王紅亮　李克強(qiáng)　張?jiān)S澤

摘 要 機(jī)電一體化是現(xiàn)代新技術(shù)發(fā)展中重點(diǎn)技術(shù)之一，在機(jī)電產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用十分廣泛，所以對(duì)其有一個(gè)科學(xué)全面的認(rèn)識(shí)是十分必要的。機(jī)電一體化在以后的發(fā)展中，其功能必然會(huì)不斷完善，控制系統(tǒng)也將會(huì)更加強(qiáng)大。相信在未來(lái)它將會(huì)有更加廣闊的發(fā)展前景，在各個(gè)領(lǐng)域的領(lǐng)域在將會(huì)更加廣泛，作為機(jī)電行業(yè)有關(guān)人員，對(duì)其現(xiàn)在實(shí)際中的應(yīng)用以及其今后的發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)科學(xué)合理的認(rèn)識(shí)，跟得上機(jī)電一體化今后的發(fā)展步伐，從而適應(yīng)其發(fā)展，對(duì)社會(huì)發(fā)展也起到一定促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞 機(jī)電一體化 智能控制技術(shù) 應(yīng)用與發(fā)展

中圖分類號(hào)：TH-39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1機(jī)電一體化技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展趨勢(shì)

首先，機(jī)電一體化技術(shù)的應(yīng)用將更為廣泛。小至微機(jī)電系統(tǒng)、數(shù)字光碟機(jī)，大至半導(dǎo)體制程設(shè)備、高速列車，均需通過(guò)機(jī)電一體化技術(shù)完成產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。機(jī)電一體化之所以重要，因?yàn)樗亲詣?dòng)化工業(yè)、航天工業(yè)與國(guó)防工業(yè)的基礎(chǔ)整合技術(shù)。這門新興技術(shù)，是先進(jìn)工業(yè)國(guó)家競(jìng)相發(fā)展的領(lǐng)域。信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也帶動(dòng)PC工業(yè)控制電腦的發(fā)展，連帶養(yǎng)以PC-Based控制器為主導(dǎo)的自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)。在這種發(fā)展變遷過(guò)程中，機(jī)電一體化的核心程序控制器技術(shù)也發(fā)生著創(chuàng)新變化。程序控制器被廣泛使用在工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域，PLC已經(jīng)成為工廠自動(dòng)化的控制核心。然而因?yàn)橐话鉖LC程序撰寫是采用先繪制階梯圖，再轉(zhuǎn)換為PLC指令，因此各品牌所生產(chǎn)PLC的指令不同，導(dǎo)致彼此之間程序轉(zhuǎn)換不易。另外，由于PLC指令近似于低階語(yǔ)言，程序開(kāi)發(fā)不易且十分耗時(shí)，為了改善PLC機(jī)電一體化的缺點(diǎn)，目前逐漸探索出以PC個(gè)人電腦或IPC取代PLC作為機(jī)電一體化機(jī)構(gòu)的控制器，并使用Visual Basic來(lái)撰寫控制程序，取代PLC的機(jī)電一體化。

其次，機(jī)電光一體化的技術(shù)發(fā)展。在進(jìn)入二十一世紀(jì)后，半導(dǎo)體微電子技術(shù)、微機(jī)電技術(shù)以及鐳射技術(shù)的突飛猛進(jìn)，加上快速成長(zhǎng)的影像顯示產(chǎn)業(yè)與新興生物科技產(chǎn)業(yè)的驅(qū)動(dòng)，給予傳統(tǒng)的光電、機(jī)械、材料、信息、化工等工業(yè)一個(gè)新的蓬勃發(fā)展契機(jī)。一個(gè)以機(jī)電光一體化為手段來(lái)開(kāi)創(chuàng)全新領(lǐng)域與目標(biāo)的新時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。一個(gè)典型機(jī)電光技術(shù)的涵蓋范圍包含：機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、微處理器、精密致動(dòng)器、光/機(jī)電感測(cè)器、人機(jī)介面、程序/反饋控制、信號(hào)處理與錯(cuò)誤診斷、圖形辨識(shí)、仿生人工智慧以及制程技術(shù)等。另外，依光學(xué)/光電元件與機(jī)電元件組合特性與互動(dòng)程度的不同，機(jī)電光系統(tǒng)也可以區(qū)分為三種類型：光機(jī)整合的機(jī)電光系統(tǒng)；內(nèi)嵌光學(xué)/光電裝置的機(jī)電系統(tǒng)；嵌入機(jī)電裝置的光學(xué)系統(tǒng)。

