǒng)不健全，零部件標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)據(jù)庫(kù)、軟件模塊、管理信息不完善，與先進(jìn)企業(yè)相比，我國(guó)的自動(dòng)化技術(shù)水平較為落后[2]。因此研究發(fā)展控制技術(shù)、不斷完善系統(tǒng)建設(shè)，對(duì)推進(jìn)我國(guó)機(jī)械行業(yè)發(fā)展作用重大。

1　在機(jī)械自動(dòng)化中重點(diǎn)控制技術(shù)

1.1可編程控制技術(shù)

可編程控制（PLC）是計(jì)算機(jī)控制器技術(shù)的核心。計(jì)算機(jī)軟硬件、半導(dǎo)體和通信標(biāo)準(zhǔn)體系等技術(shù)發(fā)展對(duì)可編程控制器的技術(shù)進(jìn)步起到了極大的推動(dòng)作用，在相關(guān)輔助技術(shù)的不斷推動(dòng)下，終于形成了擁有最新技術(shù)的可編程計(jì)算機(jī)控制器。

新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器所具有的最大優(yōu)點(diǎn)便是它所采用的操作系統(tǒng)能在不同時(shí)段可進(jìn)行多項(xiàng)任務(wù)，并且應(yīng)用軟件具有多樣化特色。

控制器主要是用來(lái)處理程序自身的邏輯運(yùn)算指令，同時(shí)對(duì)進(jìn)出口通道所顯示的信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行采集和刷新，針對(duì)這些功能的實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的可編程控制器主要用單任務(wù)的監(jiān)控程序或者時(shí)鐘掃描來(lái)處理，很明顯這樣的工作方式極大地限制了控制器運(yùn)行時(shí)的速度控制大小，即與進(jìn)出口通道中的實(shí)時(shí)性控制原則大相徑庭。正是基于這樣的原因，人們開(kāi)始不斷嘗試著去改善傳統(tǒng)可編程控制器的作用方式。因此，新一代的可編程計(jì)算機(jī)控制器完全彌補(bǔ)了傳統(tǒng)可編程控制器的以上缺點(diǎn)?？删幊逃?jì)算機(jī)控制器所采用的操作系統(tǒng)具有分時(shí)多任務(wù)機(jī)制，應(yīng)用軟件在這樣的平臺(tái)上運(yùn)行便能夠很好地滿足進(jìn)出口通道中實(shí)時(shí)控制的要求，因?yàn)閼?yīng)用程序的運(yùn)行周期只與循環(huán)周期有關(guān)，而與程序的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。新一代可編程計(jì)算機(jī)控制器還有助于許多工程應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)，其內(nèi)部的各個(gè)模塊（如通信模塊以及數(shù)據(jù)采集模塊等）甚至可以獨(dú)立運(yùn)行，但各個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)之間又不失聯(lián)系。

1.2交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

當(dāng)機(jī)械設(shè)備處于運(yùn)行過(guò)程時(shí)，機(jī)電一體化裝置通常會(huì)進(jìn)行精度定位，當(dāng)所需精度較高時(shí)，便會(huì)運(yùn)用到其所對(duì)應(yīng)的伺服系統(tǒng)。在精度定位這一過(guò)程中，首先要通過(guò)對(duì)數(shù)電和模電進(jìn)行高效控制來(lái)形成良好的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，并對(duì)復(fù)雜機(jī)械電機(jī)的位置信息進(jìn)行采集，如此一來(lái)，便可以在驅(qū)動(dòng)器和機(jī)械電機(jī)之間形成一個(gè)較為簡(jiǎn)單的閉環(huán)控制系統(tǒng)。除此之外，這種閉環(huán)式交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)在運(yùn)用中，如果計(jì)算機(jī)的運(yùn)算能力比較突出，則可以用來(lái)調(diào)節(jié)整個(gè)系統(tǒng)，同時(shí)還可以隨時(shí)跟蹤負(fù)荷較高的現(xiàn)象并進(jìn)行及時(shí)處理[3]。

通常來(lái)講，機(jī)械設(shè)備在閉環(huán)式控制方式下運(yùn)行時(shí)，可能存在比較多的間隙，并且這種情況下所產(chǎn)生的誤差很難得到相應(yīng)的補(bǔ)償，基于此，便需要使用電子檢測(cè)設(shè)備來(lái)進(jìn)行控制，以求達(dá)到最高的補(bǔ)償。正式工作中，伺服系統(tǒng)對(duì)速度進(jìn)行控制主要通過(guò)接受相關(guān)速度指令來(lái)完成。但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，為了得到更加完美的控制效果，就需要不斷地提高機(jī)械的自動(dòng)化水平[4]。

