智能控制工程在機械電子工程中的應(yīng)用

付曉云

（沈陽理工大學(xué)，遼寧沈陽 110159）

1 智能控制工程和機械電子工程概述

1.1 智能控制工程

智能控制技術(shù)包含神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)、電子信息學(xué)和人文科學(xué)等學(xué)科內(nèi)容。在機械電子工程中，智能控制技術(shù)融入了各類工程控制理論和計算機科學(xué)，利用計算機軟件和生物學(xué)模仿人類的大腦和肢體功能，搭配先進的控制電子設(shè)備，可以順利實現(xiàn)更加多元、智能化的操控，降低了對人力的依賴性。在實際應(yīng)用中，智能控制工程以計算機技術(shù)和信息技術(shù)為基礎(chǔ)，以控制理論為指導(dǎo)思想，實現(xiàn)對機械生產(chǎn)的自動化管理控制。

智能控制技術(shù)一共經(jīng)歷了3 個發(fā)展階段，前期的技術(shù)應(yīng)用效果并不明顯，后來主要被應(yīng)用到軍事領(lǐng)域，直到21 世紀(jì)才進一步擴展了該技術(shù)的應(yīng)用范圍。使得智能化控制技術(shù)和社會生產(chǎn)結(jié)合起來，并在大數(shù)據(jù)技術(shù)的支持下廣泛應(yīng)用人工智能技術(shù)，給人們的生產(chǎn)生活帶來極大便利。隨著控制理論及其技術(shù)的不斷完善，控制技術(shù)的應(yīng)用范圍進一步拓寬，作用進一步強化，在許多大型機械制造過程中發(fā)揮著十分重要的作用，實現(xiàn)了自動化的操作控制和管理。智能控制工程和傳統(tǒng)控制工程最大的區(qū)別是，其可采用智能化、自動化技術(shù)提高機械操作性和應(yīng)用性。其次，智能控制技術(shù)的應(yīng)用使得操作更加簡便，能有效解決機械生產(chǎn)中出現(xiàn)的各種復(fù)雜問題，并通過全面綜合的機械技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代控制理論解決許多線形和非線性的問題，尤其在機械工程活動中提供更加科學(xué)的技術(shù)支持。

1.2 機械電子工程

機械電子工程的發(fā)展基礎(chǔ)是機械工程，集合了計算機、機械和電子等學(xué)科技術(shù)。傳統(tǒng)的機械生產(chǎn)由人工控制，生產(chǎn)效率不高，且容易在設(shè)計生產(chǎn)過程中出現(xiàn)異常問題而得不到及時有效解決，不但影響效率還可能會影響生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全。為此，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，在機械工程中轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)機械生產(chǎn)模式，利用機械電子工程實現(xiàn)傳統(tǒng)機械工程和電子信息技術(shù)的結(jié)合。加深電子、機械和信息之間的聯(lián)系，在實際產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)和經(jīng)營管理中，機械電子工程結(jié)合機械理論、電子工程知識和計算機知識，完善產(chǎn)品設(shè)計方案。和傳統(tǒng)機械工程相比，機械電子工程的設(shè)計更加精細化，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)變得更加簡單和集成化，功能更加優(yōu)越。通過科學(xué)的規(guī)劃設(shè)計，促使機械制造水平進一步提升，滿足現(xiàn)代化機械生產(chǎn)發(fā)展需要。

機械電子工程也經(jīng)歷了多個發(fā)展階段，前期主要采用人工操作的方式進行管控，生產(chǎn)質(zhì)量和效率受到限制。機械加工技術(shù)的不斷研究發(fā)展，推動了機械電子工程的發(fā)展，融入自動化技術(shù)，不斷提升生產(chǎn)規(guī)模和效益。尤其在大數(shù)據(jù)時代，集合大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)，拓寬了機械電子工程的應(yīng)用范圍，提高機械生產(chǎn)的效率和個性化，降低生產(chǎn)周期，使產(chǎn)品的性能不斷完善。

