智能控制在機電一體化中的應用

丁銳

摘 要：隨著信息化時代的到來、人工智能技術的飛速發展，機電一體化的智能化控制也逐漸成為該領域的主要發展方向。而智能控制與機電一體化之間的關系是怎么樣的，智能控制如何在機電一體化中發揮作用的，機電一體化又是如何推動智能控制的發展，未來智能控制和機電一體化又是如何為人類生活服務，這些都是我們需要探討和解決的問題。本文將從基礎概念出發，對智能控制在機電一體化中的應用及其前景進行分析，希望可以對其發展做出貢獻。

關鍵詞：智能控制;機電一體化;應用

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）19-0041-02

0 引言

在我國現代化的歷程中，機電一體化系統發揮了不可或缺的重要作用。隨著我國科學技術水平的不斷提高，市場經濟的蓬勃發展，在傳統控制理論下的機電一體化系統面臨著成本大、效率低等問題，人工智能的發展則為解決這些問題提供了一個新的方向。智能控制在機電一體化中的應用，將促進機電一體化系統的又一次飛躍發展，對解決機電一體化相關建造面臨的實際問題有著顯著的作用。

1 智能控制的概述

1.1 智能控制的概念

智能控制是在無需人為操作的前提下，根據周圍環境及自身狀態自主地驅動相關智能機械并完成既定任務的技術，是人工智能與自動控制的交叉領域。智能控制系統以控制理論、計算機科學、人工智能、運籌學等理論科學為基礎，具備著強大的綜合信息處理能力，能夠運用多種理論和技術對信息進行智能化的處理、反饋和決策[1]。用于解決傳統控制難以應付的復雜的問題，其控制對象往往具有高度的非線性，面臨的任務的要求也比較復雜。

1.2 目前智能控制的主要形式

智能控制主要有三種控制形式，即分級控制、專家控制和神經網絡控制[2]。

分級控制系統：也稱分層控制或等級控制，該系統以自組織控制和自適用控制為前提，將控制中心分解成多層次、多等級的控制體系，主要涉及組織級、協調級和執行級，同系統內的各級管理層次相互呼應，也有自己的獨立作用。分級控制綜合了集中控制和分散控制的優點，其指令由上級到下級逐漸詳細，信息反饋由上級到下級逐漸精煉，各層次間存在隸屬關系，各層次職責分明，分工明確。各子系統又具有各自獨立的控制能力和條件，從而使對子系統的管理實施獨自處理成為可能。在整個管理系統的若干層次中，上一級控制層次對下一級各子系統的活動給予指導性、導向型的間接控制。

專家控制系統：是工程控制論和專家系統相結合的產物，主要指一個智能計算機的程序系統，其內部包含大量某領域專家水平的知識和經驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的經驗來處理該領域較高水平的難題。該控制系統的主要優勢在層次結構上，控制方法和知識表達上有靈活性、啟發性和透明性，可以使符號推理和數值計算結合，精確推理和模糊決策結合。專家控制系統不需要控制對象的數學模型，因此是目前解決具有不確定性的系統的有效方法之一。

神經網絡控制系統：是智能控制的一個新興分支，為解決復雜的非線性、不確定性系統的控制問題提供了新的途徑。神經網絡控制系統匯集了包含計算機科學、數學、生物學、腦科學、神經生理學、人工智能、自動控制的各學科的理論、技術、方法和研究成果，并且可以和控制理論相結合。但其相關理論研究尚不成熟，很多問題還需要做出進一步研究，仍處于發展階段。

2 淺析機電一體化

2.1 機電一體化系統的概念

機電一體化又稱機械電子工程，機電一體化技術是一門機械與微電機技術緊密結合的技術，但并非只是單純的機械技術與微電子技術的拼湊，還有機融合了包括機械技術、電工電子技術、接口技術、傳感測控技術等在內的多種技術[3]。機電一體化系統根據系統的功能目標要求，對各功能單元進行合理的配置和布局，從而在系統的功能強度和范圍、質量、精度、操作、可靠性和耗能等方面上發揮巨大的優勢。

2.2 機電一體化發展現狀

機電一體化的發展一般被分成三個主要階段[4]。

20世紀60年代之前為初級階段，也就是機電一體化發展的第一階段。這一時期，人們開始嘗試利用電子領域的初步成果完善機械產品的性能，研究和開發大多還處于自發狀態。而當時電子技術水平尚不成熟，與機械技術的結合還不能廣泛而深入的發展，已開發的也不能廣泛推廣。

