智能控制在機電一體化系統中的應用探究

朱金峰， 蕭向東

（1.山東商業職業技術學院， 山東 濟南 250103； 2.山東雷電防雷檢測有限公司， 山東 濟南 250100）

0 引言

以往在機電設備及運行動作相對簡單、傳統情況下無需使用智能控制技術，而若控制對象無法通過數學模型來刻畫，并要執行非線性動作時，就會使機電一體化系統面臨更大的任務量，并會增加更多計算數據，而重復、簡單的動作仍然無法滿足機電設備運行要求。通過應用智能控制技術，能使機電一體化系統，完成各種復雜任務，并能有效控制具有較高非線性程度以及較高不確定性的對象，不斷提升學習能力、自適應能力以及組織能力等，在此基礎上促進生產效率及質量提升。所以，有必要積極研發并廣泛應用以智能控制為基礎的機電一體化系統。

1 機電一體化系統和智能控制的概述

1.1 機電一體化系統

近年來，傳統機電工業模式開始融入微電子技術，機電一體化系統就是在此過程中形成的新興概念，該系統結合運用了電子電工、傳感器、信號變換、機械、信息、微電子等技術，應用于實際生產中體現出突出的綜合性特點。該系統硬件包括多項部分，有計算機、機械裝置還有電子設備等，并結合運用計算機還要電子信息化等多種技術，更自動化的管控多種系統以及設備。系統組成部分包括動力部分、控制部件、執行部分、信息處理部分以及機械結構等[1]。在實際生產中應用機電一體化系統，可節約大量物力、人力等資源，并能為工作人員營造一個相對安全的環境。和傳統僅依賴機械技術的生產模式相比，機電一體化系統的利用可有效提升生產安全性，在此技術優勢下完成傳統技術難以實現的高危工作，促進生產效率提升，幫助企業節約成本與時間，提升企業核心競爭力。

1.2 智能控制

智能控制技術是結合自動控制原理以及人工智能理論等多種理論和技術，在不受外界干擾情況下，以計算機技術實現人腦模擬，同步將自動驅動機器和各類控制任務結合起來的新型技術，可發揮智能調控作用。智能控制理論基礎包括信息方法論還有自動控制理論等，技術基礎是人工智能技術等，在技術支持下優化生產環境，彌補實際生產中的多項不足，關鍵是高層控制。相比于傳統化的自動控制技術，智能控制具有更明顯的人性化特征，其可通過多種人為控制方式操作，還能根據環境情況和被控制對象信息實現自我調整，并可結合信息變化動態調整結構特征，其自主適應能力強，自主學習性好，能支持獨立組織，并可達到協調控制效果，一旦發現故障，能夠智能化、高效化地實現自我修復以及補償，并在綜合外部環境信息基礎上做出正確決策。并且和其他控制系統相比，智能控制實現定量與定性相結合，相關機械設備有更高的智能化水平，充分滿足系統標準要求。通常情況下，智能控制對象會有較高的非線性程度和不確定性，通過智能控制，可完成各類復雜任務，有強大的能力支持，突破外部環境局限，高效實現智能控制，目前智能控制主要用于神經網絡以及專家系統還有遺傳算法等領域，控制方式比較多樣，有小波理論控制，也有分級階梯智能控制，還包含混沌控制等。

智能控制系統有多種類型，主要有：

1）分級控制系統。在分級控制系統應用中，需要同步利用相關級別階梯劃分智能化操控設備，具有兩大組成部分，即自組織控制、自適應控制，不同部分有著不同作用。通常在建設分級控制系統期間，具體層級包括執行級、協調級以及組織級，各層級在實際操作中可基于自身性能特征產生不同刺激，以協調控制整體系統。

2）專家控制系統。在專家控制系統內，主要會納入行業專家不同時期所產生的不同智慧成果，經加工處理，輸入計算機系統，用以支持智能控制系統重構及升級。在計算機接收到指令或受到刺激之后，專家控制系統會相對應的輸入專家經驗知識抑或相關理論內容，用以識別相應指令或刺激，這種處理方式相對理想。專家控制系統集中了行業專家以及計算機系統多方智慧，可使處理效果更加理想，如圖1 為專家控制系統結構。

圖1 專家控制系統結構

3）學習控制系統。目前主要在自動控制中應用學習控制系統，能結合自身運行能力優化處理及分析系統內各項數據和信息，以提升系統控制水平，達到無人操作效果。學習控制系統具有動作控制、自主調節等功能，可確保系統能夠自動化的運行和智能化的操作。

4）神經網絡系統。目前智能控制會廣泛應用人工神經網絡，系統架構模式主要參考人體神經、網絡運動神經細胞以及人工神經元等[2]。

2 以智能控制為基礎的機電一體化系統優勢

1）可優化機電一體化操作流程。在機電一體化中，群控系統屬于應用智能控制的典型代表，此系統能夠統一管理生產設備，使管理更高效，尤其是在機電一體化設備其操作流程一致情況下，可和任務系統直接對接，自動地傳遞控制指令，保證機電一體化設備可按照指令及預定流程更高效、穩定地生產。

