【正文】 ..................... 62 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................ 64 致謝 ......................................................................................................................................... 65 附錄：英文技術(shù)資料及翻譯 .......................................................................................... 66 第 42 頁 共 74 頁 第一章 緒 論 課題背景 自動(dòng)化技術(shù)是本世 紀(jì)以來發(fā)展極其迅速和影響極大的科學(xué)技術(shù)之一?，F(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)是一種完全新型的生產(chǎn)力，是直接創(chuàng)造社會(huì)財(cái)富的重要手段，對(duì)人類的生產(chǎn)活動(dòng)和物質(zhì)文明起著巨大的推動(dòng)作用。因此，受到世界各國的廣泛重視和越來越多的應(yīng)用。 機(jī)械自動(dòng)化，主要指在機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加工對(duì)象的連續(xù)自動(dòng)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化有效的自動(dòng)生產(chǎn)過程，加快生產(chǎn)投入物的加工變換和流動(dòng)速度。機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展，是機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造、技術(shù)進(jìn)步的主要手段和技術(shù)發(fā)展的主要方向。機(jī)械自動(dòng)化的技術(shù)水準(zhǔn)，不僅影響整個(gè)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，而且對(duì)國民經(jīng)濟(jì)各部門的技 術(shù)進(jìn)步有很大的直接影響。因此，發(fā)展我國的機(jī)械制造業(yè)自動(dòng)化技術(shù)，符合我國社會(huì)主義的基本原則，符合我國現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展規(guī)律。 發(fā)展我國的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù) .應(yīng)實(shí)事求是，一切從我國的具體國情出發(fā)，走中國的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展之路。當(dāng)前，我國機(jī)械制造業(yè)中自動(dòng)化裝備少、水準(zhǔn)低，不僅在數(shù)量上同世界先進(jìn)國家有較大差距，而且在品種上、質(zhì)量上、應(yīng)用上，同世界先進(jìn)水準(zhǔn)也存在階段性差距。在這種國情下，要把龐大的勞動(dòng)力大軍從機(jī)械制造業(yè)生產(chǎn)崗位上撤下來，投入巨額資金改造現(xiàn)有的大量落后設(shè)備和研制大量的現(xiàn)代自動(dòng)化裝備及控制裝置，在科學(xué)技術(shù)水準(zhǔn)和 人員素質(zhì)不太高的情況下采用先進(jìn)的技術(shù)裝備，都是不現(xiàn)實(shí)的。而大力發(fā)展低成本自動(dòng)化技術(shù)，卻是潛力大，前景廣，投資省，見效快，可以收到事半功倍的經(jīng)濟(jì)效果，適合我國現(xiàn)階段的發(fā)展需要和國情。 我國機(jī)械制造業(yè)存在大量的通用設(shè)備，在發(fā)展現(xiàn)代機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)時(shí)，可以應(yīng)用微電子技術(shù)改造這些已有通用設(shè)備。比如用數(shù)顯、數(shù)控裝置改造通用設(shè)備，提高單機(jī)自動(dòng)化程度；用可編程序控制器改造通用機(jī)床、專用機(jī)床、組合機(jī)床及其自動(dòng)設(shè)備與半自動(dòng)設(shè)備組成的生產(chǎn)線，這樣可以把計(jì)算機(jī)功能完備、編程靈活、適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)和繼電器控制簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格便 宜等優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來。這是一條低成本、高效益、符合我國國情的機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展應(yīng)用新途徑。 課題研究目的與意義 以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化技術(shù)是我國工業(yè)重點(diǎn)發(fā)展的高科技領(lǐng)域之一。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)是推動(dòng)我國科技進(jìn)步、推動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要手段。不斷采用最新的電子信息技術(shù)來裝備和改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，是我國進(jìn)行現(xiàn)代化建設(shè)的必由之路。 