2 智能控制工程在機械電子工程中的應(yīng)用優(yōu)勢

將智能化技術(shù)應(yīng)用到機械電子工程，可簡化操作流程，避免人為操作帶來的失誤，提高機械電子工程的運行效率和質(zhì)量，使得機械電子工程運行變得穩(wěn)定安全。同時還能提高整體控制能力，使機械電子工程各環(huán)節(jié)都得到強化。

2.1 避免人為因素引起的操作不當(dāng)

智能化技術(shù)靈活性較高，在機械電子工程設(shè)計施工中采用智能化控制技術(shù)可充分發(fā)揮其靈活性的優(yōu)勢，改正和優(yōu)化傳統(tǒng)機械電子工程設(shè)計施工中存在的問題。由于機械電子工程的設(shè)計與應(yīng)用受到主客觀因素影響，因此可利用智能化控制技術(shù)實現(xiàn)對系統(tǒng)設(shè)計施工的全方位實時監(jiān)控?？梢栽诤艽蟪潭壬媳苊馊藶橐蛩匾鸬娘L(fēng)險問題，可以高效反應(yīng)和判斷具體問題并解決，確保機械電子系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行。同時，智能化技術(shù)的應(yīng)用可以協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)及其設(shè)備，對可控指標(biāo)進行調(diào)整優(yōu)化，可在整體上提升電氣設(shè)計施工的質(zhì)量和系統(tǒng)運行的水平。

2.2 確保數(shù)據(jù)一致

機械電子工程設(shè)計施工的質(zhì)量會受到技術(shù)、材料設(shè)備和人員、自然環(huán)境和施工條件等因素影響。尤其是設(shè)計方案存在的問題沒有得到有效解決，導(dǎo)致施工中出現(xiàn)多次變更，影響到獲得數(shù)據(jù)的完整性，增加數(shù)據(jù)分析結(jié)果偏差。為此必須提高數(shù)據(jù)的一致性，利用智能化控制技術(shù)可全方面收集相關(guān)數(shù)據(jù)信息，避免數(shù)據(jù)遺漏和錯誤。同時，可以提高數(shù)據(jù)處理的效率和準(zhǔn)確性，可根據(jù)不同技術(shù)形式采用針對性的數(shù)據(jù)處理方法，有效提高機械電子設(shè)計的科學(xué)有效性，以及機械電子工程設(shè)計施工的質(zhì)量。

2.3 提升整體控制能力

結(jié)合智能化控制技術(shù)和機械電子工程，可及時反饋系統(tǒng)及其設(shè)備的數(shù)據(jù)。智能化控制器能保障生產(chǎn)正常進行，還能發(fā)揮自動化的技術(shù)優(yōu)勢，及時發(fā)現(xiàn)和解決存在的隱患，獲得正確反饋信息。同時，可以遠程控制生產(chǎn)設(shè)備，提升企業(yè)整體運行的控制能力。

2.4 強化機械電子工程各模塊，簡化自動化模型控制

機械電子工程具有模塊化的性質(zhì)，在發(fā)展中涉及許多技術(shù)。這些技術(shù)的應(yīng)用使得機械電子模塊化發(fā)展成為必然趨勢。在傳統(tǒng)機械電子工程中，模塊還不夠完善且模型控制復(fù)雜。現(xiàn)階段，在機械電子工程中，采用智能化控制技術(shù)進行系統(tǒng)數(shù)據(jù)整理和分析，可有效提升對整個系統(tǒng)的控制效果，強化系統(tǒng)生產(chǎn)運行的效率和質(zhì)量，提高參數(shù)運行的準(zhǔn)確性，還能防止設(shè)備和工藝運行出現(xiàn)故障。此外，可對機械電子工程系統(tǒng)模型控制進行簡化，從根本上減少對模型的控制，提升整體工作效益。

