淺議機(jī)電一體化技術(shù)及智能控制的應(yīng)用

洪 瑋

（陜西省機(jī)械高級技工學(xué)校，陜西 漢中 723003）

機(jī)電一體化是機(jī)械、微電子、控制、計(jì)算機(jī)、信息處理等多學(xué)科的交叉融合，其發(fā)展和進(jìn)步有賴于相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，隨著微電子技術(shù)及超大規(guī)模的集成電路的發(fā)展，我國的機(jī)電一體化技術(shù)越來越成熟，在工農(nóng)業(yè)的發(fā)展中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。但在實(shí)際的生活中，很多機(jī)電一體化應(yīng)用的農(nóng)業(yè)與工業(yè)對象具有多層次、不確定性、非線性等特征，給機(jī)電一體化的發(fā)展帶來了很大的難題。智能控制系統(tǒng)的出現(xiàn)及應(yīng)用，為機(jī)電一體化的長遠(yuǎn)發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。因此，智能控制在機(jī)電一體化方面的應(yīng)用越來越受到人們的重視，對其進(jìn)行研究是當(dāng)前人們熱衷的一大課題。

1 關(guān)于機(jī)電一體化的概述

1.1 機(jī)電一體化的含義

機(jī)電一體化即結(jié)合應(yīng)用機(jī)械技術(shù)和電子技術(shù)于一體。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等交叉的系統(tǒng)技術(shù)，目前正向光機(jī)電一體化技術(shù)方向發(fā)展，應(yīng)用范圍愈來愈廣。

1.2 機(jī)電一體化的基本內(nèi)容與組成要素及原則

機(jī)電一體化的基本內(nèi)容包括以下幾項(xiàng)內(nèi)容：一是，計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)；二是，機(jī)械技術(shù)；三是，自動控制技術(shù)；四是，系統(tǒng)技術(shù)；五是，傳感檢測技術(shù)。

機(jī)電一體化的組成要素包括：一是，結(jié)構(gòu)組成要素；二是，動力組成要素；三是，運(yùn)動組成要素；四是，感知組成要素；五是，職能組成要素。

機(jī)電一體化的四大原則包括：一是，運(yùn)動傳遞；二是，能量轉(zhuǎn)換；三是，結(jié)構(gòu)耦合；四是，信息控制。

2 針對智能控制的探討

2.1 智能控制的含義

“智能控制”指的是在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動控制技術(shù)。控制理論發(fā)展至今已有100 多年的歷史，經(jīng)歷了“經(jīng)典控制理論”和“現(xiàn)代控制理論”的發(fā)展階段，現(xiàn)在已進(jìn)入“大系統(tǒng)理論”和“智能控制理論”階段。“機(jī)電一體化”是微電子技術(shù)向機(jī)械工業(yè)滲透過程中逐漸形成的一個新概念，是精密機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等各相關(guān)技術(shù)有機(jī)結(jié)合的一種新形勢。它是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)及信息技術(shù)相互交叉、融合的產(chǎn)物。

2.2 智能控制的特征

智能控制具有以下特征：一是智能控制的核心在高層控制；二是智能控制器具有非線性特性；三是智能控制具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；四是智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性；五是智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求；六是智能控制是一門邊緣交叉學(xué)科；七是智能控制是一個新興的研究領(lǐng)域。

2.3 智能控制的類型

智能控制系統(tǒng)具有一定的智能行為，它是用來解決工程上難以用數(shù)學(xué)方法精確描述的、復(fù)雜的、隨機(jī)的、模糊的、柔性的控制問題。這些問題的特點(diǎn)是非線性的，用普通的控制方法難以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前采取的智能控制系統(tǒng)如下所述：

1）分級控制系統(tǒng)

分級控制系統(tǒng)又稱為分級階梯控制系統(tǒng)，是由美國普渡大學(xué)提出的控制理論。它的理論是在自適應(yīng)控制和自組織控制的基礎(chǔ)上提出的理論。它主要由三個控制級組成，由高到低分為組織級、協(xié)調(diào)級、執(zhí)行級。

2）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是通過對內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別、認(rèn)知、調(diào)整后，利用對信號循環(huán)輸入和數(shù)據(jù)處理來保證良好的運(yùn)行效果。它是一個能在其運(yùn)行過程中逐步獲得受控過程及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，并在一定的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行估值、分類、決策和不斷改善的自動控制系統(tǒng)。

3）專家控制系統(tǒng)

