智能控制在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用探究

朱金峰， 蕭向東

（1.山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山東 濟南 250103； 2.山東雷電防雷檢測有限公司， 山東 濟南 250100）

0 引言

以往在機電設(shè)備及運行動作相對簡單、傳統(tǒng)情況下無需使用智能控制技術(shù)，而若控制對象無法通過數(shù)學(xué)模型來刻畫，并要執(zhí)行非線性動作時，就會使機電一體化系統(tǒng)面臨更大的任務(wù)量，并會增加更多計算數(shù)據(jù)，而重復(fù)、簡單的動作仍然無法滿足機電設(shè)備運行要求。通過應(yīng)用智能控制技術(shù)，能使機電一體化系統(tǒng)，完成各種復(fù)雜任務(wù)，并能有效控制具有較高非線性程度以及較高不確定性的對象，不斷提升學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力以及組織能力等，在此基礎(chǔ)上促進生產(chǎn)效率及質(zhì)量提升。所以，有必要積極研發(fā)并廣泛應(yīng)用以智能控制為基礎(chǔ)的機電一體化系統(tǒng)。

1 機電一體化系統(tǒng)和智能控制的概述

1.1 機電一體化系統(tǒng)

近年來，傳統(tǒng)機電工業(yè)模式開始融入微電子技術(shù)，機電一體化系統(tǒng)就是在此過程中形成的新興概念，該系統(tǒng)結(jié)合運用了電子電工、傳感器、信號變換、機械、信息、微電子等技術(shù)，應(yīng)用于實際生產(chǎn)中體現(xiàn)出突出的綜合性特點。該系統(tǒng)硬件包括多項部分，有計算機、機械裝置還有電子設(shè)備等，并結(jié)合運用計算機還要電子信息化等多種技術(shù)，更自動化的管控多種系統(tǒng)以及設(shè)備。系統(tǒng)組成部分包括動力部分、控制部件、執(zhí)行部分、信息處理部分以及機械結(jié)構(gòu)等[1]。在實際生產(chǎn)中應(yīng)用機電一體化系統(tǒng)，可節(jié)約大量物力、人力等資源，并能為工作人員營造一個相對安全的環(huán)境。和傳統(tǒng)僅依賴機械技術(shù)的生產(chǎn)模式相比，機電一體化系統(tǒng)的利用可有效提升生產(chǎn)安全性，在此技術(shù)優(yōu)勢下完成傳統(tǒng)技術(shù)難以實現(xiàn)的高危工作，促進生產(chǎn)效率提升，幫助企業(yè)節(jié)約成本與時間，提升企業(yè)核心競爭力。

1.2 智能控制

智能控制技術(shù)是結(jié)合自動控制原理以及人工智能理論等多種理論和技術(shù)，在不受外界干擾情況下，以計算機技術(shù)實現(xiàn)人腦模擬，同步將自動驅(qū)動機器和各類控制任務(wù)結(jié)合起來的新型技術(shù)，可發(fā)揮智能調(diào)控作用。智能控制理論基礎(chǔ)包括信息方法論還有自動控制理論等，技術(shù)基礎(chǔ)是人工智能技術(shù)等，在技術(shù)支持下優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，彌補實際生產(chǎn)中的多項不足，關(guān)鍵是高層控制。相比于傳統(tǒng)化的自動控制技術(shù)，智能控制具有更明顯的人性化特征，其可通過多種人為控制方式操作，還能根據(jù)環(huán)境情況和被控制對象信息實現(xiàn)自我調(diào)整，并可結(jié)合信息變化動態(tài)調(diào)整結(jié)構(gòu)特征，其自主適應(yīng)能力強，自主學(xué)習(xí)性好，能支持獨立組織，并可達到協(xié)調(diào)控制效果，一旦發(fā)現(xiàn)故障，能夠智能化、高效化地實現(xiàn)自我修復(fù)以及補償，并在綜合外部環(huán)境信息基礎(chǔ)上做出正確決策。并且和其他控制系統(tǒng)相比，智能控制實現(xiàn)定量與定性相結(jié)合，相關(guān)機械設(shè)備有更高的智能化水平，充分滿足系統(tǒng)標準要求。通常情況下，智能控制對象會有較高的非線性程度和不確定性，通過智能控制，可完成各類復(fù)雜任務(wù)，有強大的能力支持，突破外部環(huán)境局限，高效實現(xiàn)智能控制，目前智能控制主要用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及專家系統(tǒng)還有遺傳算法等領(lǐng)域，控制方式比較多樣，有小波理論控制，也有分級階梯智能控制，還包含混沌控制等。

