淺議機電一體化技術及智能控制的應用

洪 瑋

（陜西省機械高級技工學校，陜西 漢中 723003）

機電一體化是機械、微電子、控制、計算機、信息處理等多學科的交叉融合，其發展和進步有賴于相關技術的進步與發展，隨著微電子技術及超大規模的集成電路的發展，我國的機電一體化技術越來越成熟，在工農業的發展中發揮著至關重要的作用。但在實際的生活中，很多機電一體化應用的農業與工業對象具有多層次、不確定性、非線性等特征，給機電一體化的發展帶來了很大的難題。智能控制系統的出現及應用，為機電一體化的長遠發展創造了良好的外部環境。因此，智能控制在機電一體化方面的應用越來越受到人們的重視，對其進行研究是當前人們熱衷的一大課題。

1 關于機電一體化的概述

1.1 機電一體化的含義

機電一體化即結合應用機械技術和電子技術于一體。隨著計算機技術的迅猛發展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發展，成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統技術，目前正向光機電一體化技術方向發展，應用范圍愈來愈廣。

1.2 機電一體化的基本內容與組成要素及原則

機電一體化的基本內容包括以下幾項內容：一是，計算機與信息技術；二是，機械技術；三是，自動控制技術；四是，系統技術；五是，傳感檢測技術。

機電一體化的組成要素包括：一是，結構組成要素；二是，動力組成要素；三是，運動組成要素；四是，感知組成要素；五是，職能組成要素。

機電一體化的四大原則包括：一是，運動傳遞；二是，能量轉換；三是，結構耦合；四是，信息控制。

2 針對智能控制的探討

2.1 智能控制的含義

“智能控制”指的是在無人干預的情況下能自主地驅動智能機器實現控制目標的自動控制技術。控制理論發展至今已有100 多年的歷史，經歷了“經典控制理論”和“現代控制理論”的發展階段，現在已進入“大系統理論”和“智能控制理論”階段。“機電一體化”是微電子技術向機械工業滲透過程中逐漸形成的一個新概念，是精密機械技術、微電子技術和信息技術等各相關技術有機結合的一種新形勢。它是機械技術、微電子技術及信息技術相互交叉、融合的產物。

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層控制；二是智能控制器具有非線性特性；三是智能控制具有變結構特點；四是智能控制器具有總體自尋優特性；五是智能控制系統應能滿足多樣性目標的高性能要求；六是智能控制是一門邊緣交叉學科；七是智能控制是一個新興的研究領域。

2.3 智能控制的類型

智能控制系統具有一定的智能行為，它是用來解決工程上難以用數學方法精確描述的、復雜的、隨機的、模糊的、柔性的控制問題。這些問題的特點是非線性的，用普通的控制方法難以實現。當前采取的智能控制系統如下所述：

1）分級控制系統

分級控制系統又稱為分級階梯控制系統，是由美國普渡大學提出的控制理論。它的理論是在自適應控制和自組織控制的基礎上提出的理論。它主要由三個控制級組成，由高到低分為組織級、協調級、執行級。

2）學習控制系統

學習控制系統是通過對內部結構進行判別、認知、調整后，利用對信號循環輸入和數據處理來保證良好的運行效果。它是一個能在其運行過程中逐步獲得受控過程及環境的非預知信息，積累控制經驗，并在一定的評價標準下進行估值、分類、決策和不斷改善的自動控制系統。

3）專家控制系統

專家控制系統是將人的經驗、知識、技能融合進計算機的一種形式。在這個系統中，計算機數據庫含有摸個領域專家水平的知識與經驗，并且具有可以利用這些知識與經驗解決該領域的高水平難題的特點。

4）神經網絡系統

神經網絡是指由大量與生物神經系統的神經細胞相類似的人工神經元互聯而組成的網絡，或由大量像生物神經元的處理單元并聯互聯而成。智能網絡結構形式主要運用了神經細胞、人工神經元模式。智能控制與模仿真人是神經網絡的主要功能。

2.4 智能控制發展的趨勢

智能控制系統具有極強的學習功能、組織功能及適應性功能，其在機電一體化方面的廣泛應用是當前智能控制的一大發展趨勢。模糊系統、遺傳算法、專家系統及神經網絡是應用在機電一體化系統中的最常見的四種技術，它們之間存在著相互依存、相輔相成的關系。

3 智能控制在機電一體化系統中的應用

3.1 智能控制在機械制造過程中的應用

機械制造是機電一體化系統中的重要組成部分，當前最先進的機械制造技術就是將智能控制技術與計算機輔助技術有機結合，向智能機械制造技術的方向發展。其最終目標是利用先進的計算機技術取代一部分腦力勞動，從而模擬人類制造機械的活動。同時，智能控制技術利用神經網絡及模糊系統計算的方法對機械制造的現狀進行動態地模擬，通過傳感器融合技術將采集的信息進行預處理，從而修改控制模式中的參數。在此過程中利用神經網絡技術中的并行處理與學習功能將一些殘缺不全的信息進行有效處理，利用模糊系統所特有的模糊關系與模糊集合等特征，可以將一些模糊的信息集合到閉環控制中的外環決策機構來選取相應的控制動作。智能控制在機械制造中的應用領域包括：機械故障智能診斷、機械制造系統的智能監控與檢測、智能傳感器及智能學習等。

3.2 智能控制在數控領域中的應用

隨著科學技術的發展，我國的機電一體化技術的發展對數控技術提出了更高的要求，不僅需要完成很多的智能功能，還需要擴展、模擬、延伸等新的智能功能，從而使得數控技術可以實現智能編程、智能監控、建立智能數據庫等目標，運用智能控制技術可以實現這些目標。

比如說，利用專家系統可以對數控領域中難以確定算法與結構不明確的一些問題進行綜合處理，再運用推理規則將數控現場的一些數控故障信息進行推理，從而獲得維修數控機械的一些指導性建議；利用模糊系統技術可以將數控機械的加工過程進行優化，對一些模糊的參數進行調節，從而更加清晰地發現數控機械出現的故障，并找出相應的解決措施。

3.3 智能控制在建筑工程中的應用

智能控制在建筑工程中的應用主要表現在以下幾個方面：一是智能控制在建筑物照明系統中的應用，它主要通過通信與計算機控制的聯網，對每一個時段的照明系統進行控制，主要表現在對照明時間、照明系統的節能、照明邏輯方面的智能控制；二是對建筑物內的空調進行智能控制，通過比例積分調節器閉環的方式對空調在夏季與冬季使用時的模式進行設置，可以智能地調節空調的風閥，在確保建筑內空氣質量的同時，減少能量的浪費。

4 結束語

智能控制系統在機電一體化中的應用是十分常見的。國內外對于這一方面已有很深的研究，無論是在現代機械還是典型機械上。其控制方法相對于傳統控制方法更具柔性，有很大的優勢。智能控制系統以微處理器為核心，在精密機械技術、微電子技術和信息技術等領域更展現出了廣闊的前景。