機電一體化視角下的自適應控制系統在機械設計中的應用探究

［關鍵詞］機電一體化；自適應控制系統；機械設計

［中圖分類號］TH122 ［文獻標志碼］A ［文章編號］2095–6487（2024）10–0015–03

機電一體化技術為綜合性技術，集機械、電子與計算機于一體，目前已經被用于各領域。其中，自適應控制系統作為機電一體化技術的重要組成部分，可實現對復雜動態系統的監控、控制，并根據反饋信息自動調整控制策略，優化系統性能。因此，積極探索自適應控制系統在機械設計中的應用，根據實際情況合理確定自適應控制系統的應用，便成為提高機械性能，確保高精度加工的重要保證。

1機電一體化視角下自適應控制系統在機械設計中的重要性

1.1提高機械系統性能

自適應控制系統能有效提升機械系統的響應速度、準確度，并在機電一體化技術支持下，通過先進的傳感器、執行器，準確識別系統狀態的變化，做出適應性調整，這種快速反應能力，使得機械設備可在復雜多變的生產環境中穩定運行，確保生產過程的連續性、穩定性。同時，自適應控制系統可基于大量數據的分析、學習優化控制策略，確保精準控制，這種智能化的控制可應對復雜多變的生產條件，預測、診斷潛在的故障，以提前開展維護，降低生產中斷風險，提升生產可靠性。

1.2增強系統可靠性與穩定性

自適應控制系統可通過監測、調整機械系統運行的方式，保證機械在不同環境中均保持最優性能，基于此種動態調整能力，機械能適應操作條件的變化，并充分適應環境變化，以保證系統的可靠性。例如，在自動化生產線中，自適應控制系統可根據原材料的差異對加工參數進行調整，以確保產品質量[2]。同時自適應控制系統還可確保機械系統穩定性，根據連續反饋、調整機制，避免系統在面對外部擾動、內部參數變化時的性能下降，以有效延長機械設備使用壽命，降低維護成本，確保整體的經濟效益。如精密定位系統在應用時，自適應控制可實時補償由于熱膨脹等因素所致的位置偏差，保證高精度的控制效果。

1.3優化能源利用效率

自適應控制系統可通過精確的控制、調整，保證機械設備在運行過程中，始終保持最理想的工作狀態，以在減少能源消耗的同時，完成預定的工作任務，避免因操作不當、設備老化等原因導致的能源消耗。如數控機床中，自適應控制系統能根據切削負荷的變化，自動調整切削速度和進給速度，并保證切削過程中的能耗最低化。通過自適應控制系統的應用，能最大限度減少設備維護、更換成本，并監控設備工作狀態、性能，預測可能出現的故障和磨損，以提前進行維修和調整，延長設備使用壽等。

1.4促進創新設計思維

自適應控制系統的引入需要跳出傳統設計框架，充分考慮智能化元素的融入，以保證精確、高效的控制。自適應控制系統在設計過程中要避免單一、線性的情況，同時進行適應性評估和調整，以適應環境的變化。這需要轉變設計思路，保證靈活、開放的思維模式，快速識別問題，并尋求解決方案，以在必要時重新定義設計目標等。因此，推動自適應控制系統在機械設計中的應用，對于促進創新設計發展同樣有積極作用。

2機電一體化視角下自適應控制系統在機械設計中的應用策略

2.1智能材料與結構的應用

智能材料與結構是確保自適應控制系統應用的關鍵因素，常見的智能材料如形狀記憶合金、壓電材料、電流變液等，均能響應溫度、電場、磁場等外界刺激，實現形態或性質的自適應變化。在選型時，需要綜合考慮材料的響應速度、驅動電壓以及耐久性等因素，確保所選材料能滿足客觀需求，如壓電材料響應速度快，所以適用于精密控制場合，而形狀記憶合金具有形狀記憶特點，更適合作為執行器件的應用。同時，智能材料和結構的集成方式會直接影響性能，所以在進行設計時，應注重多種材料的協同作用，如將壓電材料和形狀記憶合金進行結合，這樣可在實現快速響應的同時，保證精確控制，以確保高效、精確的控制。而在智能材料的協同布局上，應做好力學分析，保證材料最佳的布局方案，以此保證其性能的充分發揮[3]。

此外，自適應控制系統應能感知外界環境變化，并進行快速響應，這就需要有算法作為支撐，如模糊控制、神經網絡控制等，并要求通過對數據進行實時分析與處理的方式，確保對智能材料的精確控制，同時，系統還應具備一定的自學習能力，以便適應復雜多變的工作環境。以壓電材料為例，其可在電場作用下產生機械變形，其雙向能量轉化為機電一體化設計提供了支持。例如，在航空航天領域，壓電材料被廣泛應用于飛機機翼的主動振動控制中，美國波音公司在787夢想飛機上采用了壓電驅動的主動振動控制系統，發揮優化機翼性能的作用，從而提升了航班舒適度、燃油效率，同時還根據實際情況調整飛機機翼形狀，以適應不同飛行條件、監控器阻力，使得787飛機的燃油效率較上一代機型提升了20%。形狀記憶合金在汽車安全領域可被用于制作緊急情況下自動展開的車輛保護結構，如基于形狀記憶合金設計的主動發動機罩提升系統，該系統可在行人觸碰瞬間，迅速提升發動機罩，減少對行人頭部的傷害，提升行人的安全性。

