【摘要】自動控制屬現代科技體系中的高新科技領域，被廣泛應用于社會生產的各個方面。本文介紹了材料加工及焊接的基本概念，自動控制的基本原理，焊接過程的自動控制，以及焊接機器人的相關概念，對未來材料加工和焊接的智能化發展方向做出了展望【關鍵字】材料加工焊接自動控制焊接機器人1.材料加工及材料加工的自動化材料是直接制造成產品的物質，是人類賴以生存和發展的物質基礎。近幾年來，各種新材料的不斷涌現，帶動了包括制備技術（高分子材料合成和粉體制備技術等）、成形與加工技術（如凝固成形、塑性加工和連接技術等）、改質改性技術（如各種熱處理和三束改性技術等）、防護技術（如涂鍍層處理技術等）、評價表征技術、模擬仿真技術等在內的材料技術的發展。通過改變和控制材料的外部形狀和內部組織結構，將材料制造成為人類社會所需要的各種零部件和產品的過程成為材料加工，也成為材料成型制造。把材料加工成產品的方法有好多種，第一類方法，如液態澆鑄，塑性變形加工等，不僅使材料的形狀發生了改變，而且材料的內部組織和性能也發生了巨大變化，這一類方法稱為材料加工或者材料成型，又因為這一類加工需要在一定的溫度下進行，因而通常稱這一類加工方法為熱加工；另一類加工方法，如車，削，刨等切削加工，加工的目的只是獲得一定的形狀、尺寸和表面光潔度，這種加工一般在常溫下，甚至在強制冷卻到常溫下進行，所以習慣上稱之為冷加工。從整個人類歷史發展的觀點來看待材料加工技術的發展，材料的加工技術發生5次革命性的變化。材料加工技術從公元前4000年開始，人類從漫長的石器時代進入青銅器時代。以銅的熔煉技術和鑄造技術的出現為契機，人類開始掌握對自然資源進行加工的技術，一直發展到近現代，以材料加工技術的自動化和性能設計與工藝設計的一體化為特征的新材料的設計和制備加工工藝時代。自動化技術的推廣和應用是材料加工技術發展的趨勢，充分利用自動化裝備及其柔性生產系統可以大幅度提高產品質量和生產率，推動材料加工產業的發展。在材料加工過程中廣泛地采用包括工業機器人、自動化專機及其相互組合而成柔性生產系統，由于具有通用性強、工作可靠、生產效率高、加工工件質量穩定等優點，受到人們越來越多的重視。在代替人完成繁重而危險的加工作業過程中發揮著越來越大的作用。2．焊接及焊接過程的自動化在種類繁多的材料加工方法中，金屬的焊接在現代化工業中具有最為重要的意義。焊接是指利用加熱和加壓等手段，使分離的材料（同種或者異種）在設計連接區通過原子（分子）間結合和擴散形成構件的工藝方法。焊接作為一門獨立的學科，廣泛的應用于石油化工，電力，航空航天等領域。近年來隨著制造業的蓬勃發展，提高焊接生產的生產率，保證產品質量，實現焊接生產的自動化和智能化越來越受到焊接生產企業的重視。自動化技術涉及到多個交叉學科，因此，焊接的自動化的發展必然帶來整個制造業生產效率的提高，其綜合應用的分析和研究，對促進現代科技體系的發展，具有一定的理論意義和實際意義。2.1自動控制系統所謂自動控制系統，是指在沒有人直接參與的情況下，利用自動控制裝置（簡稱控制器），使整個生產過程或工作機械（簡稱被控對象或對象）自動的按預定的規律運行，或是他的某些參數（或稱被控量）按預定的要求變化。任何一個自動控制系統都是由被控對象和自動控制裝置有機構成的，被控對象一般是指生產過程中需要進行控制的工作機械、裝置或生產過程。描述被控對象工作狀態的、需要進行控制的物理量就是被控量。自動控制裝置一般包括測量元件，比較元件，執行元件，調節元件，校正元件。2.2自動控制系統的分類自動控制系統的種類很多，可以從不同的角度進行分類，若按信號傳遞途徑或信息反饋分類，可以分成開環控制系統和閉環控制系統；從程序控制的角度上，可分為線性系統和非線性系統；從各環節信息的傳遞方式上，又分為連續系統和離散系統；從輸入輸出的關系上，分為單輸入——單輸出系統以及多輸入——多輸出系統；若按系統給定輸入信號隨時間變化的情況來分類，可分為恒值控制系統、隨動系統和程序控制系統。2.3自動控制系統的穩定性

