楊正英

摘要：在當(dāng)前我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度不斷加快的宏觀背景下，各行業(yè)領(lǐng)域中計(jì)算機(jī)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也更為深入，智能控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并在各行業(yè)領(lǐng)域發(fā)展中扮演著越來(lái)越重要的作用。雖然我國(guó)有關(guān)機(jī)電一體化系統(tǒng)的研究與起步較晚，但其發(fā)展速度是非?？捎^的。并且，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步，智能控制技術(shù)與機(jī)電一體化系統(tǒng)的融合關(guān)系也更加緊密，機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展完善也有了更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。本文即圍繞智能控制在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題展開分析與研究，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

關(guān)鍵詞：機(jī)電一體化；智能控制；應(yīng)用

當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速成長(zhǎng)的背景下，以微電子技術(shù)以及超大規(guī)模集成電路技術(shù)為代表的電子科學(xué)技術(shù)得到了非常顯著的進(jìn)步，機(jī)電一體化技術(shù)也進(jìn)一步成熟，在工業(yè)等各行業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用廣泛，有關(guān)機(jī)電一體化控制效果的要求也相應(yīng)的更為具體。由于多數(shù)工業(yè)對(duì)象以及工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程均具有時(shí)變性、非線性、層次性、多因素性、以及變結(jié)構(gòu)性等不確定性特點(diǎn)，因此在對(duì)象控制的過(guò)程中難以建立精確可靠的數(shù)學(xué)模型，雖然一些復(fù)雜對(duì)象數(shù)學(xué)模型的導(dǎo)出已經(jīng)變得可行，但由于模型算法復(fù)雜且不利于設(shè)計(jì)，因而在實(shí)際控制中效果難以得到保障。近年來(lái)，隨著智能化控制技術(shù)的發(fā)展與完善，有關(guān)智能控制技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用也成為了業(yè)內(nèi)人士研究的重點(diǎn)，智能控制技術(shù)的重要性已經(jīng)不單單體現(xiàn)在智能機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用，更在整個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)中扮演著非常重要的角色。

1 機(jī)電一體化系統(tǒng)概述

機(jī)電一體化即宏觀意義上的機(jī)械電子學(xué)，是多種機(jī)械電子技能綜合較差的學(xué)科，是對(duì)各行業(yè)領(lǐng)域所涉及到機(jī)電技術(shù)的歸納與整合，本學(xué)科所涉及到的技術(shù)包括信息技能、微電子技能、機(jī)械技能、信息改換技能、傳感器技能以及電工電子技能等在內(nèi)。

具體而言，機(jī)電一體化系統(tǒng)的主要特點(diǎn)可以歸納為以下三個(gè)方面：（1）綜合性。機(jī)電一體化系統(tǒng)的核心理論為信息理論、系統(tǒng)理論以及控制理論，基于上述核心理論所構(gòu)成的復(fù)合型技術(shù)即機(jī)電一體化系統(tǒng)。本系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)的功能包括控制、檢測(cè)、管理以及機(jī)械等在內(nèi)。具體而言，機(jī)電一體化系統(tǒng)綜合了對(duì)機(jī)械技術(shù)以及微處理技術(shù)的應(yīng)用；（2）智能性。隨著機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展與完善，機(jī)械處理的表象發(fā)生了非常巨大的改變。借助于微處理技術(shù)的應(yīng)用，系統(tǒng)傳統(tǒng)控制方式發(fā)生轉(zhuǎn)變，控制精度明顯提升。作為機(jī)電一體化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)成部分，儀表以及傳感器等關(guān)鍵裝置系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與調(diào)整均在很大程度上與機(jī)電一體化系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用密切相關(guān)。通過(guò)機(jī)電一體化系統(tǒng)所配置傳感器以及信號(hào)發(fā)射裝置對(duì)數(shù)據(jù)信息的采集，在智能化技術(shù)輔助下將數(shù)據(jù)反饋至中央處理器單元，從而支持機(jī)電一體化系統(tǒng)中一系列控制功能的實(shí)現(xiàn)；（3）完整性。機(jī)電一體化系統(tǒng)的構(gòu)成部件包括微處理器、傳感器、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行構(gòu)件以及動(dòng)力系統(tǒng)等，在改進(jìn)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)之上，機(jī)電一體化系統(tǒng)將微處理技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及智能測(cè)量技術(shù)等智能化技術(shù)引入其中，以一套完善機(jī)械化系統(tǒng)的方式面向各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域提供優(yōu)質(zhì)的機(jī)電功能支持。

