机电一体化的发展趋势及智能控制技术分析

王红亮　李克强　张许泽

摘 要 机电一体化是现代新技术发展中重点技术之一，在机电产业中的应用十分广泛，所以对其有一个科学全面的认识是十分必要的。机电一体化在以后的发展中，其功能必然会不断完善，控制系统也将会更加强大。相信在未来它将会有更加广阔的发展前景，在各个领域的领域在将会更加广泛，作为机电行业有关人员，对其现在实际中的应用以及其今后的发展趋势有一个科学合理的认识，跟得上机电一体化今后的发展步伐，从而适应其发展，对社会发展也起到一定促进作用。

关键词 机电一体化 智能控制技术 应用与发展

中图分类号：TH-39 文献标识码：A

1机电一体化技术创新发展趋势

首先，机电一体化技术的应用将更为广泛。小至微机电系统、数字光碟机，大至半导体制程设备、高速列车，均需通过机电一体化技术完成产品的开发。机电一体化之所以重要，因为它是自动化工业、航天工业与国防工业的基础整合技术。这门新兴技术，是先进工业国家竞相发展的领域。信息产业的快速发展，也带动PC工业控制电脑的发展，连带养以PC-Based控制器为主导的自动化产业。在这种发展变迁过程中，机电一体化的核心程序控制器技术也发生着创新变化。程序控制器被广泛使用在工业自动控制领域，PLC已经成为工厂自动化的控制核心。然而因为一般PLC程序撰写是采用先绘制阶梯图，再转换为PLC指令，因此各品牌所生产PLC的指令不同，导致彼此之间程序转换不易。另外，由于PLC指令近似于低阶语言，程序开发不易且十分耗时，为了改善PLC机电一体化的缺点，目前逐渐探索出以PC个人电脑或IPC取代PLC作为机电一体化机构的控制器，并使用Visual Basic来撰写控制程序，取代PLC的机电一体化。

其次，机电光一体化的技术发展。在进入二十一世纪后，半导体微电子技术、微机电技术以及镭射技术的突飞猛进，加上快速成长的影像显示产业与新兴生物科技产业的驱动，给予传统的光电、机械、材料、信息、化工等工业一个新的蓬勃发展契机。一个以机电光一体化为手段来开创全新领域与目标的新时代已经来临。一个典型机电光技术的涵盖范围包含：机构设计、微处理器、精密致动器、光/机电感测器、人机介面、程序/反馈控制、信号处理与错误诊断、图形辨识、仿生人工智慧以及制程技术等。另外，依光学/光电元件与机电元件组合特性与互动程度的不同，机电光系统也可以区分为三种类型：光机整合的机电光系统；内嵌光学/光电装置的机电系统；嵌入机电装置的光学系统。

2智能控制系统类别形式与特点

2.1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。它由低到高分为组织级、协调级和执行级这三个级别。具体情况包括三个方面：（1）执行级：根据上级发出的命令，执行确定的某些动作，并完成组织分配的各项任务；（2）协调级：此级由控制管理分层和控制监督分层组成，主要负责协调各项任务，以保证各项任务得以高质量完成；（3）组织级：它是通过用户和人机接口进行交互，执行最高决策的控制功能，对协调级和执行级的任务进行组织，监视并指导协调级和执行级这两个级别的行为。

2.2学习控制系统

学习控制系统是通过对内部结构进行判别、认知和调整后，利用对信号循环输入以及数据处理来保证良好的运行效果。它是一种自动控制系统，能在运行过程中逐步获得受控过程以及环境的非预知信息，积累控制经验，不断更新各种数据和资源，并且能在一定的评价标准体系下进行分类、估值、决策和不断改善。

2.3专家控制系统

专家控制系统是人机相结合的一种形式，它能将人的知识、经验、技能融合进计算机系统。在这个系统中，计算机数据库含有某个领域专家水平的知识和经验和技能，且次系统能像人的大脑一样对各种数据和资料进行分析、处理，然后利用这些知识、经验和技能来解决该领域的高水平复杂疑难问题。

2.4神经网络系统

神经网络系统是指由大量的人工神经元互联而组成的网络，这些人工神经元与生物神经系统的神经细胞相类似，神经网络也可以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人工神经元模式、神经细胞模式。其中，神经网络的主要功能是模仿真人和智能控制。

2.5机电一体化中的智能控制技术特点

（1）分层递阶的组织结构：“智能递增，精度递减”的原理在智能控制系统的组织结构中得到了充分体现，此原理也是智能控制系统的一大特色。其协调层次与其所体现的智能成正比，两者相互促进、共同提高；（2）多模态控制：智能控制系统通常采用多态控制，这种多模态控制通常具有具有开、闭环控制相结合，定量控制与定性决策相结合，数学模型和非数学广义模型相结合的特点；（3）自学习能力：学习控制系统是能够对一个过程或者环境的未知特征所固有的信息进行学习，并且能将其所得到的信息与其以往的经验相结合，用于进一步的估计、分类、控制或者决策的一种系统，它的整套模式使系统的性能得以改善和提高。和人们的学习能力一样，智能控制系统的学习功能也参差不齐，高层次的学习功能主要包括知识的更新与遗忘，它使系统的资源处于不断更新的状态，是一个动态的过程；低层次的学习功能则主要包括对控制对象参数的学习，它是一个相对的静态过程；（4）自适应能力：智能控制系统中的智能行为实质是一种映射关系，反应了从输入到输出之间对应关系，我们可以把它看成是一种不依赖模型的自适应估计，因此，它具有很好的适应性能。由于系统具有插补功能，所以即使当系统的输入不是以前见过的例子时，甚至当系统中某些部分出现故障时，系统也能够不受干扰，像没遭到破坏之前一样正常的工作，给出适当的输出。如果智能系统更加强大的话，它还能够自我找出故障，甚至还具备自我修复的功能，体现了智能控制系统更加强大、更加完善的适应性能。

3智能控制技术在机电一体化系统中的应用

目前机电一体化中的智能控制技术的应用已经成为一种潮流与趋势，数控机床和智能机器人就是反应这种趋势最好的例子。数控机床的智能化体现在各类传感器对切削加工过程中以及加工过程前后的各种参数进行监测和比较，并且通过计算机系统对检测出来的数据资料进行分析整合，做出正确的判断与综合处理，自动对异常现象进行调整与加工，以保证加工过程的顺利进行与完成，从而保证加工出合格、高品质的产品。智能机器人是通过视觉、听觉、触觉等各类传感器检测工作状态，根据实际变化过程反馈的数据、信息然后做出正确的判断和决定。此外，智能控制系统在工程机械中的应用也相当广泛，其控制方法也是十分巧妙的，具体情况如下所述：（1）挖掘机通过检测液压系统的运行参数来识别载荷的大小，如：检测液压系统中泵的输油压力，泵的控制压力以及各机构的情况与状态，有的还检测导手柄的系统流量和位移的情况等等。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要的信息和数据，为下一步的工作提供依据，以保证以后的工作得以顺利进行。（2）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，既可以对起重机的动力系统、液压系统等做出全面系统的监测，又可以避免总线冲突，实现有效、快速通信。各种不同型号的汽车起重机需要具有不同配置的软件，对此我们要注意区分。

4结语

无论是国内还是国外，机电一体化中对智能控制系统方面的研究已经很深入，不管是在现代机械上还是在典型机械上。相较于传统的控制方法智能控制系统更具有柔性和灵活性，优势很突出且实用性很强。以微处理器为核心的智能控制系统，在微电子技术、精密机械技术以及信息技术等领域展现出了更为广阔的发展前景和更具优势的发展空间。