智能控制系統(tǒng)有多種類型，主要有：

1）分級控制系統(tǒng)。在分級控制系統(tǒng)應(yīng)用中，需要同步利用相關(guān)級別階梯劃分智能化操控設(shè)備，具有兩大組成部分，即自組織控制、自適應(yīng)控制，不同部分有著不同作用。通常在建設(shè)分級控制系統(tǒng)期間，具體層級包括執(zhí)行級、協(xié)調(diào)級以及組織級，各層級在實際操作中可基于自身性能特征產(chǎn)生不同刺激，以協(xié)調(diào)控制整體系統(tǒng)。

2）專家控制系統(tǒng)。在專家控制系統(tǒng)內(nèi)，主要會納入行業(yè)專家不同時期所產(chǎn)生的不同智慧成果，經(jīng)加工處理，輸入計算機系統(tǒng)，用以支持智能控制系統(tǒng)重構(gòu)及升級。在計算機接收到指令或受到刺激之后，專家控制系統(tǒng)會相對應(yīng)的輸入專家經(jīng)驗知識抑或相關(guān)理論內(nèi)容，用以識別相應(yīng)指令或刺激，這種處理方式相對理想。專家控制系統(tǒng)集中了行業(yè)專家以及計算機系統(tǒng)多方智慧，可使處理效果更加理想，如圖1 為專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖1 專家控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3）學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)。目前主要在自動控制中應(yīng)用學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)，能結(jié)合自身運行能力優(yōu)化處理及分析系統(tǒng)內(nèi)各項數(shù)據(jù)和信息，以提升系統(tǒng)控制水平，達到無人操作效果。學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)具有動作控制、自主調(diào)節(jié)等功能，可確保系統(tǒng)能夠自動化的運行和智能化的操作。

4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。目前智能控制會廣泛應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)架構(gòu)模式主要參考人體神經(jīng)、網(wǎng)絡(luò)運動神經(jīng)細胞以及人工神經(jīng)元等[2]。

2 以智能控制為基礎(chǔ)的機電一體化系統(tǒng)優(yōu)勢

1）可優(yōu)化機電一體化操作流程。在機電一體化中，群控系統(tǒng)屬于應(yīng)用智能控制的典型代表，此系統(tǒng)能夠統(tǒng)一管理生產(chǎn)設(shè)備，使管理更高效，尤其是在機電一體化設(shè)備其操作流程一致情況下，可和任務(wù)系統(tǒng)直接對接，自動地傳遞控制指令，保證機電一體化設(shè)備可按照指令及預(yù)定流程更高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

2）可有效提升操作精度。在機械制造領(lǐng)域不斷發(fā)展過程中，對零部件提出越來越高的精度要求，而機電一體化設(shè)備智能化程度高低直接影響著零部件精度。通過應(yīng)用智能控制技術(shù)，可使機電一體化設(shè)備進一步提高操作精度，在零部件生產(chǎn)中盡量減少規(guī)格、尺寸等的誤差，使零部件生產(chǎn)合格率更高，有效擴大企業(yè)效益，提升企業(yè)核心競爭力。

3）可提升設(shè)備智能化水平，使智能控制和機電一體化設(shè)備融于一體，使生產(chǎn)過程充分滿足高質(zhì)量、高效率等要求，系統(tǒng)可自動執(zhí)行相關(guān)指令，精準化地控制產(chǎn)品質(zhì)量與尺寸，在提升生產(chǎn)合格率基礎(chǔ)上減少資源浪費，控制生產(chǎn)成本。同時，結(jié)合生產(chǎn)要求應(yīng)用智能技術(shù)進行控制指令的編寫，能集成化地管理所有的機電一體化設(shè)備，使設(shè)備使用及控制更加智能，并有助于防范發(fā)生產(chǎn)品質(zhì)量問題。

