智能控制系统在机电一体化中的应用(谢雷)

智能控制系统在机电一体化中的应用谢雷中南大学交通运输工程学院学号114217042摘要：我设计参与了湖南江麓特种电气有限公司的塔机智能化监控系统、升降机超载控制系统等项目。其中都用到了“智能控制”和“机电一体化”，那么，什么是“智能控制”和“机电一体化”呢?“智能控制”指的是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是精密机械技术、微电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形势。智能控制系统具有一定的智能行为，它是用来解决工程上难以用数学方法精确描述的、复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题。此外，智能控制系统在工程机械中应用十分广泛。关键词：智能控制，机电一体化，工程机械前言：“智能控制”指的是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机器实现控制目标的自动控制技术。控制理论发展至今已有100多年的历史，经历了“经典控制理论”和“现代控制理论”的发展阶段，现在已进入“大系统理论”和“智能控制理论”阶段[1]。“机电一体化”是微电子技术向机械工业渗透过程中逐渐形成的一个新概念，是精密机械技术、微电子技术和信息技术等各相关技术有机结合的一种新形势。它是机械技术、微电子技术及信息技术相互交叉、融合的产物[2]。1.智能控制系统类别形式智能控制系统具有一定的智能行为，它是用来解决工程上难以用数学方法精确描述的、复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题。这些问题的特点是非线性的，用普通的控制方法难以实现[3]。当前采取的智能控制系统如下所述：(1)分级控制系统分级控制系统又称为分级阶梯控制系统，是由美国普渡大学提出的控制理论。它的理论是在自适应控制和自组织控制的基础上提出的理论。它主要由三个控制级组成，由高到低分为组织级、协调级、执行级。具体情况如下：1）组织级：通过人机接口和用户进行交互，执行最高决策的控制功能，监视并指导协调级和执行级的行为。2）协调级：该级分为控制管理分层和控制监督分层。3）执行级：执行确定的动作，完成组织级分配的任务。(2)学习控制系统学习控制系统是通过对内部结构进行判别、认知、调整后，利用对信号循环输入和数据处理来保证良好的运行效果。它是一个能在其运行过程中逐步获得受控过程及环境的非预知信息，积累控制经验，并在一定的评价标准下进行估值、分类、决策和不断改善的自动控制系统。(3)专家控制系统专家控制系统是将人的经验、知识、技能融合进计算机的一种形式。在这个系统中，计算机数据库含有摸个领域专家水平的知识与经验，并且具有可以利用这些知识与经验解决该领域的高水平难题的特点，其结构图见图1所示。图1专家系统结构框图(4)神经网络系统神经网络是指由大量与生物神经系统的神经细胞相类似的人工神经元互联而组成的网络，或由大量象生物神经元的处理单元并联互联而成。智能网络结构形式主要运用了神经细胞、人工神经元模式。智能控制与模仿真人是神经网络的主要功能，其系统示意图见图2所示。图2神经网络控制系统示意图2.智能控制系统的特点智能控制常具有以下一种或几种基本特点[4]：(1)分层递阶的组织结构：智能控制系统的组织结构体现了“智能递增，精度递减”的原理。其协调层次越高，所体现的智能也越高。(2)多模态控制：智能控制系统常采用具有开、闭环控制结合，定性决策与定量控制结合，数学模型和非数学广义模型结合的多态控制。(3)自学习能力：一个系统如果能对一个过程或其环境的未知特征所固有的信息进行学习，并将得到的经验用于进一步的估计、分类、决策或控制，从而使系统的性能得到改善，那么就称该系统为学习控制系统。学习控制系统是智能控制系统的一种，智能控制系统的学习功能可能有低有高，低层次的学习功能主要包括对控制对象参数的学习，高层次的学习功能则包括知识的更新和遗忘。