自適應(yīng)控制技術(shù)在機(jī)械加工制造業(yè)中的應(yīng)用

孔建 姜超 馬述塨 田莉莉

(煙臺(tái)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264006)

在科技飛速發(fā)展的21世紀(jì)，自適應(yīng)控制技術(shù)獲得了人們廣泛的關(guān)注和大量的實(shí)踐應(yīng)用。就加工過(guò)程而言，隨著自適應(yīng)控制技術(shù)在加工過(guò)程中的廣泛應(yīng)用，已從最初的計(jì)算工具，發(fā)展成為今天具備綜合信息管理和進(jìn)行控制決策的高端系統(tǒng)。自適應(yīng)控制技術(shù)的使用，使加工過(guò)程得到了更高效、準(zhǔn)確的管控，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了更嚴(yán)格、精準(zhǔn)的控制，使加工的管理方法和控制手段發(fā)生了巨大的變化。

1 自適應(yīng)控制技術(shù)的簡(jiǎn)述

1.1 自適應(yīng)控制的基本概念

自適應(yīng)控制是指在環(huán)境發(fā)生巨大變化或系統(tǒng)產(chǎn)生不確定性的情況下，控制系統(tǒng)能自行調(diào)整參數(shù)或產(chǎn)生控制作用，使系統(tǒng)仍按設(shè)定規(guī)律運(yùn)行在最佳狀態(tài)的一種控制方法。自適應(yīng)控制能智能辨識(shí)對(duì)象的動(dòng)態(tài)變化，采取對(duì)應(yīng)的法則，調(diào)整控制器的可變參數(shù)，以達(dá)到改善和優(yōu)化反饋控制系統(tǒng)的性能控制，使系統(tǒng)在最佳狀態(tài)中運(yùn)行。［1］

1.2 自適應(yīng)控制的基本原理

自適應(yīng)控制的基本原理是在控制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線識(shí)別、評(píng)估和比較，并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行自我修正，得出一個(gè)能實(shí)現(xiàn)自我調(diào)整的控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制目的。［2］其基本原理如圖1所示，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)通過(guò)調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)后，進(jìn)入一個(gè)短暫時(shí)間的時(shí)變時(shí)滯過(guò)程，通過(guò)對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)的參數(shù)加以識(shí)別，將輸出數(shù)據(jù)與初始設(shè)定的理想數(shù)值進(jìn)行比較，調(diào)節(jié)器通過(guò)比較結(jié)果自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)和修正參數(shù)或模型，從而完成自適應(yīng)控制的完整回路設(shè)計(jì)。

圖1 自適應(yīng)控制的基本原理圖

1.3 自適應(yīng)控制的主要特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的其他控制技術(shù)相比較，自適應(yīng)控制的被控對(duì)象或被控過(guò)程，都沒有現(xiàn)成的或者已知的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定義，且很難確定，而自適應(yīng)控制的智能性正好解決了隨環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)其動(dòng)態(tài)參數(shù)或模型的問(wèn)題，用自身的特征變化和自我糾正來(lái)跟蹤控制系統(tǒng)的參數(shù)變化，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整和控制，通過(guò)實(shí)現(xiàn)改變自身的特性來(lái)適應(yīng)被控對(duì)象的特性變化。其主要特點(diǎn)如下:

1)智能化:在既定自適應(yīng)規(guī)則的作用下，外界環(huán)境變化時(shí)，控制器能相應(yīng)地自我調(diào)整和變化。

2)引入自適應(yīng)回路設(shè)計(jì):引入的自適應(yīng)回路能按照體系實(shí)際運(yùn)行狀況，自我糾正和調(diào)節(jié)，適應(yīng)被控參數(shù)的不斷變化。

3)較廣的應(yīng)用范圍:對(duì)一些不能確定被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和特征參數(shù)、外界干擾作用強(qiáng)、且控制精度要求高的系統(tǒng)，自適應(yīng)控制都能得以應(yīng)用。