對于一個自動控制系統，一般要求穩定、準確、快速。穩定性是控制系統的重要性能，也是決定系統能否正常工作的首要條件。任何不穩定的系統，在工程上都是毫無實用意義的。系統的穩定性是指系統受到擾動作用偏離平衡狀態后，當擾動消失，系統經過自身調節能否以一定的準確度恢復到原平衡狀態的性能。若當擾動消失后，系統能逐漸恢復到原來的平衡狀態，則稱系統是穩定的，否則稱系統為不穩定。當線性系統特征方程的所有根的實部都必須是負數時，這是系統穩定的充分必要條件。在工程應用上，一般多采用不必求根的間接方法來研究系統的穩定性。利用Hurwritz利用Hurwritz代數穩定判據。設線性系統的特征方程式為:D(s)=asn+asn-1+??+asD(s)=asn+ann-1 2+ 1 0當：n）均大于0n）均大于0。(2)特征方程的Hurwritz行列式△(k=l,2,k—充分條件這兩個條件都滿足時，則系統達到穩定狀態。2.4自動控制系統的誤差分析及計算控制系統的穩態誤差，是系統控制精確度的一種度量，也是系統設計系統時使用的一項重要的性能指標。在躍階函數的作用下沒有穩態誤差的系統稱為無差系統，反之則為有差系統。系統的誤差信號e(t)一般定義為理想值與實際值之差。輸入量r(t)表征了輸出量c(t)的理想值，反饋量b(t)反映了被控(1)采用從系統輸入端定義誤差的方法，他等于系統輸入信號與住反饋信號之差e(t)=r(t)-b(t)(2)采用從輸出端定義誤差的方法，它等于系統期望輸出值與實際輸出信號之差e(t)=Cd(t)-C(t)=r(t)-c(t)對于高階系統，求解誤差信號與輸出信號是很困難的，我們只關心當時間趨于無窮大，誤差響應的瞬態分量消失后的穩態誤差。所以，對于圖所示的系統給定信號R(S)作用下的誤差信號E(S)為：REr(SEr(S)=1+G(S)G(S)H(S12在擾動信號N(S)作用下的誤差信號e(S)為:NEnEn(S)=N(S)12為:為:在給定信號R(S)和擾動信號N(S)共同作用下的誤差信號E(S)E(S)=E(S)+E(S)= - R(S)- G2(S)H(S) N(S)Rn 1+G(S)G(S)H(S) 1+G(S)G(S)H(S)1212穩態誤差可以用拉普拉斯變換的中值定理來計算e=lim(t)=limsE(s)sstT8 sTO2.5自動控制系統傳遞函數傳遞函數是控制理論中最重要的數學模型之一，在控制系統中引入傳遞函數，可以大大簡化對系統動態性能分析和研究過程。若線性定常系統由下面的"階線性微分方程描述：dBdB dH_1 d式中，尹?是系統的輸出量，忑?是系統的輸入量假設系統的初始條件為零條件下，即:只0)=#気o)= 二陽只°)=°對上式兩端進行拉普拉斯變換，可得到'的代數方程根據傳遞函數的定義，由式描述的線性定常系統的傳遞函數&何=F(e)=虬捫+対捫+…+虬_護+婦X(s) (20sM+&］產'H—%￥+%所以，控制系統的傳遞函數可以定義為：在零初始條件下，線性定常系統(或元件)的輸出信號的拉氏變換與輸入信號的拉氏變換之比，稱為線性系統(或元件)的傳遞函數。焊接過程的控制過程控制是自動控制技術的重要分支，在電力、冶金、輕工業等領域有著廣泛的應用，在提高勞動生產率，保證產品質量，改善勞動條件以及保護生態環境等方面起著非常重要得作用。所謂的過程控制技術是指利用測量儀表、控制儀表、計算機、通信網絡等技術工具，自動獲取各種過程變量的信息，并對影響過程狀況的變量進行自我調節和操作，以達到控制要求等目的的技術。過程控制系統具有生產過程的連續性，被控過程的復雜性，控制方案的多樣性等特點。目前，在連續型流程生產自動控制或習慣稱為工業過程控制中，有三大控制系統，即可編程序控制器，分散控制系統和現場總線控制系統。可編程序控制器(PLC)是60年代末研制成功的，它是從模仿原繼電器控制原理發展而來，采用“順序掃描，不斷循環”的方式進行工作的；分散控制系統(DCS)指的是危險分散、數據集中的計算機控制系統。它是在運算放大器的基礎上得以發展的，是把所有函數，各過程變量之間的關系都設計成功能塊，通過使用功能塊封裝模擬運算和邏輯運算；現場總線控制系統即現場智能儀表結合現場總線技術構成的過程控制系統。