基于智能控制的機電一體化技術(shù)應(yīng)用與展望

0 引言

在機電一體化設(shè)備中，合理應(yīng)用技術(shù)智能控制，除了能使生產(chǎn)過程的自動化程度得到進一步提升，還能使控制精度顯著增加，隨著智能控制水平的不斷提高，操作人員的勞動強度大幅度降低，能為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。因此，需加強基于智能控制的機電一體化技術(shù)應(yīng)用的研究力度。

1 機電一體化技術(shù)與智能控制

1.1 機電一體化技術(shù)

機電一體化是多種先進技術(shù)有機結(jié)合的產(chǎn)物，包括機械技術(shù)、微電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、接口技術(shù)及信息技術(shù)等，在各個領(lǐng)域中應(yīng)用的自動生產(chǎn)設(shè)備均可以歸入機電一體化設(shè)備的范疇，如數(shù)控機床、工業(yè)機器人等，是機電一體化的典型設(shè)備。機電一體化產(chǎn)品的特點體現(xiàn)在如下方面：功能增強，適用范圍更廣；工作精度大幅度提高；安全性和可靠性顯著提升；操作過程得以簡化。機電一體化技術(shù)在企業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，使作業(yè)效率和安全性得到提升，對于企業(yè)的發(fā)展具有促進作用。

1.2 智能控制的優(yōu)勢

智能控制是一種先進的控制方式，通過信息處理與信息反饋，為決策提供依據(jù)，以此實現(xiàn)對目標的有效控制，為復(fù)雜系統(tǒng)控制問題的解決提供了方法。智能控制并沒有統(tǒng)一的定義，從本質(zhì)的角度上講，由智能機器自主實現(xiàn)目標任務(wù)的過程即為智能控制。作為一種先進的控制方式，智能控制以計算機、AI(人工智能)、控制理論等為基礎(chǔ)，利用自適應(yīng)控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，實現(xiàn)控制目標

。智能控制的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面：更高層次的控制是智能控制的核心，可以對復(fù)雜的系統(tǒng)，如多變量、非線性等，進行全局控制，能實現(xiàn)廣義問題的求解，容錯能力強；變結(jié)構(gòu)是智能控制最為突出的特點，在該前提下，使其具備了自適應(yīng)、自組織和自學(xué)習等能力，不僅如此，還具有補償和判斷決策能力；在機電一體化中應(yīng)用智能控制，可使機電系統(tǒng)的性能更加完善。

2 基于智能控制的機電一體化技術(shù)應(yīng)用

現(xiàn)階段，基于智能控制的機電一體化技術(shù)在諸多領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，包括數(shù)控領(lǐng)域、機械制造、工業(yè)機器人等。

2.1 在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，數(shù)控系統(tǒng)具有不可替代的作用，運行速度快、能自動收集數(shù)據(jù)信息是該系統(tǒng)的突出特點，通過數(shù)控系統(tǒng)進行產(chǎn)品加工時，可以使加工方式得到有效規(guī)范。由于單一模塊的數(shù)控系統(tǒng)功能較少，在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，其無法滿足實際生產(chǎn)需要，此時智能控制的重要性隨之突顯。智能控制除了具有自學(xué)習能力之外，還具備通訊及監(jiān)控等功能

。目前，在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的智能控制為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，這種控制方式能在分析計算的基礎(chǔ)上，完善數(shù)控機床的加工方式，為自動化操作的實現(xiàn)提供支撐。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，能使數(shù)控系統(tǒng)按形狀完成切割，加工精度得到顯著提升。

②一段弱磁選給礦粒度粗，也使得槽體積礦易堵，筒體磨損嚴重，使用壽命僅30 d左右；一段弱磁尾礦粒度過粗也使得隔粗圓筒篩的篩網(wǎng)及強磁介質(zhì)盒堵塞嚴重，流程不暢通，不僅增加工人操作難度及工作強度，而且降低了選別效果。

2.2 在機械制造中的應(yīng)用

機械制造是各類機械設(shè)備、機床、儀器儀表、工具等生產(chǎn)過程的統(tǒng)稱，機械制造的設(shè)備大部分是機電一體化設(shè)備。由于機械制造工藝流程較為復(fù)雜，為保證質(zhì)量，需要對整個流程進行嚴格控制。傳統(tǒng)的控制方式效率不高，并且容易出現(xiàn)問題，為提高機械制造水平，可對智能控制合理應(yīng)用。在機械制造中，智能控制的應(yīng)用體現(xiàn)在如下方面：

