智能控制及其在機電一體化系統(tǒng)中的應用

朱天歡

【摘 要】智能控制是控制理論不斷發(fā)展的結(jié)果，它得利于當今不斷發(fā)展的計算機技術(shù)和信息技術(shù)。智能控制要求在無人進行干預的情況下，對智能機器進行自主地驅(qū)動，從而達到控制的目地。目前，智能控制開始廣泛地應用于工業(yè)、機械制造、電力電子學等研究領(lǐng)域，在機電一體化系統(tǒng)中，智能控制也有著非常廣泛的使用。

【關(guān)鍵詞】智能控制；機電一體化；應用

機電一體化技術(shù)是指將機械技術(shù)、微電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息技術(shù)等多種技術(shù)融合在一塊的并且用于實際的綜合技術(shù)。隨著機電一體化的發(fā)展，機電一體化系統(tǒng)對控制的技術(shù)水平要求越來越高，原來的控制技術(shù)已經(jīng)不能滿足機電一體化系統(tǒng)的要求，因此，人們開始將目光投向發(fā)展比較迅速的智能控制，期望通過智能控制，達到機電一體化系統(tǒng)的控制目的。因此，本文將分析智能控制的特點和主要方法，探討智能控制如何在機電一體化系統(tǒng)中得到應用，從而更好地實現(xiàn)對機電一體化系統(tǒng)的控制。

1.智能控制

1.1簡單介紹

智能控制綜合了多門學科，比如自動控制、人工智能、信息論和運籌學等，它克服了傳統(tǒng)控制理論的許多缺點，能夠用來控制各種復雜的系統(tǒng)。

1.2智能控制與傳統(tǒng)控制的比較

首先，智能控制包括傳統(tǒng)控制，智能控制是傳統(tǒng)控制的高級階段。與傳統(tǒng)控制相比，智能控制處理信息的綜合能力更強，而且能夠從全局優(yōu)化系統(tǒng)。從結(jié)構(gòu)上來看，智能控制的分布式、分級式和開放式結(jié)構(gòu)也比傳統(tǒng)控制更加先進。

其次，智能控制是多門學科進行交叉的結(jié)果，因此它比傳統(tǒng)控制在理論體系上更加完善。

再次，從對象和任務(wù)方面來說，智能控制適用的對象和任務(wù)可以更加復雜、高度非線性、模型可以具有不確定性。而傳統(tǒng)控制適用的對象和任務(wù)比較單一、數(shù)學模型必須精確和能夠滿足線性要求。從系統(tǒng)設(shè)計重點來看，智能控制強調(diào)描述數(shù)學模型、識別環(huán)境和符號、設(shè)計推理機和知識庫，而傳統(tǒng)控制則側(cè)重于運用傳遞函數(shù)、動力學方程、運動學方程來描述系統(tǒng)。

最后，智能控制的組織功能、適應功能和學習功能比傳統(tǒng)控制要強，對不確定的和高度復雜的被控環(huán)境和對象有較強的克服能力。智能控制系統(tǒng)還具備仿人智能和擬人智能。此外，智能控制系統(tǒng)還可以用數(shù)學表示混合控制過程，用知識描述非數(shù)學的廣義模型，采用多模態(tài)控制方式，這種方式是定性決策、定量控制和開閉環(huán)控制相互結(jié)合的體現(xiàn)。

1.3主要方法

目前，智能控制運用的主要方法為遺傳算法控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、模糊系統(tǒng)控制、專家系統(tǒng)控制、分級遞階控制、組合智能控制、混沌控制、集成智能控制、小波理論等等，前四種方法在機電一體化系統(tǒng)中有著廣泛的使用。智能控制的基礎(chǔ)為運籌學、人工智能、計算機科學和控制理論。

2.智能控制在機電一體化系統(tǒng)中的應用

2.1智能控制在機械制造過程中的應用

機電一體化系統(tǒng)的機械制造需要向智能制造系統(tǒng)的方向發(fā)展，通過智能控制實現(xiàn)模擬專家智能活動，延伸或者取代部分的人腦勞動。在現(xiàn)代先進的機械制造系統(tǒng)中，智能控制能夠?qū)崿F(xiàn)用一些不完整或者精確的數(shù)據(jù)預測一些情況，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊數(shù)學對機械制造的過程實行動態(tài)的環(huán)境建模，通過傳感器融合技術(shù)綜合和預處理信息。智能控制還能夠通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別在線模式，對不完整的信息進行處理；通過模糊關(guān)系和集合的魯棒性，運用模糊信息控制動作。智能控制還可以用“Then-If”的逆向推理反饋，選擇比較令人滿意的控制參數(shù)和模式對控制機構(gòu)進行修改。

