自动化概论课程报告.docx
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自动化概论课程报告
1．自动化的基本概念
1.1什么是自动化
自动化是指由一个或多个制动控制系统或装置所构成的，没有人直接干预的生产过
程。
自动化系统包括人造系统和自然系统。
本专业培养的学生要具备电工技术、电子技术、控制理论、自动检测与仪表、信息处理、系统工程、计算机技术与应用和网络技术等较宽广领域的工程技术基础和一定的专业知识，能在运动控制、工业过程控制、电力电子技术、检测与自动化仪表、电子与计算机技术、信息处理、管理与决策等领域从事系统分析、系统设计、系统运行、科技开发及研究等方面工作的高级工程技术人。
1.2自动化研究的主要内容
自动控制装置理论、自动控制处理、现场总线及工程实现技术、控制软件、控制装置、信号处理、现场总线和以太网等。
其中自动控制理论与方法是实现自动化的理论支柱，计算机技术、电动机、PLC、电力电子、微电子技术和自动化和仪表技术等是实现自动化的硬件基础。
从应用观点来看，研究内容有生产过程自动化、机械制造自动化、武器季军是自动化、办公室自动化和家庭自动化、控制软件、控制装置、信号处理、现场总线等。
其中，计算机技术、电动机、PLC、电力电子、微电子技术和自动化仪表技术等是实现自动化的硬件基础。
2．自动控制系统的组成
2.1自动控制装置系统由那几部分组成
自动控制系统主要由四个基本部分组成：
被控对象、检测装置或传感器、控制器、执行器。
如图：
①被控对象：
被控对象是指系统的工作对象施加一种控制作用，以达到人们所期望的目标。
②检测装置：
检测装置能将一种物理量检测处理并转换成另一种容易处理和使用物理量的装置。
③控制器：
控制器接受传感器来的检测信号，并与被控制量的设定值进行比较，以到实际检测值与设定值得偏差，然后根据偏差信号的大小和被控对象的动态特性，经过思维和推理，决定采用什么样的控制规律，以使被控制量快速、平稳、准确的达到所预定的给定值。
④执行器：
也称执行机构。
其直接作用于控制对象，使被空置量达到所要求的数
其作用为自动化系统的手和脚。
2.2反馈控制原理及特点
反馈控制使“检测偏差用以纠正偏差”原理。
其特点有两个：
1.由反馈结构决定的。
系统输出量经测量员件反馈到系统的输入端，并与给定值进行比较得出偏差。
2.从控制作用的产生来看，它是有偏差引起的，及一旦出现偏差，就产生控制作用，由于系统的这种连接方式，这种控制作用将使系统的被控量自动的沿减小或偏差的方向运动。
2.3计算机控制系统的特点
1计算机控制系统中，除有连续模拟信号外海有连续信号、数字信号等多种语言。
2在计算机控制系统中，控制规律使有计算机通过程序实现的修改一个控制规律只修改程序以般不对硬件电路惊进行修改，因此与有很大灵活性适应性。
3计算机控制具有丰富得知的指令系统和很强的逻辑判断能力，能够实现复杂控制规律。
4计算机控制系统不是连续控制的，而是离散控制的。
3.自动控制系统的控制方法
3.1自动控制系统的基本性能要求。
1.稳定性：
它是保证控制系统正常工作的先决条件，是对自动控制系统的最基本的要求。
2.准确性：
当系统的输出良玉输入量之间产生偏差时，系统消除这种偏差的快慢程度。
这种误差越小，表示系统的输出跟参考输入的精度越高。
3.快速性：
当系统的输出量与输入量之间产生偏差时，系统消除这种片差的快慢程度。
他是系统稳定的前提条件下提出的，它主要针对的是系统的国度过程形式和性能。
3.2PID控制
积分微分控制（PIDcontrol）是有比例、积分、微分环节组成的控制器称为比例-积分-微分控制器。
积分控制器的作用：
1延缓作用：
当输入偏差为阶越信号时输出不能突变，而是逐渐积分现行渐增。
降低了系统的响应速度。
2积累作用：
只要输入偏差存在，尽管它很小，积分也会进行，直至输出达限幅值为止。
只有输入偏差为零时，这种积累才会停止。
正是利用积分控制的这个特点来消除系统静差的，
3记忆作用：
在积分过程中，突然输入偏差为零，其输出则始终保持在输入偏差改变前那个瞬间的值不变。
微分控制的作用：
1减小超调量，缩短调整时间，提高了系统的稳定性，从而改善了系统的动态性能。
2只要输入偏差出现变化趋势，即使偏差很小，微分控制器立即产生控制作用，阻止偏差的变化。
微分作用的强弱取决与微分时间的大小。
4自动化学科的前沿技术
4.1智能机器人
什么是机器人
机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。
