智能控制在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

丁銳

摘 要：隨著信息化時(shí)代的到來(lái)、人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)電一體化的智能化控制也逐漸成為該領(lǐng)域的主要發(fā)展方向。而智能控制與機(jī)電一體化之間的關(guān)系是怎么樣的，智能控制如何在機(jī)電一體化中發(fā)揮作用的，機(jī)電一體化又是如何推動(dòng)智能控制的發(fā)展，未來(lái)智能控制和機(jī)電一體化又是如何為人類生活服務(wù)，這些都是我們需要探討和解決的問(wèn)題。本文將從基礎(chǔ)概念出發(fā)，對(duì)智能控制在機(jī)電一體化中的應(yīng)用及其前景進(jìn)行分析，希望可以對(duì)其發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：智能控制;機(jī)電一體化;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）19-0041-02

0 引言

在我國(guó)現(xiàn)代化的歷程中，機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)揮了不可或缺的重要作用。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，在傳統(tǒng)控制理論下的機(jī)電一體化系統(tǒng)面臨著成本大、效率低等問(wèn)題，人工智能的發(fā)展則為解決這些問(wèn)題提供了一個(gè)新的方向。智能控制在機(jī)電一體化中的應(yīng)用，將促進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)的又一次飛躍發(fā)展，對(duì)解決機(jī)電一體化相關(guān)建造面臨的實(shí)際問(wèn)題有著顯著的作用。

1 智能控制的概述

1.1 智能控制的概念

智能控制是在無(wú)需人為操作的前提下，根據(jù)周圍環(huán)境及自身狀態(tài)自主地驅(qū)動(dòng)相關(guān)智能機(jī)械并完成既定任務(wù)的技術(shù)，是人工智能與自動(dòng)控制的交叉領(lǐng)域。智能控制系統(tǒng)以控制理論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能、運(yùn)籌學(xué)等理論科學(xué)為基礎(chǔ)，具備著強(qiáng)大的綜合信息處理能力，能夠運(yùn)用多種理論和技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行智能化的處理、反饋和決策[1]。用于解決傳統(tǒng)控制難以應(yīng)付的復(fù)雜的問(wèn)題，其控制對(duì)象往往具有高度的非線性，面臨的任務(wù)的要求也比較復(fù)雜。

1.2 目前智能控制的主要形式

智能控制主要有三種控制形式，即分級(jí)控制、專家控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制[2]。

分級(jí)控制系統(tǒng)：也稱分層控制或等級(jí)控制，該系統(tǒng)以自組織控制和自適用控制為前提，將控制中心分解成多層次、多等級(jí)的控制體系，主要涉及組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)，同系統(tǒng)內(nèi)的各級(jí)管理層次相互呼應(yīng)，也有自己的獨(dú)立作用。分級(jí)控制綜合了集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)，其指令由上級(jí)到下級(jí)逐漸詳細(xì)，信息反饋由上級(jí)到下級(jí)逐漸精煉，各層次間存在隸屬關(guān)系，各層次職責(zé)分明，分工明確。各子系統(tǒng)又具有各自獨(dú)立的控制能力和條件，從而使對(duì)子系統(tǒng)的管理實(shí)施獨(dú)自處理成為可能。在整個(gè)管理系統(tǒng)的若干層次中，上一級(jí)控制層次對(duì)下一級(jí)各子系統(tǒng)的活動(dòng)給予指導(dǎo)性、導(dǎo)向型的間接控制。

專家控制系統(tǒng)：是工程控制論和專家系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，主要指一個(gè)智能計(jì)算機(jī)的程序系統(tǒng)，其內(nèi)部包含大量某領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)，能夠利用人類專家的知識(shí)和解決問(wèn)題的經(jīng)驗(yàn)來(lái)處理該領(lǐng)域較高水平的難題。該控制系統(tǒng)的主要優(yōu)勢(shì)在層次結(jié)構(gòu)上，控制方法和知識(shí)表達(dá)上有靈活性、啟發(fā)性和透明性，可以使符號(hào)推理和數(shù)值計(jì)算結(jié)合，精確推理和模糊決策結(jié)合。專家控制系統(tǒng)不需要控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，因此是目前解決具有不確定性的系統(tǒng)的有效方法之一。