2.2.1 模糊控制

受到技術(shù)條件等多方面因素的制約，使傳統(tǒng)機械制造呈現(xiàn)如下特征：工藝復(fù)雜、流程繁多、工作量大、勞動強度高、生產(chǎn)效率低、安全隱患多、質(zhì)量無法得到保障等。人工控制方式不但成本高，而且人為操作失誤概率大，對機械制造過程造成不利影響。為解決這一問題，可依托模糊控制理論，構(gòu)建智能控制模型，對機械制造過程實行智能化控制。既能使控制更加精確，還能有效消除人為因素的干擾，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量將會得到顯著提升，控制難度大幅度降低。在機械制造中應(yīng)用模糊控制時，為充分發(fā)揮控制作用，要不斷優(yōu)化誤差控制范圍，使控制更為精準。

2.2.2 專家控制

2.2.3 魯棒控制

專家控制系統(tǒng)簡稱ECS，是專為解決工業(yè)控制難題而提出的一種智能控制方法，在過程控制中的應(yīng)用較為廣泛。ECS應(yīng)用AI和計算機技術(shù)，按某領(lǐng)域?qū)＜姨峁┑闹R與經(jīng)驗，以推理判斷的方式，對專家的決策過程進行模擬，為復(fù)雜問題的解決與處理提供依據(jù)。專家控制系統(tǒng)由知識庫、數(shù)據(jù)庫、推理機、解釋程序等組成，該系統(tǒng)對數(shù)學(xué)模型的依賴程度較低，基本不會受到被控對象參數(shù)變化的影響，通過對專家行為的模擬，依托智能化的操作與控制方式，能使控制系統(tǒng)的性能得到全面提升，機械制造精度隨之提高

。如在精度要求較高的機床制造中，采用專家控制系統(tǒng)對機械制造過程進行控制，能實現(xiàn)動態(tài)補償，降低誤差，加工精度顯著提升，制造的機床能滿足高精度的需要。

天葬師突然睜開了眼睛。幽深的雙目，閃爍著紅色的血芒，一如天葬刀骷髏的雙瞳。他緩緩抬起雙臂，將天葬刀舉過頭頂，口中發(fā)出一聲嘶吼。但見罩在他體外的紅骷髏，收束為一道紅色的潮影，朝著天葬刀的刀鋒捅去。它們匯入刀鋒，轉(zhuǎn)瞬凝成了一道數(shù)丈長的巨大刀影。隨后，天葬師手握巨刀，猛力朝著尖錐劈下！

關(guān)于目前學(xué)生中普遍存在閱讀淺層化、低俗化現(xiàn)象，我認為主要還是我們的閱讀指導(dǎo)力量不夠，孩子們沒有享受到那些偉大著作帶給他們的精神上的愉悅與激動。所以，我們需要提供書香校園建設(shè)，讓師生和那些最好的經(jīng)典對話，品嘗那些最美好的圖書的味道。

2.3.3 行動軌跡控制

2.2 兩組患者術(shù)前及術(shù)后2年生活質(zhì)量評分比較 術(shù)前，兩組患者PFIQ-7、PFDI-20評分比較，差異均無統(tǒng)計學(xué)意義(P>0.05)。術(shù)后2年，兩組評分均明顯低于術(shù)前，且觀察組顯著低于對照組，差異有統(tǒng)計學(xué)意義(P<0.05)。見表2。

2.2.4 預(yù)測控制

2.3.2 控制方式

達格列凈聯(lián)合二甲雙胍治療2型糖尿病的藥物經(jīng)濟學(xué)系統(tǒng)評價 …………………………………………… 黎 風等（9）：1259

2.3 在工業(yè)機器人中的應(yīng)用

工業(yè)機器人是機電一體化技術(shù)的典型產(chǎn)品，本身具有一定的自動性，能憑借動力能源和控制能力實現(xiàn)制造功能。常規(guī)的工業(yè)機器人由機械、傳感和控制三部分組成，其中控制是核心部分，是確保機器人順利完成生產(chǎn)任務(wù)的關(guān)鍵。

1)點位控制能通過對位于機器人末端執(zhí)行器的控制，使機器人的位置始終保持在規(guī)定的離散點上。

工業(yè)機器人多采用計算機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由以下幾部分組成：計算機、傳感器、控制器、輔助設(shè)備等，其中計算機的主要作用是對機器人的行為加以控制，微處理器是計算機的核心部分，與整個系統(tǒng)的功能密切相關(guān)；傳感器包括三類，分別為視覺、觸覺和力覺，可對機器人工作時產(chǎn)生的信息進行檢測和采集