上世紀(jì) 80年代后期，隨著單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備的控制柜逐漸被新一 第 43 頁 共 74 頁 代的智能化儀表所代替。對(duì)于日益復(fù)雜的控制功能，傳統(tǒng)控制柜顯得無能為力，而單片機(jī)具有可編程序的特點(diǎn)，運(yùn)行時(shí)可以根據(jù)要求， 自動(dòng)選擇控制算法，適應(yīng)性強(qiáng)；單片機(jī)采用以軟件代替硬件的方法，可以簡(jiǎn)化線路，使儀器的性能價(jià)格比不斷提高。本文的研究目的，在于探索在板材加工中，應(yīng)用單片機(jī)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)板材加工的自動(dòng)控制。 在板材加工系統(tǒng)中，板料長度檢測(cè)、板料進(jìn)料、壓緊、走刀、落料、長度調(diào)整等過程必須按一定的節(jié)拍一定的控制精確度動(dòng)作。而且，不同長度、不同厚度、不同材料的扳材，各動(dòng)作行程、先后順序、刀具位置等要求都不一樣。對(duì)于這樣的控制要求，傳統(tǒng)控制柜很難實(shí)現(xiàn)，采用 PLC控制器價(jià)格又高，一些中小企業(yè)就采用人工控制，這不僅影響產(chǎn)品的質(zhì)量，而且加工車 間噪聲大、粉塵多，操作人員的勞動(dòng)條件十分惡劣。 隨著現(xiàn)代控制理論的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，機(jī)械加工過程采用計(jì)算機(jī)控制為加工過程的規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了條件，同時(shí)也可以大大地改善操作人員的工作環(huán)境。設(shè)各自動(dòng)化是提高生產(chǎn)效率，增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)能力的保證。更新和改造傳統(tǒng)設(shè)備是設(shè)備實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的兩個(gè)重要途徑。采用新的低成本自動(dòng)化技術(shù)改造老設(shè)備，是提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益的好辦法。 低成本自動(dòng)化概述 設(shè)備老化是制約技術(shù)創(chuàng)新的重要因素，應(yīng)有目的，分層次地更新老設(shè)備，有重點(diǎn)地提高機(jī)械工業(yè)的裝備技術(shù)等級(jí)，并根據(jù)國力，結(jié)合國情，逐漸 地推進(jìn)機(jī)械工業(yè)向技術(shù)密集產(chǎn)業(yè)方向發(fā)展，促使勞動(dòng)生產(chǎn)率的提高。 低成本自動(dòng)化 (LCA Low Cost Automation)是為了適應(yīng)中小企業(yè)實(shí)現(xiàn)綜合自動(dòng)化的低成本自動(dòng)化技術(shù)，也就是充分利用現(xiàn)有設(shè)備的潛力，以較少的投入實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)自動(dòng)化或局部綜合自動(dòng)化，提高生產(chǎn)效率和企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。這項(xiàng)研究領(lǐng)域受到越來越多人的關(guān)注。 低成本自動(dòng)化 (LCA)主要特點(diǎn) 1)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益顯著。產(chǎn)出投入比高。投資回收期短，一般在 12年內(nèi)即可全部回收投入的資金； 2)不要求對(duì)已有生產(chǎn)制造工藝過程做出重大改變，投資風(fēng)險(xiǎn)小 。 3)實(shí)行 LCA在企業(yè)中構(gòu)成了弱聯(lián)系的自動(dòng)化獨(dú)立島，需要充分發(fā)揮職工的主觀能動(dòng)性； 4)能夠采用“短，平，快”的高新技術(shù)實(shí)現(xiàn) LCA。它以高效、實(shí)用和可靠為目標(biāo)，不需要處處追求最新的技術(shù)成就，應(yīng)該做到“少花錢，多辦事，辦好事”。 第 44 頁 共 74 頁 低成本自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則 通常進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要系統(tǒng)先進(jìn)自動(dòng)化程度高，又要投入盡可能低。要解決這個(gè)基本矛盾，必須綜合考慮多方面因素，在盡可能壓低投資成本的前提下，按一定設(shè)計(jì)原則實(shí)施。 1)滿足需要原則。即把滿足用戶對(duì)產(chǎn)品功能及自動(dòng)化水平等要求作為設(shè)計(jì)的中心任務(wù)。 2)最小系 統(tǒng)原則。即在考慮滿足要求的前提下，用最簡(jiǎn)單的硬件、軟件，最經(jīng)濟(jì)的方法構(gòu)成系統(tǒng)，使系統(tǒng)的硬件及軟件冗余功能最小。 3)可靠性原則。即在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)問內(nèi)無故障地完成某種功能的能力。 4)匹配性原則。要求系統(tǒng)各組成部分在功能和水平上盡可能接近一致，電平上相互匹配，以求功能得到充分利用。 5)標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化原則。