4）可促進生產(chǎn)效率提升。一般情況下，機電一體化設(shè)備會保持多軸加工狀態(tài)，且依靠人力控制，難以保證加工精度和效率。而通過應(yīng)用智能控制技術(shù)，預(yù)先嚴謹?shù)木帉懗绦颍瑑?yōu)化加工流程，可進一步提升生產(chǎn)控制效果，能同時控制機電一體化設(shè)備中的多個部件，且機械制造效率以及生產(chǎn)加工精度都更高[3]。

3 智能控制在機電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

3.1 用于機械制造

機械制造領(lǐng)域是應(yīng)用機電一體化系統(tǒng)較早的行業(yè)，主要可通過相關(guān)系統(tǒng)在線監(jiān)控生產(chǎn)過程，并在線檢測設(shè)備運行情況，還能在線進行故障診斷等。在機械制造中應(yīng)用智能控制，會基于人的思維設(shè)置機電一體化設(shè)備及操作程序，智能下達控制指令，避免受到環(huán)境、空間以及時間等因素干擾，保證設(shè)備能始終高效作業(yè)，充分確保產(chǎn)品精度。在智能控制裝置應(yīng)用中，設(shè)計人員可基于生產(chǎn)需求進行程序編寫與代碼儲存，通過智能裝置來控制機電一體化設(shè)備，并對設(shè)備運行信息加以收集、分析和處理，合理調(diào)整參數(shù)，減少故障發(fā)生幾率，促使生產(chǎn)更加高效安全。在工業(yè)制造體系中，數(shù)控技術(shù)具有突出的應(yīng)用價值，像數(shù)控火焰切機床、數(shù)控機床等設(shè)備，通過應(yīng)用先進的數(shù)控技術(shù)，可結(jié)合需求自動換刀或自動旋轉(zhuǎn)軸頭等，有效提升生產(chǎn)效率。同時，機電一體化技術(shù)和智能控制技術(shù)相融合，可有效彌補原數(shù)控技術(shù)缺陷，在編程以及實際操作中均可達到漏洞修復(fù)效果，使操作人員更便捷、高效、安全的操控機械設(shè)備。

3.2 用于交流伺服系統(tǒng)

同步以及異步電動機會使不同類型的交流伺服系統(tǒng)，大多系統(tǒng)運行過程都比較復(fù)雜，受到多種因素影響，可能會降低伺服特性，難以保證機電一體化設(shè)備正常、穩(wěn)定的運行，從而影響生產(chǎn)效率與質(zhì)量。正常情況下，伺服控制系統(tǒng)要能對轉(zhuǎn)子點位作出精準反饋，否則將影響矢量控制效果，而常規(guī)技術(shù)手段很難實現(xiàn)這一目標，就算選擇無位置傳感器，依舊很難適應(yīng)各類伺服控制場景。為有效提升伺服特性，應(yīng)重視高動態(tài)伺服電機的研發(fā)，建立高精度數(shù)學(xué)模型，在此過程中就需要智能控制技術(shù)支持，以便隨時結(jié)合實際需求智能地調(diào)整機電一體化設(shè)備相關(guān)運行參數(shù)，使交流伺服系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定地運行。

3.3 用于機器人領(lǐng)域

機器人技術(shù)在應(yīng)用信息技術(shù)基礎(chǔ)上引入智能控制技術(shù)，能使機器人功能更加豐富，并使內(nèi)部多功能處理系統(tǒng)突破傳統(tǒng)人工終端控制局限，在智能控制技術(shù)支持下，更敏銳地感知周邊環(huán)境，并根據(jù)預(yù)定程序?qū)崿F(xiàn)智能化運行。融入智能控制技術(shù)的機器人會更安全、可靠地運行，并自動地收集各項信息，方便機器人結(jié)合所收集信息快速計算及分析，還可根據(jù)預(yù)定程序執(zhí)行具體操作。在機器人機電一體化系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用智能技術(shù)，可使系統(tǒng)驅(qū)動功能具備更智能地協(xié)控平臺，通過關(guān)聯(lián)系統(tǒng)智能操控模塊以及終端執(zhí)行機構(gòu)，使技術(shù)驅(qū)動中根據(jù)模塊化配置有效調(diào)控與分析內(nèi)部數(shù)據(jù)，保證機器人運行中按照各組位分配數(shù)據(jù)更智能化的操作[4]。比如可設(shè)計3D 打印動漫舞蹈機器人智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件構(gòu)造見圖2。

