機電一體化視角下的自適應控制系統(tǒng)在機械設計中的應用探究

［關鍵詞］機電一體化；自適應控制系統(tǒng)；機械設計

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

機電一體化技術為綜合性技術，集機械、電子與計算機于一體，目前已經(jīng)被用于各領域。其中，自適應控制系統(tǒng)作為機電一體化技術的重要組成部分，可實現(xiàn)對復雜動態(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，積極探索自適應控制系統(tǒng)在機械設計中的應用，根據(jù)實際情況合理確定自適應控制系統(tǒng)的應用，便成為提高機械性能，確保高精度加工的重要保證。

1機電一體化視角下自適應控制系統(tǒng)在機械設計中的重要性

1.1提高機械系統(tǒng)性能

自適應控制系統(tǒng)能有效提升機械系統(tǒng)的響應速度、準確度，并在機電一體化技術支持下，通過先進的傳感器、執(zhí)行器，準確識別系統(tǒng)狀態(tài)的變化，做出適應性調(diào)整，這種快速反應能力，使得機械設備可在復雜多變的生產(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，自適應控制系統(tǒng)可基于大量數(shù)據(jù)的分析、學習優(yōu)化控制策略，確保精準控制，這種智能化的控制可應對復雜多變的生產(chǎn)條件，預測、診斷潛在的故障，以提前開展維護，降低生產(chǎn)中斷風險，提升生產(chǎn)可靠性。

1.2增強系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性

自適應控制系統(tǒng)可通過監(jiān)測、調(diào)整機械系統(tǒng)運行的方式，保證機械在不同環(huán)境中均保持最優(yōu)性能，基于此種動態(tài)調(diào)整能力，機械能適應操作條件的變化，并充分適應環(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，自適應控制系統(tǒng)可根據(jù)原材料的差異對加工參數(shù)進行調(diào)整，以確保產(chǎn)品質(zhì)量[2]。同時自適應控制系統(tǒng)還可確保機械系統(tǒng)穩(wěn)定性，根據(jù)連續(xù)反饋、調(diào)整機制，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，以有效延長機械設備使用壽命，降低維護成本，確保整體的經(jīng)濟效益。如精密定位系統(tǒng)在應用時，自適應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

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

1.4促進創(chuàng)新設計思維

自適應控制系統(tǒng)的引入需要跳出傳統(tǒng)設計框架，充分考慮智能化元素的融入，以保證精確、高效的控制。自適應控制系統(tǒng)在設計過程中要避免單一、線性的情況，同時進行適應性評估和調(diào)整，以適應環(huán)境的變化。這需要轉(zhuǎn)變設計思路，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計目標等。因此，推動自適應控制系統(tǒng)在機械設計中的應用，對于促進創(chuàng)新設計發(fā)展同樣有積極作用。

2機電一體化視角下自適應控制系統(tǒng)在機械設計中的應用策略

2.1智能材料與結構的應用

智能材料與結構是確保自適應控制系統(tǒng)應用的關鍵因素，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)的自適應變化。在選型時，需要綜合考慮材料的響應速度、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)行器件的應用。同時，智能材料和結構的集成方式會直接影響性能，所以在進行設計時，應注重多種材料的協(xié)同作用，如將壓電材料和形狀記憶合金進行結合，這樣可在實現(xiàn)快速響應的同時，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，應做好力學分析，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，自適應控制系統(tǒng)應能感知外界環(huán)境變化，并進行快速響應，這就需要有算法作為支撐，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡控制等，并要求通過對數(shù)據(jù)進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)還應具備一定的自學習能力，以便適應復雜多變的工作環(huán)境。以壓電材料為例，其可在電場作用下產(chǎn)生機械變形，其雙向能量轉(zhuǎn)化為機電一體化設計提供了支持。例如，在航空航天領域，壓電材料被廣泛應用于飛機機翼的主動振動控制中，美國波音公司在787夢想飛機上采用了壓電驅(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)整飛機機翼形狀，以適應不同飛行條件、監(jiān)控器阻力，使得787飛機的燃油效率較上一代機型提升了20%。形狀記憶合金在汽車安全領域可被用于制作緊急情況下自動展開的車輛保護結構，如基于形狀記憶合金設計的主動發(fā)動機罩提升系統(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

高精度位置控制技術的應用需要建立在高性能傳感器應用的基礎上，基于高性能的傳感器可以提供實時的反饋數(shù)據(jù)，以為自適應控制系統(tǒng)的自調(diào)整提供支持，所以應選擇適宜的傳感器進行安裝調(diào)校，從而確保位置控制的精度。一般情況下，機械結構的穩(wěn)定性、摩擦性等，均會對控制系統(tǒng)性能帶來影響，所以設計過程中應充分考量上述因素，并通過對機械設計優(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，以進行細致的優(yōu)化、調(diào)整，提升控制精度和響應速度。

例如，高精度的數(shù)控機床常被用于精細加工，其中數(shù)控機床的核心在于透明管程序控制工件、刀具的相對運動，以進行精確的切割和加工，這一過程中，高精度位置控制技術的應用十分關鍵。如牧野公司生產(chǎn)的數(shù)控機床，具有先進的自適應控制系統(tǒng)，其能監(jiān)測、調(diào)整機床運動狀態(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、高效數(shù)據(jù)處理算法和精確的執(zhí)行機構有關，在實際應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)標準。又如西門子公司生產(chǎn)的Sinumerik840D數(shù)控系統(tǒng)，其采取了自適應及控制算法，在加工復雜的航空部件時，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自適應控制算法的應用

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

以航空發(fā)動機控制系統(tǒng)為例，通常情況下，航空發(fā)動機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)可適應這些變化，如通用電氣公司GE90-115B航空發(fā)動機便應用了高級自適應控制算法，其算法基于模型參考自適應控制理論，通過實時監(jiān)測發(fā)動機運行狀態(tài)，并同預設最佳性能模型進行比對，從而進行自動調(diào)整燃油噴射率、渦輪葉片角度等，以適應飛行需求，這可提升5%的燃油效率，并延長發(fā)動機的維護周期。

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控制系統(tǒng)的關鍵，在機電一體化系統(tǒng)中，基于安裝傳感器、執(zhí)行器，可收集機械設備的運行數(shù)據(jù)，包括壓力、溫度等參數(shù)，在對數(shù)據(jù)進行實時處理和分析后，可為控制系統(tǒng)提供準確的反饋信息，以保證機械設備在最佳狀態(tài)下運行。而故障診斷則通過先進的故障診斷技術，如機器學習、深度學習等，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行處理，及時發(fā)現(xiàn)機械設備的異常狀態(tài)，或潛在故障，尤其是能對故障特征進行準確識別、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50℃，提示進入警告狀態(tài)，這表明機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時達到70Hz，超出正常運行范圍，提示可能為機械部件磨損，或機械部件不平衡。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)可有效預測、診斷故障，并提前進行警告，為故障處理提供時間。因此，基于自適應控制技術可對可能存在的風險、故障進行預判，從而保證生產(chǎn)安全性，確保整體生產(chǎn)效率。

3結束語

自適應控制技術作為機電一體化的核心組成部分，其對于提升機械設備的效率具有重要意義，因此應積極推動自適應控制技術同機械設計、制造的結合，以促進我國相關技術升級。未來，隨著人工智能等技術的發(fā)展，自適應控制技術將更有效應對復雜多變的應用需求。