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)：是智能控制的一個(gè)新興分支，為解決復(fù)雜的非線性、不確定性系統(tǒng)的控制問(wèn)題提供了新的途徑。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)匯集了包含計(jì)算機(jī)科學(xué)、數(shù)學(xué)、生物學(xué)、腦科學(xué)、神經(jīng)生理學(xué)、人工智能、自動(dòng)控制的各學(xué)科的理論、技術(shù)、方法和研究成果，并且可以和控制理論相結(jié)合。但其相關(guān)理論研究尚不成熟，很多問(wèn)題還需要做出進(jìn)一步研究，仍處于發(fā)展階段。

2 淺析機(jī)電一體化

2.1 機(jī)電一體化系統(tǒng)的概念

機(jī)電一體化又稱機(jī)械電子工程，機(jī)電一體化技術(shù)是一門機(jī)械與微電機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合的技術(shù)，但并非只是單純的機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)的拼湊，還有機(jī)融合了包括機(jī)械技術(shù)、電工電子技術(shù)、接口技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)等在內(nèi)的多種技術(shù)[3]。機(jī)電一體化系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)的功能目標(biāo)要求，對(duì)各功能單元進(jìn)行合理的配置和布局，從而在系統(tǒng)的功能強(qiáng)度和范圍、質(zhì)量、精度、操作、可靠性和耗能等方面上發(fā)揮巨大的優(yōu)勢(shì)。

2.2 機(jī)電一體化發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)電一體化的發(fā)展一般被分成三個(gè)主要階段[4]。

20世紀(jì)60年代之前為初級(jí)階段，也就是機(jī)電一體化發(fā)展的第一階段。這一時(shí)期，人們開(kāi)始嘗試?yán)秒娮宇I(lǐng)域的初步成果完善機(jī)械產(chǎn)品的性能，研究和開(kāi)發(fā)大多還處于自發(fā)狀態(tài)。而當(dāng)時(shí)電子技術(shù)水平尚不成熟，與機(jī)械技術(shù)的結(jié)合還不能廣泛而深入的發(fā)展，已開(kāi)發(fā)的也不能廣泛推廣。

20世紀(jì)80年代末期為機(jī)電一體化的第二階段，也稱為上升階段。這一時(shí)期，通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的快速發(fā)展，大規(guī)模集成電路、微型計(jì)算機(jī)等技術(shù)的出現(xiàn)，為機(jī)電一體化的進(jìn)一步發(fā)展提供了充分的技術(shù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。機(jī)電一體化相關(guān)的技術(shù)及產(chǎn)品在這一時(shí)期開(kāi)始受到社會(huì)的關(guān)注和支持。

20世紀(jì)90年代后期，機(jī)電一體化迎來(lái)了發(fā)展的第三階段，智能化成為在此階段機(jī)電一體化發(fā)展的主要方向。同時(shí)光學(xué)、通信技術(shù)等技術(shù)的高速發(fā)展并應(yīng)用在機(jī)電一體化中后，促使了光機(jī)電一體化等新興分支的產(chǎn)生。與此同時(shí)，機(jī)電一體化系統(tǒng)和學(xué)科體系的發(fā)展都得到了深入的研究，相關(guān)的建模、分析和集成等技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。而人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)領(lǐng)域突破性的發(fā)展，也為機(jī)電一體化開(kāi)辟了嶄新的廣闊的發(fā)展空間。這些研究，最終使機(jī)電一體化逐漸形成了較完整的學(xué)科體系。

在20世紀(jì)80年代初期，我國(guó)開(kāi)始了對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的研究，并在后來(lái)把機(jī)電一體化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展納入了國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略中。不僅國(guó)家層面對(duì)機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展表現(xiàn)出十足的重視，各高校、企業(yè)也對(duì)該技術(shù)展開(kāi)了各種研究和嘗試應(yīng)用，并取得了振奮人心的成果。在當(dāng)前階段，機(jī)電一體化的發(fā)展已經(jīng)成為我國(guó)綜合國(guó)力發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力。

