智能控制在机电一体化系统中的应用探究

2023-10-23朱金峰萧向东

现代工业经济和信息化 2023年8期

朱金峰，萧向东

（1.山东商业职业技术学院，山东济南 250103； 2.山东雷电防雷检测有限公司，山东济南 250100）

0 引言

以往在机电设备及运行动作相对简单、传统情况下无需使用智能控制技术，而若控制对象无法通过数学模型来刻画，并要执行非线性动作时，就会使机电一体化系统面临更大的任务量，并会增加更多计算数据，而重复、简单的动作仍然无法满足机电设备运行要求。通过应用智能控制技术，能使机电一体化系统，完成各种复杂任务，并能有效控制具有较高非线性程度以及较高不确定性的对象，不断提升学习能力、自适应能力以及组织能力等，在此基础上促进生产效率及质量提升。所以，有必要积极研发并广泛应用以智能控制为基础的机电一体化系统。

1 机电一体化系统和智能控制的概述

1.1 机电一体化系统

近年来，传统机电工业模式开始融入微电子技术，机电一体化系统就是在此过程中形成的新兴概念，该系统结合运用了电子电工、传感器、信号变换、机械、信息、微电子等技术，应用于实际生产中体现出突出的综合性特点。该系统硬件包括多项部分，有计算机、机械装置还有电子设备等，并结合运用计算机还要电子信息化等多种技术，更自动化的管控多种系统以及设备。系统组成部分包括动力部分、控制部件、执行部分、信息处理部分以及机械结构等[1]。在实际生产中应用机电一体化系统，可节约大量物力、人力等资源，并能为工作人员营造一个相对安全的环境。和传统仅依赖机械技术的生产模式相比，机电一体化系统的利用可有效提升生产安全性，在此技术优势下完成传统技术难以实现的高危工作，促进生产效率提升，帮助企业节约成本与时间，提升企业核心竞争力。

1.2 智能控制

智能控制技术是结合自动控制原理以及人工智能理论等多种理论和技术，在不受外界干扰情况下，以计算机技术实现人脑模拟，同步将自动驱动机器和各类控制任务结合起来的新型技术，可发挥智能调控作用。智能控制理论基础包括信息方法论还有自动控制理论等，技术基础是人工智能技术等，在技术支持下优化生产环境，弥补实际生产中的多项不足，关键是高层控制。相比于传统化的自动控制技术，智能控制具有更明显的人性化特征，其可通过多种人为控制方式操作，还能根据环境情况和被控制对象信息实现自我调整，并可结合信息变化动态调整结构特征，其自主适应能力强，自主学习性好，能支持独立组织，并可达到协调控制效果，一旦发现故障，能够智能化、高效化地实现自我修复以及补偿，并在综合外部环境信息基础上做出正确决策。并且和其他控制系统相比，智能控制实现定量与定性相结合，相关机械设备有更高的智能化水平，充分满足系统标准要求。通常情况下，智能控制对象会有较高的非线性程度和不确定性，通过智能控制，可完成各类复杂任务，有强大的能力支持，突破外部环境局限，高效实现智能控制，目前智能控制主要用于神经网络以及专家系统还有遗传算法等领域，控制方式比较多样，有小波理论控制，也有分级阶梯智能控制，还包含混沌控制等。

智能控制系统有多种类型，主要有：

1）分级控制系统。在分级控制系统应用中，需要同步利用相关级别阶梯划分智能化操控设备，具有两大组成部分，即自组织控制、自适应控制，不同部分有着不同作用。通常在建设分级控制系统期间，具体层级包括执行级、协调级以及组织级，各层级在实际操作中可基于自身性能特征产生不同刺激，以协调控制整体系统。

2）专家控制系统。在专家控制系统内，主要会纳入行业专家不同时期所产生的不同智慧成果，经加工处理，输入计算机系统，用以支持智能控制系统重构及升级。在计算机接收到指令或受到刺激之后，专家控制系统会相对应的输入专家经验知识抑或相关理论内容，用以识别相应指令或刺激，这种处理方式相对理想。专家控制系统集中了行业专家以及计算机系统多方智慧，可使处理效果更加理想，如图1 为专家控制系统结构。

图1 专家控制系统结构

3）学习控制系统。目前主要在自动控制中应用学习控制系统，能结合自身运行能力优化处理及分析系统内各项数据和信息，以提升系统控制水平，达到无人操作效果。学习控制系统具有动作控制、自主调节等功能，可确保系统能够自动化的运行和智能化的操作。

4）神经网络系统。目前智能控制会广泛应用人工神经网络，系统架构模式主要参考人体神经、网络运动神经细胞以及人工神经元等[2]。

2 以智能控制为基础的机电一体化系统优势

1）可优化机电一体化操作流程。在机电一体化中，群控系统属于应用智能控制的典型代表，此系统能够统一管理生产设备，使管理更高效，尤其是在机电一体化设备其操作流程一致情况下，可和任务系统直接对接，自动地传递控制指令，保证机电一体化设备可按照指令及预定流程更高效、稳定地生产。

