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    制造业是一种将物流、能量、资金、人力、信息、等资源按照社会需求转变为有形的物质产品和无形的软件、服务等具有更高应用价值的产品的行为和过程。制造的内涵有广义和狭义之分：狭义的制造是指生产环境内与物流有关的加工和装配过程；而广义的制造则包括市场分析、产品设计、工艺分析、生产准备、加工装配、质量保证、生产管理、市场营销、售前和售后服务，以及产品报废后的回收处理等整个产品生产周期内的一系列相互联系的生产活动。由下图1可看出：随着社会的进步和制造活动的发展，制造的概念在不断的发展进化。纵观300多年世界经济社会的发展史，不难看出持续不断的科学进步和技术革命，是人类文明进步的原动力。

    现代制造系统是现代制造的载体，在现实生活中，一个典型的制造类现代企业（集体）就是一个完整意义上的现代制造系统。图2是一个网络化全球制造系统的模型，它是一种动态联盟和虚拟企业的结构模式，其内涵表明现代制造系统是一个全球化、网络化、可动态重构的虚拟系统，与传统的制造系统的概念有着重大的区别。

    随着制造业的不断发展和科学技术的不断进步，制造业必将走向更高层次――机电一体化。以机械工程学和电子工程学为支柱，综合控制工程学、信息工程学、材料学、光学等形成的多学科综合技术，就是机电一体化技术。简单的说，机电一体化就是机械的电子化或者机械电子工程。但机电一体化的概念内涵随着人类社会的发展也在发展。当初的机电一体化是指机械与电子的结合，机电一体化产品也比较简单。但随着微电子技术、信息技术、自动化技术、新材料技术、生物技术等向经济、军事和社会生活的各个领域渗透，引起了传统产业的深刻变革。机电一体化也在这场新技术革命中产生了新的变化，此时的机电一体化已不只是机械装置与电子装置的简单组合，而是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术、传感测试技术及软件编程技术等多种技术的相互交叉与融合，代表着机械工业技术革命的前沿方向，对国民经济产生的影响更是巨大和深远的。因此，只有从机电一体化的发展中去认识机电一体化的动向及其作用，认清我国机电一体化的现状，制定出确实可行的发展途径，才能使我国的机电一体化技术赶上或超过世界先进水平。

如图4。机电一体化打破了传统的机械工程、电子工程、化学工程、建筑工程、信息工程、控制工程等旧模块的划分，形成了融机械技术、微电子技术、信息技术等多种技术为一体的一门新兴的交叉学科。近年来，利用机电一体化概念得到的产品和机械电子装置随处可见。

（2） 原来由人来判断和操作的设备，变为由机器进行判断实现无人操作的设备，如自动售货机、自动出纳机（ATM）、自动售票机、自动剪票机、自动分检机、无人仓库以及船舶和飞机的自动导航装置、预防碰撞装置等。

（3） 按照人类所编制的程序实现灵活运动的设备，如数控（NC）机床、工业机器人、智能机器人等。

机电一体化的目的是使系统（产品）多功能化、高效率化、高可靠化、省材料省能源化，并使产品结构向轻、薄、短、小巧化方向发展，不断满足人们生活的多样化需求和生产的省力化、自动化需求。因此，机电一体化的研究方法应该改变过去那种拼拼凑凑的“混合”设计法，应该从系统的角度出发，采用现代设计分析方法，充分发挥边缘学科技术的优势。

    处于工业中心地位的制造业, 是国民经济持续发展的基础, 是我国现代化建设的发动机和动力源。没有先进的制造业不断地、持续地武装、改造和提升各产业部门的装备和生产运行水平,实现对环境的可持续发展, 就不能实现我国的现代化建设。我国仍处在工业化时期, 目前面临的是要完成国家工业化这个非常艰巨的任务。工业化的发展是一个相当长的阶段, 它有初期、中期、后期。现在我们的发展处于工业化中期, 世界各国发展的历史证明, 这个时期主要是发展重化工业。在以发展重化工业为主的阶段, 制造业起到非常关键的作用。重化工业的发展需要大量的装备, 比如冶金需要各种铸造、轧制设备；化工需要大量的流程装置；汽车需要大量生产设备。如何为重化工业提供装备, 是制造业面临的一个非常重要的任务。