；控制器可以控制機器人的運動系統(tǒng)，通過程序編輯，使機器人按照需要完成相應(yīng)動作，以滿足工業(yè)生產(chǎn)要求。

預(yù)測控制簡稱MPC，是較為特殊的控制方式，其控制動作是通過求解開環(huán)最優(yōu)控制問題獲得。MPC可以利用預(yù)測模型實現(xiàn)過程預(yù)測，并輸出未來值。在機械制造中，對MPC進行合理應(yīng)用，可預(yù)測設(shè)備的運行情況，經(jīng)信息反饋，實現(xiàn)對設(shè)備的有效控制，滿足機械制造的需要

。如機械制造中，當液壓機本身的壓力與轉(zhuǎn)速增大時，沖擊力會隨之增大，若不加以控制，則可能造成設(shè)備故障。采用MPC后，可以液壓機當前的運行狀況為依據(jù)，構(gòu)建預(yù)測模型，按照預(yù)測結(jié)果，對設(shè)備的壓力與轉(zhuǎn)速進行控制，達到誤差精確控制的目標，機械制造過程的安全性和可靠性隨提升。

如表2所示，對PP注塑件VOC八項物質(zhì)進行檢測，主要檢出物為甲醛和乙醛，其它物質(zhì)由于含量較低無法檢出(ND)。造成該結(jié)果的原因是PP材料在高溫下會發(fā)生熱氧化降解，其主要產(chǎn)物為醛類小分子化合物。從圖1中可以看出，隨著注塑溫度升高，甲醛和乙醛含量增大，當溫度高于210℃時，熱氧化降解加強，產(chǎn)生的醛類物質(zhì)開始大量增加。如表2所示，隨著注塑溫度升高，PP注塑件的氣味越來越大，主要為焦糊味，注塑溫度超過210℃后，焦糊味越來越濃，逐漸無法接受。所以在PP材料注塑加工過程中，把加工溫度控制在在210℃以下，有利于降低PP注塑件的氣味、VOC。

工業(yè)機器人的控制方式有以下幾種：點位控制、軌跡控制、力矩控制及智能控制。

大內(nèi)三品侍衛(wèi)李駟峋，江湖上人稱“三眼李耳”的高手，居然自焚而死，死時渾身散發(fā)異香。這條驚人消息如同插上翅膀，迅速傳遍京城。

2.3.1 控制系統(tǒng)

2)軌跡控制是點位控制的升級，通過控制機器人的末端執(zhí)行器，使其在設(shè)定好的軌跡內(nèi)，按照一定的速度運動，完成相應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。在軌跡控制中，機器人的運動速度為可控量，為確?？刂菩Ч?，要求軌跡光滑

。

3)力矩控制是借助力矩傳感器對工業(yè)機器人進行自適應(yīng)控制，使機器人按照預(yù)先設(shè)定程序，完成生產(chǎn)任務(wù)。

4)智能控制以傳感器獲取機器人作業(yè)環(huán)境的信息，根據(jù)知識庫做出決策，在該控制方式下，機器人的環(huán)境適應(yīng)性及自學(xué)習能力會得到進一步提升。

魯棒控制簡稱RC，是自動控制領(lǐng)域研究的熱點課題。在設(shè)計RC系統(tǒng)時，通常是以最差的情況作為基礎(chǔ)，因此，RC系統(tǒng)并不在最優(yōu)狀態(tài)下工作。當生產(chǎn)設(shè)備受到來自于外界信號干擾時，通過RC系統(tǒng)，能使原本的控制性能不受影響，確保機械制造順利完成。如制造柔性臂時，以滑膜結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，開發(fā)魯棒控制器，以此來優(yōu)化控制器的性能。同時，利用補償算法，將滑膜結(jié)構(gòu)與魯棒控制有機結(jié)合，使RC系統(tǒng)的精度控制功能得以全面發(fā)揮，滿足柔性臂制造要求。