2 自適應(yīng)控制的應(yīng)用情況分析

2.1 機(jī)械加工過(guò)程中的應(yīng)用

在機(jī)械加工的作用下，工件發(fā)生了外形尺寸變化或性能改變的過(guò)程，稱之為機(jī)械加工。人們把所有利用機(jī)械工具進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程稱為廣義的機(jī)械加工;而把那些利用專用機(jī)器設(shè)備(如，沖壓機(jī)、車床、銑床、鉆床、磨床等)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程稱為狹義的機(jī)械加工。如果根據(jù)工件在加工過(guò)程中所處的溫度狀態(tài)來(lái)進(jìn)行分類，機(jī)械加工可分為冷加工和熱加工。在結(jié)晶溫度以下進(jìn)行塑性變形被稱為冷加工，而在結(jié)晶溫度以上進(jìn)行塑性變形則被稱為熱加工。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，包括金屬熱處理、電火花加工、軟釬焊、硬釬焊、鑄造、鍛造、金屬板材擠壓成型、數(shù)控加工等在內(nèi)的制造工藝都屬于機(jī)械加工。

1)在熱處理過(guò)程中，電阻爐是不可或缺的、滯后性大的、建立數(shù)學(xué)模型困難的非線性裝置，而其中的溫度控制部分又是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，采用PID等常規(guī)控制器難以提高溫控系統(tǒng)的控制精度，而且由于不能實(shí)現(xiàn)電腦聯(lián)機(jī)通訊，無(wú)法有效整理和管控?zé)崽幚砉に囘^(guò)程的系列數(shù)據(jù)。為改變這種現(xiàn)狀，劉濱等［3］將單片機(jī)技術(shù)、自適應(yīng)控制技術(shù)結(jié)合在電阻爐爐溫的控制中，開發(fā)出了具備自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)采集控制參數(shù)、及時(shí)處理和調(diào)整參數(shù)的靈活多變的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，所獲控制精度高，可在熱處理件加工要求高的場(chǎng)合大規(guī)模應(yīng)用。唐鏡軍［4］根據(jù)電爐的加熱功率、爐的體積及保溫效果，采用XMT－400自適應(yīng)控制儀，將溫差控制在曲線的±2℃范圍內(nèi)。如果對(duì)電阻爐爐溫自適應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行Matlab仿真，則會(huì)發(fā)現(xiàn)自適應(yīng)控制技術(shù)比傳統(tǒng)PID控制具有諸多優(yōu)點(diǎn)，尤其是響應(yīng)時(shí)間短、魯棒性和抗干擾好、動(dòng)靜態(tài)性能優(yōu)異等。［5］若在機(jī)車、車輛制造過(guò)程中，用自適應(yīng)控制技術(shù)完成構(gòu)架整體時(shí)效電阻爐爐溫控制，可以大大降低溫度的超調(diào)量，減小溫度的穩(wěn)態(tài)誤差，明顯改善其他各項(xiàng)性能指標(biāo)，對(duì)環(huán)境的變化有更強(qiáng)的魯棒性，明顯改善電阻爐的穩(wěn)定性、提高產(chǎn)品質(zhì)量。［6］

2)在實(shí)際的煉鋼過(guò)程中，電弧爐的參數(shù)控制對(duì)煉鋼質(zhì)量有關(guān)鍵性的影響，且由于生產(chǎn)過(guò)程中鋼液不斷地沸騰翻滾，使電弧弧長(zhǎng)發(fā)生不可預(yù)見的波動(dòng)，嚴(yán)重干擾系統(tǒng)的參數(shù)控制，使電弧爐控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的時(shí)變性、控制參數(shù)多等特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制方法無(wú)法適應(yīng)這種多變的環(huán)境，起不到良好的控制作用。管萍等［7］采用自適應(yīng)控制技術(shù)和反步法，找到了適用于電弧爐電極系統(tǒng)控制的自適應(yīng)控制規(guī)律，設(shè)計(jì)出了一套反步自適應(yīng)控制系統(tǒng)，用李亞普諾夫函數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)律的推導(dǎo)和調(diào)整，并對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制，減少誤差，提高控制效果。李明輝等［8］則在電弧爐電極調(diào)節(jié)系統(tǒng)中采用直接自適應(yīng)模糊控制，并對(duì)其進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果證明，該方法的使用非常有效、合理，具有良好的控制效果。王發(fā)智等［9］采用一種響應(yīng)速度快、魯棒性好的自適應(yīng)控制技術(shù)、將雙閉環(huán)模式速度環(huán)作為內(nèi)環(huán)、電極的電流環(huán)作為外環(huán)，開發(fā)出了新型的電弧爐電極調(diào)節(jié)自適應(yīng)控制系統(tǒng)，保證了系統(tǒng)的高效、精準(zhǔn)控制。

