機(jī)電一體化視角下的自適應(yīng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用探究

［關(guān)鍵詞］機(jī)電一體化；自適應(yīng)控制系統(tǒng)；機(jī)械設(shè)計

［中圖分類號］TH122 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0015–03

機(jī)電一體化技術(shù)為綜合性技術(shù)，集機(jī)械、電子與計算機(jī)于一體，目前已經(jīng)被用于各領(lǐng)域。其中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)作為機(jī)電一體化技術(shù)的重要組成部分，可實現(xiàn)對復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)的監(jiān)控、控制，并根據(jù)反饋信息自動調(diào)整控制策略，優(yōu)化系統(tǒng)性能。因此，積極探索自適應(yīng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，根據(jù)實際情況合理確定自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，便成為提高機(jī)械性能，確保高精度加工的重要保證。

1機(jī)電一體化視角下自適應(yīng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計中的重要性

1.1提高機(jī)械系統(tǒng)性能

自適應(yīng)控制系統(tǒng)能有效提升機(jī)械系統(tǒng)的響應(yīng)速度、準(zhǔn)確度，并在機(jī)電一體化技術(shù)支持下，通過先進(jìn)的傳感器、執(zhí)行器，準(zhǔn)確識別系統(tǒng)狀態(tài)的變化，做出適應(yīng)性調(diào)整，這種快速反應(yīng)能力，使得機(jī)械設(shè)備可在復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中穩(wěn)定運行，確保生產(chǎn)過程的連續(xù)性、穩(wěn)定性。同時，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可基于大量數(shù)據(jù)的分析、學(xué)習(xí)優(yōu)化控制策略，確保精準(zhǔn)控制，這種智能化的控制可應(yīng)對復(fù)雜多變的生產(chǎn)條件，預(yù)測、診斷潛在的故障，以提前開展維護(hù)，降低生產(chǎn)中斷風(fēng)險，提升生產(chǎn)可靠性。

1.2增強系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性

自適應(yīng)控制系統(tǒng)可通過監(jiān)測、調(diào)整機(jī)械系統(tǒng)運行的方式，保證機(jī)械在不同環(huán)境中均保持最優(yōu)性能，基于此種動態(tài)調(diào)整能力，機(jī)械能適應(yīng)操作條件的變化，并充分適應(yīng)環(huán)境變化，以保證系統(tǒng)的可靠性。例如，在自動化生產(chǎn)線中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可根據(jù)原材料的差異對加工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以確保產(chǎn)品質(zhì)量[2]。同時自適應(yīng)控制系統(tǒng)還可確保機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)連續(xù)反饋、調(diào)整機(jī)制，避免系統(tǒng)在面對外部擾動、內(nèi)部參數(shù)變化時的性能下降，以有效延長機(jī)械設(shè)備使用壽命，降低維護(hù)成本，確保整體的經(jīng)濟(jì)效益。如精密定位系統(tǒng)在應(yīng)用時，自適應(yīng)控制可實時補償由于熱膨脹等因素所致的位置偏差，保證高精度的控制效果。

1.3優(yōu)化能源利用效率

自適應(yīng)控制系統(tǒng)可通過精確的控制、調(diào)整，保證機(jī)械設(shè)備在運行過程中，始終保持最理想的工作狀態(tài)，以在減少能源消耗的同時，完成預(yù)定的工作任務(wù)，避免因操作不當(dāng)、設(shè)備老化等原因?qū)е碌哪茉聪?。如?shù)控機(jī)床中，自適應(yīng)控制系統(tǒng)能根據(jù)切削負(fù)荷的變化，自動調(diào)整切削速度和進(jìn)給速度，并保證切削過程中的能耗最低化。通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用，能最大限度減少設(shè)備維護(hù)、更換成本，并監(jiān)控設(shè)備工作狀態(tài)、性能，預(yù)測可能出現(xiàn)的故障和磨損，以提前進(jìn)行維修和調(diào)整，延長設(shè)備使用壽等。

1.4促進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計思維

自適應(yīng)控制系統(tǒng)的引入需要跳出傳統(tǒng)設(shè)計框架，充分考慮智能化元素的融入，以保證精確、高效的控制。自適應(yīng)控制系統(tǒng)在設(shè)計過程中要避免單一、線性的情況，同時進(jìn)行適應(yīng)性評估和調(diào)整，以適應(yīng)環(huán)境的變化。這需要轉(zhuǎn)變設(shè)計思路，保證靈活、開放的思維模式，快速識別問題，并尋求解決方案，以在必要時重新定義設(shè)計目標(biāo)等。因此，推動自適應(yīng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用，對于促進(jìn)創(chuàng)新設(shè)計發(fā)展同樣有積極作用。