圖2 系統(tǒng)硬件構(gòu)造

根據(jù)圖2，可發(fā)現(xiàn)基于智能控制系統(tǒng)的硬件包括三個模塊，即網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊、運動控制模塊和核心控制模塊。核心控制模塊負責(zé)對系統(tǒng)整體運行進行控制；而運動控制模塊負責(zé)協(xié)調(diào)機器人的舞蹈動作，使其行動更加靈活；網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊主要是收發(fā)指令，促進多模塊整合，保證系統(tǒng)能平穩(wěn)運行。

在3D 打印動漫舞蹈機器人的智能控制系統(tǒng)設(shè)計中，核心控制模塊屬于重點，此模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)選擇嵌入式單片機，以對機器人的動作進行細微化控制。此模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)可見圖3。

圖3 機器人核心控制模塊基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)

核心控制芯片選擇XC7Z010-1CLG400C，其具有良好的控制性能，可在核心控制器內(nèi)實現(xiàn)嵌入式安裝。同時，設(shè)計中還設(shè)置有復(fù)位電路，尤其控制系統(tǒng)整體運行。核心控制器時鐘接口選擇晶振模式，可控制指令發(fā)送更具時效性。該控制系統(tǒng)的控制端口有四個，即運動控制端口、傳感器端口、網(wǎng)絡(luò)通信端口以及機器人電機控制端口。核心控制模塊設(shè)計后，安裝至系統(tǒng)硬件特定位置。

基于該機器人驅(qū)動方式進行運動控制模塊的設(shè)計，因為機器人舞蹈期間涉及到很多復(fù)雜性動作，所以該模塊設(shè)計兩個直流電機，用以驅(qū)動上、下肢，使控制過程更簡單，并使機器人動作更靈活，還可簡化控制系統(tǒng)電路設(shè)計。結(jié)合上述設(shè)計，對此模塊設(shè)計驅(qū)動電路。此模塊具體設(shè)定見表1。

表1 機器人運動控制模塊驅(qū)動電路的設(shè)定

在網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計中，為高效傳遞機器人行動指令，分別獨立地設(shè)計運動控制以及網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊。通過此設(shè)計，可在運動控制模塊出現(xiàn)局部零件磨損或者電路故障時，網(wǎng)絡(luò)通信控制模塊仍可及時接收從控制終端所傳遞的指令信息，進而傳遞至運動控制模塊內(nèi)正常的部分，還能對受損位置進行準確定位。設(shè)定網(wǎng)絡(luò)通信控制器的電壓為5 V，通過此控制器對網(wǎng)絡(luò)接口電平進行控制，在模塊運動時能方便地調(diào)整電平。為促進模塊電壓分壓，于接口電路內(nèi)設(shè)電阻以達到分壓目的。

該機器人在設(shè)計系統(tǒng)軟件時，先估計位姿，由此控制機器人舞蹈動作，并同步做好誤差校正工作。

3.4 用于礦山機電一體化系統(tǒng)

1）可在采礦操作系統(tǒng)中應(yīng)用智能控制技術(shù)，主要可建立智能礦山系統(tǒng)。智能控制系統(tǒng)包括平行管控中心、虛擬礦山、現(xiàn)實場景以及遠程操控平臺等，而智能礦山操作系統(tǒng)包含單車作業(yè)系統(tǒng)、多車協(xié)同系統(tǒng)、無人駕駛智能系統(tǒng)、調(diào)度管理系統(tǒng)、平行運輸系統(tǒng)、車路協(xié)同系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)、通信系統(tǒng)以及遠程接管系統(tǒng)等。計算平臺可為各系統(tǒng)提供算力支持，通過5G 通信建立傳統(tǒng)通道，從而在線傳輸各類數(shù)據(jù)信息。平行系統(tǒng)當(dāng)中已完成建模的礦山以及車輛能有效交互，單車指令以及多車指令將指令信息發(fā)至調(diào)度管理以及無人駕駛智能系統(tǒng)當(dāng)中。完成任務(wù)封裝后，可利用多車協(xié)同作業(yè)以及單車作業(yè)平臺完成具體任務(wù)，車路協(xié)同系統(tǒng)可輸出超視距感知信息，隨后經(jīng)傳感器將執(zhí)行信息以及誤差信息回傳至平行系統(tǒng)當(dāng)中，經(jīng)誤差修正，為下一決策提供參考，促使采礦工作更加穩(wěn)定[5]。而且遠程操控以及監(jiān)控等子系統(tǒng)具有人為主動控制以及可視化等功能，能使采礦線路更加科學(xué)、合理。