    现代工业的迅猛发展，对材料加工工程的技术要求、质量要求和精度要求越来越高，材料加工的产品数量越来越大。随着产品生产率的提高和生产批量的不断加大，人们的劳动强度也在不断的增强。这就要求尽量采用各种各样的机械化设备来使生产过程机械化、自动化。而材料加工设备，尤其是锻压和焊接切割设备的运动控制系统正是适应了这种要求。因此这种运动控制系统的运动可靠性、鲁棒性、动态响应及运动控制的精度，直接关系到材料加工产品的生产数量、质量和生产者的劳动强度。

    传统自动控制技术即“古典控制理论”是以传递函数为基础，主要研究单输入控制系统的分析和设计问题，一般只考虑电信号的传递、接收和反馈，往往不考虑机械系统质量、惯性的影响和机械系统的动态响应。但现代设备变得越来越复杂，如材料加工设备中的机械手、焊接机器人等，由于运动部件质量大、惯性大动态响应慢，因而运动控制困难，运动控制精度难以保证。因此，结合机械系统运动学理论和自动控制理论，对材料加工设备进行运动控制精度研究，对于提高设备运行精度、生产率和产品质量都具有重要的意义。

    由于数字计算机的出现，复杂系统的时域分析成为了可能，因此现代控制理论应运而生。它是计算机技术、传感技术、电力电子技术和机械工程技术等的集成综合应用技术，用于机械传动的自动化和智能化的创建，对机械传动等进行运动位置、运动轨迹和各种运动参数进行实时的控制和管理。它也是以状态空间法为基础，研究多输入、多输出、变参数、变结构、非线性、高精度、高效能等控制系统的分析和设计问题，主要在时间域内进行，从而适应了现代加工设备日益增长的复杂性，同时满足了军事、空间技术和工业应用领域对精确性、重量、成本等方面的严格要求。现代控制理论与传统控制理论相比具有以下优点：（1）采用了新技术，功能更加强大，可以实现多种运动轨迹的控制，是传统数控装置的替代产品；（2）结构型式模块化，用它可以方便的互相结合，建立适合于不同场合及不同功能需求的控制系统；（3）操作简便，在PC(program control)机上经简单编程就可以实现运动控制，而不一定需要专门的数控软件。

    现代制造业中的机械设备只有结合现代控制理论，才能提高产品生产率，才能更加促进制造业的发展。“机械自动控制”是研究“控制理论”在机械工程中具体应用的专业基础，其理论性和实践性都较强。为了使学习者和研究者在打基础的过程中收到事半功倍的效果，作者开发了仿真实验系统.建立系统通常有两种途径：一种是硬件，以信号发生器、示波器、机械 (或电子) 式控制机构等组成，即根据相似原理组成的物理仿真；另一种是软件，即编程组成的实验系统，即计算机仿真。计算机仿真是以数学模型为基础，以计算机为工具对系统进行实验研究的一种方法。随着计算机硬件、软件技术的飞速发展，计算机仿真实验的方便、价廉、灵活而可靠的优点日益显现。

    随着科学技术的发展,对控制系统控制的效果要求越来越高,控制算法越来越复杂,控制器设计亦非常困难,传统的设计方法已很难胜任。随着计算机技术的飞速发展,控制系统的计算机辅助设计(简称CACSD) 很好地解决了这一难题。在计算机上建立一个模拟工程环境,对实际复杂系统进行仿真分析研究,可迅速获得某种意义下的“最优”控制效果的实施方案，从而提高进一步设计实际电路的成功率和优秀率。一般而言,对控制系统进行计算机仿真,首先应建立系统模型,然后依据模型编制仿真程序,充分利用计算机作为工具对其进行数值求解,并将结果加以显示。通常在仿真过程中,十分耗费时间与精力的是编制与修正仿真程序。近年来国际控制界推出了一些功能强大的仿真语言,如SABER、MATLAB(SIMULINK) 等,这些语言的出现为系统仿真提供了强有力的支持,极大地简化了系统仿真过程。目前,我国控制领域中应用最为普遍的仿真语言是MATLAB 语言,它集可靠的数值运算、图像与图形显示及处理、高水平的图形界面设计风格等于一身。单独采用MATLAB 语言就可以实现C 或FORTRAN 等编程语言能做的大部分工作,并且实现起来要比这些语言简捷方便得多。