(4)自适应能力：智能控制系统中的智能行为实质上是一种从输入到输出之间的映射关系，它可看成是不依赖模型的自适应估计。因此它具有很好的适应性能。当系统的输入不是已经学习过的例子时，由于系统具有插补功能，从而可给出合适的输出，甚至当系统中某些部分出现故障时，系统也能够正常的工作。如果系统具有更高成都的智能，他还能自我找出故障甚至具备自修复的功能，从而体现了更强的适应性。(5)自组织能力：具有自组织能力的智能控制系统对于复杂的任务和分散的传感信息具有自行组织和协调的功能。该组织功能也表现为系统具有相应的主动性和灵活性，即智能控制器可以在任务要求的范围内自行决策，主动地采取行动。而当出现多目标冲突时，在一定的限制下，控制器可自行裁决。3.工程机械中的智能控制技术(1)工程机械智能化的趋势目前，工程机械的智能化主要体现在以下三个方面。1)工程机械集成化操作与智能控制技术工程机械集成化操作与智能控制技术包括：电液控制自动换挡变速器技术、机电液一体化控制技术、负荷传感全功率控制技术和可编程控制与无人操作技术等。其中，无人驾驶技术也是工程机械的一个发展方向。2)工程机械的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护技术电子监控与故障诊断技术主要是指对工程机械进行在线的智能监控、检测、预报、远程故障诊断与维护，实现工程机械的监控与故障诊断数字化、自动化和智能化的电子监控系统、多传感器融合技术和故障。3)基于网络的机群集成控制与智能化管理技术在高等级公路路面施工项目中，由于施工机械品种及数量较多，各种机械的运动状态具有一定的随机性，施工项目的最优配置一直是实际施工中未能解决的问题。当前，基于网络的机群集成控制与智能化管理技术应用在大型工程项目显得十分迫切。该项技术包括：机群优化配置、智能调度、协同控制及数据通信技术等。(2)工程机械智能化的应用举例智能控制系统在工程机械中应用十分广泛，其控制方法也十分巧妙。1)挖掘机是通过检测液压系统的运行参数来识别载荷大小的，如检测液压系统中泵的控制压力，泵的输油压力和各机构等，有的还检测先导手柄的位移和系统流量等，挖掘机控制器根据采集的信息，通过模拟控制理论理出所需。2)压缩机是通过连续检测振动轮的震动加速度来识别地面压实质量的，振动轮内部的旋转偏心块产生的震动，理论上是一条正弦曲线，当振动轮在地面上振动时，曲线总是被扰动的，在软地面上的扰动小，在硬地上的扰动大，通过对压路机振动轮的加速度进行快速傅里叶变换处理，能够计算出地面压实的数据[5]。3)基于CAN总线的汽车起重机智能控制系统中采用总线分段，双CAN总线协议结构，既可以避免总线冲突，实现有效通信，又可对起重机的液压系统和动力系统等做全面的监测。通过软件的不同配置，适用于各种型号的汽车起重机[6]，其CAN总线网络拓扑图如图3所示。图3CAN总线网络拓扑图4)德国的一些大型起重机上，模糊控制器已得到大量的应用，将有经验的司机和防摇实际操作的数据输入系统，启动工作的控制指令，将人们主观的模糊量通过模糊集合进行数字化定量，再利用微处理机实现像熟练司机一样的自如操作，取得更高的效率和安全性。此外，还装有微机自诊监控系统，该系统能提供大部分常规维护检查内容[7]。结论：智能控制系统在机电一体化中的应用是十分常见的。国内外对于这一方面已有很深的研究，无论是在现代机械还是典型机械上。其控制方法相较于传统钓控制方法更具柔性，有很大的优势。智能控制系统以微处理器为核心，在精密机械技术、微电子技术和信息技术等领域更展现出了广阔的前景。参考文献[1]刘祥斌智能控制在机电一体化系统中的应用煤炭技术：2011年7期[2]张建明机电一体化系统设计北京理工大学出版社：2010.8[3]史书林，程琴智能控制技术在机电控制系统中的应用光盘技术：G250[4]上官军胜智能控制技术南昌大学机电工程学院工程技术[5]苏丽丹智能控制技术在工程机械上的应用哈尔滨市公路工程处第三施工处黑龙江交通科技：2009.3[6]唐修俊，李胜华，王巍基于CAN总线的汽车起重机智能控制系统湖南省长沙市三一重工股份有限公司2007.12.26[7]仲挤峰，赵文锐智能控制在典型工程机械上的应用中国科技信息：2008年第8期