談機(jī)電一體化系統(tǒng)中智能控制的應(yīng)用

王磊

【摘 要】隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)主義市場經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步完善，作為推動(dòng)工業(yè)現(xiàn)代化的重要技術(shù)，機(jī)電一體化系統(tǒng)建設(shè)正處于一個(gè)快速發(fā)展的黃金時(shí)期，而作為當(dāng)代科技趨勢所在的智能系統(tǒng)的產(chǎn)生與應(yīng)用標(biāo)志著機(jī)電一體化控制技術(shù)的發(fā)展提升了一個(gè)新的臺(tái)階，在這其中的應(yīng)用也越來越廣泛，越來越起著至關(guān)重要的作用，促使技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。本文從智能系統(tǒng)與機(jī)電一體化的角度出發(fā)，將智能控制與傳統(tǒng)控制進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)目前使用的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行簡單地闡述，淺析智能控制及智能控制技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)電一體化；智能控制技術(shù)；應(yīng)用

0.前言

當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)，電子技術(shù)也不斷發(fā)展，使得機(jī)電一體化系統(tǒng)也在不斷的完善，并且得到了廣泛的應(yīng)用，這就要求控制水平也要隨之提高，進(jìn)一步導(dǎo)致了控制環(huán)境、被控制對(duì)象、控制目標(biāo)和任務(wù)的日益復(fù)雜。于是智能控制應(yīng)運(yùn)而生，它的出現(xiàn)以及發(fā)展，為解決許多技術(shù)上的問題提供了行之有效的方法，在機(jī)電一體化系統(tǒng)運(yùn)作實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用并取得良好成效，為機(jī)電一體化的長遠(yuǎn)發(fā)展創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境。相信隨著對(duì)智能控制的研究和探討，智能控制技術(shù)的不斷發(fā)展會(huì)在機(jī)電一體化系統(tǒng)的運(yùn)作中發(fā)揮更大的作用。

1.有關(guān)智能控制的系統(tǒng)概要

1.1智能控制的簡要介紹

所謂智能控制，就是指以智能控制為核心的智能控制系統(tǒng)具備一定的智能行為，在無人干預(yù)的情況下能自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的自動(dòng)控制技術(shù)，是用計(jì)算機(jī)模擬人類智能的一個(gè)重要領(lǐng)域，主要面向比傳統(tǒng)控制更為復(fù)雜、多樣的控制任務(wù)和控制目的，為當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展帶來了更為廣泛的適應(yīng)空間，解決了傳統(tǒng)控制無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜系統(tǒng)的控制。智能控制系統(tǒng)集合了多項(xiàng)控制技術(shù)，主要分為外部環(huán)境與控制器。外部環(huán)境將通過傳感器與執(zhí)行器感應(yīng)并判斷的可能影響系統(tǒng)控制的一切外界因素信息傳輸?shù)娇刂破?。而智能控制器將外部環(huán)境傳遞過來的信息通過分析、評(píng)價(jià)、處理并規(guī)劃所要應(yīng)用的控制決策的同時(shí)將信息存入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，為以后的認(rèn)知學(xué)習(xí)提供素材。智能控制系統(tǒng)不僅無模型參考，而且協(xié)調(diào)適應(yīng)性極強(qiáng)，是值得投入更大研究力度的。

1.2智能控制與傳統(tǒng)控制的區(qū)別

（1）智能控制在傳統(tǒng)控制理論的基礎(chǔ)上進(jìn)行了延伸，發(fā)展出更高效的控制技術(shù)。智能控制運(yùn)用分布式及開放式結(jié)構(gòu)綜合、系統(tǒng)地進(jìn)行信息處理，想要的是系統(tǒng)做到統(tǒng)籌全局的整體優(yōu)化，并不只是簡單的追求系統(tǒng)在某些方面的高度自治。

（2）傳統(tǒng)控制理論體系將反饋控制理論作為核心，而智能控制綜合了很多有關(guān)調(diào)控方式理論知識(shí)的學(xué)科，把人工智能、運(yùn)籌學(xué)、自動(dòng)控制理論、信息論的交叉部分作為它的基礎(chǔ)。

（3）傳統(tǒng)控制只是把線性的、單一的任務(wù)做為它的控制對(duì)象，與之相比，智能控制通常是將多層次的、有不確定性的模型、時(shí)變性、非線性等復(fù)雜任務(wù)作為主要控制對(duì)象，解決了傳統(tǒng)控制無法解決的問題。

（4）傳統(tǒng)控制是把運(yùn)動(dòng)學(xué)方程、傳遞函數(shù)、動(dòng)力學(xué)方程等數(shù)學(xué)模型作為描述系統(tǒng)的方法。相較而言，智能控制系統(tǒng)把對(duì)數(shù)學(xué)模型的描述、對(duì)符號(hào)和環(huán)境的識(shí)別以及數(shù)據(jù)庫和推力器的設(shè)計(jì)等方面設(shè)為重點(diǎn)。

（5）傳統(tǒng)的控制是通過不同的定理、定律來獲得所需的知識(shí)，而智能控制則通過對(duì)專家經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)從中獲取所需的知識(shí)。因?yàn)橹悄芸刂葡到y(tǒng)可以較好的運(yùn)用相關(guān)被控對(duì)象和人的控制策略和被控環(huán)境的知識(shí)，所以智能控制系統(tǒng)具有模擬或模仿人的智能。

