機電一體化中智能控制策略
機電一體化中智能控制策略【1】
摘要：當下，越來(lái)越多行業(yè)領(lǐng)域的機械設備呈現出機電一體化的發(fā)展態(tài)勢，這無(wú)疑是實(shí)現其自動(dòng)化、智能化與人性化的一大途徑。
而智能控制作為機電一體化系統的核心技術(shù)，必然會(huì )影響其應用實(shí)效。
故在此結合智能控制的特點(diǎn)和類(lèi)型，就其在機電一體化中的應用策略加以探討，希望有助于智能控制領(lǐng)域健康發(fā)展，并提高機電一體化的智能化水平。
關(guān)鍵詞：機電一體化;智能控制技術(shù);控制策略;
近年來(lái)，融合了多種先進(jìn)技術(shù)的機電一體化系統得到了蓬勃發(fā)展和廣泛應用，為社會(huì )生產(chǎn)生活創(chuàng )造了極大的便利，這顯然離不開(kāi)智能控制技術(shù)的重要作用。
因智能控制技術(shù)可有效解決非線(xiàn)性、時(shí)變性、多層次性等控制領(lǐng)域的復雜難題，利于機電一體化系統的可靠運行。
故希望通過(guò)對機電一體化中智能控制策略的探討，對推動(dòng)兩者協(xié)調發(fā)展有所助益。
1.智能控制技術(shù)綜述
智能控制是目前控制領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)，簡(jiǎn)單的講，其是以自組織、自適應、人機系統、Petri網(wǎng)等智能理論為基礎，以計算機、網(wǎng)絡(luò )通信、控制技術(shù)等為平臺，然后在無(wú)人干預的條件下，由智能機器獨立、自動(dòng)控制系統設備完成既定目標[1]。
而智能控制技術(shù)之所以在機電一體化系統中廣泛應用，并發(fā)揮著(zhù)日益重要的作用，與其自身特點(diǎn)有直接關(guān)系，如變結構、非線(xiàn)性較高，核心多為高層控制，任務(wù)要求較為復雜，控制模型相對不確定，組織功能、適應能力、學(xué)習功能極強等，這些均為其發(fā)展和應用提供了良好契機。
具體而言，當下的智能控制系統主要涉及下述幾類(lèi)：專(zhuān)家系統，即將專(zhuān)業(yè)知識、控制技能、專(zhuān)家經(jīng)驗等匯集至專(zhuān)門(mén)的數據庫，然后依據程序指令進(jìn)行運行操作(系統結構如圖1所示)，相對而言，實(shí)用性較好;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，即基于神經(jīng)細胞、人工神經(jīng)元等實(shí)現分布處理、非線(xiàn)性映射、人工智能模仿等功能，具有較強的自組織、自適應和并行處理的特點(diǎn)，在機電一體化中的應用最為廣泛;分級控制，即以自組織和自適應為前提，實(shí)行相對獨立的組織、執行、協(xié)調等控制功能;模糊控制，即專(zhuān)家系統和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統的集合體，有助于控制技術(shù)智能化和模糊邏輯功能的提高。
2.機電一體化中的智能控制策略
機電一體化為自動(dòng)化領(lǐng)域發(fā)展創(chuàng )造了良好契機，而智能控制技術(shù)又為機電一體化提供了有力支持，故兩者的融合發(fā)展則為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展打下了堅實(shí)基礎，故探討機電一體化中的智能控制策略十分必要，下面就其加以重點(diǎn)分析。
2.1.將智能控制應用于電力電子領(lǐng)域
在電力電子領(lǐng)域中引入智能控制技術(shù)，既有利于優(yōu)化電子器件設計，也有助于節約設備運營(yíng)成本，其中在電流控制技術(shù)中的應用最具代表性。
如涵蓋發(fā)電機、電動(dòng)機、變壓器等在內的電機電器設備，無(wú)論是規劃設計、投運生產(chǎn)，還是運行控制、日常管理，都具有較強的復雜性，若引入智能控制技術(shù)，可基于遺傳算法對設備進(jìn)行設計優(yōu)化，可大大節約計算時(shí)間和成本費用，并確保設計方案科學(xué)先進(jìn)、經(jīng)濟合理，同時(shí)運用模糊專(zhuān)家和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，可基于電子設備運行狀態(tài)實(shí)時(shí)信息對設備故障進(jìn)行快速診斷和控制，進(jìn)而降低故障影響，確保系統運行安全穩定。
2.2.將智能控制應用于機械制造領(lǐng)域