2）可有效提升操作精度。在機械制造領域不斷發展過程中，對零部件提出越來越高的精度要求，而機電一體化設備智能化程度高低直接影響著零部件精度。通過應用智能控制技術，可使機電一體化設備進一步提高操作精度，在零部件生產中盡量減少規格、尺寸等的誤差，使零部件生產合格率更高，有效擴大企業效益，提升企業核心競爭力。

3）可提升設備智能化水平，使智能控制和機電一體化設備融于一體，使生產過程充分滿足高質量、高效率等要求，系統可自動執行相關指令，精準化地控制產品質量與尺寸，在提升生產合格率基礎上減少資源浪費，控制生產成本。同時，結合生產要求應用智能技術進行控制指令的編寫，能集成化地管理所有的機電一體化設備，使設備使用及控制更加智能，并有助于防范發生產品質量問題。

4）可促進生產效率提升。一般情況下，機電一體化設備會保持多軸加工狀態，且依靠人力控制，難以保證加工精度和效率。而通過應用智能控制技術，預先嚴謹的編寫程序，優化加工流程，可進一步提升生產控制效果，能同時控制機電一體化設備中的多個部件，且機械制造效率以及生產加工精度都更高[3]。

3 智能控制在機電一體化系統中的應用

3.1 用于機械制造

機械制造領域是應用機電一體化系統較早的行業，主要可通過相關系統在線監控生產過程，并在線檢測設備運行情況，還能在線進行故障診斷等。在機械制造中應用智能控制，會基于人的思維設置機電一體化設備及操作程序，智能下達控制指令，避免受到環境、空間以及時間等因素干擾，保證設備能始終高效作業，充分確保產品精度。在智能控制裝置應用中，設計人員可基于生產需求進行程序編寫與代碼儲存，通過智能裝置來控制機電一體化設備，并對設備運行信息加以收集、分析和處理，合理調整參數，減少故障發生幾率，促使生產更加高效安全。在工業制造體系中，數控技術具有突出的應用價值，像數控火焰切機床、數控機床等設備，通過應用先進的數控技術，可結合需求自動換刀或自動旋轉軸頭等，有效提升生產效率。同時，機電一體化技術和智能控制技術相融合，可有效彌補原數控技術缺陷，在編程以及實際操作中均可達到漏洞修復效果，使操作人員更便捷、高效、安全的操控機械設備。

3.2 用于交流伺服系統

同步以及異步電動機會使不同類型的交流伺服系統，大多系統運行過程都比較復雜，受到多種因素影響，可能會降低伺服特性，難以保證機電一體化設備正常、穩定的運行，從而影響生產效率與質量。正常情況下，伺服控制系統要能對轉子點位作出精準反饋，否則將影響矢量控制效果，而常規技術手段很難實現這一目標，就算選擇無位置傳感器，依舊很難適應各類伺服控制場景。為有效提升伺服特性，應重視高動態伺服電機的研發，建立高精度數學模型，在此過程中就需要智能控制技術支持，以便隨時結合實際需求智能地調整機電一體化設備相關運行參數，使交流伺服系統更可靠、穩定地運行。

3.3 用于機器人領域

機器人技術在應用信息技術基礎上引入智能控制技術，能使機器人功能更加豐富，并使內部多功能處理系統突破傳統人工終端控制局限，在智能控制技術支持下，更敏銳地感知周邊環境，并根據預定程序實現智能化運行。融入智能控制技術的機器人會更安全、可靠地運行，并自動地收集各項信息，方便機器人結合所收集信息快速計算及分析，還可根據預定程序執行具體操作。在機器人機電一體化系統內應用智能技術，可使系統驅動功能具備更智能地協控平臺，通過關聯系統智能操控模塊以及終端執行機構，使技術驅動中根據模塊化配置有效調控與分析內部數據，保證機器人運行中按照各組位分配數據更智能化的操作[4]。比如可設計3D 打印動漫舞蹈機器人智能控制系統，系統硬件構造見圖2。

圖2 系統硬件構造

根據圖2，可發現基于智能控制系統的硬件包括三個模塊，即網絡通信控制模塊、運動控制模塊和核心控制模塊。核心控制模塊負責對系統整體運行進行控制；而運動控制模塊負責協調機器人的舞蹈動作，使其行動更加靈活；網絡通信控制模塊主要是收發指令，促進多模塊整合，保證系統能平穩運行。

在3D 打印動漫舞蹈機器人的智能控制系統設計中，核心控制模塊屬于重點，此模塊基礎結構選擇嵌入式單片機，以對機器人的動作進行細微化控制。此模塊基礎結構可見圖3。

圖3 機器人核心控制模塊基礎結構

核心控制芯片選擇XC7Z010-1CLG400C，其具有良好的控制性能，可在核心控制器內實現嵌入式安裝。同時，設計中還設置有復位電路，尤其控制系統整體運行。核心控制器時鐘接口選擇晶振模式，可控制指令發送更具時效性。該控制系統的控制端口有四個，即運動控制端口、傳感器端口、網絡通信端口以及機器人電機控制端口。核心控制模塊設計后，安裝至系統硬件特定位置。

