農(nóng)機(jī)一體化背景下控制工程在機(jī)械電子工程中的運(yùn)用探析

馬云紅　魏銘

摘 要：近年來(lái)，隨著我國(guó)科技水平的不斷提高，農(nóng)機(jī)一體化速度不斷加快，也正因如此，機(jī)械電子工程對(duì)控制工程技術(shù)的需求也隨之加大，要求也不斷提升，但總體看來(lái)，控制工程對(duì)機(jī)械電子工程的發(fā)展產(chǎn)生了積極的促進(jìn)作用。本文主要從闡述控制工程與機(jī)械電子工程的相關(guān)理論出發(fā)，介紹了控制工程在機(jī)械電子工程中常用的幾種技術(shù)，分析了控制工程在機(jī)械電子工程應(yīng)用中的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：控制工程;機(jī)械電子;運(yùn)用

中圖分類號(hào)：S23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.19754/j.nyyjs.20190715021

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與科技的進(jìn)步，使得我國(guó)機(jī)械電子工程技術(shù)得到了一定程度的完善，且呈現(xiàn)出集成化、智能化、多元化的發(fā)展趨勢(shì)，而這也增加了機(jī)械電子工程的技術(shù)需求量。當(dāng)前，眾多研究人員試圖通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，控制工程能夠?yàn)闄C(jī)械電子工程的發(fā)展提供技術(shù)支持，而機(jī)械電子工程的發(fā)展也為電子工程的創(chuàng)新提供了更多的可能，所以兩者相輔相成，通過(guò)協(xié)調(diào)合作，能夠?qū)崿F(xiàn)互相促進(jìn)。特別是在農(nóng)機(jī)一體化的大背景下，探究控制工程在機(jī)械電子工程中的應(yīng)用具有重要的意義與價(jià)值。

1 控制工程與機(jī)械電子工程的理論概述

1.1 控制工程

控制工程是工程理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的一種結(jié)合體，控制工程主要通過(guò)控制數(shù)據(jù)的輸入、輸出以及改變參數(shù)等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)備的控制與升級(jí)?？刂乒こ淘陔娮庸こ填I(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，如常被應(yīng)用于自動(dòng)化、集成化技術(shù)中。在18世紀(jì)的英國(guó)科技革命中，有科學(xué)家試圖采用一種新的控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蒸汽機(jī)原動(dòng)機(jī)機(jī)械格局的突破，這一最基本的控制原理為“離心式非錘調(diào)速器原理”，后來(lái)隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的研究者發(fā)現(xiàn)了更加系統(tǒng)且科學(xué)的控制分析系統(tǒng)。進(jìn)入21世紀(jì)之后，IT技術(shù)成為熱門(mén)，而IT中包括的通信技術(shù)、控制技術(shù)逐漸被作為基礎(chǔ)學(xué)科被更多的人所認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)。控制技術(shù)中的穩(wěn)定性、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等理論思想也受到了更為廣泛的推廣應(yīng)用，并成為各學(xué)科領(lǐng)域的方法論。

1.2 機(jī)械電子工程

機(jī)械電子工程是機(jī)械工程與電子工程的結(jié)合體，是采用模塊化的方式進(jìn)行系統(tǒng)操作的電子工程，其作用是在于制作高效率、性能好的產(chǎn)品。機(jī)械電子工程包含的技術(shù)主要有自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、電子技術(shù)、機(jī)械技術(shù)等。其中機(jī)械技術(shù)被認(rèn)為是機(jī)械電子工程的核心，承擔(dān)著載體的作用，支撐著機(jī)械電子工程的整體框架，同時(shí)其他技術(shù)也會(huì)對(duì)機(jī)械技術(shù)產(chǎn)生影響。自動(dòng)控制技術(shù)，顧名思義是結(jié)合控制理論與控制技術(shù)，對(duì)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程、所需達(dá)成的目標(biāo)進(jìn)行控制，以提高機(jī)械設(shè)備的工作效率。檢測(cè)傳感技術(shù)主要是設(shè)備中的各種參數(shù)、測(cè)量值進(jìn)行精確度的檢測(cè)，因此檢測(cè)的準(zhǔn)確度將會(huì)直接對(duì)設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響。電子技術(shù)主要是依據(jù)控制要求，通過(guò)結(jié)合電子學(xué)原理，使用相應(yīng)的電子器件、機(jī)械元件來(lái)設(shè)計(jì)并制造出具有相應(yīng)工程的電子產(chǎn)品。機(jī)械電子工程在我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，隨著生產(chǎn)需要的變化，機(jī)械電子工程的性能也在不斷提升。

