機電一體化的發(fā)展趨勢及智能控制技術分析

王紅亮　李克強　張許澤

摘 要 機電一體化是現(xiàn)代新技術發(fā)展中重點技術之一，在機電產(chǎn)業(yè)中的應用十分廣泛，所以對其有一個科學全面的認識是十分必要的。機電一體化在以后的發(fā)展中，其功能必然會不斷完善，控制系統(tǒng)也將會更加強大。相信在未來它將會有更加廣闊的發(fā)展前景，在各個領域的領域在將會更加廣泛，作為機電行業(yè)有關人員，對其現(xiàn)在實際中的應用以及其今后的發(fā)展趨勢有一個科學合理的認識，跟得上機電一體化今后的發(fā)展步伐，從而適應其發(fā)展，對社會發(fā)展也起到一定促進作用。

關鍵詞 機電一體化 智能控制技術 應用與發(fā)展

中圖分類號：TH-39 文獻標識碼：A

1機電一體化技術創(chuàng)新發(fā)展趨勢

首先，機電一體化技術的應用將更為廣泛。小至微機電系統(tǒng)、數(shù)字光碟機，大至半導體制程設備、高速列車，均需通過機電一體化技術完成產(chǎn)品的開發(fā)。機電一體化之所以重要，因為它是自動化工業(yè)、航天工業(yè)與國防工業(yè)的基礎整合技術。這門新興技術，是先進工業(yè)國家競相發(fā)展的領域。信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動PC工業(yè)控制電腦的發(fā)展，連帶養(yǎng)以PC-Based控制器為主導的自動化產(chǎn)業(yè)。在這種發(fā)展變遷過程中，機電一體化的核心程序控制器技術也發(fā)生著創(chuàng)新變化。程序控制器被廣泛使用在工業(yè)自動控制領域，PLC已經(jīng)成為工廠自動化的控制核心。然而因為一般PLC程序撰寫是采用先繪制階梯圖，再轉換為PLC指令，因此各品牌所生產(chǎn)PLC的指令不同，導致彼此之間程序轉換不易。另外，由于PLC指令近似于低階語言，程序開發(fā)不易且十分耗時，為了改善PLC機電一體化的缺點，目前逐漸探索出以PC個人電腦或IPC取代PLC作為機電一體化機構的控制器，并使用Visual Basic來撰寫控制程序，取代PLC的機電一體化。

其次，機電光一體化的技術發(fā)展。在進入二十一世紀后，半導體微電子技術、微機電技術以及鐳射技術的突飛猛進，加上快速成長的影像顯示產(chǎn)業(yè)與新興生物科技產(chǎn)業(yè)的驅動，給予傳統(tǒng)的光電、機械、材料、信息、化工等工業(yè)一個新的蓬勃發(fā)展契機。一個以機電光一體化為手段來開創(chuàng)全新領域與目標的新時代已經(jīng)來臨。一個典型機電光技術的涵蓋范圍包含：機構設計、微處理器、精密致動器、光/機電感測器、人機介面、程序/反饋控制、信號處理與錯誤診斷、圖形辨識、仿生人工智慧以及制程技術等。另外，依光學/光電元件與機電元件組合特性與互動程度的不同，機電光系統(tǒng)也可以區(qū)分為三種類型：光機整合的機電光系統(tǒng)；內(nèi)嵌光學/光電裝置的機電系統(tǒng)；嵌入機電裝置的光學系統(tǒng)。

2智能控制系統(tǒng)類別形式與特點

2.1分級控制系統(tǒng)

分級控制系統(tǒng)又稱為分級階梯控制系統(tǒng)，是美國普渡大學提出的控制理論。它的理論是在自適應控制和自組織控制的基礎上提出的。它由低到高分為組織級、協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級這三個級別。具體情況包括三個方面：（1）執(zhí)行級：根據(jù)上級發(fā)出的命令，執(zhí)行確定的某些動作，并完成組織分配的各項任務；（2）協(xié)調(diào)級：此級由控制管理分層和控制監(jiān)督分層組成，主要負責協(xié)調(diào)各項任務，以保證各項任務得以高質(zhì)量完成；（3）組織級：它是通過用戶和人機接口進行交互，執(zhí)行最高決策的控制功能，對協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級的任務進行組織，監(jiān)視并指導協(xié)調(diào)級和執(zhí)行級這兩個級別的行為。

2.2學習控制系統(tǒng)

學習控制系統(tǒng)是通過對內(nèi)部結構進行判別、認知和調(diào)整后，利用對信號循環(huán)輸入以及數(shù)據(jù)處理來保證良好的運行效果。它是一種自動控制系統(tǒng)，能在運行過程中逐步獲得受控過程以及環(huán)境的非預知信息，積累控制經(jīng)驗，不斷更新各種數(shù)據(jù)和資源，并且能在一定的評價標準體系下進行分類、估值、決策和不斷改善。

2.3專家控制系統(tǒng)