機械制造是機電一體化系統的重要構成，故其采用智能控制技術(shù)也是必然選擇，如此一來(lái)，其便可以通過(guò)改善機械設備的故障自我診斷能力，以提高工作效率和質(zhì)量。
具體的講，就是依托于計算機、信息等技術(shù)工具，動(dòng)態(tài)模擬制造過(guò)程，此時(shí)可借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )、模糊數學(xué)等智能理論經(jīng)傳感器對采集的信息進(jìn)行預處理，結合Then-If逆向推理用于優(yōu)化控制參數和模式，針對殘缺不全的數據信息，可基于模糊理論借助外環(huán)決策制定合理的控制動(dòng)作，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統便可憑借較強的學(xué)習功能對其加以科學(xué)處理，進(jìn)而提高機械制造控制活動(dòng)的效率和精度[2]。
目前監控、預報、故障診斷、自我維護以及機械操作、控制與管理的集成是機械制造智能控制的研究熱點(diǎn)。
2.3.將智能控制應用于工業(yè)生產(chǎn)工程
將智能控制應用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理中也有其自身的意義所在，那便是有效解決傳統控制模式的復雜問(wèn)題，確保工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程有序開(kāi)展，但其應用一般分為局限級和全局級。
其中智能控制的局限級側重的是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )和專(zhuān)家兩類(lèi)控制器的智能控制，通常限于為工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中局部單元的控制器進(jìn)行調整和控制，如參數整定、自適應調整、處理復雜的控制問(wèn)題等[3];而全局級則是相對于整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程而言的，主要用于處理操作異常、診斷控制過(guò)程存在的故障等，以便于提高操作工藝的效率和質(zhì)量。
2.4.將智能控制應用于數控相關(guān)領(lǐng)域
信息技術(shù)在蓬勃發(fā)展的同時(shí)，也推進(jìn)了數控領(lǐng)域與智能控制的相互融合，因為機電一體化的持續發(fā)展需要更高水平的數控技術(shù)為基礎，而引入智能控制技術(shù)可進(jìn)一步為其提供重要保障。
如在模具制造、機械加工等數控技術(shù)領(lǐng)域中，加工環(huán)境的感知、網(wǎng)絡(luò )通信制造的實(shí)現、加工運動(dòng)的推理等相關(guān)能力是對數控技術(shù)的高新要求，而融入智能控制技術(shù)，可使其智能編程、監控、數據庫構建等目標變?yōu)楝F實(shí)，其中借助模糊控制處理模糊問(wèn)題用于優(yōu)化機械的加工過(guò)程，以及借助專(zhuān)家系統可用于解決不明確的結構問(wèn)題等已初見(jiàn)成效。
2.5.將智能控制應用于機器人系統
機器人是一個(gè)充滿(mǎn)不確定性、非線(xiàn)性且十分復雜的系統，這顯然與智能控制特點(diǎn)相符，故將其應用于機器人領(lǐng)域利于其自身優(yōu)勢的彰顯，但從某種意義上說(shuō)，機器人更是驗證智能控制技術(shù)是否可行的試金石[4]。
其應用主要體現為：機器人軌跡規劃的智能控制策略主要采用了專(zhuān)家系統、模糊系統和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統，用于控制其傳感信息的融合、視覺(jué)處理、手臂姿態(tài)、主要動(dòng)作等，其中在環(huán)境建模、自我定位、監控檢測等方面已得到驗證，日后的研究重點(diǎn)在于使其速度、位置、等狀態(tài)變量趨于理想軌跡。
3.機電一體化中智能控制的發(fā)展趨勢
由上可知，專(zhuān)家系統、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )等智能控制技術(shù)的應用在機電一體化自身性能的完善、工作效率以及安全可靠程度的提高中發(fā)揮了不容忽視的效用，這是毋庸置疑的。
但是在科技力量的推動(dòng)下，機電一體化會(huì )不斷進(jìn)步和發(fā)展，到時(shí)其面臨的環(huán)境會(huì )隨之復雜，遇到的問(wèn)題也會(huì )更多，若智能控制技術(shù)停滯不前。
必將會(huì )慘遭淘汰，制約機電一體化的順利發(fā)展，這就要求我們切實(shí)做好下述工作。