2.2高精度位置控制技術

高精度位置控制技術的應用需要建立在高性能傳感器應用的基礎上，基于高性能的傳感器可以提供實時的反饋數據，以為自適應控制系統的自調整提供支持，所以應選擇適宜的傳感器進行安裝調校，從而確保位置控制的精度。一般情況下，機械結構的穩定性、摩擦性等，均會對控制系統性能帶來影響，所以設計過程中應充分考量上述因素，并通過對機械設計優化的方式，減少系統內在的不確定性，以此來為高精度控制提供支持。另外，值得注意的是，高精度的控制技術在理想的軟件平臺支持下，可有效管理、調度各組件，并保證控制系統的高效協同，以進行細致的優化、調整，提升控制精度和響應速度。

例如，高精度的數控機床常被用于精細加工，其中數控機床的核心在于透明管程序控制工件、刀具的相對運動，以進行精確的切割和加工，這一過程中，高精度位置控制技術的應用十分關鍵。如牧野公司生產的數控機床，具有先進的自適應控制系統，其能監測、調整機床運動狀態，并將加工位置精度控制在理想空間，這與其良好的傳感器技術、高效數據處理算法和精確的執行機構有關，在實際應用過程中其可在連續運行24h的情況下，保證加工零件表面粗糙度、尺寸精度均滿足行業標準。又如西門子公司生產的Sinumerik840D數控系統，其采取了自適應及控制算法，在加工復雜的航空部件時，Sinumerik840D數控系統可有效調整刀具路徑，以適應材料的微小變形，保證加工精度，通常加工誤差均可控制在2mm以內，從而提升加工效率和質量。

2.3自適應控制算法的應用

自適應控制算法的合理選擇對系統性能的提升有很大幫助，自適應控制算法中，模型參考自適應控制（MRAC）與自適應PID控制是目前常用的控制算法，MRAC通過對參考模型進行跟蹤的方式，保證系統的自適應控制，其更適合可準確建模的系統。自適應PID控制能通過對PID參數進行實時調整的方式，以適應系統的動態變化，其應用范圍更廣，且操作簡單[4]。在選擇自適應控制算法時應根據機械設備的特性、應用場景進行合理確定。同時自適應控制算法的運行依賴于傳感器技術、微處理技術的應用，所以應該注意選擇高精度的傳感器與高性能的微處理器，以保證自適應控制系統的響應速度。

以航空發動機控制系統為例，通常情況下，航空發動機在運行過程中會面臨不同的飛行環境、狀態，這就要求控制系統可適應這些變化，如通用電氣公司GE90-115B航空發動機便應用了高級自適應控制算法，其算法基于模型參考自適應控制理論，通過實時監測發動機運行狀態，并同預設最佳性能模型進行比對，從而進行自動調整燃油噴射率、渦輪葉片角度等，以適應飛行需求，這可提升5%的燃油效率，并延長發動機的維護周期。

2.4實時監測與故障診斷系統

實時監測和故障診斷是自適應控制系統的關鍵，在機電一體化系統中，基于安裝傳感器、執行器，可收集機械設備的運行數據，包括壓力、溫度等參數，在對數據進行實時處理和分析后，可為控制系統提供準確的反饋信息，以保證機械設備在最佳狀態下運行。而故障診斷則通過先進的故障診斷技術，如機器學習、深度學習等，對監測數據進行處理，及時發現機械設備的異常狀態，或潛在故障，尤其是能對故障特征進行準確識別、分類，并采取有效措施，如調整工作參數、啟動備用系統等，以減輕或避免故障。實時監測與故障診斷系統底層邏輯在于采集設備運行數據，并通過數據分析實現故障的早期診斷。以某次故障診斷為例，其故障診斷數據分析見表1。

基于表1數據分析可知，從T1至T4，溫度逐步上升，T3時溫度達50℃，提示進入警告狀態，這表明機器可能因過熱而出現性能下降或受到損害。而振動頻率T1時為60Hz，至T4時達到70Hz，超出正常運行范圍，提示可能為機械部件磨損，或機械部件不平衡。電流從T1的5.2A，上升至T4的5.8A，提示可能有過載或電氣故障的情況。通過上述參數分析，系統在T3時會發出警告信號，T4時確定為故障狀態，這表明系統可有效預測、診斷故障，并提前進行警告，為故障處理提供時間。因此，基于自適應控制技術可對可能存在的風險、故障進行預判，從而保證生產安全性，確保整體生產效率。

3結束語

自適應控制技術作為機電一體化的核心組成部分，其對于提升機械設備的效率具有重要意義，因此應積極推動自適應控制技術同機械設計、制造的結合，以促進我國相關技術升級。未來，隨著人工智能等技術的發展，自適應控制技術將更有效應對復雜多變的應用需求。