控制技术在机械自动化中的作用与应用进展

王小中

控制技术在机械自动化中的作用与应用进展

王小中

（金华市名仕科技股份有限公司，浙江金华，322312）

基于控制技术在机械自动化中的应用，着重分析了机械自动化控制系统的基本模型，接着阐述了多种控制技术；最后对机械自动化的发展方向进行了展望。为相关企业推进机械自动化、机电一体化、机械系统智能化建设提供了参考与借鉴。

机械自动化；控制技术；作用；模型；发展前景

引言

随着计算机、通讯、控制技术以及智能技术的不断进步，带动了传感器产品、数控机床、遥控遥感设备以及管理控制系统快速发展。先进的信息处理系统、控制理论及方法的融合打破了传统的生产方式和管理方式。机械工业也在发生着重大变革，在机械自动化、机电一体化道路上不断前进，并朝着智能化方向迈进[1]。其中控制技术的发展极大地提升了机械制造企业的技术水平，奠定了机械制造业向着“高、精、尖”、“定制化”、“个性化”方向发展。

机械自动化是指在制造企业的生产车间中，采用电子信息技术、控制技术实现被加工物品的自动生产，或在各个流水线之间自动的、连续的不断被加工制造。机械管理系统是企业信息化管理系统的重要组成部分，它是实时控制机床、机械操作手、生产线流程、产品备料、物流等的信息管理系统。在全球先进的机械产品制造企业中，如西门子、ABB等，企业生产产品标准数据库、零部件信息库、控制软件模块等已经扎根在企业信息化系统中；其企业管理全面实现网络化；企业生产流程规范化；“个性化”产品设计模块化，使得这些先进企业生产的产品质量高、速度可控。

目前，我国机械制造业发展水平、生产企业中机械设备自动化程尚可，数控机床使用较普遍，自动化设备数量也比较多，但是企业信息化系统不健全，零部件标准模型数据库、软件模块、管理信息不完善，与先进企业相比，我国的自动化技术水平较为落后[2]。因此研究发展控制技术、不断完善系统建设，对推进我国机械行业发展作用重大。

1　在机械自动化中重点控制技术

1.1可编程控制技术

可编程控制（PLC）是计算机控制器技术的核心。计算机软硬件、半导体和通信标准体系等技术发展对可编程控制器的技术进步起到了极大的推动作用，在相关辅助技术的不断推动下，终于形成了拥有最新技术的可编程计算机控制器。

新一代可编程计算机控制器所具有的最大优点便是它所采用的操作系统能在不同时段可进行多项任务，并且应用软件具有多样化特色。

控制器主要是用来处理程序自身的逻辑运算指令，同时对进出口通道所显示的信号状态进行采集和刷新，针对这些功能的实现，传统的可编程控制器主要用单任务的监控程序或者时钟扫描来处理，很明显这样的工作方式极大地限制了控制器运行时的速度控制大小，即与进出口通道中的实时性控制原则大相径庭。正是基于这样的原因，人们开始不断尝试着去改善传统可编程控制器的作用方式。因此，新一代的可编程计算机控制器完全弥补了传统可编程控制器的以上缺点。可编程计算机控制器所采用的操作系统具有分时多任务机制，应用软件在这样的平台上运行便能够很好地满足进出口通道中实时控制的要求，因为应用程序的运行周期只与循环周期有关，而与程序的长度无关。新一代可编程计算机控制器还有助于许多工程应用软件的开发，其内部的各个模块（如通信模块以及数据采集模块等）甚至可以独立运行，但各个数据信号之间又不失联系。

1.2交流伺服驱动技术

当机械设备处于运行过程时，机电一体化装置通常会进行精度定位，当所需精度较高时，便会运用到其所对应的伺服系统。在精度定位这一过程中，首先要通过对数电和模电进行高效控制来形成良好的数字信号处理技术，并对复杂机械电机的位置信息进行采集，如此一来，便可以在驱动器和机械电机之间形成一个较为简单的闭环控制系统。除此之外，这种闭环式交流伺服驱动技术在运用中，如果计算机的运算能力比较突出，则可以用来调节整个系统，同时还可以随时跟踪负荷较高的现象并进行及时处理[3]。

通常来讲，机械设备在闭环式控制方式下运行时，可能存在比较多的间隙，并且这种情况下所产生的误差很难得到相应的补偿，基于此，便需要使用电子检测设备来进行控制，以求达到最高的补偿。正式工作中，伺服系统对速度进行控制主要通过接受相关速度指令来完成。但是在实际生产过程中，为了得到更加完美的控制效果，就需要不断地提高机械的自动化水平[4]。

滑模变结构控制凭借其优良的特性（如系统参数变化的灵敏性较低，抗外部负载扰动的能力较强等），现如今以被广泛应用于电机伺服驱动系统中的位置控制与速度控制上。

1.3直线气动控制技术

直线气动控制技术作为机械设备自动化控制新技术之一，其在机床行业中的应用也越来越普遍，被西欧等先进企业所关注。同传统的旋转电动机相比，直线气动控制技术最大的优点便是：机床的进给系统中有一电机和工作台之间的机械传动环节被取消了，即机床的进给传送链长度为零，因此，又将该传动系统称为“零传动”。直线气动控制技术所采用的驱动方式为“直接驱动”的方式，即省去了启动、换向等中间环节，从而避免了这些中间环节可能会引起的弹性变形以及反向间隙等异常情况，消除了运动滞后现象，因此在很大程度上提高了传动的刚度。除此之外，直线气动控制技术还具有许多其它的优点，比如控制速度较快，直线电动机加减速所耗时长较短、不限行程、工作时具有较小的振动和噪声，机械摩擦的损耗大大降低等，从而有效提高了电机传动效率。