3.1.探索更為科學(xué)的理論框架
現行的智能控制技術(shù)還存在亟待解決的難題，如局部與整體的隔開(kāi)、微觀(guān)與宏觀(guān)的分離、應用與理論的脫節等，可見(jiàn)人工智能控制研究所面臨的實(shí)際困難遠遠大于預期設想，因此我們應積極探索更新的理論架構，如規范描述控制知識和系統的標準，系統、完整的研究智能控制的動(dòng)態(tài)性、魯棒性、穩定性等，以此為大力發(fā)展智能控制技術(shù)奠定有力基礎[5]。
3.2.尋求更為廣闊的發(fā)展空間
智能控制技術(shù)若要取得質(zhì)的突破，就必須找到技術(shù)集成的新方法和新途徑，除了結合信息、控制、系統等理論外，還應進(jìn)一步加大與計算機圖形學(xué)、過(guò)程控制、認知科學(xué)、并行處理、機器人學(xué)等知識的融合力度，唯有如此，才會(huì )擁有更高的應用價(jià)值;在此基礎上，研發(fā)更加完備、成熟、高效的應用方法，其中軟件系統尤為關(guān)鍵，要求其可以科學(xué)合理的描述不同的控制過(guò)程，設計的程序語(yǔ)言既通用又具有獨立的任務(wù)等，而應用方法則要注重強化對環(huán)境和傳感信息的解釋性能，改善模塊轉換、信息識別和處理能力，提高控制的實(shí)時(shí)性和運行的高效性等。
結束語(yǔ)：
總之，智能控制在機電一體化中的應用有效解決了機械自動(dòng)化運行這一傳統模式的缺陷和問(wèn)題，促使控制水平、性能、效率均有顯著(zhù)提高。
雖然如此，其依然具有較大的提升空間，這就要求我們基于不斷的創(chuàng )新和實(shí)踐，積極尋求更為有效的智能控制技術(shù)和方法，以期使其性能更可靠、應用更廣泛，進(jìn)而為機電一體化健康發(fā)展提供有力支持。
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智能控制在機電一體化系統中的應用【2】
摘要：在討論機電一體化和智能控制概念與作用的基礎上，重點(diǎn)討論了智能控制在機電一體化系統中的應用。
關(guān)鍵詞：智能控制;機電一體化系統
1機電一體化概述
隨著(zhù)微電子技術(shù)逐漸滲入到機械工程中，導致機械工程與微電子技術(shù)有機結合，從而形成一個(gè)新概念—機電一體化。
機電一體化是一門(mén)新興交叉學(xué)科，它把自動(dòng)控制技術(shù)、計算機技術(shù)、電子技術(shù)及機械技術(shù)有效融為一體，促使設計人員從系統的角度出發(fā)，采用現代方法發(fā)現問(wèn)題、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題。
2智能控制
2.1智能控制概念及作用
智能控制系統是指能夠模擬人工智能或具有人工智能的系統。
智能控制系統是一個(gè)知識處理系統，可以分為兩部分：智能控制器和外部環(huán)境。
如圖1所示為智能控制系統的結構示意圖。
智能控制通過(guò)分析歸納廣義被控對象的各類(lèi)固有知識和信息，并對這些知識和信息進(jìn)行處理，使系統處于最優(yōu)狀態(tài)。
2.2智能控制的特點(diǎn)
智能控制理論源于傳統控制理論，但又不同于傳統控制理論，傳統控制理論只是智能控制理論的一部分。
傳統控制理論研究的是被控對象，而智能控制研究的是控制器本身，并且該控制器的模型為知識系統和數學(xué)模型相結合的廣義模型。
相比于其他控制理論與方法，智能控制具有以下特點(diǎn)。
1)智能控制可以模擬工人智能，模擬人的學(xué)習能力、對知識的運用能力和對問(wèn)題的推理和求解能力。
2)高層控制是智能控制的核心，智能系統能從全局出發(fā)，求解廣義問(wèn)題和控制復雜系統。
3)智能控制系統不僅具有變結構的特點(diǎn)，還具有自學(xué)習、自適應、判斷決策和較高的容錯能力，從而促使系統處于最優(yōu)
狀態(tài)。
4)智能控制系統具有補償能力。
5)智能控制遵循“智能遞增，精度遞降”的基本原理，具有較高的安全性和可靠性。
3智能控制在機電一體化系統中的應用
3.1智能控制在機器人領(lǐng)域的應用
在控制參數方面，機器人要求控制參數是多變的;在動(dòng)力學(xué)方面，機器人具有時(shí)變性、非線(xiàn)性和強耦合的要求;在傳感器信息方面，機器人具有多信息要求;在控制任務(wù)方面，機器人具有多任務(wù)的要求。
分析機器人和智能控制的特點(diǎn)可以發(fā)現，智能控制非常適合應用于機器人領(lǐng)域。
如今，在機器人領(lǐng)域的很多方面都應用了智能控制技術(shù)。