滑模變結(jié)構(gòu)控制憑借其優(yōu)良的特性（如系統(tǒng)參數(shù)變化的靈敏性較低，抗外部負(fù)載擾動(dòng)的能力較強(qiáng)等），現(xiàn)如今以被廣泛應(yīng)用于電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的位置控制與速度控制上。

1.3直線氣動(dòng)控制技術(shù)

直線氣動(dòng)控制技術(shù)作為機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化控制新技術(shù)之一，其在機(jī)床行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越普遍，被西歐等先進(jìn)企業(yè)所關(guān)注。同傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)相比，直線氣動(dòng)控制技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)便是：機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)中有一電機(jī)和工作臺(tái)之間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)被取消了，即機(jī)床的進(jìn)給傳送鏈長(zhǎng)度為零，因此，又將該傳動(dòng)系統(tǒng)稱為“零傳動(dòng)”。直線氣動(dòng)控制技術(shù)所采用的驅(qū)動(dòng)方式為“直接驅(qū)動(dòng)”的方式，即省去了啟動(dòng)、換向等中間環(huán)節(jié)，從而避免了這些中間環(huán)節(jié)可能會(huì)引起的彈性變形以及反向間隙等異常情況，消除了運(yùn)動(dòng)滯后現(xiàn)象，因此在很大程度上提高了傳動(dòng)的剛度。除此之外，直線氣動(dòng)控制技術(shù)還具有許多其它的優(yōu)點(diǎn)，比如控制速度較快，直線電動(dòng)機(jī)加減速所耗時(shí)長(zhǎng)較短、不限行程、工作時(shí)具有較小的振動(dòng)和噪聲，機(jī)械摩擦的損耗大大降低等，從而有效提高了電機(jī)傳動(dòng)效率。

該類技術(shù)主要應(yīng)用在機(jī)床領(lǐng)域。

2　機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)的基本模型

機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)的作用對(duì)象為機(jī)械設(shè)備。那么，機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)備結(jié)合在一起，便構(gòu)成了“機(jī)電一體化系統(tǒng)”。

根據(jù)劃分依據(jù)的不同，將機(jī)械自動(dòng)化控制系統(tǒng)主要介如下：

2.1控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型主要有以下三類：

（1）根據(jù)控制系統(tǒng)有無(wú)反饋來(lái)劃分，檢測(cè)系統(tǒng)主要用于對(duì)輸出量進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)系統(tǒng)還需要將所檢測(cè)結(jié)果反饋至上游參與運(yùn)算，那么稱此控制系統(tǒng)為閉環(huán)控制系統(tǒng)，比如全閉環(huán)控制的交流伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；

（2）根據(jù)控制系統(tǒng)中傳輸信號(hào)類型的不同，又可以將控制系統(tǒng)分為連續(xù)控制系統(tǒng)（系統(tǒng)中各部分信號(hào)均為時(shí)間的連續(xù)函數(shù)）和離散控制系統(tǒng)（系統(tǒng)中存在離散信號(hào)）；

（3）根據(jù)控制變量的數(shù)量多少來(lái)劃分，如果輸入、輸出變量均為單一的，則稱此為單變量控制系統(tǒng)，否則為多變量控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)際上就是解釋控制系統(tǒng)內(nèi)各物理量之間相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，就是采用數(shù)學(xué)方法來(lái)描述物理模型，并對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行量化。

2.2控制系統(tǒng)中的性能校正

控制系統(tǒng)中最重要的是性能校正，它可保證控制技術(shù)的精度和準(zhǔn)確度。系統(tǒng)性能的校正是指將控制系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有的性能指標(biāo)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，然后尋找一種可以滿足參考標(biāo)準(zhǔn)的校正方案，并確定該校正方案下的校正元件參數(shù)值，接著通過(guò)調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)或加入某些新元件來(lái)改變系統(tǒng)參數(shù)或結(jié)構(gòu)，以求校正后的系統(tǒng)滿足相關(guān)要求。

（1）校正方式

通常采用的系統(tǒng)校正方式分為三種：串聯(lián)校正、并聯(lián)校正以及前饋校正。串聯(lián)校正是指將校正裝置串聯(lián)于系統(tǒng)的前向通路中進(jìn)行校正；并聯(lián)校正是指將校正裝置并聯(lián)于主反饋回路的內(nèi)部，又稱為反饋校正；前饋校正方式是指順著前向通路在主反饋信號(hào)引出點(diǎn)之前安裝校正裝置，因此又稱其為順饋校正，其校正的主要目的提高控制精度。實(shí)際的工程應(yīng)用中，串聯(lián)校正和并聯(lián)校正最為常用[5]。