该类技术主要应用在机床领域。

2　机械自动化控制系统的基本模型

机械自动化控制系统的作用对象为机械设备。那么，机械自动化控制系统和机械设备结合在一起，便构成了“机电一体化系统”。

根据划分依据的不同，将机械自动化控制系统主要介如下：

2.1控制系统数学模型

控制系统数学模型主要有以下三类：

（1）根据控制系统有无反馈来划分，检测系统主要用于对输出量进行检测，如果检测系统还需要将所检测结果反馈至上游参与运算，那么称此控制系统为闭环控制系统，比如全闭环控制的交流伺服驱动技术；

（2）根据控制系统中传输信号类型的不同，又可以将控制系统分为连续控制系统（系统中各部分信号均为时间的连续函数）和离散控制系统（系统中存在离散信号）；

（3）根据控制变量的数量多少来划分，如果输入、输出变量均为单一的，则称此为单变量控制系统，否则为多变量控制系统。

控制系统的数学模型，实际上就是解释控制系统内各物理量之间相互关系的数学表达式，就是采用数学方法来描述物理模型，并对系统的动态特性进行量化。

2.2控制系统中的性能校正

控制系统中最重要的是性能校正，它可保证控制技术的精度和准确度。系统性能的校正是指将控制系统应当具有的性能指标作为参考标准，然后寻找一种可以满足参考标准的校正方案，并确定该校正方案下的校正元件参数值，接着通过调节相关参数或加入某些新元件来改变系统参数或结构，以求校正后的系统满足相关要求。

（1）校正方式

通常采用的系统校正方式分为三种：串联校正、并联校正以及前馈校正。串联校正是指将校正装置串联于系统的前向通路中进行校正；并联校正是指将校正装置并联于主反馈回路的内部，又称为反馈校正；前馈校正方式是指顺着前向通路在主反馈信号引出点之前安装校正装置，因此又称其为顺馈校正，其校正的主要目的提高控制精度。实际的工程应用中，串联校正和并联校正最为常用[5]。

（2）校正装置

对系统进行校正时，除了要选择合适的校正方式外，另一个最重要的内容便是选择校正装置。校正装置的种类繁多，通常根据校正装置本身的幅频特性，可以将其划分为有源校正装置和无源校正装置两种；另一方面，根据校正装置本身的相频特性，可以将其划分为相位超前校正装置和相位滞后校正装置两种类型。

3　技术进步与应用展望

控制技术的未来发展方向可以归结为三个方面，即：网络化保护、智能化发展以及开放性趋势，从这三个方面出发来优化和提高现有控制技术，并将其熟练运用于机械自动化，从而提高机械自动化水平。在科技技术不断发展的今天，机械自动化控制水平也越来越高。到目前为止，机械自动化技术已经被广泛使用于各行各业，如机械制造业、建筑施工单位以及农业种植与灌溉等。

机械设备自动化的未来发展方向不是凭空臆想出来的，而是以我国现阶段的机械设备自动化技术为依据，以国际市场上机械自动化发展情况为导向来确定的。现在需要做的便是对现有的机械自动化技术进行不断延伸，不断完善，努力提高机械设备的自动化和智能化程度，争取早日完成集成化目标，从而满足人们生产生活的需求[6]。

4　结语

随着我国工业经济水平的不断发展，机械制造业的发展蒸蒸日上，机械自动化水平也正逐步提高，并逐渐应用于国民生产的各个部门。自动化控制技术作为机械制造业发展史上的里程碑，不仅推动了科学技术的进步，还极大地促进了相关企业的发展。就我国目前的国情来看，我国的机械自动化控制技术要随时向发达国家的发展水平看齐，同时开发出低成本、高效率的机械自动化技术，走具有中国特色的机械自动化道路，并不断创新，不断提高，逐步研发出高效、高质的自动化机械设备。

[1]裴韶光. 机械自动化技术发展中的几个要点[J]. 企业导报, 2010(2): 290-291.

[2]韩松岩. 机械自动化发展技术的探讨[J]. 中小企业管理与科技, 2007(12): 80-81.

[3]韩致信, 袁朗, 姚运萍. 机械自动控制工程[M]. 北京: 科学出版社, 2004.

[4]吕霖煜. 机械制造中对机械自动化技术的应用探讨[J]. 计算机光盘软件与应用, 2014(5): 145.

[5]杨建平, 刘艳玲. 自动化技术在机械应用中的发展研究[J]. 中小企业管理与科技旬刊, 2008(1): 95-96.

[6]齐卫红. 过程控制系统[M]. 北京: 电子工业出版社, 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工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.049

王小中(1971-)，男，汉族，大专学历，技师。研究方向：机械制造与自动化。

E-mail: wxzlxfwq@163.com