3)在金屬焊接加工工藝中，焊接過(guò)程的質(zhì)量控制很大程度上取決于焊縫及其成形的熔透控制。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，一般選擇熔池幾何參數(shù)作為質(zhì)量控制的被控量，可以對(duì)攝像機(jī)獲取的熔池圖像進(jìn)行圖像處理并提取熔池信息，利用自適應(yīng)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)弧焊熔透系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制。經(jīng)在特殊形狀的2 mm厚的Q 235鋼試件上對(duì)TIG焊(惰性氣體鎢極保護(hù)焊)過(guò)程進(jìn)行熔透控制工藝試驗(yàn)，證明自適應(yīng)控制系統(tǒng)在TIG焊熔透控制時(shí)的穩(wěn)定性好、排除外界干擾能力強(qiáng)、控制精度較高，從而實(shí)現(xiàn)TIG焊質(zhì)量控制的目標(biāo)，實(shí)踐證明，在其他焊接工藝中也能得到較好的應(yīng)用 。［10－13］

4)在電火花加工中，識(shí)別有害電弧和短路情況，根據(jù)放電狀態(tài)進(jìn)行加工過(guò)程的監(jiān)測(cè)和調(diào)整，是控制這種加工過(guò)程的基本思路。如果在電火花加工中引入自適應(yīng)控制技術(shù)進(jìn)行過(guò)程監(jiān)控，控制參數(shù)選為電極放電時(shí)間，當(dāng)實(shí)際參數(shù)值與系統(tǒng)設(shè)定值產(chǎn)生偏差時(shí)，模擬評(píng)估系統(tǒng)參數(shù)及其變化趨勢(shì)，并及時(shí)做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)控制。經(jīng)實(shí)際測(cè)試發(fā)現(xiàn)，用自適應(yīng)技術(shù)來(lái)控制電火花加工過(guò)程，能得到更加穩(wěn)定的有用電弧，提高加工速度，有效地減少有害的穩(wěn)態(tài)拉弧和短路的出現(xiàn)。［14］李盛強(qiáng)等［15］將模糊控制技術(shù)和自適應(yīng)控制技術(shù)結(jié)合起來(lái)用于電火花加工過(guò)程中的放電狀態(tài)監(jiān)控，通過(guò)比例因子的自我調(diào)節(jié)、自我校正，完成間隙電壓初始設(shè)定值的同步調(diào)整，有效縮短了系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，明顯提高了系統(tǒng)反應(yīng)速度和系統(tǒng)控制精度。

5)在數(shù)控加工方面，為適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)自動(dòng)化程度的不斷提高以及人們對(duì)人性化生產(chǎn)的不斷追求，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)不斷更新。將自適應(yīng)控制技術(shù)引入到加工過(guò)程，能有效監(jiān)控和識(shí)別加工過(guò)程中的各項(xiàng)工藝參數(shù)，并根據(jù)這些狀態(tài)實(shí)時(shí)調(diào)整加工參數(shù)和加工指令，使控制系統(tǒng)達(dá)到高精度、高效率和安全的最佳狀態(tài)，滿足現(xiàn)代數(shù)控加工的生產(chǎn)需要。在強(qiáng)力銑削過(guò)程中，體系變化復(fù)雜，自適應(yīng)控制技術(shù)的運(yùn)用，能有效排除加工過(guò)程的外界干擾，提高加工過(guò)程的穩(wěn)定程度，達(dá)到保護(hù)機(jī)床、刀具和提高加工效率的目的，實(shí)踐證明，在將長(zhǎng)達(dá)4 m的大型滾齒機(jī)改造成SKX－4000高速銑齒機(jī)床時(shí)，自適應(yīng)控制技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的、智能的控制，達(dá)到再制造精度要求。［16］自適應(yīng)控制技術(shù)在雕銑床的復(fù)雜曲面等數(shù)控加工方面也得到了廣泛應(yīng)用。［17－18］

此外，自適應(yīng)控制技術(shù)也較多地應(yīng)用于其他機(jī)械加工過(guò)程中［19－20］，大大增加了控制精度，提高了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，節(jié)約了能源。