机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。
机器人执行的是取代或是协助人类工作的工作，例如制造业、建筑业，或是危险的工作。
机器人可以是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。
目前在工业、医学甚至军事等领域中均有重要用途。
欧美国家认为：
机器人应该是由计算机控制的通过编排程序具有可以变更的多功能的自动机械，但是日本不同意这种说法。
日本人认为“机器人就是任何高级的自动机械”，这就把那种尚需一个人操纵的机械手包括进去了。
因此，很多日本人概念中的机器人，并不是欧美人所定义的。
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。
一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。
联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：
“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。
”
机器人能力的评价标准包括：
智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。
因此，可以说机器人是具有生物功能的空间三维坐标机器。
机器人的发展
由于美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目，只是在几所大学和少数公司开展了一些研究工作。
对于企业来说，在只看到眼前利益，政府又无财政支持的情况下，宁愿错过良机，固守在使用刚性自动化装置上，也不愿冒着风险，去应用或制造机器人。
加上，当时美国失业率高达6．65％，政府担心发展机器人会造成更多人失业，因此不予投资，也不组织研制机器人，这不能不说是美国政府的战略决策错误。
70年代后期，美国政府和企业界虽有所重视，但在技术路线上仍把重点放在研究机器人软件及军事、宇宙、海洋、核工程等特殊领域的高级机器人的开发上，致使日本的工业机器人后来居上，并在工业生产的应用上及机器人制造业上很快超过了美国，产品在国际市场上形成了较强的竞争力。
进入80年代之后，美国才感到形势紧迫，政府和企业界才对机器人真正重视起来，政策上也有所体现，一方面鼓励工业界发展和应用机器人，另一方面制订计划、提高投资，增加机器人的研究经费，把机器人看成美国再次工业化的特征，使美国的机器人迅速发展。
80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，美国开始生产带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了美国60％的机器人市场。
尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。
其技术全面、先进，适应性也很强。
具体表现在：
（1）性能可靠，功能全面，精确度高；
（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；
（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用；
（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。
具体时间
1920年捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”），创造出“机器人”这个词。
1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。
它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。
但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。
1942年美国科幻巨匠阿西莫夫提出“机器人三定律”。
虽然这只是科幻小说里的创造，但后来成为学术界默认的研发原则。
1948年诺伯特·维纳出版《控制论》，阐述了机器中的通信和控制机能与人的神经、感觉机能的共同规律，率先提出以计算机为核心的自动化工厂。