20世紀80年代末期為機電一體化的第二階段，也稱為上升階段。這一時期，通信技術、計算機技術和控制技術的快速發展，大規模集成電路、微型計算機等技術的出現，為機電一體化的進一步發展提供了充分的技術和物質基礎。機電一體化相關的技術及產品在這一時期開始受到社會的關注和支持。

20世紀90年代后期，機電一體化迎來了發展的第三階段，智能化成為在此階段機電一體化發展的主要方向。同時光學、通信技術等技術的高速發展并應用在機電一體化中后，促使了光機電一體化等新興分支的產生。與此同時，機電一體化系統和學科體系的發展都得到了深入的研究，相關的建模、分析和集成等技術也得到了長足的發展。而人工智能、神經網絡等技術領域突破性的發展，也為機電一體化開辟了嶄新的廣闊的發展空間。這些研究，最終使機電一體化逐漸形成了較完整的學科體系。

在20世紀80年代初期，我國開始了對機電一體化技術的研究，并在后來把機電一體化技術的進一步發展納入了國家發展戰略中。不僅國家層面對機電一體化技術的發展表現出十足的重視，各高校、企業也對該技術展開了各種研究和嘗試應用，并取得了振奮人心的成果。在當前階段，機電一體化的發展已經成為我國綜合國力發展的強大動力。

2.3 機電一體化發展所面臨的問題

我國的機電一體化技術仍面臨著許多嚴峻的問題。隨著我國在工業化和現代化的方向上的不斷前進，制造業的水平不斷發展，對機電一體化的要求也愈來愈高，這就要求我國工業體系中的機電一體化設備和技術進一步更新完善，以應對產業結構的調整和升級。在我國目前的工業體系中，高耗能、耗水、環境污染嚴重的企業仍占很大比重，傳統工業體系又過于龐大，改造的任務量巨大。受經濟、技術等因素的限制，對企業、單位機電一體化改造的進度緩慢。而隨著機電一體化技術的成熟，現實中對機電一體化設備的要求愈來愈高，控制系統也變得日漸復雜，在傳統控制下的機電一體化系統只能解決具有精確數學模型、單一線性的對象，對機電一體化設備的生產效率產生了不可忽略的影響。

3 智能控制在機電一體化中的應用

3.1 智能控制在數控領域的應用

在當下，數控系統正面臨著越來越高的要求，不僅僅要求數控系統具有更高的性能，也要求其具有多樣化的智能功能。傳統的數學建模的控制方式只能解決其中部分的功能模塊，而還有許多功能環節難以建模，且信息也較為模糊，在這種情況下，智能控制技術中的模糊控制理論就能夠發揮出理想的作用[5]。利用模糊控制理論可以實現對數字控制系統的控制進行優化，還可以在數控機床運行故障的診斷工作中發揮作用，以確保數控機床的安全運轉。插補計算是數控系統中的核心模塊之一，BP人工神經網絡強大的函數逼近能力可以在數控系統的插補計算中發揮重要作用，BP神經網絡在其神經元的層數及各層節點數足夠的情況下，在理論上可以逼近任何復雜函數，從而實現數據點的充分密化。

3.2 智能控制在機器人領域的應用

智能控制在機器人技術的發展中起著舉足輕重的作用。機器人行動的任務目標往往具有復雜性、非線性、時變性等特點[6]。若想實現機器人真正意義上的智能化，就需機器人具備多樣化的傳感器信息、實時變化的控制系統參數，比如在搬運貨物的過程中，機器人要實現對視覺傳感器反饋的信息進行處理，然后做出識別障礙、調整動作姿態和路線的自主操作，智能控制還是機器人實現自學習、自調整與自適用的必要手段。

4 結語

智能化是目前機電一體化系統發展的主要方向之一，也是機電一體化與傳統機械技術的主要區別所在，可以說控制系統的在很大程度上決定了機電一體化系統的優劣。隨著信息科學、人工智能、計算機等技術的迅速發展，智能控制系統正逐步得到進一步的完善，必將在未來更好地服務人們的生活。

參考文獻

[1] 孫增圻.智能控制理論與技術[M].清華大學出版社，2011.

[2] 梁承豐，鄧陽秋.一種蔬菜溫室智能控制系統[J].模式識別與人工智能，1990（3）：1-7.

[3] 張鐘俊，蔡自興，等.智能控制與智能控制系統[J].信息與控制，1989，18（5）：30-39.

[4] 梁景凱，蓋玉先.機電一體化技術與系統[M].機械工業出版社，2007.

[5] 王學梅.機電一體化系統中的智能控制技術[J].科技與企業，2012（20）：112.

[6] 劉樣斌.智能控制在機電一體化系統中的應用[J].煤炭技術，2011，30（7）：52-54.