2）可有效提升操作精度。在机械制造领域不断发展过程中，对零部件提出越来越高的精度要求，而机电一体化设备智能化程度高低直接影响着零部件精度。通过应用智能控制技术，可使机电一体化设备进一步提高操作精度，在零部件生产中尽量减少规格、尺寸等的误差，使零部件生产合格率更高，有效扩大企业效益，提升企业核心竞争力。

3）可提升设备智能化水平，使智能控制和机电一体化设备融于一体，使生产过程充分满足高质量、高效率等要求，系统可自动执行相关指令，精准化地控制产品质量与尺寸，在提升生产合格率基础上减少资源浪费，控制生产成本。同时，结合生产要求应用智能技术进行控制指令的编写，能集成化地管理所有的机电一体化设备，使设备使用及控制更加智能，并有助于防范发生产品质量问题。

4）可促进生产效率提升。一般情况下，机电一体化设备会保持多轴加工状态，且依靠人力控制，难以保证加工精度和效率。而通过应用智能控制技术，预先严谨的编写程序，优化加工流程，可进一步提升生产控制效果，能同时控制机电一体化设备中的多个部件，且机械制造效率以及生产加工精度都更高[3]。

3 智能控制在机电一体化系统中的应用

3.1 用于机械制造

机械制造领域是应用机电一体化系统较早的行业，主要可通过相关系统在线监控生产过程，并在线检测设备运行情况，还能在线进行故障诊断等。在机械制造中应用智能控制，会基于人的思维设置机电一体化设备及操作程序，智能下达控制指令，避免受到环境、空间以及时间等因素干扰，保证设备能始终高效作业，充分确保产品精度。在智能控制装置应用中，设计人员可基于生产需求进行程序编写与代码储存，通过智能装置来控制机电一体化设备，并对设备运行信息加以收集、分析和处理，合理调整参数，减少故障发生几率，促使生产更加高效安全。在工业制造体系中，数控技术具有突出的应用价值，像数控火焰切机床、数控机床等设备，通过应用先进的数控技术，可结合需求自动换刀或自动旋转轴头等，有效提升生产效率。同时，机电一体化技术和智能控制技术相融合，可有效弥补原数控技术缺陷，在编程以及实际操作中均可达到漏洞修复效果，使操作人员更便捷、高效、安全的操控机械设备。

3.2 用于交流伺服系统

同步以及异步电动机会使不同类型的交流伺服系统，大多系统运行过程都比较复杂，受到多种因素影响，可能会降低伺服特性，难以保证机电一体化设备正常、稳定的运行，从而影响生产效率与质量。正常情况下，伺服控制系统要能对转子点位作出精准反馈，否则将影响矢量控制效果，而常规技术手段很难实现这一目标，就算选择无位置传感器，依旧很难适应各类伺服控制场景。为有效提升伺服特性，应重视高动态伺服电机的研发，建立高精度数学模型，在此过程中就需要智能控制技术支持，以便随时结合实际需求智能地调整机电一体化设备相关运行参数，使交流伺服系统更可靠、稳定地运行。

3.3 用于机器人领域

机器人技术在应用信息技术基础上引入智能控制技术，能使机器人功能更加丰富，并使内部多功能处理系统突破传统人工终端控制局限，在智能控制技术支持下，更敏锐地感知周边环境，并根据预定程序实现智能化运行。融入智能控制技术的机器人会更安全、可靠地运行，并自动地收集各项信息，方便机器人结合所收集信息快速计算及分析，还可根据预定程序执行具体操作。在机器人机电一体化系统内应用智能技术，可使系统驱动功能具备更智能地协控平台，通过关联系统智能操控模块以及终端执行机构，使技术驱动中根据模块化配置有效调控与分析内部数据，保证机器人运行中按照各组位分配数据更智能化的操作[4]。比如可设计3D 打印动漫舞蹈机器人智能控制系统，系统硬件构造见图2。

图2 系统硬件构造

根据图2，可发现基于智能控制系统的硬件包括三个模块，即网络通信控制模块、运动控制模块和核心控制模块。核心控制模块负责对系统整体运行进行控制；而运动控制模块负责协调机器人的舞蹈动作，使其行动更加灵活；网络通信控制模块主要是收发指令，促进多模块整合，保证系统能平稳运行。