2智能控制系統(tǒng)類別形式與特點(diǎn)

2.1分級(jí)控制系統(tǒng)

分級(jí)控制系統(tǒng)又稱為分級(jí)階梯控制系統(tǒng)，是美國(guó)普渡大學(xué)提出的控制理論。它的理論是在自適應(yīng)控制和自組織控制的基礎(chǔ)上提出的。它由低到高分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)這三個(gè)級(jí)別。具體情況包括三個(gè)方面：（1）執(zhí)行級(jí)：根據(jù)上級(jí)發(fā)出的命令，執(zhí)行確定的某些動(dòng)作，并完成組織分配的各項(xiàng)任務(wù)；（2）協(xié)調(diào)級(jí)：此級(jí)由控制管理分層和控制監(jiān)督分層組成，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各項(xiàng)任務(wù)，以保證各項(xiàng)任務(wù)得以高質(zhì)量完成；（3）組織級(jí)：它是通過(guò)用戶和人機(jī)接口進(jìn)行交互，執(zhí)行最高決策的控制功能，對(duì)協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)的任務(wù)進(jìn)行組織，監(jiān)視并指導(dǎo)協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)這兩個(gè)級(jí)別的行為。

2.2學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)

學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行判別、認(rèn)知和調(diào)整后，利用對(duì)信號(hào)循環(huán)輸入以及數(shù)據(jù)處理來(lái)保證良好的運(yùn)行效果。它是一種自動(dòng)控制系統(tǒng)，能在運(yùn)行過(guò)程中逐步獲得受控過(guò)程以及環(huán)境的非預(yù)知信息，積累控制經(jīng)驗(yàn)，不斷更新各種數(shù)據(jù)和資源，并且能在一定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)體系下進(jìn)行分類、估值、決策和不斷改善。

2.3專家控制系統(tǒng)

專家控制系統(tǒng)是人機(jī)相結(jié)合的一種形式，它能將人的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)、技能融合進(jìn)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)含有某個(gè)領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R(shí)和經(jīng)驗(yàn)和技能，且次系統(tǒng)能像人的大腦一樣對(duì)各種數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行分析、處理，然后利用這些知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和技能來(lái)解決該領(lǐng)域的高水平復(fù)雜疑難問(wèn)題。

2.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是指由大量的人工神經(jīng)元互聯(lián)而組成的網(wǎng)絡(luò)，這些人工神經(jīng)元與生物神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)細(xì)胞相類似，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以由大量象生物神經(jīng)元的處理單元并聯(lián)互聯(lián)而成。智能網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式主要運(yùn)用了人工神經(jīng)元模式、神經(jīng)細(xì)胞模式。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主要功能是模仿真人和智能控制。

2.5機(jī)電一體化中的智能控制技術(shù)特點(diǎn)