2 控制工程在機(jī)械電子工程中常用的幾種技術(shù)

2.1 集成自動(dòng)控制技術(shù)

隨著對(duì)機(jī)械電子工程智能化、自動(dòng)化需求的提出，集成自動(dòng)控制技術(shù)是目前機(jī)械電子工程中最常見(jiàn)的一種控制技術(shù)，該技術(shù)主要是借助信息技術(shù)來(lái)優(yōu)化整合機(jī)械電子工程的系統(tǒng)，以形成一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。集成自動(dòng)控制技術(shù)在機(jī)械的生產(chǎn)加工中應(yīng)用最為廣泛，主要是通過(guò)自動(dòng)搜集功能，將與產(chǎn)品相關(guān)的所有數(shù)據(jù)信息進(jìn)行有效融合，并為生產(chǎn)技藝提供依據(jù)與操作支持，從而有效完成機(jī)械的生產(chǎn)要求。隨著集成自動(dòng)控技術(shù)的不斷革新，目前較為先進(jìn)的柔性自動(dòng)控制技術(shù)已被投入使用，這一技術(shù)的使用更高效地實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化與智能化的生產(chǎn)，極大地提高了機(jī)械生產(chǎn)的效率。

2.2 預(yù)測(cè)控制技術(shù)

預(yù)測(cè)控制技術(shù)是控制工程中不可缺少的重要內(nèi)容，而預(yù)測(cè)控制技術(shù)與機(jī)械電子工程的結(jié)合，通常體現(xiàn)在高速液壓機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，而預(yù)測(cè)控制技術(shù)在高速液壓機(jī)的應(yīng)用，極大地實(shí)現(xiàn)了機(jī)械性能的突破，有效地提高了高速液壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。隨著市場(chǎng)對(duì)高速液壓機(jī)運(yùn)行速度要求的提升，相關(guān)設(shè)計(jì)人員不得不引入新技術(shù)來(lái)增加高速液壓機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)功能，但也增加了高速液壓機(jī)的負(fù)載慣性，出現(xiàn)系統(tǒng)超調(diào)加大等問(wèn)題，而這將會(huì)直接影響到高速液壓機(jī)測(cè)量的精確度。此時(shí)，引入預(yù)測(cè)控制技術(shù)則顯得十分有必要，通過(guò)預(yù)測(cè)控制技術(shù)，可以直接算出當(dāng)前高速液壓機(jī)運(yùn)行中的誤差值及其變化率，結(jié)合這一誤差調(diào)整并控制高速液壓機(jī)的負(fù)載慣性，再經(jīng)由預(yù)測(cè)控制器輸出準(zhǔn)確值，由此可有效提高高速液壓機(jī)的運(yùn)作效率。

2.3 模糊控制技術(shù)

模糊控制技術(shù)是以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)結(jié)合控制技術(shù)而產(chǎn)生的一種控制技術(shù)。通常，控制系統(tǒng)中影響控制效果的關(guān)鍵點(diǎn)在于動(dòng)態(tài)模式的精準(zhǔn)度，為了控制這一精準(zhǔn)度，常常需要對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)中的各種信息進(jìn)行保證，但系統(tǒng)運(yùn)行中時(shí)常會(huì)出現(xiàn)各種變量問(wèn)題，以至于后期無(wú)法對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確描述。為了解決這一問(wèn)題，設(shè)計(jì)師們嘗試?yán)脭?shù)學(xué)中的模糊理論結(jié)合控制技術(shù)來(lái)進(jìn)行處理，由此便形成了模糊控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)中，模糊控制器是其核心配件，并與其他組件協(xié)同配合，如模糊化、規(guī)則庫(kù)、解模糊、模糊推理等，其中模糊化主要承擔(dān)著確定模糊控制器內(nèi)的輸入量已完全轉(zhuǎn)化為可識(shí)別的模糊量，且各模糊量都匹配有相應(yīng)的模糊語(yǔ)言取值;規(guī)則庫(kù)中主要儲(chǔ)存著大量控制經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化的規(guī)則，是運(yùn)行模糊控制器運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵組件。模糊控制技術(shù)使機(jī)械電子工程的操作更為簡(jiǎn)便的同時(shí)，也提高了機(jī)械電子工程的運(yùn)作效率。