按照使用場景的不同，可將工業(yè)機器人分為可移動和固定兩類，可移動機器人的行走部分由輪組、連接桿兩部分組成，當機器人需要從一點向另一點移動時，可依托輪組的轉(zhuǎn)動達到行走的目的，這是工業(yè)機器人典型的運動過程。隨著對工業(yè)機器人使用要求的不斷提高，傳統(tǒng)的運動控制方式無法完全滿足任務(wù)需求。機器人運動時，要準確判斷周圍環(huán)境，通過傳感器采集外界信息，傳給微處理器進行模糊分析，借助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法，實現(xiàn)行走過程的精確控制

。采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)機器人，即使傳感器采集到的信息并不清晰和完整，經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，控制系統(tǒng)也可以判斷外界環(huán)境，按照現(xiàn)有的信息完成對機器人行走的控制。以野外搜救為例，工業(yè)機器人在執(zhí)行此項任務(wù)時，因搜救環(huán)境較為復(fù)雜，所以機器人需要利用自學(xué)來提升信息分析能力，降低運行故障的發(fā)生概率。應(yīng)用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的機器人，在強大的控制功能下，可以使機器人的控制更加全面，任務(wù)的實現(xiàn)過程也變得更為容易。

2.3.4 精度控制

PID是過程控制應(yīng)用最為廣泛的一種自動控制器，工業(yè)機器人的點位控制歸屬于過程控制的范疇，傳統(tǒng)的方法是通過PID對機器人進行點位控制。應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，雖然PID能夠達到控制效果，但精度略顯不足，無法滿足準確、高速運行的要求。為有效解決這一問題，可以利用線性控制器，對工業(yè)機器人的運行加以控制。工業(yè)機器人所處的工作環(huán)境具有復(fù)雜多變的特點，針對這一情況，可依托相應(yīng)的算法，構(gòu)建模型，以此提升控制機器人的精度，在此基礎(chǔ)上，引入遞推和并行等算法，增強機器人對外界環(huán)境的敏感度，實現(xiàn)動態(tài)的精度控制。選擇控制方案時，要結(jié)合實際需求，分析各種控制方法的優(yōu)勢，在條件允許的情況可對多種控制方式有機結(jié)合，提升控制系統(tǒng)的整體性能，對機器人進行精確控制

。

3 發(fā)展趨勢展望

在未來一段時期，智能控制將會朝著仿人控制和多種控制方式綜合的方向發(fā)展。

3.1 仿人控制

仿人控制以計算機技術(shù)為載體，結(jié)合相關(guān)的控制理論，對人的控制經(jīng)驗與技巧，如推理判斷、邏輯分析、歸納總結(jié)等加以合理運用，借助編程語言編寫成控制程序，將程序植入到控制系統(tǒng)中，可使控制系統(tǒng)模仿人的觀察與決策，給出最為適宜的控制策略，提高控制效果。仿人控制是控制系統(tǒng)對人的經(jīng)驗進行總結(jié)，并模仿控制行為，達到最終的控制目標。

3.2 控制方式綜合

隨著機電一體化對智能控制要求的不斷提高，單一的控制方式將無法滿足應(yīng)用需要，為提高控制水平，可將多種控制方式綜合到一起，發(fā)揮出各自的優(yōu)勢，達到預(yù)期的控制效果。在綜合多種控制方式的過程中，要不斷引入新的技術(shù)和成果，通過試驗研究，分析技術(shù)綜合的可行性，為控制方式的綜合提供支撐。

傳統(tǒng)教學(xué)強調(diào)知識的整體性，知識背后隱藏的思維方式需要靠學(xué)生自行領(lǐng)悟。基于計算思維的教學(xué)則重視學(xué)生的思維訓(xùn)練，要求學(xué)生有意識地運用計算機科學(xué)的思想和方法來解決問題，這與程序設(shè)計類課程教學(xué)目標一脈相承。此外，在設(shè)計程序時如何對問題建立數(shù)學(xué)模型，如何設(shè)計符合邏輯的算法，都是對計算思維很好的詮釋。當前我國高校對計算思維教育還不夠重視，如何在計算機程序設(shè)計類課程教學(xué)中融入計算思維，有待深入研究。

4 結(jié)語

綜上所述，智能控制作為先進的控制方式，其能夠?qū)C電一體化設(shè)備進行有效的控制，使設(shè)備的智能化程度得到進一步提升。為最大限度發(fā)揮出智能控制的作用，應(yīng)當不斷加大相關(guān)技術(shù)的研究和應(yīng)用力度，除對現(xiàn)有技術(shù)和方法逐步改進和完善，并加快開發(fā)新的技術(shù)，使其更好地為機電一體化服務(wù)。

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