1.3智能控制特征與主要類別形式

智能控制的特征：

一是智能控制的核心在高層控制，即組織級(jí)；

二是智能控制器具有非線性特性；

三是智能控制具有變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

四是智能控制器具有總體自尋優(yōu)特性；

五是智能控制系統(tǒng)應(yīng)能滿足多樣性目標(biāo)的高性能要求；

六是智能控制是一門邊緣交叉學(xué)科；

七是智能控制是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

智能控制的主要類別形式：

一是分級(jí)遞階控制系統(tǒng)，它的理論是在自適應(yīng)控制和自組織控制的基礎(chǔ)上提出的，由低到高分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)這三個(gè)級(jí)別。

二是專家控制系統(tǒng)，它是人機(jī)相結(jié)合的一種形式，能將人的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、技能融合進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

三是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，它可以由大量的人工神經(jīng)元互聯(lián)而組成，這些人工神經(jīng)元與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞相類似，也可以由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互聯(lián)而成。

四是學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，它是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，在運(yùn)行過程中逐步獲得受控過程以及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，不斷更新各種數(shù)據(jù)和資源，并在一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行分類、估值、決策和不斷改善。

2.智能控制技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的實(shí)際應(yīng)用

2.1智能控制在機(jī)械制造過程中的應(yīng)用

機(jī)械制造是機(jī)電一體化系統(tǒng)中的重要組成部分，當(dāng)前最先進(jìn)的機(jī)械制造技術(shù)采用經(jīng)典機(jī)械理論、計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)和智能控制相結(jié)合的方法，建立制造過程的動(dòng)態(tài)模型，提高智能制造系統(tǒng)的技術(shù)水平，其最終目標(biāo)是模擬人類的專家的智能活動(dòng)，從而取代或者進(jìn)一步開發(fā)人腦的部分勞動(dòng)，進(jìn)行制造機(jī)械活動(dòng)。

智能控制在機(jī)械制造中的應(yīng)用領(lǐng)域包括：機(jī)械故障智能診斷、機(jī)械制造系統(tǒng)的智能監(jiān)控與檢測、智能傳感器及智能學(xué)習(xí)等。

2.2智能控制在數(shù)控領(lǐng)域中的應(yīng)用

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國的機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展對(duì)數(shù)控技術(shù)提出了更高的要求，不僅需要智能控制有很高的性能，而且還要具有一定的延伸、模擬和擴(kuò)展的知識(shí)處理功能，從而使得數(shù)控技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能編程、智能監(jiān)控、建立智能數(shù)據(jù)庫等目標(biāo)，智能控制可以解決信息模糊、不確定性等控制問題，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，取得良好的成效。比如加工運(yùn)動(dòng)推理、決策、規(guī)劃能力以及網(wǎng)絡(luò)通信制造的能力、感知加工環(huán)境的能力、智能般控、智能數(shù)據(jù)庫、智能編程等，能夠自組織、自適應(yīng)、自尋優(yōu)、自學(xué)習(xí)、自規(guī)劃、自識(shí)別、自整定、自繁殖、自修復(fù)等。

2.3智能控制在機(jī)器人領(lǐng)域中的應(yīng)用

機(jī)器人在動(dòng)力學(xué)方面常常是強(qiáng)耦合、時(shí)變、非線性的，在傳感器信息方面和控制參數(shù)上是多信息和多變量的，在控制任務(wù)要求上是多任務(wù)的，這些特性正適合智能控制的應(yīng)用。當(dāng)前智能控制技術(shù)已經(jīng)在機(jī)器人領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。例如機(jī)器人多傳感器信息融合和視覺處理，移動(dòng)機(jī)器人行走過程的自主避障，行走路徑規(guī)劃、定位、軌跡跟蹤，機(jī)器人手臂動(dòng)作規(guī)劃，空間機(jī)器人的姿態(tài)控制，具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)功能的控制器設(shè)計(jì)等。此外，智能控制還協(xié)助實(shí)現(xiàn)了水下自主運(yùn)載器、水下無人機(jī)車、無人自主駕駛機(jī)動(dòng)車在未知或復(fù)雜危險(xiǎn)環(huán)境下完成探索、通信、合作等功能。

2.4 智能控制在交流伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用

作為機(jī)電一體化典型產(chǎn)品的重要組成部分，伺服驅(qū)動(dòng)裝置對(duì)控制質(zhì)量、系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和功能有這決定性的影響。但交流伺服系統(tǒng)的參數(shù)可以隨時(shí)變動(dòng)、伴隨著負(fù)載的擾動(dòng)，與此同時(shí)交流電動(dòng)機(jī)的本身與被控對(duì)象具有很強(qiáng)的非線性等諸多不確定的因素，所以想要建立精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型是很困難的。而智能控制技術(shù)以非線性控制方式將人工智能引入智能控制器，能很好地適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)變情況，其在交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用解決了建立精準(zhǔn)數(shù)學(xué)模型的困難，提高了機(jī)電一體化系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.結(jié)語

雖然如何將智能控制技術(shù)與機(jī)電一體化技術(shù)以及傳統(tǒng)控制理論結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的高度智能化還有很長的距離，需要堅(jiān)持不懈地探索和研究；但是智能控制技術(shù)的發(fā)展也在不斷變化和前進(jìn)，毫無疑義地成為在社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科學(xué)技術(shù)同步發(fā)展的現(xiàn)代機(jī)電一體化系統(tǒng)中應(yīng)用極為廣泛的控制方式。它推進(jìn)了人們生活與工業(yè)生產(chǎn)向信息化、智能化的發(fā)展，名副其實(shí)地成為二十一世紀(jì)機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展的最新方向。

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