1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，并注册了专利。
这种机械手能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通用性和灵活性。
1956年在达特茅斯会议上，马文·明斯基提出了他对智能机器的看法：
智能机器“能够创建周围环境的抽象模型，如果遇到问题，能够从抽象模型中寻找解决方法”。
这个定义影响到以后30年智能机器人的研究方向。
1959年德沃尔与美国发明家约瑟夫·英格伯格联手制造出第一台工业机器人。
随后，成立了世界上第一家机器人制造工厂——Unimation公司。
由于英格伯格对工业机器人的研发和宣传，他也被称为“工业机器人之父”。
1962年美国AMF公司生产出“VERSTRAN”（意思是万能搬运）,与Unimation公司生产的Unimate一样成为真正商业化的工业机器人，并出口到世界各国，掀起了全世界对机器人和机器人研究的热潮。
1962年-1963年传感器的应用提高了机器人的可操作性。
人们试着在机器人上安装各种各样的传感器，包括1961年恩斯特采用的触觉传感器，托莫维奇和博尼1962年在世界上最早的“灵巧手”上用到了压力传感器，而麦卡锡1963年则开始在机器人中加入视觉传感系统，并在1965年，帮助MIT推出了世界上第一个带有视觉传感器，能识别并定位积木的机器人系统。
1965年约翰·霍普金斯大学应用物理实验室研制出Beast机器人。
Beast已经能通过声纳系统、光电管等装置，根据环境校正自己的位置。
20世纪60年代中期开始，美国麻省理工学院、斯坦福大学、英国爱丁堡大学等陆续成立了机器人实验室。
美国兴起研究第二代带传感器、“有感觉”的机器人，并向人工智能进发。
1968年美国斯坦福研究所公布他们研发成功的机器人Shakey。
它带有视觉传感器，能根据人的指令发现并抓取积木,不过控制它的计算机有一个房间那么大。
Shakey可以算是世界第一台智能机器人，拉开了第三代机器人研发的序幕。
1969年日本早稻田大学加藤一郎实验室研发出第一台以双脚走路的机器人。
加藤一郎长期致力于研究仿人机器人，被誉为“仿人机器人之父”。
日本专家一向以研发仿人机器人和娱乐机器人的技术见长，后来更进一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。
1973年世界上第一次机器人和小型计算机携手合作，就诞生了美国CincinnatiMilacron公司的机器人T3。
1978年美国Unimation公司推出通用工业机器人PUMA，这标志着工业机器人技术已经完全成熟。
PUMA至今仍然工作在工厂第一线。
1984年英格伯格再推机器人Helpmate，这种机器人能在医院里为病人送饭、送药、送邮件。
同年，他还预言：
“我要让机器人擦地板，做饭，出去帮我洗车，检查安全”。
1998年丹麦乐高公司推出机器人（Mind-storms）套件，让机器人制造变得跟搭积木一样，相对简单又能任意拼装，使机器人开始走入个人世界。
1999年日本索尼公司推出犬型机器人爱宝（AIBO），当即销售一空，从此娱乐机器人成为目前机器人迈进普通家庭的途径之一。
2002年美国iRobot公司推出了吸尘器机器人Roomba，它能避开障碍，自动设计行进路线，还能在电量不足时，自动驶向充电座。
Roomba是目前世界上销量最大、最商业化的家用机器人。
iRobot公司北京区授权代理商：
北京微网智宏科技有限公司。
2006年6月，微软公司推出MicrosoftRoboticsStudio，机器人模块化、平台统一化的趋势越来越明显，比尔·盖茨预言，家用机器人很快将席卷全球。
机器人分类
操作型机器人：
能自动控制，可重复编程，多功能，有几个自由度，可固定或运动，用于相关自动化系统中。
程控型机器人：
按预先要求的顺序及条件，依次控制机器人的机械动作。
示教再现型机器人：
通过引导或其它方式，先教会机器人动作，输入工作程序，机器人则自动重复进行作业。
数控型机器人：
不必使机器人动作，通过数值、语言等对机器人进行示教，机器人根据示教后的信息进行作业。
感觉控制型机器人：
利用传感器获取的信息控制机器人的动作。
适应控制型机器人：
机器人能适应环境的变化，控制其自身的行动。
学习控制型机器人：
机器人能“体会”工作的经验，具有一定的学习功能，并将所“学”的经验用于工作中。
智能机器人：
以人工智能决定其行动的人。