在3D 打印动漫舞蹈机器人的智能控制系统设计中，核心控制模块属于重点，此模块基础结构选择嵌入式单片机，以对机器人的动作进行细微化控制。此模块基础结构可见图3。

图3 机器人核心控制模块基础结构

核心控制芯片选择XC7Z010-1CLG400C，其具有良好的控制性能，可在核心控制器内实现嵌入式安装。同时，设计中还设置有复位电路，尤其控制系统整体运行。核心控制器时钟接口选择晶振模式，可控制指令发送更具时效性。该控制系统的控制端口有四个，即运动控制端口、传感器端口、网络通信端口以及机器人电机控制端口。核心控制模块设计后，安装至系统硬件特定位置。

基于该机器人驱动方式进行运动控制模块的设计，因为机器人舞蹈期间涉及到很多复杂性动作，所以该模块设计两个直流电机，用以驱动上、下肢，使控制过程更简单，并使机器人动作更灵活，还可简化控制系统电路设计。结合上述设计，对此模块设计驱动电路。此模块具体设定见表1。

表1 机器人运动控制模块驱动电路的设定

在网络通信模块设计中，为高效传递机器人行动指令，分别独立地设计运动控制以及网络通信控制模块。通过此设计，可在运动控制模块出现局部零件磨损或者电路故障时，网络通信控制模块仍可及时接收从控制终端所传递的指令信息，进而传递至运动控制模块内正常的部分，还能对受损位置进行准确定位。设定网络通信控制器的电压为5 V，通过此控制器对网络接口电平进行控制，在模块运动时能方便地调整电平。为促进模块电压分压，于接口电路内设电阻以达到分压目的。

该机器人在设计系统软件时，先估计位姿，由此控制机器人舞蹈动作，并同步做好误差校正工作。

3.4 用于矿山机电一体化系统

1）可在采矿操作系统中应用智能控制技术，主要可建立智能矿山系统。智能控制系统包括平行管控中心、虚拟矿山、现实场景以及远程操控平台等，而智能矿山操作系统包含单车作业系统、多车协同系统、无人驾驶智能系统、调度管理系统、平行运输系统、车路协同系统、监管系统、通信系统以及远程接管系统等。计算平台可为各系统提供算力支持，通过5G 通信建立传统通道，从而在线传输各类数据信息。平行系统当中已完成建模的矿山以及车辆能有效交互，单车指令以及多车指令将指令信息发至调度管理以及无人驾驶智能系统当中。完成任务封装后，可利用多车协同作业以及单车作业平台完成具体任务，车路协同系统可输出超视距感知信息，随后经传感器将执行信息以及误差信息回传至平行系统当中，经误差修正，为下一决策提供参考，促使采矿工作更加稳定[5]。而且远程操控以及监控等子系统具有人为主动控制以及可视化等功能，能使采矿线路更加科学、合理。

2）可在机械臂中应用智能控制。在实际应用中，应注意以下要点：要同步使用E104-BT05，其工作频段是12.4 GHz，数据传输中所支持波特率最大是256 000 bit/s，能够在PC 端、手机APP 以及小程序等当中接收数据。矿井设备会对机械臂各项信息进行采集，同步按照规定格式打包，相关数据以参数形式传到E104-BT05 广播包当中，随后利用终端监控设备对广播数据进行扫描，得到设备信息；机械臂控制主要是PWM控制，若PWM1 其输出周期是10 ms，同时PWM波占空比10%，在计算PWM 周期时，可在模块内将精度设为T=0.01 ms，则周期最小是0.01 ms，设置的同时将参数传入其中，比如以10 ms 为一个周期，那么t=T·Para，在T=0.01 ms，同时t=10 ms 情况下，可得出Para=1 000；可通过智能终端APP 空中配置对机械臂进行控制。

3）可在铲运机上应用智能控制。首先，通过监控中心进行指令发送，远程遥控铲运机做出各类动作。其次，可将网络摄像头安装在铲车机头以及机尾，远程监视工作，视频数据可经无限MESH 网络传至监控中心，使相关工作人员实时掌握铲车单斗重量和累计重量等，更便捷地对司机工作量进行统计。此外，车载单元能对铲运机器各种运行动作及状态进行自动记录，一旦铲运机发生故障，能经串口读取故障数据，并通过监控及时调取位置信息等。最后，可实现自主导航以及自动卸料。在智能控制技术支持下，系统监控中心能够自动发出指令，由此使铲运机按照自主导航模式工作，并且在自主导航期间，车载单元可结合学习路径实现自主行驶，自动判断行驶距离，利用定位系统对行驶路线进行校正，还可调整转角传感器姿势。

4）可在机械防撞系统内应用智能控制。由于矿井生产期间经常面临大巷电机车碰撞问题，威胁矿井生产安全。对此，可将智能控制系统嵌入到智能化机车防撞系统内，设计信号发射、信号接收、控制和执行、声光报警等模块，并利用单片机计算电车相对距离和运行速度，如果计算数值和预定值相接近，则发出报警信息，以防出现设备碰撞等事故。