2 智能控制技術(shù)概述

智能控制，主要是指通過(guò)依賴計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)等在非線性控制方面開展的智能化、自動(dòng)化、無(wú)人化控制，智能控制是機(jī)電一體化系統(tǒng)的重要組成部分之一，由于智能控制性能的優(yōu)異性使得智能控制越來(lái)越受到人們的青睞。機(jī)電一體化系統(tǒng)中智能化控制的應(yīng)用日益廣泛。機(jī)電一體化系統(tǒng)中智能化控制的應(yīng)用極大的降低了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)生產(chǎn)成本，提升了生產(chǎn)、管理、控制過(guò)程中的經(jīng)濟(jì)收益。

智能控制以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等學(xué)科為基礎(chǔ)，擴(kuò)展了相關(guān)的理論和技術(shù)，形成了許多智能控制理論和方法，主要有：①專家控制；②模糊控制；③神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制；④分級(jí)遞階智能控制；⑤集成智能控制，即將幾種智能控制方法或機(jī)理融合在一起而構(gòu)成的智能控制方法；⑥組合智能控制方法，即將智能控制和傳統(tǒng)控制有機(jī)地結(jié)合起來(lái)而形成的控制方法；⑦混沌控制；⑧小波理論；⑨進(jìn)化計(jì)算與遺傳算法。

智能化是機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展過(guò)程中的必然方向與趨勢(shì)之一。甚至可以說(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)的整體質(zhì)量將在很大程度上受到智能控制系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響。目前，智能控制研究領(lǐng)域中的專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制系統(tǒng)以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等相關(guān)技術(shù)均在機(jī)電一體化系統(tǒng)領(lǐng)域中發(fā)揮著非常重要的應(yīng)用價(jià)值，相互獨(dú)立但同時(shí)也彼此影響，共同促進(jìn)著機(jī)電一體化系統(tǒng)性能的改善與提升。

3 智能控制技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在數(shù)控領(lǐng)域中的應(yīng)用

當(dāng)前技術(shù)條件下，數(shù)控系統(tǒng)不單單需要具備速度高、精度高、可靠性高的性能特點(diǎn)，還應(yīng)當(dāng)兼具更為完善的智能化功能，如知識(shí)處理能力（對(duì)智能化行為進(jìn)行模擬、延伸以及擴(kuò)展的能力）、感知能力（對(duì)加工運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、推理、決策以及加工環(huán)境的感知能力）、自適應(yīng)能力、制造網(wǎng)絡(luò)通信能力等在內(nèi)。在數(shù)控系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的一系列功能模塊中，部分模塊可以通過(guò)導(dǎo)入數(shù)學(xué)模型的方式，在經(jīng)典控制理論輔助下實(shí)現(xiàn)控制，但也有一些環(huán)節(jié)模塊無(wú)法建立精確的數(shù)學(xué)模型，所獲取的數(shù)據(jù)信息為模糊信息，常規(guī)控制理論無(wú)法達(dá)到滿意效果，此時(shí)就需要通過(guò)引入智能化技術(shù)的方式解決上述模塊的功能化實(shí)現(xiàn)。

以數(shù)控機(jī)床故障診斷為例，該功能可以依賴于模糊推理規(guī)則實(shí)現(xiàn)，引入模糊集合理論對(duì)數(shù)控系統(tǒng)中部分參數(shù)進(jìn)行模糊調(diào)節(jié)與整定，并在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)干預(yù)下實(shí)現(xiàn)故障診斷功能。而在數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)計(jì)算功能的過(guò)程中，該模塊作為數(shù)控機(jī)床的核心模塊，可依據(jù)機(jī)床被技工零件的外觀輪廓以及起終點(diǎn)、速度等基礎(chǔ)信息，將中間點(diǎn)插入起終點(diǎn)之間，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)的密化處理。在這一功能實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，可借助于智能化控制技術(shù)的自適應(yīng)特征，引入自適應(yīng)性神經(jīng)元單位來(lái)滿足數(shù)控系統(tǒng)位置環(huán)軟件增益的調(diào)節(jié)與控制。除此以外，作為具有極強(qiáng)復(fù)雜函數(shù)逼近能力的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)控機(jī)床維修專家經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)化整合，且對(duì)結(jié)構(gòu)或算法不明確的知識(shí)推理問(wèn)題有良好的適應(yīng)性。在綜合維修經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上，根據(jù)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理規(guī)則以及數(shù)控機(jī)床運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)故障信息，獲得機(jī)床維修的關(guān)鍵意見。在這一過(guò)程中，還可將前饋控制、學(xué)習(xí)控制、以及自適應(yīng)控制等智能化技術(shù)的綜合應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床故障診斷實(shí)踐中，如結(jié)合數(shù)控加工實(shí)際需求，將故障診斷專家系統(tǒng)、刀具自動(dòng)管理系統(tǒng)、數(shù)控編程專家系統(tǒng)、加工參數(shù)自動(dòng)設(shè)定系統(tǒng)等共同引入數(shù)控機(jī)床內(nèi)，形成基于自適應(yīng)性的調(diào)節(jié)系統(tǒng)，并基于遺傳進(jìn)化算法，根據(jù)待加工工件實(shí)際參數(shù)計(jì)算最優(yōu)加工路徑。當(dāng)數(shù)控機(jī)床處于高速加工狀態(tài)下時(shí)，將預(yù)測(cè)預(yù)算、動(dòng)態(tài)前饋等功能引入綜合運(yùn)動(dòng)控制模塊，并模糊控制加工速度、位置、溫度、以及壓力等參數(shù)，提升數(shù)控系統(tǒng)控制性能。