    建模仿真可视化功能SIMULINK是MATLAB 五大通用功能之一, 它是基于MATLAB语言环境下实现动态系统建模、仿真的一个集成环境, 它的存在使MATLAB 的功能得到进一步扩展。SIMULINK 中存储了大量系统模型, 用户只要在模型库窗口上调出各个系统环节,并用连线连接起来, 便可利用SIMULINK提供的功能对系统进行仿真和分析。这种方框图式的建模方法很容易将一个复杂系统的数学模型输入到计算机中, 大大简化了编程过程。在对实际控制系统进行仿真研究时,首先要解决控制系统模型的输入问题,然后才能对其进行进一步地分析与仿真。MATLAB 语言提供的仿真工具SIMULINK 的强大功能使得这一问题实现起来相当容易且直  观,SIMULINK完全采用框图的“抓取”功能来构造动态系统,系统的创建过程就是绘制方框图的过程。在SIMULINK环境中方框图的绘制完全依赖于鼠标操作,尤其是当系统采用常规控制规律时,更显得简单方便。然而若系统采用不能直接用传递函数加以描述的控制规律时,简单地应用SIMULINK便无法进行仿真,此时若引入S 函数来描述复杂控制规律的动态特性,再经过通用S 函数模块(S - function block) 处理,用户就能获得一个自创建的SIMULINK模块,仿真结果证明,利用这种新模块仿真,不会降低效率。用S 函数模块将M 文件(描述复杂控制规律的S 函数) 置于SIMULINK中,虽是解决复杂系统仿真建模问题的一种有效手段,但因其在进行仿真运算时,须先在MATLAB 工作间中定义相关变量值, 这显然是不方便的。SIMULINK提供的封装(masking) 功能,允许用户将M 文件编写的S 函数封装起来,创建一个真正的SIMULINK模块,像其它标准模块一样,这个封装后的模块具有独特的图标和方便易用的对话框。这样任何动态系统的构造都可通过输入系统框图来实现,SIMUL IN K简单直观的可视化建模优势在控制系统仿真中能得以充分发挥。

    制造业是我国实现现代化的原动力，是国家实力的支柱，是支撑共和国大厦的基石。现代加工制造已进入了机械、电子、计算机、光等技术被整合为一体的“光、机、电、算”一体化阶段。加工制造技术与控制理论的结合，促进了这个一体化的进程，推动了自动化的发展，引起了加工制造观念的更新、加工制造模式的转变，智能化前景已现端倪。

 

 

 

参考文献

1) 李永堂等，“液压锤液压系统的建模与仿真”，中国机械工程，2002.6

2) 李永堂等，“液压系统自动建模技术与仿真软件研制”，太原科技大学学报，2002.1

3) 罗阳，刘胜青 主编：《现代制造系统概论》，北京，北京邮电大学出版社，2004

4）张健民等 编著：《机电一体化系统设计》，北京，北京理工大学出版社，1996

5）李启麟，刘红霞等，“我国机电一体化发展途径的探讨”，郑州航空工业管理学院学报，2002.6

6) 王强，曹荣，“21世纪机电一体化技术发展方向”，成都纺织高等专科学校学报，2000.1

7）杨叔子 胡以怀等，“机械设备状态的计算机集成监控”，机械强度，1995.6

8）张洪，“机械自动控制仿真实验系统的开发”，江南大学学报，2002.6

9）刘艳，吴一非“MATLAB语言与控制系统仿真”，抚顺石油学院学报，1998.8

10）刘文良，王杰“SIMULINK中一般模型的创建方法及其在系统仿真中的应用”，天津轻工业学院学报，1999.4