（2）校正裝置

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正時(shí)，除了要選擇合適的校正方式外，另一個(gè)最重要的內(nèi)容便是選擇校正裝置。校正裝置的種類繁多，通常根據(jù)校正裝置本身的幅頻特性，可以將其劃分為有源校正裝置和無(wú)源校正裝置兩種；另一方面，根據(jù)校正裝置本身的相頻特性，可以將其劃分為相位超前校正裝置和相位滯后校正裝置兩種類型。

3　技術(shù)進(jìn)步與應(yīng)用展望

控制技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向可以歸結(jié)為三個(gè)方面，即：網(wǎng)絡(luò)化保護(hù)、智能化發(fā)展以及開(kāi)放性趨勢(shì)，從這三個(gè)方面出發(fā)來(lái)優(yōu)化和提高現(xiàn)有控制技術(shù)，并將其熟練運(yùn)用于機(jī)械自動(dòng)化，從而提高機(jī)械自動(dòng)化水平。在科技技術(shù)不斷發(fā)展的今天，機(jī)械自動(dòng)化控制水平也越來(lái)越高。到目前為止，機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)已經(jīng)被廣泛使用于各行各業(yè)，如機(jī)械制造業(yè)、建筑施工單位以及農(nóng)業(yè)種植與灌溉等。

機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化的未來(lái)發(fā)展方向不是憑空臆想出來(lái)的，而是以我國(guó)現(xiàn)階段的機(jī)械設(shè)備自動(dòng)化技術(shù)為依據(jù)，以國(guó)際市場(chǎng)上機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展情況為導(dǎo)向來(lái)確定的?，F(xiàn)在需要做的便是對(duì)現(xiàn)有的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行不斷延伸，不斷完善，努力提高機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化和智能化程度，爭(zhēng)取早日完成集成化目標(biāo)，從而滿足人們生產(chǎn)生活的需求[6]。

4　結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)工業(yè)經(jīng)濟(jì)水平的不斷發(fā)展，機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展蒸蒸日上，機(jī)械自動(dòng)化水平也正逐步提高，并逐漸應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)部門。自動(dòng)化控制技術(shù)作為機(jī)械制造業(yè)發(fā)展史上的里程碑，不僅推動(dòng)了科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，還極大地促進(jìn)了相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。就我國(guó)目前的國(guó)情來(lái)看，我國(guó)的機(jī)械自動(dòng)化控制技術(shù)要隨時(shí)向發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展水平看齊，同時(shí)開(kāi)發(fā)出低成本、高效率的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)，走具有中國(guó)特色的機(jī)械自動(dòng)化道路，并不斷創(chuàng)新，不斷提高，逐步研發(fā)出高效、高質(zhì)的自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備。

[1]裴韶光. 機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展中的幾個(gè)要點(diǎn)[J]. 企業(yè)導(dǎo)報(bào), 2010(2): 290-291.

[2]韓松巖. 機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展技術(shù)的探討[J]. 中小企業(yè)管理與科技, 2007(12): 80-81.

[3]韓致信, 袁朗, 姚運(yùn)萍. 機(jī)械自動(dòng)控制工程[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2004.

[4]呂霖煜. 機(jī)械制造中對(duì)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用探討[J]. 計(jì)算機(jī)光盤軟件與應(yīng)用, 2014(5): 145.

[5]楊建平, 劉艷玲. 自動(dòng)化技術(shù)在機(jī)械應(yīng)用中的發(fā)展研究[J]. 中小企業(yè)管理與科技旬刊, 2008(1): 95-96.

[6]齊衛(wèi)紅. 過(guò)程控制系統(tǒng)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

Progress in Role and Application of Control Technology in Mechanical Automation

WANG Xiao-zhong
(Jinhua Mingshi Polytron Technologies, Jinhua, Zhejiang, 322312, China)

Based on the application of control technology in mechanical automation, the basic model of mechanical automation control system is focused on. Finally, prospects the development direction of the future, providing essential references for guiding related enterprises into a routine of mechanical automation with Chinese characteristics.

Mechanical Automation; Control Technology; Function; Model; Development Prospect

TB486+.3

A

2095-8412 (2016) 05-1010-03工業(yè)技術(shù)創(chuàng)新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.049

王小中(1971-)，男，漢族，大專學(xué)歷，技師。研究方向：機(jī)械制造與自動(dòng)化。

E-mail: wxzlxfwq@163.com