（1）分層遞階的組織結(jié)構(gòu)：“智能遞增，精度遞減”的原理在智能控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)中得到了充分體現(xiàn)，此原理也是智能控制系統(tǒng)的一大特色。其協(xié)調(diào)層次與其所體現(xiàn)的智能成正比，兩者相互促進(jìn)、共同提高；（2）多模態(tài)控制：智能控制系統(tǒng)通常采用多態(tài)控制，這種多模態(tài)控制通常具有具有開(kāi)、閉環(huán)控制相結(jié)合，定量控制與定性決策相結(jié)合，數(shù)學(xué)模型和非數(shù)學(xué)廣義模型相結(jié)合的特點(diǎn)；（3）自學(xué)習(xí)能力：學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)是能夠?qū)σ粋€(gè)過(guò)程或者環(huán)境的未知特征所固有的信息進(jìn)行學(xué)習(xí)，并且能將其所得到的信息與其以往的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，用于進(jìn)一步的估計(jì)、分類、控制或者決策的一種系統(tǒng)，它的整套模式使系統(tǒng)的性能得以改善和提高。和人們的學(xué)習(xí)能力一樣，智能控制系統(tǒng)的學(xué)習(xí)功能也參差不齊，高層次的學(xué)習(xí)功能主要包括知識(shí)的更新與遺忘，它使系統(tǒng)的資源處于不斷更新的狀態(tài)，是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程；低層次的學(xué)習(xí)功能則主要包括對(duì)控制對(duì)象參數(shù)的學(xué)習(xí)，它是一個(gè)相對(duì)的靜態(tài)過(guò)程；（4）自適應(yīng)能力：智能控制系統(tǒng)中的智能行為實(shí)質(zhì)是一種映射關(guān)系，反應(yīng)了從輸入到輸出之間對(duì)應(yīng)關(guān)系，我們可以把它看成是一種不依賴模型的自適應(yīng)估計(jì)，因此，它具有很好的適應(yīng)性能。由于系統(tǒng)具有插補(bǔ)功能，所以即使當(dāng)系統(tǒng)的輸入不是以前見(jiàn)過(guò)的例子時(shí)，甚至當(dāng)系統(tǒng)中某些部分出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)也能夠不受干擾，像沒(méi)遭到破壞之前一樣正常的工作，給出適當(dāng)?shù)妮敵?。如果智能系統(tǒng)更加強(qiáng)大的話，它還能夠自我找出故障，甚至還具備自我修復(fù)的功能，體現(xiàn)了智能控制系統(tǒng)更加強(qiáng)大、更加完善的適應(yīng)性能。

3智能控制技術(shù)在機(jī)電一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前機(jī)電一體化中的智能控制技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)成為一種潮流與趨勢(shì)，數(shù)控機(jī)床和智能機(jī)器人就是反應(yīng)這種趨勢(shì)最好的例子。數(shù)控機(jī)床的智能化體現(xiàn)在各類傳感器對(duì)切削加工過(guò)程中以及加工過(guò)程前后的各種參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和比較，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)檢測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行分析整合，做出正確的判斷與綜合處理，自動(dòng)對(duì)異?，F(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整與加工，以保證加工過(guò)程的順利進(jìn)行與完成，從而保證加工出合格、高品質(zhì)的產(chǎn)品。智能機(jī)器人是通過(guò)視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等各類傳感器檢測(cè)工作狀態(tài)，根據(jù)實(shí)際變化過(guò)程反饋的數(shù)據(jù)、信息然后做出正確的判斷和決定。此外，智能控制系統(tǒng)在工程機(jī)械中的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，其控制方法也是十分巧妙的，具體情況如下所述：（1）挖掘機(jī)通過(guò)檢測(cè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來(lái)識(shí)別載荷的大小，如：檢測(cè)液壓系統(tǒng)中泵的輸油壓力，泵的控制壓力以及各機(jī)構(gòu)的情況與狀態(tài)，有的還檢測(cè)導(dǎo)手柄的系統(tǒng)流量和位移的情況等等。挖掘機(jī)控制器根據(jù)采集的信息，通過(guò)模擬控制理論理出所需要的信息和數(shù)據(jù)，為下一步的工作提供依據(jù)，以保證以后的工作得以順利進(jìn)行。（2）基于CAN總線的汽車起重機(jī)智能控制系統(tǒng)中采用總線分段。雙CAN總線協(xié)議結(jié)構(gòu)，既可以對(duì)起重機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)等做出全面系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)，又可以避免總線沖突，實(shí)現(xiàn)有效、快速通信。各種不同型號(hào)的汽車起重機(jī)需要具有不同配置的軟件，對(duì)此我們要注意區(qū)分。

4結(jié)語(yǔ)

無(wú)論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，機(jī)電一體化中對(duì)智能控制系統(tǒng)方面的研究已經(jīng)很深入，不管是在現(xiàn)代機(jī)械上還是在典型機(jī)械上。相較于傳統(tǒng)的控制方法智能控制系統(tǒng)更具有柔性和靈活性，優(yōu)勢(shì)很突出且實(shí)用性很強(qiáng)。以微處理器為核心的智能控制系統(tǒng)，在微電子技術(shù)、精密機(jī)械技術(shù)以及信息技術(shù)等領(lǐng)域展現(xiàn)出了更為廣闊的發(fā)展前景和更具優(yōu)勢(shì)的發(fā)展空間。