2機(jī)電一體化視角下自適應(yīng)控制系統(tǒng)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用策略

2.1智能材料與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用

智能材料與結(jié)構(gòu)是確保自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵因素，常見的智能材料如形狀記憶合金、壓電材料、電流變液等，均能響應(yīng)溫度、電場、磁場等外界刺激，實現(xiàn)形態(tài)或性質(zhì)的自適應(yīng)變化。在選型時，需要綜合考慮材料的響應(yīng)速度、驅(qū)動電壓以及耐久性等因素，確保所選材料能滿足客觀需求，如壓電材料響應(yīng)速度快，所以適用于精密控制場合，而形狀記憶合金具有形狀記憶特點，更適合作為執(zhí)行器件的應(yīng)用。同時，智能材料和結(jié)構(gòu)的集成方式會直接影響性能，所以在進(jìn)行設(shè)計時，應(yīng)注重多種材料的協(xié)同作用，如將壓電材料和形狀記憶合金進(jìn)行結(jié)合，這樣可在實現(xiàn)快速響應(yīng)的同時，保證精確控制，以確保高效、精確的控制。而在智能材料的協(xié)同布局上，應(yīng)做好力學(xué)分析，保證材料最佳的布局方案，以此保證其性能的充分發(fā)揮[3]。

此外，自適應(yīng)控制系統(tǒng)應(yīng)能感知外界環(huán)境變化，并進(jìn)行快速響應(yīng)，這就需要有算法作為支撐，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，并要求通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時分析與處理的方式，確保對智能材料的精確控制，同時，系統(tǒng)還應(yīng)具備一定的自學(xué)習(xí)能力，以便適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。以壓電材料為例，其可在電場作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，其雙向能量轉(zhuǎn)化為機(jī)電一體化設(shè)計提供了支持。例如，在航空航天領(lǐng)域，壓電材料被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼的主動振動控制中，美國波音公司在787夢想飛機(jī)上采用了壓電驅(qū)動的主動振動控制系統(tǒng)，發(fā)揮優(yōu)化機(jī)翼性能的作用，從而提升了航班舒適度、燃油效率，同時還根據(jù)實際情況調(diào)整飛機(jī)機(jī)翼形狀，以適應(yīng)不同飛行條件、監(jiān)控器阻力，使得787飛機(jī)的燃油效率較上一代機(jī)型提升了20%。形狀記憶合金在汽車安全領(lǐng)域可被用于制作緊急情況下自動展開的車輛保護(hù)結(jié)構(gòu)，如基于形狀記憶合金設(shè)計的主動發(fā)動機(jī)罩提升系統(tǒng)，該系統(tǒng)可在行人觸碰瞬間，迅速提升發(fā)動機(jī)罩，減少對行人頭部的傷害，提升行人的安全性。

2.2高精度位置控制技術(shù)

高精度位置控制技術(shù)的應(yīng)用需要建立在高性能傳感器應(yīng)用的基礎(chǔ)上，基于高性能的傳感器可以提供實時的反饋數(shù)據(jù)，以為自適應(yīng)控制系統(tǒng)的自調(diào)整提供支持，所以應(yīng)選擇適宜的傳感器進(jìn)行安裝調(diào)校，從而確保位置控制的精度。一般情況下，機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、摩擦性等，均會對控制系統(tǒng)性能帶來影響，所以設(shè)計過程中應(yīng)充分考量上述因素，并通過對機(jī)械設(shè)計優(yōu)化的方式，減少系統(tǒng)內(nèi)在的不確定性，以此來為高精度控制提供支持。另外，值得注意的是，高精度的控制技術(shù)在理想的軟件平臺支持下，可有效管理、調(diào)度各組件，并保證控制系統(tǒng)的高效協(xié)同，以進(jìn)行細(xì)致的優(yōu)化、調(diào)整，提升控制精度和響應(yīng)速度。

例如，高精度的數(shù)控機(jī)床常被用于精細(xì)加工，其中數(shù)控機(jī)床的核心在于透明管程序控制工件、刀具的相對運動，以進(jìn)行精確的切割和加工，這一過程中，高精度位置控制技術(shù)的應(yīng)用十分關(guān)鍵。如牧野公司生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床，具有先進(jìn)的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，其能監(jiān)測、調(diào)整機(jī)床運動狀態(tài)，并將加工位置精度控制在理想空間，這與其良好的傳感器技術(shù)、高效數(shù)據(jù)處理算法和精確的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有關(guān)，在實際應(yīng)用過程中其可在連續(xù)運行24h的情況下，保證加工零件表面粗糙度、尺寸精度均滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。又如西門子公司生產(chǎn)的Sinumerik840D數(shù)控系統(tǒng)，其采取了自適應(yīng)及控制算法，在加工復(fù)雜的航空部件時，Sinumerik840D數(shù)控系統(tǒng)可有效調(diào)整刀具路徑，以適應(yīng)材料的微小變形，保證加工精度，通常加工誤差均可控制在2mm以內(nèi)，從而提升加工效率和質(zhì)量。