對(duì)系統(tǒng)的元器件選擇應(yīng)盡可能使用標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化產(chǎn)品或己使用過的較成熟的組件或子系統(tǒng)?？刂撇糠直M可能使用專用模塊、系列化的控制器及總線模塊。以求降低研制成本，縮短開發(fā)周期，增強(qiáng)抗干擾能力和 改善維修條件等。 6)先進(jìn)性原則。在滿足經(jīng)濟(jì)性能前提下，盡可能采用新的技術(shù)與方法，充分利用社會(huì)已取得的成果，如己發(fā)展成熟的新技術(shù)、新工藝及新的元器件等，使原有設(shè)備結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、功能更強(qiáng)、可靠性更高，體積重量更小更輕，操作與維修更加簡(jiǎn)便。 在我國發(fā)展低成本自動(dòng)化的重要性 我國工業(yè)自動(dòng)化總體水平不高。由于我國對(duì)設(shè)備折舊率的規(guī)定，設(shè)備更新較慢，Ｋ期以來在很多行業(yè)普遍存在著耗能大效率低等弊端。改革開放以后一些行業(yè)陸續(xù)引進(jìn)了國外先進(jìn)的生產(chǎn)線、新技術(shù)、新器件，使機(jī)械行業(yè)的面貌發(fā)生了巨大的變化。但是，對(duì)引進(jìn)設(shè) 備的消化吸收工作仍然做得不夠，受財(cái)力因素的制約，只能不斷引進(jìn)必要的關(guān)鍵性設(shè)備，不可能全部依賴引進(jìn)。這樣，對(duì)正在使用的設(shè)備來說，如果它在生產(chǎn)原理方面與國外設(shè)備沒有實(shí)質(zhì)的不同，而設(shè)備的主體部件又比較耐用，那就可以充分利用已有設(shè)備、挖掘潛力，采用低成本自動(dòng)化技術(shù)，在不停產(chǎn)或少停產(chǎn)的情況下，實(shí)施技術(shù)改造，達(dá)到少的投資，快的速度，高的效益。 上述設(shè)備在我國的機(jī)械行業(yè)恰恰是大量存在著的，用新的全套設(shè)備來取代，經(jīng)濟(jì)上不許可，企業(yè)中的技術(shù)力量也難于勝任。發(fā)展低成本自動(dòng)化是促進(jìn)技術(shù)改造的有利手段，具有很好的前景。 智 能控制理論的發(fā)展及其應(yīng)用現(xiàn)狀 自從 1932年奈魁斯特 (Hnyquist)發(fā)表了有關(guān)反饋放大器的穩(wěn)定性論文以來，控制 第 45 頁 共 74 頁 理論的發(fā)展已走過了 60多年的歷程，其中前 30年是經(jīng)典控制理論的成熟和發(fā)展階段，后 30年是現(xiàn)代控制理論的形成和發(fā)展階段。經(jīng)典控制理論主要研究的對(duì)象是單變量定常線性系統(tǒng)。到了 60年代，經(jīng)典控制理論已經(jīng)成熟 .同時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟和發(fā)展，以及多輸入一多輸出線性系統(tǒng)的控制需要，促使控制理論由經(jīng)典控制理論向現(xiàn)代控制理論過渡。 現(xiàn)代控制理論以龐特亞金的極大值原理、貝爾曼 (Belman)的動(dòng)態(tài)規(guī)劃、卡爾曼(Kalman)的線性辨識(shí)和估計(jì)理論為基石，形成了以最優(yōu)控制 (二次型最優(yōu)控制、 HX控制等 )、系統(tǒng)辨識(shí)和最優(yōu)估計(jì)、自適應(yīng)控制等為代表的現(xiàn)代控制理論分析和設(shè)計(jì)方法。系統(tǒng)分析的數(shù)學(xué)模型主要是狀態(tài)空間描述法。然而，在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)實(shí)踐中，許多復(fù)雜的生產(chǎn)過程不是連續(xù)的，而有些過程的控制目標(biāo)本身難以定量研究，因此需要與數(shù)據(jù)處理方法、規(guī)則、經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，才能取得滿意的控制效果。智能控制是一門新興的學(xué)科，它的發(fā)展得益于許多學(xué)科，其中包括人工智能、認(rèn)知科學(xué)、現(xiàn)代自適應(yīng)控制、最優(yōu)控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、學(xué)習(xí)理論、生物控制和激勵(lì)學(xué)習(xí)等 。上述各學(xué)科均以不同側(cè)面反映了智能控制的要求、理論利方法。 1966年， 能用于飛船控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 1971年，著名學(xué)者 (傅京遜 )從發(fā)展學(xué)習(xí)控制的角度首次提出智能控制這一概念，它在文獻(xiàn)中歸納了三種類型的智能控制系統(tǒng)。 1)人作為控制器的控制系統(tǒng)。由于人具有識(shí)別決策和控制等功能，因此對(duì)于不同的控制任務(wù)、不同的對(duì)象及環(huán)境情況，人作為控制器的控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織的功能，能自動(dòng)采取不同的控制策略以適應(yīng)不同的情況。 2)人機(jī)結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)。在這樣的系 統(tǒng)中，機(jī)器完成那些連續(xù)進(jìn)行的并需要快速計(jì)算的常規(guī)控制任務(wù)，人則完成任務(wù)分配、決策、監(jiān)控等任務(wù)。 3)無人參與的自主控制系統(tǒng)。最典型的例子是自主機(jī)器人，這時(shí)的自主式控制器需要完成問題求解和規(guī)劃、環(huán)境建模、傳感信息分析和底層的反饋控制等任務(wù)。