2.3 機(jī)電一體化發(fā)展所面臨的問(wèn)題

我國(guó)的機(jī)電一體化技術(shù)仍面臨著許多嚴(yán)峻的問(wèn)題。隨著我國(guó)在工業(yè)化和現(xiàn)代化的方向上的不斷前進(jìn)，制造業(yè)的水平不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)電一體化的要求也愈來(lái)愈高，這就要求我國(guó)工業(yè)體系中的機(jī)電一體化設(shè)備和技術(shù)進(jìn)一步更新完善，以應(yīng)對(duì)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整和升級(jí)。在我國(guó)目前的工業(yè)體系中，高耗能、耗水、環(huán)境污染嚴(yán)重的企業(yè)仍占很大比重，傳統(tǒng)工業(yè)體系又過(guò)于龐大，改造的任務(wù)量巨大。受經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等因素的限制，對(duì)企業(yè)、單位機(jī)電一體化改造的進(jìn)度緩慢。而隨著機(jī)電一體化技術(shù)的成熟，現(xiàn)實(shí)中對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的要求愈來(lái)愈高，控制系統(tǒng)也變得日漸復(fù)雜，在傳統(tǒng)控制下的機(jī)電一體化系統(tǒng)只能解決具有精確數(shù)學(xué)模型、單一線性的對(duì)象，對(duì)機(jī)電一體化設(shè)備的生產(chǎn)效率產(chǎn)生了不可忽略的影響。

3 智能控制在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

3.1 智能控制在數(shù)控領(lǐng)域的應(yīng)用

在當(dāng)下，數(shù)控系統(tǒng)正面臨著越來(lái)越高的要求，不僅僅要求數(shù)控系統(tǒng)具有更高的性能，也要求其具有多樣化的智能功能。傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模的控制方式只能解決其中部分的功能模塊，而還有許多功能環(huán)節(jié)難以建模，且信息也較為模糊，在這種情況下，智能控制技術(shù)中的模糊控制理論就能夠發(fā)揮出理想的作用[5]。利用模糊控制理論可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字控制系統(tǒng)的控制進(jìn)行優(yōu)化，還可以在數(shù)控機(jī)床運(yùn)行故障的診斷工作中發(fā)揮作用，以確保數(shù)控機(jī)床的安全運(yùn)轉(zhuǎn)。插補(bǔ)計(jì)算是數(shù)控系統(tǒng)中的核心模塊之一，BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的函數(shù)逼近能力可以在數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)計(jì)算中發(fā)揮重要作用，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在其神經(jīng)元的層數(shù)及各層節(jié)點(diǎn)數(shù)足夠的情況下，在理論上可以逼近任何復(fù)雜函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的充分密化。

3.2 智能控制在機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用

智能控制在機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展中起著舉足輕重的作用。機(jī)器人行動(dòng)的任務(wù)目標(biāo)往往具有復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性等特點(diǎn)[6]。若想實(shí)現(xiàn)機(jī)器人真正意義上的智能化，就需機(jī)器人具備多樣化的傳感器信息、實(shí)時(shí)變化的控制系統(tǒng)參數(shù)，比如在搬運(yùn)貨物的過(guò)程中，機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)對(duì)視覺(jué)傳感器反饋的信息進(jìn)行處理，然后做出識(shí)別障礙、調(diào)整動(dòng)作姿態(tài)和路線的自主操作，智能控制還是機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自調(diào)整與自適用的必要手段。

4 結(jié)語(yǔ)

智能化是目前機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展的主要方向之一，也是機(jī)電一體化與傳統(tǒng)機(jī)械技術(shù)的主要區(qū)別所在，可以說(shuō)控制系統(tǒng)的在很大程度上決定了機(jī)電一體化系統(tǒng)的優(yōu)劣。隨著信息科學(xué)、人工智能、計(jì)算機(jī)等技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制系統(tǒng)正逐步得到進(jìn)一步的完善，必將在未來(lái)更好地服務(wù)人們的生活。

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