在機械制造領(lǐng)域，智能控制的應用主要包括智能學習、機械故障的智能診斷、決策與預測、機械零部件的可靠性分析、機械零件的優(yōu)化設(shè)計、切削參數(shù)的優(yōu)化、制造系統(tǒng)監(jiān)控和智能檢測、加工過程控制和智能傳感器等方面。

2.2智能控制在交流伺服系統(tǒng)的應用

伺服驅(qū)動裝置是一種轉(zhuǎn)換部件和裝置，它能夠使電信號轉(zhuǎn)換為機械動作，并且決定著控制的功能和質(zhì)量以及系統(tǒng)的動態(tài)性能，它是機電一體化的重要的組成部分。智能控制中電力電子技術(shù)的發(fā)展能夠提高交流調(diào)速系統(tǒng)性能，實現(xiàn)直流的伺服系統(tǒng)向交流的伺服系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變。將智能控制引入交流伺服系統(tǒng)，能夠幫助交流伺服系統(tǒng)應對比如負載擾動、參數(shù)時變、被控對象和交流電動機嚴重的非線性特性以及較強的耦合性這樣一些不確定的因素，幫助交流伺服系統(tǒng)通過不確定的模型獲得較滿意的PID參數(shù)，滿足系統(tǒng)的高性能指標要求。

常規(guī)的PID控制和智能控制技術(shù)相結(jié)合，能夠形成智能PID，方法就是通過非線性的控制方式將人工智能引入到控制器，使系統(tǒng)的控制性能更好，并且能夠不依賴控制器參數(shù)和精確的數(shù)學模型進行自動地調(diào)整，使得系統(tǒng)的適應性增強。如果只運用智能控制中的模糊控制算法，那么也能夠提高交流伺服系統(tǒng)的靜態(tài)性能和動態(tài)響應速度以及抗干擾能力，只是在自學習、自組織能力和抖振問題方面還存在著一些欠缺。因此，在交流伺服系統(tǒng)中還要用到智能控制中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，從而減小抖振問題。

2.3智能控制在機器人領(lǐng)域的應用

在動力學方面，機器人是非線性、時變和強耦合的；在控制參數(shù)方面，是多變量的；在傳感器信息上，是多信息的；在控制任務(wù)的要求方面，是多任務(wù)的，因此，從這些方面的分析可以得出智能控制非常適合運用于機器人領(lǐng)域。而且，目前在機器人領(lǐng)域也廣泛地使用到了智能控制技術(shù)，比如機器人地行走路徑規(guī)劃、機器人的定位和軌跡跟蹤、機器人的自主避障、機器人姿態(tài)控制等。在機器人領(lǐng)域，人們可以通過采用智能控制中的模糊控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)技術(shù)進行環(huán)境建模和檢測、機器人定位、汽車柔性制造等。

為了提高機器人系統(tǒng)的適應能力和魯棒性，人們可以綜合運用幾種智能控制技術(shù)，比如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制相結(jié)合、變結(jié)構(gòu)控制和模糊控制相結(jié)合、專家系統(tǒng)控制和模糊控制相結(jié)合等。

2.4智能控制在數(shù)控領(lǐng)域的應用

目前，數(shù)控系統(tǒng)要求性能具有高可靠性、高精度和高速，還要具備擴展、延伸和模擬智能行為的很強的知識處理功能，比如制造網(wǎng)絡(luò)通信的能力、自學習和自組織的能力、感知加工環(huán)境能力、自規(guī)劃能力等等。其中有的功能能夠建立清晰的數(shù)學模型，但是有的功能不能夠建立數(shù)學模型，所以為了實現(xiàn)這些功能，在數(shù)控領(lǐng)域必須運用到智能控制。比如，運用模糊控制，可以優(yōu)化控制加工過程；運用模糊推理規(guī)劃，能夠診斷數(shù)控機床故障；運用模糊集合理論，可以調(diào)節(jié)和整定數(shù)控系統(tǒng)中的一些參數(shù)。

在數(shù)控領(lǐng)域，還可以利用遺傳進化算法，找到數(shù)控系統(tǒng)的最佳加工路徑；還可以運用智能控制中的預測和預算功能，在高速加工時加強對綜合運動的控制。

3.總結(jié)

智能控制技術(shù)在機電一體化中有著廣泛地使用，比如在數(shù)控領(lǐng)域、機器人領(lǐng)域、交流伺服系統(tǒng)領(lǐng)域和機器制造領(lǐng)域等。智能控制在機電一體化中有著很重要的作用，它能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的機械自動化技術(shù)無法實現(xiàn)的功能，使機電一體化系統(tǒng)更加完善。人們需要繼續(xù)努力，使得機電一體化朝著高度智能化的方向發(fā)展。

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