2.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)是依托于仿生學(xué)理論，再結(jié)合控制工程而形成的一種控制技術(shù)。該技術(shù)將控制系統(tǒng)中的各個(gè)連接點(diǎn)視作一個(gè)個(gè)的神經(jīng)元，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)之間的相互聯(lián)系，形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，并建成高度非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，從而通過(guò)相應(yīng)的操作達(dá)成處理信息的目的。當(dāng)前，升級(jí)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械電子工程中的數(shù)控機(jī)床，通過(guò)在神經(jīng)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)向量算法，賦以符號(hào)函數(shù)等方式，使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)更智能化地使用于數(shù)控機(jī)床中，且操作過(guò)程具有容錯(cuò)率高、自我學(xué)習(xí)性能強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)，極大提高了數(shù)控技術(shù)的加工效率。

2.5 魯棒控制技術(shù)

魯棒控制技術(shù)下系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)在于系統(tǒng)不會(huì)由于受外界因素的干擾而發(fā)生參數(shù)改變等問(wèn)題，這使得魯棒控制技術(shù)在工業(yè)控制活動(dòng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，如柔性機(jī)械臂的生產(chǎn)中，由于該生產(chǎn)系統(tǒng)屬于分?jǐn)?shù)參數(shù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)極易受到外界因素的干擾，以至于系統(tǒng)的逆運(yùn)動(dòng)存在很大的不確定性，使整個(gè)柔性機(jī)械臂的生產(chǎn)控制顯得相對(duì)困難。但在引入并使用魯棒控制技術(shù)后，這一問(wèn)題得到了有效的改善，它通過(guò)設(shè)模態(tài)法與奇異攝動(dòng)理論的結(jié)合，將系統(tǒng)劃分為慢子系統(tǒng)和快子系統(tǒng)，再利用滑膜控制的方法控制慢變控制器，利用魯棒控制器控制快變控制器，從而來(lái)降低系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)中受外界的干擾，提高系統(tǒng)的運(yùn)作率，進(jìn)而提高生產(chǎn)效率。

3 控制工程在機(jī)械電子工程中應(yīng)用的發(fā)展前景

與發(fā)達(dá)國(guó)家相比較而言，國(guó)內(nèi)的控制工程與機(jī)械電子工程研究起步較晚，且核心技術(shù)研究方面與發(fā)達(dá)國(guó)家差距較大。但隨著我國(guó)控制工程研究的不斷深入，不僅實(shí)現(xiàn)了控制工程自身的優(yōu)化升級(jí)，對(duì)機(jī)械電子工程的發(fā)展起到了很好的促進(jìn)作用?？梢?jiàn)在未來(lái)的發(fā)展中，控制工程應(yīng)繼續(xù)堅(jiān)持創(chuàng)新發(fā)展道路，逐步提升控制技術(shù)的科技性能與使用性能，從而進(jìn)一步推動(dòng)機(jī)械電子工程的智能化、集成化、自動(dòng)化、多元化發(fā)展。與此同時(shí)，農(nóng)機(jī)一體化背景下，市場(chǎng)對(duì)機(jī)械電子工程的需求量不斷增大，此時(shí)關(guān)注的不僅是機(jī)械生產(chǎn)背后的經(jīng)濟(jì)效益，也需要實(shí)現(xiàn)“綠色生產(chǎn)”，所以控制工程應(yīng)用于機(jī)械電子工程的過(guò)程中，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其環(huán)保性能，堅(jiān)持“綠色科技”，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械生產(chǎn)與環(huán)境保護(hù)的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

馬云紅（1974-），女，研究方向：農(nóng)業(yè)機(jī)械。