3 智能控制工程在機械電子工程中的具體應(yīng)用分析

3.1 模糊控制系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的機械生產(chǎn)加工工藝十分復(fù)雜且流程繁多，對技術(shù)要求高、工作量大，但是生產(chǎn)效率低，無法確保生產(chǎn)質(zhì)量。采用人工控制的方式，不但會增加勞動量和勞動成本，而且還會因為人工操作失誤影響系統(tǒng)實施效果。通過構(gòu)建智能控制模型，采用模糊控制理論，不但提高了控制工作的精確性，加大了誤差控制的范圍，使控制工作在規(guī)定范圍內(nèi)開展。同時，減少了對人工的需要，有利于提升生產(chǎn)效率和質(zhì)量，降低自動控制難度。在模糊控制實際應(yīng)用中需要注意的是，應(yīng)加大對生產(chǎn)誤差控制范圍的研究力度，提高模糊控制技術(shù)對機械電子工程控制的精確程度。

3.2 專家控制系統(tǒng)的應(yīng)用

專家控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)控制方式相比，對數(shù)學(xué)模型的依賴性大大減弱，不用受到受控對象因內(nèi)外部環(huán)境改變而引起結(jié)構(gòu)及其參數(shù)變化的影響。計算機系統(tǒng)在長期實踐中通過模擬專家行為，利用智能化的方式進行操作和控制，可進一步提高控制系統(tǒng)的性能，提高生產(chǎn)精確度。例如，在高精度機床生產(chǎn)中，利用專家控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)對機械加工全過程動態(tài)智能化的補償控制，減少誤差范圍，有利于提升加工精確度。

3.3 智能集成控制的應(yīng)用

在機械電子工程中，集成自動化控制技術(shù)是較常見的技術(shù)工藝。在機械電子工程中的應(yīng)用可促使控制系統(tǒng)得到全面升級優(yōu)化。利用該技術(shù)，可以實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)及其各設(shè)備的統(tǒng)一化管理，能集中人力物力，提高監(jiān)督管理的水平，促使機械電子工程有序協(xié)調(diào)發(fā)展，提高產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和效益。此外，采用集成自動化控制技術(shù)，可全面監(jiān)測多臺設(shè)備的運行情況和生產(chǎn)數(shù)據(jù)指標(biāo)，從而開展全方面的控制管理，及時分析處理異常情況，確保機械電子生產(chǎn)的有序性和高效率。

3.4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的應(yīng)用

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是利用人腦的統(tǒng)一控制，實現(xiàn)對身體其他各個部位的控制。該技術(shù)根據(jù)這一理論設(shè)計出全新的智能控制系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)控制體系的不斷完善，完成對機械電子設(shè)備的高效控制管理。不但提高了控制管理水平，有利于保障產(chǎn)品的質(zhì)量，而且節(jié)約了人工控制的成本。通過對整個神經(jīng)元的信息一體化整合、分析和反饋，利用神經(jīng)元，實現(xiàn)對相關(guān)機械電子產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的指令或口令發(fā)布，促進了智能自動化控制的發(fā)展，也有利于機械電子工程行業(yè)的發(fā)展。

3.5 魯棒控制的應(yīng)用

在現(xiàn)階段機械電子工程生產(chǎn)研究中，魯棒控制研究是指在設(shè)備受到外界干擾時，可以保持原來的控制系統(tǒng)性能，促使機械電子工程得以順利開展。例如，在柔性臂軌跡制造中采用滑膜結(jié)構(gòu)控制，并以此為基礎(chǔ)研發(fā)魯棒控制器，使得系統(tǒng)控制器在結(jié)構(gòu)和性能方面得到優(yōu)化。在實際操作時，利用補償計算方法，使滑膜結(jié)構(gòu)和魯棒控制組合起來控制，確?？刂葡到y(tǒng)在目標(biāo)軌跡運行中發(fā)揮精確的控制功能。