基于該機器人驅動方式進行運動控制模塊的設計，因為機器人舞蹈期間涉及到很多復雜性動作，所以該模塊設計兩個直流電機，用以驅動上、下肢，使控制過程更簡單，并使機器人動作更靈活，還可簡化控制系統電路設計。結合上述設計，對此模塊設計驅動電路。此模塊具體設定見表1。

表1 機器人運動控制模塊驅動電路的設定

在網絡通信模塊設計中，為高效傳遞機器人行動指令，分別獨立地設計運動控制以及網絡通信控制模塊。通過此設計，可在運動控制模塊出現局部零件磨損或者電路故障時，網絡通信控制模塊仍可及時接收從控制終端所傳遞的指令信息，進而傳遞至運動控制模塊內正常的部分，還能對受損位置進行準確定位。設定網絡通信控制器的電壓為5 V，通過此控制器對網絡接口電平進行控制，在模塊運動時能方便地調整電平。為促進模塊電壓分壓，于接口電路內設電阻以達到分壓目的。

該機器人在設計系統軟件時，先估計位姿，由此控制機器人舞蹈動作，并同步做好誤差校正工作。

3.4 用于礦山機電一體化系統

1）可在采礦操作系統中應用智能控制技術，主要可建立智能礦山系統。智能控制系統包括平行管控中心、虛擬礦山、現實場景以及遠程操控平臺等，而智能礦山操作系統包含單車作業系統、多車協同系統、無人駕駛智能系統、調度管理系統、平行運輸系統、車路協同系統、監管系統、通信系統以及遠程接管系統等。計算平臺可為各系統提供算力支持，通過5G 通信建立傳統通道，從而在線傳輸各類數據信息。平行系統當中已完成建模的礦山以及車輛能有效交互，單車指令以及多車指令將指令信息發至調度管理以及無人駕駛智能系統當中。完成任務封裝后，可利用多車協同作業以及單車作業平臺完成具體任務，車路協同系統可輸出超視距感知信息，隨后經傳感器將執行信息以及誤差信息回傳至平行系統當中，經誤差修正，為下一決策提供參考，促使采礦工作更加穩定[5]。而且遠程操控以及監控等子系統具有人為主動控制以及可視化等功能，能使采礦線路更加科學、合理。

2）可在機械臂中應用智能控制。在實際應用中，應注意以下要點：要同步使用E104-BT05，其工作頻段是12.4 GHz，數據傳輸中所支持波特率最大是256 000 bit/s，能夠在PC 端、手機APP 以及小程序等當中接收數據。礦井設備會對機械臂各項信息進行采集，同步按照規定格式打包，相關數據以參數形式傳到E104-BT05 廣播包當中，隨后利用終端監控設備對廣播數據進行掃描，得到設備信息；機械臂控制主要是PWM控制，若PWM1 其輸出周期是10 ms，同時PWM波占空比10%，在計算PWM 周期時，可在模塊內將精度設為T=0.01 ms，則周期最小是0.01 ms，設置的同時將參數傳入其中，比如以10 ms 為一個周期，那么t=T·Para，在T=0.01 ms，同時t=10 ms 情況下，可得出Para=1 000；可通過智能終端APP 空中配置對機械臂進行控制。

3）可在鏟運機上應用智能控制。首先，通過監控中心進行指令發送，遠程遙控鏟運機做出各類動作。其次，可將網絡攝像頭安裝在鏟車機頭以及機尾，遠程監視工作，視頻數據可經無限MESH 網絡傳至監控中心，使相關工作人員實時掌握鏟車單斗重量和累計重量等，更便捷地對司機工作量進行統計。此外，車載單元能對鏟運機器各種運行動作及狀態進行自動記錄，一旦鏟運機發生故障，能經串口讀取故障數據，并通過監控及時調取位置信息等。最后，可實現自主導航以及自動卸料。在智能控制技術支持下，系統監控中心能夠自動發出指令，由此使鏟運機按照自主導航模式工作，并且在自主導航期間，車載單元可結合學習路徑實現自主行駛，自動判斷行駛距離，利用定位系統對行駛路線進行校正，還可調整轉角傳感器姿勢。

4）可在機械防撞系統內應用智能控制。由于礦井生產期間經常面臨大巷電機車碰撞問題，威脅礦井生產安全。對此，可將智能控制系統嵌入到智能化機車防撞系統內，設計信號發射、信號接收、控制和執行、聲光報警等模塊，并利用單片機計算電車相對距離和運行速度，如果計算數值和預定值相接近，則發出報警信息，以防出現設備碰撞等事故。

4 結語

在生產技術不斷進步與成熟過程中，智能控制技術會被更廣泛、深入地用于機電一體化系統，同時在智能控制技術支持下，將促進多個行業轉型升級與發展，解決生產及工作中遇到的多種問題和困難，促進生產效率及質量提升，推進國家經濟發展。