專家控制系統(tǒng)是將人的經(jīng)驗(yàn)、知識、技能融合進(jìn)計(jì)算機(jī)的一種形式。在這個系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫含有摸個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗(yàn)，并且具有可以利用這些知識與經(jīng)驗(yàn)解決該領(lǐng)域的高水平難題的特點(diǎn)。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是指由大量與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞相類似的人工神經(jīng)元互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò)，或由大量像生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互聯(lián)而成。智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式主要運(yùn)用了神經(jīng)細(xì)胞、人工神經(jīng)元模式。智能控制與模仿真人是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要功能。

2.4 智能控制發(fā)展的趨勢

智能控制系統(tǒng)具有極強(qiáng)的學(xué)習(xí)功能、組織功能及適應(yīng)性功能，其在機(jī)電一體化方面的廣泛應(yīng)用是當(dāng)前智能控制的一大發(fā)展趨勢。模糊系統(tǒng)、遺傳算法、專家系統(tǒng)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是應(yīng)用在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的最常見的四種技術(shù)，它們之間存在著相互依存、相輔相成的關(guān)系。

3 智能控制在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 智能控制在機(jī)械制造過程中的應(yīng)用

機(jī)械制造是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，當(dāng)前最先進(jìn)的機(jī)械制造技術(shù)就是將智能控制技術(shù)與計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)有機(jī)結(jié)合，向智能機(jī)械制造技術(shù)的方向發(fā)展。其最終目標(biāo)是利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)取代一部分腦力勞動，從而模擬人類制造機(jī)械的活動。同時(shí)，智能控制技術(shù)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊系統(tǒng)計(jì)算的方法對機(jī)械制造的現(xiàn)狀進(jìn)行動態(tài)地模擬，通過傳感器融合技術(shù)將采集的信息進(jìn)行預(yù)處理，從而修改控制模式中的參數(shù)。在此過程中利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中的并行處理與學(xué)習(xí)功能將一些殘缺不全的信息進(jìn)行有效處理，利用模糊系統(tǒng)所特有的模糊關(guān)系與模糊集合等特征，可以將一些模糊的信息集合到閉環(huán)控制中的外環(huán)決策機(jī)構(gòu)來選取相應(yīng)的控制動作。智能控制在機(jī)械制造中的應(yīng)用領(lǐng)域包括：機(jī)械故障智能診斷、機(jī)械制造系統(tǒng)的智能監(jiān)控與檢測、智能傳感器及智能學(xué)習(xí)等。

3.2 智能控制在數(shù)控領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展對數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求，不僅需要完成很多的智能功能，還需要擴(kuò)展、模擬、延伸等新的智能功能，從而使得數(shù)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能編程、智能監(jiān)控、建立智能數(shù)據(jù)庫等目標(biāo)，運(yùn)用智能控制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)。

比如說，利用專家系統(tǒng)可以對數(shù)控領(lǐng)域中難以確定算法與結(jié)構(gòu)不明確的一些問題進(jìn)行綜合處理，再運(yùn)用推理規(guī)則將數(shù)控現(xiàn)場的一些數(shù)控故障信息進(jìn)行推理，從而獲得維修數(shù)控機(jī)械的一些指導(dǎo)性建議；利用模糊系統(tǒng)技術(shù)可以將數(shù)控機(jī)械的加工過程進(jìn)行優(yōu)化，對一些模糊的參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而更加清晰地發(fā)現(xiàn)數(shù)控機(jī)械出現(xiàn)的故障，并找出相應(yīng)的解決措施。

3.3 智能控制在建筑工程中的應(yīng)用

智能控制在建筑工程中的應(yīng)用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：一是智能控制在建筑物照明系統(tǒng)中的應(yīng)用，它主要通過通信與計(jì)算機(jī)控制的聯(lián)網(wǎng)，對每一個時(shí)段的照明系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要表現(xiàn)在對照明時(shí)間、照明系統(tǒng)的節(jié)能、照明邏輯方面的智能控制；二是對建筑物內(nèi)的空調(diào)進(jìn)行智能控制，通過比例積分調(diào)節(jié)器閉環(huán)的方式對空調(diào)在夏季與冬季使用時(shí)的模式進(jìn)行設(shè)置，可以智能地調(diào)節(jié)空調(diào)的風(fēng)閥，在確保建筑內(nèi)空氣質(zhì)量的同時(shí)，減少能量的浪費(fèi)。

4 結(jié)束語

智能控制系統(tǒng)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用是十分常見的。國內(nèi)外對于這一方面已有很深的研究，無論是在現(xiàn)代機(jī)械還是典型機(jī)械上。其控制方法相對于傳統(tǒng)控制方法更具柔性，有很大的優(yōu)勢。智能控制系統(tǒng)以微處理器為核心，在精密機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)和信息技術(shù)等領(lǐng)域更展現(xiàn)出了廣闊的前景。