智能控制技術在機電控制系統中的應用探析

丁萌

引言

在信息化時代背景下，各種科學技術的研究和使用似乎找到了一條便捷的路徑，而這些技術相繼涌現也為機械工程的發展帶來巨大影響。作為整個機電行業的核心，機電控制系統綜合性較強，要求多種技術密切配合，才能展示出實際的功能。智能控制技術是指在沒有人工操作的情況下，將智能設備與自主運行有機地結合起來的一種技術，該技術已被廣泛地應用于各行各業，并獲得了良好的應用效果。應用智能化技術來提高機電控制系統的科學技術含量與現代化水平已成為業內的廣泛共識，深入研究與分析機電控制系統中智能化控制技術的應用，有益于智能化控制技術更好地發揮其在機電控制系統的價值及作用。

一、智能控制技術與機械控制系統概述

（一）智能控制技術

所謂智能控制技術，即集成電子計算機編程或仿真大腦來進行智能控制的系統（如圖1）。智能控制技術本質上與具備自主驅動功能的智能化機器設備相似，其融合了人工智能、計算機網絡、機械自動化等多種學科，使整體控制系統能夠擁有人的學習能力及控制策略。相較于經典控制理論，智能控制技術的理論基礎更為復雜，包括綜合操作、分級分類階梯操作、專家操作等特征。在現代社會高速發展的時代背景下，各生產企業已將智能控制技術廣泛應用在各個生產領域當中，其高效的控制屬性頗受青睞，為工業機械生產等領域的長遠發展作出了突出貢獻。智能控制技術的出現，大大提升了機電控制的整體效率和精準性，雖然其與人工控制方式相比起來更加復雜，但是能夠代替人工高效高質量地完成很多其難以完成的控制任務，盡量簡化機電控制環節，顯著降低生產過程中所需投入的人力資源成本，避免很多生產過程中人為因素造成的損失。智能控制技術會隨著經濟的快速發展更加廣泛地在社會生產中應用，更好地提升機電控制系統的整體性能。

圖1 智能控制系統結構圖

（二）機電控制系統

在國家產業結構調整與計算機科學飛速發展的背景下，機電控制系統得以誕生，其在多個領域已展示出自身的應用價值。通過分析機電控制系統可以發現其主要運用控制系統讓控制裝置和控制對象密切聯系，在沒有人工參與的情況下，也能實現對設備機器的合理操控，充分發揮出控制裝置的自動化功能，以實現設定的任務指標。機電控制系統核心為自動化控制，運用微電子以及傳感檢測等技術措施，打造出極具可靠性的綜合性一體化模式，在相關領域展示出實際的影響力。整個系統在實際運行狀態中通常分為三種模式：其一為保持型，也就是技術人員對正在運行的環節加以關注，隨時進行干預；其二為完整型，這一模式下的技術人員無需隨時關注，當完成系統任務之后，主服務器能夠獲取對應報告；其三為交互型，其重點是技術人員和計算機建立起密切聯系，是否需要干預系統運行狀態，一般是交由技術人員決定[1]。

二、智能制造技術優勢

（一）保障系統安全

為更好、更有效地保證智能制造技術逐步融入機械自動化控制系統的發展中，保證機電控制系統能夠充分滿足當今社會經濟發展的需要，設計工作人員應充分應用計算機技術以提高機械設備的實用性，為機電控制系統長期基本建設的快速發展提供基礎，并確保它能夠在更安全、更穩定的條件下執行各種任務。智能控制技術根據實際情況合理解決一些系統中的各種控制情況，已在機器學習、設備動態監控、智能故障診斷等多領域得到廣泛應用。

（二）優化產品設計

如今我國機電控制系統發展的逐步深入，相關行業對于數控技術的要求也越來越高。因此將智能控制應用到機電一體化數控技術中，能夠更快地發現在數控機械加工過程中出現的問題，并及時解決問題，確保數控機械加工過程進一步優化。現階段行業競爭日益加劇，對于諸多企業而言，其在展開市場競爭時最重要的競爭力就是企業產品質量和性能，而產品的質量與性能則取決于生產過程中機床的精度。