我国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。
所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。
而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：
服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。
在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。
目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：
制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和我国的分类是一致的。
空中机器人又叫无人机，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。
电弧机器人
焊接是一项关系到交通、建筑、能源、国防等众多行业生产的基础技术，同时，焊接生产又是机器人技术应用最为广泛的行业。
研究机器人焊接控制技术，提高焊接质量和效率，具有实际意义和重大应用价值。
先进机器人与制造系统研究组在基于视觉的焊接机器人控制领域开展了研究工作，解决了焊接恶劣环境下机器人视觉控制问题，并紧密结合焊接生产实际，积极进行应用探索，取得了良好的成绩。
（1）在弧焊机器人视觉控制方法方面，提出了基于结构光视觉的混合视觉伺服方法，在内环采用笛卡儿空间的位置控制，外环沿焊缝的移动采用笛卡儿空间的位置视觉控制，焊缝跟踪中的纠偏采用图像空间的视觉控制，解决了焊接过程中对焊缝跟踪和纠偏控制的平稳性问题。
（2）在焊接视觉信息处理方面，针对焊接过程中弧光、烟尘、飞溅等恶劣环境，提出了焊接图像鲁棒处理算法和激光条纹抽取算法；针对焊接生产中不同类型焊缝和焊缝接头不规则形变的情况，提出了焊缝识别和特征提取算法。
（3）焊接视觉检测方面，采用多种视觉传感方法，通过信息融合，实现对焊接工件的视觉测量和焊接过程质量视觉检测与控制。
2002年9月，研制出基于双目结构光视觉的机器人焊接系统。
该焊接系统实现了视觉测量系统、开放式机器人控制器运动控制系统、外部辅助加工设备的有机集成。
图为机器人焊接实验和工件焊缝轨迹测量结果。
2003年10月，研制出基于结构光的机器人焊接视觉控制系统。
该焊接视觉控制系统采用一种机器人弧焊的混合视觉伺服控制方法，可应用于所有能够接受基于末端相对运动的机器人，实现视觉测量与跟踪。
2004年12月，研制出平板长直缝自动纠偏埋弧焊接系统。
该系统攻克了焊缝坡口反光、毛刺、外形不规则等情况下图像处理与特征提取的难题，解决了焊缝坡口的一致性和清洁度对视觉控制效果影响大这一问题，视觉系统的适应性大幅度提高。
2005年7月，针对焊接质量在线检测问题，研究了结构光视觉对工件表面的视觉测量和缺陷识别方法。
实现了在焊接过程中对折线、曲线等复杂焊缝进行扫描测量，对焊后焊缝表面成形状态进行视觉测量，有效地避免了焊缝缺陷，提高焊接质量。
2005年10月，研制出圆管环缝自动纠偏埋弧焊接系统，采用无标定视觉控制，不需要对摄像机和激光平面参数进行标定，应用方便灵活。
能够自动识别焊缝坡口类型，图像处理和特征提取的可靠性与适应性进一步提高，能够实现圆管单边坡口、双边坡口、对接等类别焊缝的在线纠偏自动焊接。
该埋弧焊接系统，已经开始推广应用到压力容器、罐体等圆管工件的焊接生产中。
机器人电弧焊不仅用于汽车制造业，更可以用于涉及电弧焊的其它制造业，如造船、机车车辆、锅炉、重型机械等等。
因此，机器人电弧焊的应用范围日趋广泛，在数量上大有超过机器人点焊之势。
随着汽车轻量化制造技术的推广，一些高强合金材料和轻合金材料（如铝合金、镁合金等）在汽车结构材料中得到应用。
这些材料的焊接往往无法用传统的焊接方法来解决，必须采用新的焊接方法和焊接工艺。
其中高功率激光焊和搅拌摩擦焊等最具发展潜力。
因此，机器人与高功率激光焊和搅拌摩擦焊的结合将成为必然趋势。
事实上像上海大众等国内最具实力的汽车制造商在他们的新车型制造过程中已经大量使
机器人激光焊接。
电弧机器人与激光机器人的对比
和机器人电弧焊相比，机器人激光焊的焊缝跟踪精度要求更高。
根据一般的要求，机器人电弧焊（包括GTAW和GMAW）的焊缝跟踪精度必须控制在电极或焊丝直径的1/2以内，在具有填充丝的条件下焊缝跟踪精度可适当放宽。