3.6 預(yù)測控制技術(shù)的應(yīng)用

在機械電子工程中，采用預(yù)測控制技術(shù)是為了提前實現(xiàn)對設(shè)備運行的預(yù)測。將預(yù)測結(jié)果反饋給操作系統(tǒng)，實現(xiàn)對設(shè)備運行的良好控制，從而滿足機械電子生產(chǎn)控制的需要。例如，在機械電子生產(chǎn)中，高速液壓機轉(zhuǎn)速和壓力的增大，會使機械負載沖擊作用加大，導(dǎo)致設(shè)備系統(tǒng)故障，影響運行精確度和安全性。利用預(yù)測控制技術(shù)，可以高速液壓機實際運行情況為依據(jù)，建立科學(xué)的預(yù)測模型，控制設(shè)備運行速度和壓力，實現(xiàn)對運行誤差的精確預(yù)測和控制，有效消除運行中的速度和壓力誤差，提高設(shè)備運行的精確度和安全性。

4 智能控制工程的發(fā)展前景

4.1 高速度、高精度、高效化發(fā)展

促使智能化技術(shù)發(fā)展的主要指標(biāo)是速度、精度和效率。在現(xiàn)代化機械電子工程中，采用自動化智能化技術(shù)，可實現(xiàn)手動控制無法實現(xiàn)的目標(biāo)，不僅解放了勞動力，而且也有利于減少誤差，提升生產(chǎn)精確度。在智能控制工程發(fā)展過程中，使用超精密磨削技術(shù)，可以提高機械電子產(chǎn)品生產(chǎn)的精確度。在一些尖端行業(yè)，例如，航天航空領(lǐng)域，未來將采用更加高效的自動化技術(shù)，促使機械電子工程朝著高速度、高精度和高效化的方向發(fā)展。

4.2 柔性化控制發(fā)展

智能化控制技術(shù)在機械電子工程中的柔性化發(fā)展，一方面是機械電子自動化群控系統(tǒng)，另一方面是機械電子自動化數(shù)控系統(tǒng)。其中，群控系統(tǒng)主要是對信息流與物料流的動態(tài)調(diào)整，能夠嚴(yán)格按照生產(chǎn)流程的要求開展工作。

4.3 網(wǎng)絡(luò)化機械制造模式

未來機械制造模型和模式會朝著網(wǎng)絡(luò)的方向發(fā)展，產(chǎn)品生產(chǎn)中的設(shè)備和技術(shù)將進一步完善。微機技術(shù)和精密控制技術(shù)的應(yīng)用將不斷推動聯(lián)網(wǎng)機械制造的發(fā)展，從而使機械電子制造朝著更加高質(zhì)量和高水平的目標(biāo)發(fā)展。

4.4 模具成型技術(shù)

在模具成型過程中，自動化技術(shù)的應(yīng)用可有效提高模具的生產(chǎn)精確度，可將模具的精確度控制在微米等級內(nèi)。在未來發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)的完善和創(chuàng)新，將使模具的成型和應(yīng)用更好地為模具制造和機械電子制造帶來更多方便。

5 結(jié)語

人們對機械電子產(chǎn)品的要求越來越高，必須加大機械電子工程生產(chǎn)控制優(yōu)化，才能確保機械電子產(chǎn)品生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，促使機械電子工程朝著信息化、智能化和自動化的方向發(fā)展。將智能控制工程應(yīng)用到機械電子生產(chǎn)中，可通過兩者結(jié)合，使機械電子工程生產(chǎn)效率和質(zhì)量得到有效提高，減少資源開發(fā)人員的數(shù)量，節(jié)約生產(chǎn)成本，確保生產(chǎn)安全以及未來機械制造自動化的發(fā)展。機械制造企業(yè)應(yīng)積極利用現(xiàn)代化自動化技術(shù)，并不斷在實踐中探索創(chuàng)新，充分發(fā)揮技術(shù)在機械電子生產(chǎn)中的作用，為企業(yè)帶來更多經(jīng)濟效益。