（三）提升生產效率

隨著人們生活水平的不斷提升，民眾對于智能化的需求也在不斷提升。正因為如此，所以將智能控制有效應用到機電一體化系統中可以更好地優化機器性能，提升機床精確度，更好地滿足社會和民眾的實際需求。在機電一體化系統中，智能控制在不斷融合和發展，這樣不僅僅能夠對相關操作流程予以優化，同時還能夠有效節省相關系統操作時間，使企業的生產效率獲得進一步提升。

三、智能控制技術在機電控制系統中的應用

（一）基于深度強化學習-PI控制的機電作動器控制

智能控制技術在機電控制系統中的應用之一是基于深度強化學習-PI控制的機電作動器控制策略。隨著永磁同步電機(PMSM)的發展，以機電作動器(EMA)為位移輸出的機電伺服系統逐漸取代了液壓伺服系統，成為多電飛機、運載火箭等航空航天器上的關鍵執行部件。由于取消了傳統液壓作動器內部的液壓系統，機電作動器具有維護簡單、執行效率高以及環境適應性強等優點。機電作動器系統的主要任務是接收控制系統的指令信號并帶動舵機跟隨指令信號運動，其特點是負載特性變化大[2]，系統的摩擦、間隙和飽和等非線性特性明顯，且系統難以精確建模。強化學習是人工智能領域的重要研究方向，它的出現極大地推動了智能控制的發展，用強化學習方法改造傳統控制方法也成為自動控制領域的熱點。將深度神經網絡引入到強化學習，形成了深度強化學習算法。深度確定性策略梯度算法(DDPG)是一種無模型深度強化學習算法[3]，該算法不依賴于系統的精確建模，而是通過不斷試錯來學習，進而得到完成任務的策略。

（二）在數控領域中的應用

對數控機床進行判斷的一個重要標準是精度，傳統的數控機床都是由人工來進行操作的，人為因素有太多的不確定性,容易因為一些小小的失誤而造成非常嚴重的安全事故和隱患，另外，也有可能因生產過程中出現延遲和失誤導致生產效率和質量都達不到標準要求。智能控制技術在機械數控領域的普及和應用，無疑已開始成為行業的另一個必然趨勢。它不僅可以有效優化各種生產和加工控制流程，減少對人為控制的依賴，還可以通過構建數據庫實現監測、程序設計等功能，為數控維修提供科學的參考依據[4]。未來，科學技術水平將繼續大大提高，工業生產對于數控機床的要求亦隨之增長。隨著數控技術應用的大量實踐，數控功能更加豐富，保證了數控故障的逐一排除，實現了數控加工的現場自動信息采集和控制。例如，數控機床的內部智能控制，計算機技術與內部智能自動控制等技術設備的直接、有效、無縫連接，可以注入足夠強大的液壓動力，同時進行實時數據處理，以滿足大型數控機床系統高速高精度自動化應用的技術要求和高精度自動化系統的操作要求。當數控技術處于使用和運行階段時，有必要進行全面的智能運行監控，以確保整個數控技術生產和零件使用的全過程控制。數控機床的故障需要自動跟蹤和檢測，必要時依托智能安防控制模塊發出預警信號，進而對機床內部各種參數進行全面的自動檢查，提高機器設備運作效率。

（三）在交流伺服系統中的應用

隨著科技發展以及機電一體化進程的持續推進，交流伺服產品越來越具備典型性，在交流伺服系統中應用智能控制技術，能夠有效解決該系統存在的安全隱患，全面提升系統服務的質量，消除系統依賴性。交流伺服系統組成相對來說比較復雜，系統各組成部分存在較強的關聯性，如果其中某個部分的參數發生變化，都有可能對整個系統造成不良影響，進而導致系統運行實際負載增加，不僅如此，外界環境的影響同樣會對系統中數學模型的建立造成干擾。將智能控制技術應用其中之后，能夠使系統性能更加完善[5]，增加系統功能類型。