但对激光焊而言，焊接时激光照射在工件表面的光斑直径通常在0.6以内，远小于焊丝直径（通常大于1.0），而激光焊接时通常又不加填充焊丝，因此，激光焊接中若光斑位置稍有偏差，便会造成偏焊、漏焊。
因此，上海大众的汽车车顶机器人激光焊除了在工装夹具上采取措施防止焊接变形外，还在机器人激光焊枪前方安装了德国SCOUT公司的高精度激光传感器用于焊缝轨迹的跟踪。
工业机器人的结构形式很多，常用的有直角坐标式、柱面坐标式、球面坐标式、多关节坐标式、伸缩式、爬行式等等，根据不同的用途还在不断发展之中。
焊接机器人根据不同的应用场合可采取不同的结构形式，但目前用得最多的是模仿人的手臂功能的多关节式的机器人，这是因为多关节式机器人的手臂灵活性最大，可以使焊枪的空间位置和姿态调至任意状态，以满足焊接需要。
理论上讲，机器人的关节愈多，自由度也愈多，关节冗余度愈大，灵活性愈好；但同时也给机器人逆运动学的坐标变换和各关节位置的控制带来复杂性。
因为焊接过程中往往需要把以空间直角坐标表示的工件上的焊缝位置转换为焊枪端部的空间位置和姿态，再通过机器人逆运动学计算转换为对机器人每个关节角度位置的控制，而这一变换过程的解往往不是唯一的，冗余度愈大，解愈多。
如何选取最合适的解对机器人焊接过程中运动的平稳性很重要。
不同的机器人控制系统对这一问题的处理方式不尽相同。
一般来讲，具有6个关节的机器人基本上能满足焊枪的位置和空间姿态的控制要求，其中3个自由度（XYZ）用于控制焊枪端部的空间位置，另外3个自由度（ABC）用于控制焊枪的空间姿态。
因此，目前的焊接机器人多数为6关节式的。
对于有些焊接场合，工件由于过大或空间几何形状过于复杂，使焊接机器人的焊枪无法到达指定的焊缝位置或焊枪姿态，这时必须通过增加1～3个外部轴的办法增加机器人的自由度。
通常有两种做法：
一是把机器人装于可以移动的轨道小车或龙门架上，扩大机器人本身的作业空间；二是让工件移动或转动，使工件上的焊接部位进入机器人的作业空间。
也有的同时采用上述两种办法，让工件的焊接部位和机器人都处于最佳焊接位置。
焊接机器人的编程方法目前还是以在线示教方式（Teach-in）为主，但编程器的界面比过去有了不少改进，尤其是液晶图形显示屏的采用使新的焊接机器人的编程界面更趋友好、操作更加易。
然而机器人编程时焊缝轨迹上的关键点坐标位置仍必须通过示教方式获取，然后存入程序的运动指令中。
这对于一些复杂形状的焊缝轨迹来说，必须花费大量的时间示教，从而降低了机器人的使用效率，也增加了编程人员的劳动强度。
目前解决的方法有2种：
一是示教编程时只是粗略获取几个焊缝轨迹上的几个关键点，然后通过焊接机器人的视觉传感器（通常是电弧传感器或激光视觉传感器）自动跟踪实际的焊缝轨迹。
这种方式虽然仍离不开示教编程，但在一定程度上可以减轻示教编程的强度，提高编程效率。
但由于电弧焊本身的特点，机器人的视觉传感器并不是对所有焊缝形式都适用。
二是采取完全离线编程的办法，使机器人焊接程序的编制、焊缝轨迹坐标位置的获取、以及程序的调试均在一台计算机上独立完成，不需要机器人本身的参与。
机器人离线编程早在多年以前就有，只是由于当时受计算机性能的限制，离线编程软件以文本方式为主，编程员需要熟悉机器人的所有指令系统和语法，还要知道如何确定焊缝轨迹的空间位置坐标，因此，编程工作并不轻松省时。
随着计算机性能的提高和计算机三维图形技术的发展，如今的机器人离线编程系统多数可在三维图形环境下运行，编程界面友好、方便，而且，获取焊缝轨迹的坐标位置通常可以采用“虚拟示教”（virtualTeach-in）的办法，用鼠标轻松点击三维虚拟环境中工件的焊接部位即可获得该点的空间坐标；在有些系统中，可通过CAD图形文件中事先定义的焊缝位置直接生成焊缝轨迹，然后自动生成机器人程序并下载到机器人控制系统。
从而大大提高了机器人的编程效率，也减轻了编程员的劳动强度。
目前，国际市场上已有基于普通PC机的商用机器人离线编程软件。
如Workspace5、RobotStudio等。
图9所示为笔者自行开发的基于PC的三维可视化机器人离线编程系统。
该系统可针对ABB公司的IRB140机器人进行离线编程，程序中的焊缝轨迹通过虚拟示教获得，并在三维图形环境中可让机器人按程序中的轨迹作模拟运动，以此检机器人的发展。
自动化概论课程报
姓名：
徐永剑
班级：
50801
学号：
1月31日机器人技术发展状况孙立宁哈尔滨
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