2）可在機械臂中應(yīng)用智能控制。在實際應(yīng)用中，應(yīng)注意以下要點：要同步使用E104-BT05，其工作頻段是12.4 GHz，數(shù)據(jù)傳輸中所支持波特率最大是256 000 bit/s，能夠在PC 端、手機APP 以及小程序等當(dāng)中接收數(shù)據(jù)。礦井設(shè)備會對機械臂各項信息進行采集，同步按照規(guī)定格式打包，相關(guān)數(shù)據(jù)以參數(shù)形式傳到E104-BT05 廣播包當(dāng)中，隨后利用終端監(jiān)控設(shè)備對廣播數(shù)據(jù)進行掃描，得到設(shè)備信息；機械臂控制主要是PWM控制，若PWM1 其輸出周期是10 ms，同時PWM波占空比10%，在計算PWM 周期時，可在模塊內(nèi)將精度設(shè)為T=0.01 ms，則周期最小是0.01 ms，設(shè)置的同時將參數(shù)傳入其中，比如以10 ms 為一個周期，那么t=T·Para，在T=0.01 ms，同時t=10 ms 情況下，可得出Para=1 000；可通過智能終端APP 空中配置對機械臂進行控制。

3）可在鏟運機上應(yīng)用智能控制。首先，通過監(jiān)控中心進行指令發(fā)送，遠程遙控鏟運機做出各類動作。其次，可將網(wǎng)絡(luò)攝像頭安裝在鏟車機頭以及機尾，遠程監(jiān)視工作，視頻數(shù)據(jù)可經(jīng)無限MESH 網(wǎng)絡(luò)傳至監(jiān)控中心，使相關(guān)工作人員實時掌握鏟車單斗重量和累計重量等，更便捷地對司機工作量進行統(tǒng)計。此外，車載單元能對鏟運機器各種運行動作及狀態(tài)進行自動記錄，一旦鏟運機發(fā)生故障，能經(jīng)串口讀取故障數(shù)據(jù)，并通過監(jiān)控及時調(diào)取位置信息等。最后，可實現(xiàn)自主導(dǎo)航以及自動卸料。在智能控制技術(shù)支持下，系統(tǒng)監(jiān)控中心能夠自動發(fā)出指令，由此使鏟運機按照自主導(dǎo)航模式工作，并且在自主導(dǎo)航期間，車載單元可結(jié)合學(xué)習(xí)路徑實現(xiàn)自主行駛，自動判斷行駛距離，利用定位系統(tǒng)對行駛路線進行校正，還可調(diào)整轉(zhuǎn)角傳感器姿勢。

4）可在機械防撞系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用智能控制。由于礦井生產(chǎn)期間經(jīng)常面臨大巷電機車碰撞問題，威脅礦井生產(chǎn)安全。對此，可將智能控制系統(tǒng)嵌入到智能化機車防撞系統(tǒng)內(nèi)，設(shè)計信號發(fā)射、信號接收、控制和執(zhí)行、聲光報警等模塊，并利用單片機計算電車相對距離和運行速度，如果計算數(shù)值和預(yù)定值相接近，則發(fā)出報警信息，以防出現(xiàn)設(shè)備碰撞等事故。

4 結(jié)語

在生產(chǎn)技術(shù)不斷進步與成熟過程中，智能控制技術(shù)會被更廣泛、深入地用于機電一體化系統(tǒng)，同時在智能控制技術(shù)支持下，將促進多個行業(yè)轉(zhuǎn)型升級與發(fā)展，解決生產(chǎn)及工作中遇到的多種問題和困難，促進生產(chǎn)效率及質(zhì)量提升，推進國家經(jīng)濟發(fā)展。