（四）在機械制造中的應用

為了真正提高機械生產的整體效率，必須大膽創新，打破傳統的手工機械生產作業模式，將計算機智能自動化控制的技術優勢與手工制造子環節技術有機結合起來，從而大大降低機械工人的整體實際勞動強度，全面有效地提高機械設備的制造工藝水平。對于企業設計師團隊來說，通過智能柔性制造平臺技術，他們隨時都可以更直觀、更準確地在線展示企業設計理念和思維，并根據實際設計和需求數據的及時變化修改相關圖紙信息，實現圖紙信息的快速動態更新和發布，以及安全高效的數據存儲，為機械柔性制造系統的實際設計提供專業指導。隨著產業技術和集成升級的逐步加快，機電智能集成設計系統產品的集成應用開發水平正快速發展到另一個新階段。員工可以通過智能模擬流程和智能操作快速制造新產品。利用智能傳感器技術，可以合理控制和調整產品參數，有效控制和處理異常信息，實現連續、穩定、快速的生產運行和智能、安全的發展。充分發揮智能傳感器控制技術的保護作用，可以進一步大大降低傳統加工制造中的工序故障率，成功、快速地完成產品最終工序的加工、生產和管理任務，成功生產出質量更高、精度更高的高科技產品。針對具體應用，智能視頻監控系統和機械智能制造安全系統可以有效控制各種安全操作風險，確保安全故障快速診斷系統的高精度。只有這樣，智能控制系統才能在智能機械設備制造系統領域實現高效、穩定、可靠的運行。

（五）在建筑工程中的應用分析

近幾年，隨著社會、經濟的發展和人們對高質量生活的要求，越來越多的人開始重視智能化建筑，并將其應用的潛力進一步發揮出來。目前，在建筑工程中智能控制技術主要體現于照明和氣溫調節兩部分。在智能照明控制系統中（如圖2所示），依托智能控制器可以使樓宇與建筑物的各單元進行因特網通訊，并對每個使用者的通訊線路進行實時監測，一旦系統出現故障，其可以快速、準確地進行維護，以保證設備的正常運轉。同時，該系統還可以自動調節建筑照明區域、照明時間等，從而在某種意義上減少能耗，方便居民的日常使用。此外，采用智能控制技術，借助比例-積分調節器根據室外天氣變化情況和季節的更替對溫控系統實施智能化調整，從而達到了節能和減排的目的。時至今日，智能控制技術使建筑工程產生極大的改變，開創了人們新的現代居住模式。在今后的發展中，智能控制技術將會更廣泛地應用于建筑行業的機電控制系統。

圖2 智能照明控制系統

（六）機器人領域中的應用

由于科技與社會經濟的高速發展，越來越多的企業致力于研發智能機器人等未來發展科技。高校、企業也相繼組織多種類型的機器人大賽，由參賽人員對機器人進行設置程序編撰，使其能夠和人類一樣擁有同樣的執行能力，甚至可以比人類擁有更完美的工作能力，機器人系統組成如圖3所示。而這一切都離不開人們對智慧控制的全面認識與使用，其重點就是將相關技術進行機電一體和智慧控制器的有效融合，以及運用智慧控制連接智能機器人的視覺控制系統與感應器。智能控制技術主要是讓智能機器人在實際工作移動的流程中，根據傳感器采集到信息數據選擇避開或越過障礙物，從而在整個作業流程中按照預先設定的路徑完成各項工作。因此智能機器人的開發，在一定程度上克服了實際工作勞動人口較多、實際工作效率低下、精確度較低等方面的實際問題。

圖3 機器人系統組成示意圖

結論

綜上所述，從當前我國社會工業發展的實際情況來看，想要促進工業的發展，就不能夠忽視機電控制系統的優化應用，尤其是智能控制技術與機電控制系統的融合，這兩者之間的關系密不可分。在機電控制系統中，需要將智能控制理論與技術相融合，以形成多樣高效的控制方法，實現機械設備控制質量和效率的雙重提升，彌補傳統調整方案的不足，保質保量完成各項機械生產任務，促使機械控制系統向便捷化方向發展。相關科技人員以及機電企業需要緊跟時代步伐，繼續完善機電一體化智能控制系統，建立人才培養體系，為工業的生產提供有力的支持。