例如，利用智能控制技術(shù)可以有效控制機器人手臂的動(dòng)作、姿態(tài);利用多傳感器信息融合技術(shù)、信息處理技術(shù)和控制技術(shù)對機器人的行走路徑、停留位置和躲避障礙物等動(dòng)作進(jìn)行控制。
隨著(zhù)智能控制方法的不斷發(fā)展，它們的實(shí)用性、可靠性和優(yōu)越性已經(jīng)在很多應用系統中得到證明。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )控制具有很強的魯棒性和容錯功能，通過(guò)利用神經(jīng)元之間的聯(lián)結和權值的分布表示特定的信息，并對各傳感器接受到的信息進(jìn)行處理，最后以直接自校正控制等方式對機器人進(jìn)行控制;模糊控制具有很強的魯棒性，建立在模糊集合、模糊推理和模糊語(yǔ)言變量的基礎之上。
模糊控制廣泛應用于機器人的建模、控制等很多方面。
模糊控制首先對被控對進(jìn)行建模，在同時(shí)考慮控制規則和模糊變量的隸屬度函數的基礎上，利用模糊控制器，對機器人機械控制;在設計與規劃機器人路徑的時(shí)候主要用到免疫算法，再結合遺傳算法和進(jìn)化算法，可以對控制程序和控制技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
3.2智能控制在數控領(lǐng)域的應用
智能化是當今數控系統的一個(gè)發(fā)展趨勢，隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對加工質(zhì)量提出了更高的要求，尤其是在數控領(lǐng)域應用智能控制成為人們越來(lái)越迫切的要求，如對制造網(wǎng)絡(luò )通行能力、加工運動(dòng)的模擬、推理和決策能力、智能編程、智能監控、自尋優(yōu)等功能的要求。
數控系統中的某些模塊通過(guò)數學(xué)建模及傳統的控制方法可以實(shí)現，但是數控系統中的很多環(huán)節因為缺乏準確的信息，無(wú)法通過(guò)數學(xué)建模和傳統的控制方法實(shí)現，這時(shí)就需要通過(guò)智能控制方法和理論實(shí)現。
利用模糊推理對數控機床進(jìn)行故障診斷，利用模糊控制優(yōu)化加工過(guò)程，利用模糊集合理論對某些控制參數進(jìn)行調整;利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以實(shí)現插補計算、故障診斷;利用專(zhuān)家系統可以實(shí)現對某些難以確定算法或結構不明確的情況進(jìn)行推理計算。
另外，利用專(zhuān)家系統對多個(gè)數控機床維修專(zhuān)家的經(jīng)驗進(jìn)行綜合，并收集現場(chǎng)故障信息，再根據合理的推理規則，結合故障情況提出相應的維修意見(jiàn)。
3.3智能控制在交流伺服系統中的應用
伺服系統是機電一體化典型產(chǎn)品的重要組成部分，它屬于一種轉換裝置，通過(guò)轉換電信號以實(shí)現機械操作。
交流伺服系統非常復雜，由于存在強耦合、負載擾動(dòng)、參數時(shí)變等諸多不確定因素，所以不可能建立起精確的數學(xué)模型，只能建立起與實(shí)際情況相近的模型，該模型難以滿(mǎn)足某些廠(chǎng)家對系統高性能指標的要求。
如果能引入智能控制系統，交流伺服系統將不再需要精確的控制器參數和數學(xué)模型就能使系統具有較高的性能指標。
3.4智能控制在機械制造中的應用
隨著(zhù)計算機技術(shù)、智能控制技術(shù)和傳統機械理論的有效結合和制造機電一體化系統的飛速發(fā)展，機械制造技術(shù)不斷向著(zhù)智能化方向發(fā)展。
機械制造系統利用智能控制技術(shù)，模擬機械制造專(zhuān)家的智能活動(dòng)，從而提高制造機電一體化的技術(shù)水平。
要在機械制造中實(shí)現智能控制，首先必須結合機械制造特點(diǎn)不斷發(fā)展與完善智能控制理論、技術(shù)和方法;其次，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的學(xué)習功能和對信息的處理功能，對零部件的加工信息進(jìn)行處理;最后，利用控制技術(shù)控制機電一體化系統加工機械零部件。
4總結
智能控制是機電一體化發(fā)展的必然趨勢，控制水平的高低直接影響機電一體化系統的運行質(zhì)量。
智能控制相對于傳統控制具有明顯的優(yōu)越性，目前為止，智能控制已經(jīng)在機電一體化中得到廣泛應用，但仍有很大的發(fā)展空間。
因此，為了實(shí)現機電一體化系統的高度智能化，我們仍需不斷努力與探索。
參考文獻
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