浅议机电一体化技术及智能控制的应用

2014-08-15洪玮

科技视界 2014年7期

洪玮

（陕西省机械高级技工学校，陕西汉中 723003）

机电一体化是机械、微电子、控制、计算机、信息处理等多学科的交叉融合，其发展和进步有赖于相关技术的进步与发展，随着微电子技术及超大规模的集成电路的发展，我国的机电一体化技术越来越成熟，在工农业的发展中发挥着至关重要的作用。但在实际的生活中，很多机电一体化应用的农业与工业对象具有多层次、不确定性、非线性等特征，给机电一体化的发展带来了很大的难题。智能控制系统的出现及应用，为机电一体化的长远发展创造了良好的外部环境。因此，智能控制在机电一体化方面的应用越来越受到人们的重视，对其进行研究是当前人们热衷的一大课题。

1 关于机电一体化的概述

1.1 机电一体化的含义

机电一体化即结合应用机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术，目前正向光机电一体化技术方向发展，应用范围愈来愈广。

1.2 机电一体化的基本内容与组成要素及原则

机电一体化的基本内容包括以下几项内容：一是，计算机与信息技术；二是，机械技术；三是，自动控制技术；四是，系统技术；五是，传感检测技术。

机电一体化的组成要素包括：一是，结构组成要素；二是，动力组成要素；三是，运动组成要素；四是，感知组成要素；五是，职能组成要素。

机电一体化的四大原则包括：一是，运动传递；二是，能量转换；三是，结构耦合；四是，信息控制。

2 针对智能控制的探讨

2.1 智能控制的含义

“智能控制”指的是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100 多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，现在已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段。“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是精密机械技术、微电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形势。它是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合的产物。

2.2 智能控制的特征

智能控制具有以下特征：一是智能控制的核心在高层控制；二是智能控制器具有非线性特性；三是智能控制具有变结构特点；四是智能控制器具有总体自寻优特性；五是智能控制系统应能满足多样性目标的高性能要求；六是智能控制是一门边缘交叉学科；七是智能控制是一个新兴的研究领域。

2.3 智能控制的类型

智能控制系统具有一定的智能行为，它是用来解决工程上难以用数学方法精确描述的、复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题。这些问题的特点是非线性的，用普通的控制方法难以实现。当前采取的智能控制系统如下所述：

1）分级控制系统

分级控制系统又称为分级阶梯控制系统，是由美国普渡大学提出的控制理论。它的理论是在自适应控制和自组织控制的基础上提出的理论。它主要由三个控制级组成，由高到低分为组织级、协调级、执行级。

2）学习控制系统

学习控制系统是通过对内部结构进行判别、认知、调整后，利用对信号循环输入和数据处理来保证良好的运行效果。它是一个能在其运行过程中逐步获得受控过程及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善的自动控制系统。

3）专家控制系统

专家控制系统是将人的经验、知识、技能融合进计算机的一种形式。在这个系统中，计算机数据库含有摸个领域专家水平的知识与经验，并且具有可以利用这些知识与经验解决该领域的高水平难题的特点。

4）神经网络系统

神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互联而组成的网络，或由大量像生物神经元的处理单元并联互联而成。智能网络结构形式主要运用了神经细胞、人工神经元模式。智能控制与模仿真人是神经网络的主要功能。

2.4 智能控制发展的趋势

智能控制系统具有极强的学习功能、组织功能及适应性功能，其在机电一体化方面的广泛应用是当前智能控制的一大发展趋势。模糊系统、遗传算法、专家系统及神经网络是应用在机电一体化系统中的最常见的四种技术，它们之间存在着相互依存、相辅相成的关系。

3 智能控制在机电一体化系统中的应用

3.1 智能控制在机械制造过程中的应用

机械制造是机电一体化系统中的重要组成部分，当前最先进的机械制造技术就是将智能控制技术与计算机辅助技术有机结合，向智能机械制造技术的方向发展。其最终目标是利用先进的计算机技术取代一部分脑力劳动，从而模拟人类制造机械的活动。同时，智能控制技术利用神经网络及模糊系统计算的方法对机械制造的现状进行动态地模拟，通过传感器融合技术将采集的信息进行预处理，从而修改控制模式中的参数。在此过程中利用神经网络技术中的并行处理与学习功能将一些残缺不全的信息进行有效处理，利用模糊系统所特有的模糊关系与模糊集合等特征，可以将一些模糊的信息集合到闭环控制中的外环决策机构来选取相应的控制动作。智能控制在机械制造中的应用领域包括：机械故障智能诊断、机械制造系统的智能监控与检测、智能传感器及智能学习等。

3.2 智能控制在数控领域中的应用

随着科学技术的发展，我国的机电一体化技术的发展对数控技术提出了更高的要求，不仅需要完成很多的智能功能，还需要扩展、模拟、延伸等新的智能功能，从而使得数控技术可以实现智能编程、智能监控、建立智能数据库等目标，运用智能控制技术可以实现这些目标。

比如说，利用专家系统可以对数控领域中难以确定算法与结构不明确的一些问题进行综合处理，再运用推理规则将数控现场的一些数控故障信息进行推理，从而获得维修数控机械的一些指导性建议；利用模糊系统技术可以将数控机械的加工过程进行优化，对一些模糊的参数进行调节，从而更加清晰地发现数控机械出现的故障，并找出相应的解决措施。

3.3 智能控制在建筑工程中的应用

智能控制在建筑工程中的应用主要表现在以下几个方面：一是智能控制在建筑物照明系统中的应用，它主要通过通信与计算机控制的联网，对每一个时段的照明系统进行控制，主要表现在对照明时间、照明系统的节能、照明逻辑方面的智能控制；二是对建筑物内的空调进行智能控制，通过比例积分调节器闭环的方式对空调在夏季与冬季使用时的模式进行设置，可以智能地调节空调的风阀，在确保建筑内空气质量的同时，减少能量的浪费。