專家控制系統(tǒng)是人機相結合的一種形式，它能將人的知識、經(jīng)驗、技能融合進計算機系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中，計算機數(shù)據(jù)庫含有某個領域專家水平的知識和經(jīng)驗和技能，且次系統(tǒng)能像人的大腦一樣對各種數(shù)據(jù)和資料進行分析、處理，然后利用這些知識、經(jīng)驗和技能來解決該領域的高水平復雜疑難問題。

2.4神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)是指由大量的人工神經(jīng)元互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡，這些人工神經(jīng)元與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細胞相類似，神經(jīng)網(wǎng)絡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。智能網(wǎng)絡結構形式主要運用了人工神經(jīng)元模式、神經(jīng)細胞模式。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡的主要功能是模仿真人和智能控制。

2.5機電一體化中的智能控制技術特點

（1）分層遞階的組織結構：“智能遞增，精度遞減”的原理在智能控制系統(tǒng)的組織結構中得到了充分體現(xiàn)，此原理也是智能控制系統(tǒng)的一大特色。其協(xié)調(diào)層次與其所體現(xiàn)的智能成正比，兩者相互促進、共同提高；（2）多模態(tài)控制：智能控制系統(tǒng)通常采用多態(tài)控制，這種多模態(tài)控制通常具有具有開、閉環(huán)控制相結合，定量控制與定性決策相結合，數(shù)學模型和非數(shù)學廣義模型相結合的特點；（3）自學習能力：學習控制系統(tǒng)是能夠對一個過程或者環(huán)境的未知特征所固有的信息進行學習，并且能將其所得到的信息與其以往的經(jīng)驗相結合，用于進一步的估計、分類、控制或者決策的一種系統(tǒng)，它的整套模式使系統(tǒng)的性能得以改善和提高。和人們的學習能力一樣，智能控制系統(tǒng)的學習功能也參差不齊，高層次的學習功能主要包括知識的更新與遺忘，它使系統(tǒng)的資源處于不斷更新的狀態(tài)，是一個動態(tài)的過程；低層次的學習功能則主要包括對控制對象參數(shù)的學習，它是一個相對的靜態(tài)過程；（4）自適應能力：智能控制系統(tǒng)中的智能行為實質(zhì)是一種映射關系，反應了從輸入到輸出之間對應關系，我們可以把它看成是一種不依賴模型的自適應估計，因此，它具有很好的適應性能。由于系統(tǒng)具有插補功能，所以即使當系統(tǒng)的輸入不是以前見過的例子時，甚至當系統(tǒng)中某些部分出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)也能夠不受干擾，像沒遭到破壞之前一樣正常的工作，給出適當?shù)妮敵觥Ｈ绻悄芟到y(tǒng)更加強大的話，它還能夠自我找出故障，甚至還具備自我修復的功能，體現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)更加強大、更加完善的適應性能。

3智能控制技術在機電一體化系統(tǒng)中的應用

目前機電一體化中的智能控制技術的應用已經(jīng)成為一種潮流與趨勢，數(shù)控機床和智能機器人就是反應這種趨勢最好的例子。數(shù)控機床的智能化體現(xiàn)在各類傳感器對切削加工過程中以及加工過程前后的各種參數(shù)進行監(jiān)測和比較，并且通過計算機系統(tǒng)對檢測出來的數(shù)據(jù)資料進行分析整合，做出正確的判斷與綜合處理，自動對異?，F(xiàn)象進行調(diào)整與加工，以保證加工過程的順利進行與完成，從而保證加工出合格、高品質(zhì)的產(chǎn)品。智能機器人是通過視覺、聽覺、觸覺等各類傳感器檢測工作狀態(tài)，根據(jù)實際變化過程反饋的數(shù)據(jù)、信息然后做出正確的判斷和決定。此外，智能控制系統(tǒng)在工程機械中的應用也相當廣泛，其控制方法也是十分巧妙的，具體情況如下所述：（1）挖掘機通過檢測液壓系統(tǒng)的運行參數(shù)來識別載荷的大小，如：檢測液壓系統(tǒng)中泵的輸油壓力，泵的控制壓力以及各機構的情況與狀態(tài)，有的還檢測導手柄的系統(tǒng)流量和位移的情況等等。挖掘機控制器根據(jù)采集的信息，通過模擬控制理論理出所需要的信息和數(shù)據(jù)，為下一步的工作提供依據(jù)，以保證以后的工作得以順利進行。（2）基于CAN總線的汽車起重機智能控制系統(tǒng)中采用總線分段。雙CAN總線協(xié)議結構，既可以對起重機的動力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等做出全面系統(tǒng)的監(jiān)測，又可以避免總線沖突，實現(xiàn)有效、快速通信。各種不同型號的汽車起重機需要具有不同配置的軟件，對此我們要注意區(qū)分。

4結語

無論是國內(nèi)還是國外，機電一體化中對智能控制系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)很深入，不管是在現(xiàn)代機械上還是在典型機械上。相較于傳統(tǒng)的控制方法智能控制系統(tǒng)更具有柔性和靈活性，優(yōu)勢很突出且實用性很強。以微處理器為核心的智能控制系統(tǒng)，在微電子技術、精密機械技術以及信息技術等領域展現(xiàn)出了更為廣闊的發(fā)展前景和更具優(yōu)勢的發(fā)展空間。