是繼集散型控制系統后的新一代控制系統，它的出現打破了原有控制系統的結構與模式，使控制系統趨向分散化、網絡化、智能化，一經產生，便成為工業自動化技術的焦點。焊接作為單一的加工工藝發展而來的綜合性先進技術，其過程的自動化可以廣義的理解為包括從備料、切割、裝配、焊接、檢驗等工序組成的一個焊接產品生產全過程的自動化。焊接過程控制系統一般均為閉環反饋系統，由被控對象、檢測環節、比較器及控制器、執行機構等組成。該系統具有2個顯著特點：1）由負反饋構成閉環，具有閉環系統結構的顯著特點；2）由偏差產生控制作用，使系統沿著減少或消除偏差的方向運動，是閉環系統結構的另一特點。因此，不管什么原因引起被控量偏離其給定值而產生偏差時，就一定有相應的控制作用產生并糾正偏差，使被控量趨近或恢復到原來的要求值。圖4籍過程自動控制焊接機器人工業機器人作為自動化技術的典型代表，其從誕生和發展到現在，在加工領域的研究及應用經歷了三個階段，即示教再現、離線編程和自主編程與傳感修正。焊接是工業機器人應用最重要的領域之一，從世界上工業機器人的應用統計上來看，尤其是在汽車生產大國，焊接機器人已占總數的65％，其中弧焊和點焊機器人分別占了53％和46％。焊接機器人系統一般由以下幾部分組成：機器人操作機、變位機，控制器，焊接系統（專用焊接電源、焊槍或焊鉗等）焊接傳感器，中央控制計算機和相應的安全設備等。焊接機器人控制系統如下圖所示圖5焊接機器人控制系統圖隨著神經網絡技術和模糊控制系統的不斷發展，使焊接機器人向以智能化為核心的多傳感、智能化的柔性加工單元（系統）方向發展。所謂模糊控制（FUZZYControl）是利用模糊數學的推理，把本來不能（或無法）給出精確判斷的模糊問題，憑借以往的經驗和知識做出判斷。如焊接自動跟蹤，利用焊縫中心與焊透的運行偏差左右上下調整，從而找到最好的跟蹤效果。又如焊接熔池形狀熔透的控制，也可用模糊控制達到最佳的焊縫成形。人工神經網絡控制（ArtificialNeuralNetworkCOil.tml）.可模擬人類的神經細胞系統，同時接收大量信息（人的視覺、聽覺、觸角、嗅覺等）平行處理進行智能控制。如焊接工藝的最佳選擇，焊接缺陷識別，焊接熱影響區性能判斷等。目前，我國在焊接機器人的應用方面主要集中在汽車后橋的焊接，工程機械零部件的焊接，塔吊升降機的焊接，鋁合金油箱的焊接，摩托車車架的焊接等方面由于我國在工業機器人的研究和開發上較晚，使得我國整體落后于歐美和日本等國家。面對當今經濟形式，必須通過引進、消化和吸收一些現有的先進技術，盡快縮短與國外的差距。材料加工技術（焊接智能化）的展望進入21世紀后，材料成形加工技術的發展面臨環保、資源、消費觀念變革、市場競爭、制造全球化和信息技術等挑戰。同時也面臨制造業持續增長、我國加入WT0等機遇。這就促使新世紀材料成形加工技術在發展中形成了自己新的特征，并且不斷向著精密化、優質化、快速化、復合化、綠色化、信息化的方向前進。隨著機器人的不斷發展，焊接過程的自動化和智能化已經成為未來的發展趨勢。目前，實現焊接自動化與智能化的根本困難在于實現對焊接熔池動態行為，如熔池的尺寸、熔深、熔透及焊縫成形的實時檢測與有效控制。在我國，智能控制在焊縫跟蹤和焊縫質量控制（基于模糊神經網絡的焊縫形狀的控制、基于模糊神經網絡的焊縫熔池動態控制、基于專家系統和神經網絡的焊接質量控制）的方面均有重要的應用。但我國的焊接自動化和智能化水平與國相比還有一定的差距，主要表現在焊接自動化率不足，智能化水平較低。焊接作為未來一種重要的金屬連接工藝，其智能化和自動化的發展趨勢：（1） 專家系統與人工神經網絡、面向對象技術、模糊控制的技術集合起來，克服單一技術的缺陷與不足。（2） 充分利用焊接的數據庫，研究以當前獲得快速發展焊接數據作為知識源的自動知識獲取機制。（3）多媒體技術以其生動的圖文效果，強大的感染力有著廣闊的發展空間，將在焊接專家系統中有著進一步的應用。【參考文獻】李言祥，吳愛萍.材料加