2.3自適應(yīng)控制算法的應(yīng)用

自適應(yīng)控制算法的合理選擇對系統(tǒng)性能的提升有很大幫助，自適應(yīng)控制算法中，模型參考自適應(yīng)控制（MRAC）與自適應(yīng)PID控制是目前常用的控制算法，MRAC通過對參考模型進(jìn)行跟蹤的方式，保證系統(tǒng)的自適應(yīng)控制，其更適合可準(zhǔn)確建模的系統(tǒng)。自適應(yīng)PID控制能通過對PID參數(shù)進(jìn)行實時調(diào)整的方式，以適應(yīng)系統(tǒng)的動態(tài)變化，其應(yīng)用范圍更廣，且操作簡單[4]。在選擇自適應(yīng)控制算法時應(yīng)根據(jù)機(jī)械設(shè)備的特性、應(yīng)用場景進(jìn)行合理確定。同時自適應(yīng)控制算法的運行依賴于傳感器技術(shù)、微處理技術(shù)的應(yīng)用，所以應(yīng)該注意選擇高精度的傳感器與高性能的微處理器，以保證自適應(yīng)控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

以航空發(fā)動機(jī)控制系統(tǒng)為例，通常情況下，航空發(fā)動機(jī)在運行過程中會面臨不同的飛行環(huán)境、狀態(tài)，這就要求控制系統(tǒng)可適應(yīng)這些變化，如通用電氣公司GE90-115B航空發(fā)動機(jī)便應(yīng)用了高級自適應(yīng)控制算法，其算法基于模型參考自適應(yīng)控制理論，通過實時監(jiān)測發(fā)動機(jī)運行狀態(tài)，并同預(yù)設(shè)最佳性能模型進(jìn)行比對，從而進(jìn)行自動調(diào)整燃油噴射率、渦輪葉片角度等，以適應(yīng)飛行需求，這可提升5%的燃油效率，并延長發(fā)動機(jī)的維護(hù)周期。

2.4實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)

實時監(jiān)測和故障診斷是自適應(yīng)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，基于安裝傳感器、執(zhí)行器，可收集機(jī)械設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，包括壓力、溫度等參數(shù)，在對數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理和分析后，可為控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的反饋信息，以保證機(jī)械設(shè)備在最佳狀態(tài)下運行。而故障診斷則通過先進(jìn)的故障診斷技術(shù)，如機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，及時發(fā)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的異常狀態(tài)，或潛在故障，尤其是能對故障特征進(jìn)行準(zhǔn)確識別、分類，并采取有效措施，如調(diào)整工作參數(shù)、啟動備用系統(tǒng)等，以減輕或避免故障。實時監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)底層邏輯在于采集設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)分析實現(xiàn)故障的早期診斷。以某次故障診斷為例，其故障診斷數(shù)據(jù)分析見表1。

基于表1數(shù)據(jù)分析可知，從T1至T4，溫度逐步上升，T3時溫度達(dá)50℃，提示進(jìn)入警告狀態(tài)，這表明機(jī)器可能因過熱而出現(xiàn)性能下降或受到損害。而振動頻率T1時為60Hz，至T4時達(dá)到70Hz，超出正常運行范圍，提示可能為機(jī)械部件磨損，或機(jī)械部件不平衡。電流從T1的5.2A，上升至T4的5.8A，提示可能有過載或電氣故障的情況。通過上述參數(shù)分析，系統(tǒng)在T3時會發(fā)出警告信號，T4時確定為故障狀態(tài)，這表明系統(tǒng)可有效預(yù)測、診斷故障，并提前進(jìn)行警告，為故障處理提供時間。因此，基于自適應(yīng)控制技術(shù)可對可能存在的風(fēng)險、故障進(jìn)行預(yù)判，從而保證生產(chǎn)安全性，確保整體生產(chǎn)效率。

3結(jié)束語

自適應(yīng)控制技術(shù)作為機(jī)電一體化的核心組成部分，其對于提升機(jī)械設(shè)備的效率具有重要意義，因此應(yīng)積極推動自適應(yīng)控制技術(shù)同機(jī)械設(shè)計、制造的結(jié)合，以促進(jìn)我國相關(guān)技術(shù)升級。未來，隨著人工智能等技術(shù)的發(fā)展，自適應(yīng)控制技術(shù)將更有效應(yīng)對復(fù)雜多變的應(yīng)用需求。