它實(shí)際上是一個(gè)多層的智能控制系統(tǒng)。 1985年 8月， IEEE在美國紐約召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)討論會(huì)。來自美國各地的60位從事自動(dòng)控制、人工智能和運(yùn)籌學(xué)研究的專家學(xué)者參加了這次學(xué)術(shù)討論會(huì)。會(huì)上集中討論了智能控制原理和智能控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這次會(huì)議后不久，在 IEEE控制系統(tǒng)學(xué)會(huì) 內(nèi)成立了 IEEE智能控制專業(yè)委員會(huì)。 1987年 1月，在美國費(fèi)城的第一次國際會(huì)議，來自美國、歐洲、日本、中國以及其他發(fā)展中國家的 150位代表出席了這次學(xué)術(shù)盛會(huì)。提交大會(huì)報(bào)告和分組宣讀的 60多篇論文以及專題討論顯示出智能控制的長足發(fā)展；同時(shí)也說明了由于許多新技術(shù)問題的出現(xiàn)以及相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，需要重新考慮控制領(lǐng)域和相近學(xué)科。這次會(huì)議是個(gè)里程碑，它表明智能控制作為一門獨(dú)立學(xué)科，正式在國際上形成。 智能控制作為一門新興學(xué)科，還沒有形成一個(gè)統(tǒng)一的完整的理論體系。智能控制 第 46 頁 共 74 頁 研究所面臨的晟迫切問題是：對(duì)于一個(gè)給定的系統(tǒng)如何進(jìn) 行系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)。把復(fù)雜環(huán)境建模的嚴(yán)格數(shù)學(xué)方法研究同人工智能中的新興學(xué)科分支“計(jì)算智能”的理論方法研究緊密地結(jié)合起來，有望導(dǎo)致新的智能控制體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和發(fā)展；并預(yù)示這種研究將在“自上而下”和“自下而上”兩個(gè)方向工作的交匯處取得突破性的進(jìn)展，使智能控制系統(tǒng)的研究出現(xiàn)新的局面。綜上所述，智能控制理論的研究領(lǐng)域相當(dāng)廣泛，且存在的問題也相當(dāng)多。 智能在工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，意味著大量使用智能儀器 (Intelligent Instrument)，通常是指含有各種形態(tài)的計(jì)算機(jī)并可以通過編程的方法實(shí)現(xiàn)其功能的儀器。嵌入到儀器中的計(jì)算機(jī)必定是微型計(jì)算機(jī)，故也把智能儀器稱為微機(jī)化儀器。 就廣義來說，智能控制是指能隨外界環(huán)境變化自主選擇正確行動(dòng)的能力。人工智能的創(chuàng)始者之一，獲得諾貝爾獎(jiǎng)的西蒙指出：人工智能的研究目的是在于學(xué)會(huì)編制計(jì)算機(jī)程序來完成機(jī)智的行動(dòng)，這包括解決問題、學(xué)習(xí)、推理和做出決定。在信息科學(xué)中，信息技術(shù)發(fā)展分為信息化，自動(dòng)化、最優(yōu)化和智能化四個(gè)層次。智能化包括理解、推斷、判斷與分析功能，它是數(shù)值、邏輯、和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)綜合分析的結(jié)果：知識(shí)的表達(dá)和應(yīng)用是智能化的標(biāo)志。 從信息科學(xué)的智能概念來看，目前的智能儀器還處于智能化的低級(jí)階 段。但相對(duì)于傳統(tǒng)儀器而言，這種儀器已能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)參數(shù)補(bǔ)償、自動(dòng)量程選擇、自動(dòng)校準(zhǔn)。 本課題的研究任務(wù)和工作 本說明書的任務(wù)是結(jié)合鈑金機(jī)械加工廠家的技術(shù)改造需要，在現(xiàn)有普通剪板機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)全自動(dòng)剪板機(jī)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)加工過程自動(dòng)化，提高現(xiàn)代化水平。全自動(dòng)控制器主要組成部分有單片微機(jī)、接口擴(kuò)展電路、鍵盤輸入顯示電路、信號(hào)采集電路及輸出驅(qū)動(dòng)部分等組成。設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)功能需要選擇控制精度高、靈活性適應(yīng)性好、成本低的控制器。通過各種控制電路的優(yōu)劣對(duì)比、分析計(jì)算確定合理的控制電路，選用適當(dāng)?shù)募呻娐沸酒碗娮釉?件完成組裝測(cè)試。在電路設(shè)計(jì)中注意抗干擾設(shè)計(jì)。 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 通過編程，完成全自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)信號(hào)采集、計(jì)算分析及實(shí)時(shí)控制處理。編制好控制軟件并進(jìn)行軟件的仿真調(diào)試和修改。 軟硬件聯(lián)調(diào) 由于實(shí)際情況與理論推導(dǎo)可能不一致，或者考慮問題不全面，難免出現(xiàn)故障和問題，需要認(rèn)真分析與排除，在失敗和不足中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 完成課題說明書 第 47 頁 共