3.2 在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

從動(dòng)力學(xué)角度上來(lái)說(shuō)，機(jī)器人具有時(shí)變性、非線性性、強(qiáng)耦合性等特征，控制參數(shù)呈現(xiàn)多變量特點(diǎn)，傳感器信息呈現(xiàn)多樣化特點(diǎn)，控制任務(wù)呈現(xiàn)出多類型特點(diǎn)，這些特點(diǎn)對(duì)于智能控制應(yīng)用而言的適應(yīng)性是非常高的。目前，智能控制技術(shù)已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域的多個(gè)方面發(fā)揮應(yīng)用價(jià)值，例如機(jī)器人多傳感器信息融合。視覺處理、移動(dòng)機(jī)器人行走路徑規(guī)劃、定位、運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤、行走期間障礙自主規(guī)避、機(jī)器人手臂動(dòng)作規(guī)劃等等功能的實(shí)現(xiàn)均與智能控制技術(shù)的應(yīng)用存在密切關(guān)系。在人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、以及模糊控制等智能化技術(shù)的輔助下對(duì)機(jī)器人進(jìn)行精準(zhǔn)定位、環(huán)境建模、規(guī)劃、檢測(cè)以及控制的研究已經(jīng)日趨成熟，并在大量實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中得到了證實(shí)。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力以及自主學(xué)習(xí)能力是毋庸置疑的，這對(duì)于機(jī)器人動(dòng)力學(xué)的發(fā)展完善是非常有利的，尤其是在多自由度機(jī)器人手臂現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)控制中發(fā)揮著非常重要的應(yīng)用價(jià)值。在機(jī)器人手臂現(xiàn)場(chǎng)學(xué)習(xí)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以融合各個(gè)傳感器所采集信息，系統(tǒng)魯棒性以及容錯(cuò)性強(qiáng)，根據(jù)對(duì)采集參數(shù)的融合學(xué)習(xí)，能夠使機(jī)器人手臂作用力、位置、以及模糊補(bǔ)償控制均更加精確與可靠。除此以外，在移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)路徑的規(guī)劃中，遺傳免疫算法也有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，還能夠使機(jī)器人系統(tǒng)編程以及控制技術(shù)得到進(jìn)一步的優(yōu)化。在此基礎(chǔ)之上，機(jī)器人系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域中還積極嘗試將多種智能控制技術(shù)或方法結(jié)合起來(lái)，形成集成化的智能控制系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)控制技術(shù)功能優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，以促進(jìn)智能控制系統(tǒng)整體適應(yīng)性能以及魯棒性的提升。例如，將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊控制技術(shù)相結(jié)合，發(fā)揮前者在自主學(xué)習(xí)方面的優(yōu)勢(shì)以及模糊控制環(huán)節(jié)訓(xùn)練的功能；將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模糊控制思維推理功能與神經(jīng)元連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意性相結(jié)合，彌補(bǔ)兩者的性能局限；將模糊控制與變結(jié)構(gòu)控制相融合；將模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合等等，使智能技術(shù)能夠協(xié)助機(jī)器人完成復(fù)雜環(huán)境下探索、通信、合作等在內(nèi)的一系列功能。