2.2 其他加工行業(yè)中的應(yīng)用

在其他加工行業(yè)中，自適應(yīng)控制技術(shù)以它自身的優(yōu)勢(shì)，為其他產(chǎn)品的生產(chǎn)加工提供了有效的控制手段和管理方法，在提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、增加生產(chǎn)的安全性等方面發(fā)揮了重要的作用。［21］如，高精度的烘干系統(tǒng)采用傳統(tǒng)加熱方式難以滿足產(chǎn)品需求，當(dāng)采用可控硅作為功率驅(qū)動(dòng)，引入自適應(yīng)控制系統(tǒng)，根據(jù)環(huán)境溫度的變化實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的參數(shù)調(diào)整和加熱方式轉(zhuǎn)變，使烘干過(guò)程的溫度準(zhǔn)確、穩(wěn)定，持續(xù)保持在理想狀態(tài)。［22］

3 新型自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用方向

眾所周知，當(dāng)系統(tǒng)具有時(shí)變特征時(shí)，自適應(yīng)技術(shù)在系統(tǒng)中可起到很好的控制作用。但它也存在一定的缺陷，如，自適應(yīng)控制要求控制對(duì)象具有一定的數(shù)學(xué)模型，但在實(shí)際加工過(guò)程中，很難對(duì)全部的控制對(duì)象建立起相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，因此影響了自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍，限制了其在更高精度、更復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用。于是人們將自適應(yīng)控制技術(shù)與其他技術(shù)相結(jié)合，拓寬了自適應(yīng)控制技術(shù)的應(yīng)用范圍，進(jìn)一步拓展了其在加工過(guò)程中的應(yīng)用前景。

3.1 隨機(jī)自適應(yīng)控制

將自適應(yīng)控制與隨機(jī)控制結(jié)合在一起，具有對(duì)時(shí)變系統(tǒng)的連續(xù)調(diào)整、提供增益表、實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)不變系統(tǒng)的控制器自校正等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用前景廣。目前零航速減搖鰭在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，特別是在遇到強(qiáng)大的風(fēng)浪時(shí)，發(fā)現(xiàn)往往存在驅(qū)動(dòng)力不夠問(wèn)題，金鴻章等［23］在了解和掌握海浪的頻譜特性后，采用隨機(jī)控制和自適應(yīng)控制相結(jié)合的方法，找出了零航速減搖鰭驅(qū)動(dòng)力的最佳控制規(guī)律，建立了新型的隨機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。

3.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)模糊控制

隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展而開發(fā)的一種新型自適應(yīng)控制技術(shù)，集合了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制和自適應(yīng)控制等控制技術(shù)，其最大特點(diǎn)是不需要被控對(duì)象具有精確和定量的數(shù)學(xué)模型，把控制決策作為系統(tǒng)的核心，利用各種可能實(shí)施的決策手段，靈活地達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，該控制技術(shù)在船用立式連續(xù)錨鏈調(diào)質(zhì)爐的溫度控制、高爐系統(tǒng)生產(chǎn)中熱風(fēng)爐的燃燒控制等方面得到了一定的應(yīng)用。［24－25］

4 采用自適應(yīng)控制技術(shù)的戰(zhàn)略思考

在我國(guó)，加工業(yè)中自適應(yīng)控制器的開發(fā)得到了各個(gè)科研單位的重視，并不斷涌現(xiàn)出新的研究成果。但從規(guī)?；a(chǎn)加工的角度上看，這些成果真正實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的卻很少。目前，在整體上，我國(guó)的加工業(yè)與發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)相比還存在很多不足，尤其是精密加工和深加工業(yè)差距甚大。要改善我國(guó)加工業(yè)現(xiàn)狀，重要的是提高我國(guó)產(chǎn)品加工過(guò)程的控制技術(shù)水平。首先，從國(guó)家利益和國(guó)家安全的高度來(lái)重視加工業(yè)的發(fā)展和自適應(yīng)等控制技術(shù)的應(yīng)用問(wèn)題。其次，從基本國(guó)情出發(fā)，以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，為企業(yè)提供了解國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求和最新技術(shù)開發(fā)動(dòng)態(tài)的平臺(tái)。最后，作為加工業(yè)一線的企業(yè)需具備強(qiáng)烈的技術(shù)更新愿望，不斷取長(zhǎng)補(bǔ)短，在壯大自身開發(fā)團(tuán)隊(duì)和實(shí)力的同時(shí)，積極建立產(chǎn)學(xué)研合作關(guān)系，將科研院校的成熟技術(shù)第一時(shí)間轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，將產(chǎn)品盡快投放到市場(chǎng)中，節(jié)約成本，提高效率。

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