3.3 在機(jī)械制造領(lǐng)域中的應(yīng)用

將機(jī)電一體化系統(tǒng)相關(guān)智能技術(shù)與機(jī)械制造各個(gè)工作環(huán)節(jié)相結(jié)合能夠明顯改善整個(gè)機(jī)械制造行業(yè)的智能化的的水平，通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)人腦進(jìn)行仿真模擬，替代傳統(tǒng)機(jī)械制造流程中部分依賴于人腦的工作，大大降低了機(jī)械制造過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)作業(yè)人員的勞動(dòng)壓力，將工作注意力轉(zhuǎn)移至其他環(huán)節(jié)中。同時(shí)，依賴于計(jì)算機(jī)智能化控制技術(shù)工作方式還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)人工作業(yè)誤差的有效控制，改善機(jī)械制造生產(chǎn)的精度水平。除此以外，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還能夠?yàn)闄C(jī)械制造過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的生產(chǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)性且動(dòng)態(tài)性的監(jiān)督，中央處理器在接收來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)傳感器所采集各類參數(shù)信息的基礎(chǔ)之上對(duì)控制模式中的關(guān)鍵信息進(jìn)行實(shí)時(shí)性調(diào)整與修改，以支持機(jī)械制造生產(chǎn)控制模式智能化以及實(shí)時(shí)性的轉(zhuǎn)變。從這一角度上來(lái)說(shuō)，機(jī)電一體化系統(tǒng)中智能控制在機(jī)械制造領(lǐng)域中的硬裝，主要是機(jī)械制造系統(tǒng)的智能檢測(cè)和監(jiān)測(cè)、故障的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.4 在交流伺服領(lǐng)域中的應(yīng)用

交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)作為機(jī)電一體化系統(tǒng)中非常重要的構(gòu)成部分之一，可以將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械動(dòng)作，是非常關(guān)鍵的轉(zhuǎn)換裝置之一。機(jī)電一體化系統(tǒng)中交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能枝江將在很大程度上影響系統(tǒng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前電力電子技術(shù)發(fā)展速度不斷提升，矢量控制技術(shù)日趨完善的背景下，交流調(diào)速系統(tǒng)性能更加完善，交流伺服系統(tǒng)所呈現(xiàn)出的參數(shù)時(shí)變、負(fù)載擾動(dòng)特性更加突出，加之交流調(diào)速系統(tǒng)中交流電動(dòng)機(jī)自身以及被控制對(duì)象均表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的強(qiáng)耦合性以及非線性特征，因而構(gòu)建數(shù)學(xué)模型的難度是非常大的，參考傳統(tǒng)控制模式所給出的近似模型無(wú)法獲得準(zhǔn)確的PID參數(shù)，對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)的要求無(wú)法滿足。因而，可以嘗試將智能控制技術(shù)引入機(jī)電一體化系統(tǒng)交流伺服領(lǐng)域中，將控制理論結(jié)合并逼近期望目標(biāo)，，以獲得更為理想的性能指標(biāo)。

智能控制技術(shù)與常規(guī)P}控制相結(jié)合形成智能PID設(shè)計(jì)思想是將人工智能以非線性控制方式引入到控制器中，使系統(tǒng)在任何運(yùn)行狀態(tài)下均能得到比傳統(tǒng)PID控制更好的控制性能，具有不依賴系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型和控制器參數(shù)在線自動(dòng)調(diào)整等特點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化具有較好的適應(yīng)性。單獨(dú)采用模糊控制算法，可以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度和靜態(tài)性能，也具有較好的抗干擾能力，但存在“抖振”問(wèn)題，在自組織、自學(xué)習(xí)能力上也有欠缺利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在線調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差和誤差變化率，改善對(duì)模糊控制器輸出影響程度，調(diào)節(jié)模糊控制，可以極大地改善模糊控制的效果，使模糊控制器具有自適應(yīng)、自組織且又保留其魯棒性因此，其位置環(huán)可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則自校正模糊控制器構(gòu)成位置調(diào)節(jié)器針對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)，采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器作為其位置調(diào)節(jié)器，結(jié)合遺傳算法的快速搜索功能，使系統(tǒng)定位準(zhǔn)確、快速，與常規(guī)的PID控制模式相比，具有良好的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)性能以及較強(qiáng)的魯棒性在大型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制器當(dāng)中，將變結(jié)構(gòu)附加勵(lì)磁控制器中加入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)控制時(shí)刻及前兩個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)變量。在此基礎(chǔ)之上，通過(guò)變結(jié)構(gòu)控制與模糊控制的結(jié)合，模糊化傳統(tǒng)邊界層，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)具有模糊化特征的開關(guān)曲面，以減弱功能控制中存在的“抖振”問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷更新與進(jìn)步，智能控制技術(shù)與機(jī)電一體化系統(tǒng)的融合關(guān)系也更加緊密，機(jī)電一體化系統(tǒng)的發(fā)展完善也有了更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。本文即圍繞智能控制在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用問(wèn)題展開分析與研究，首先闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)的基本概念以及在綜合性、智能性以及完整性方面的特點(diǎn)，然后對(duì)智能控制技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，最后分別從數(shù)控領(lǐng)域、機(jī)器人領(lǐng)域、機(jī)械制造領(lǐng)域、以及交流伺服領(lǐng)域中智能控制技術(shù)的應(yīng)用入手展開分析，驗(yàn)證了智能控制技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中所發(fā)揮的重要作用，望能夠引起業(yè)內(nèi)人士的關(guān)注與重視。

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