智能化技术在机械工程自动化中的应用研究

张秋洁

（武汉东湖学院，湖北 武汉 430212）

1 开环和闭环（反馈）控制

在机械自动化中主要有两种智能控制回路：开环控制和闭环（反馈）控制。在开环控制中，来自控制器的控制动作独立于“过程输出”（或“受控过程变量”）。一个很好的例子就是一个集中供热锅炉，只有定时器才能控制，因此不管建筑物的温度如何，热量都会持续一段时间。（控制动作是锅炉的开启/关闭，过程输出是建筑物温度）。在闭环控制中，来自控制器的控制动作取决于过程输出。在锅炉类比的情况下，这将包括用于监测建筑物温度的恒温器，并由此反馈信号以确保控制器将建筑物维持在恒温器上设定的温度。闭环控制器因此具有反馈回路，该回路确保控制器施加控制动作以给出与“参考输入”或“设定点”相同的过程输出。为此，闭环控制器也被称为反馈控制器。

2 顺序控制和逻辑顺序或系统状态控制

顺序控制可以是固定顺序，也可以是逻辑顺序，根据不同的系统状态执行不同的操作。状态指的是系统使用或顺序情景中可能出现的各种情况。一个例子是电梯，它根据系统状态使用逻辑来响应其状态和操作员输入来执行某些操作。例如，如果操作员按下地板n按钮，则系统将根据电梯是停止还是移动、上升或下降，或者门是打开还是关闭以及其他情况而作出响应。顺序控制的早期发展是继电器逻辑，通过该继电器逻辑，电气继电器接合启动或中断设备电源的电气触点。继电器在开发用于控制其他设备之前首先用于电报网络，例如在启动和停止工业级电动机或开关电磁阀时。使用继电器进行控制可以实现事件驱动的控制，即响应外部事件，可以按顺序触发操作。这些响应比刚性单序列凸轮定时器更灵活。更复杂的例子涉及维护安全顺序的设备，如摆动桥控制装置，其中需要在桥可移动之前释放锁栓，并且在安全门已经关闭之前不能释放锁栓。在一些工厂中，继电器、凸轮计时器和鼓音序器的总数可以达到数百甚至数千。需要早期的编程技术和语言来使这种系统易于管理，其中第一个是梯形逻辑，其中互连继电器的图表与梯子的梯级相似。称为可编程逻辑控制器的特殊计算机后来被设计成用单个更容易重新编程的单元代替这些硬件集合。在典型的硬接线电动机启动和停止电路（称为控制电路）中，通过按动启动一对继电器的“启动”或“运行”按钮来启动电动机。“锁定”继电器锁定触点，使按钮释放时控制电路保持通电。（启动按钮是一个常开触点，停止按钮是常闭触点。）另一个继电器激励一个开关，该开关为主电源电路中引发电机启动开关的设备供电（三组工作电源触点）。大型电机使用高电压，使得速度在制造和断开接触方面非常重要。启动电路中的“锁定”触点和电机的主电源触点通过其各自的电磁铁保持接合，直到按下“停止”或“关闭”按钮，从而断开继电器中的锁定。通常互锁被添加到控制电路。定时器，限位开关和电眼是控制电路中的其他常见元素。电磁阀广泛用于压缩空气或液压流体，用于驱动机械部件上的执行器。虽然电机用于提供连续的旋转运动，但是对于间歇性地为机械部件创建有限范围的运动（例如移动各种机械臂、打开或关闭阀门、提升重压辊、向压力机施加压力），致动器通常是更好的选择。

3 计算机控制

计算机可以执行顺序控制和反馈控制，通常单台计算机都可以在工业应用中使用。可编程逻辑控制器（PLC）是一种专用微处理器，它取代了许多硬件组件，如继电器逻辑类型系统中使用的定时器和鼓定序器。通用过程控制计算机已经越来越多地取代了独立控制器，而单台计算机能够执行数百个控制器的操作。

过程控制计算机可以处理来自PLC，仪表和控制器网络的数据，以实现许多单个变量的典型（如PID）控制，或者在某些情况下，可以使用多个输入和数学操作实现复杂的控制算法。

自动柜员机（ATM）的控制是交互过程的一个例子，其中计算机将基于从联网数据库中检索的信息对用户选择执行逻辑推导的响应。ATM过程与其他在线交易过程相似。不同的逻辑回应称为情景。这些过程通常是借助用例和流程图来设计的，这些用例和流程图指导了软件代码的编写。

4 智能化工具

工程师现在可以对自动化设备进行智能化控制。其结果是应用程序和人类活动的范围正在迅速扩大。计算机辅助技术（或CAx）现在成为用于创建复杂系统的数学和组织工具的基础。CAx的著名例子包括计算机辅助设计（CAD软件）和计算机辅助制造（CAM软件）。由CAx实现的产品改进设计、分析和制造对于工业是有益的。信息技术与工业机械和工艺一起可以帮助设计，实施和监控控制系统。工业控制系统的一个例子是可编程逻辑控制器（PLC）。PLC是经过专门加固的计算机，经常用于同步来自（物理）传感器和事件的输入流与执行器和事件的输出流。人机界面（HMI）或计算机人机界面（CHI），以前称为人机界面，通常用于与PLC和其他计算机通信。通过HMI进行监视和控制的服务人员可以通过不同的名称进行调用。在工业过程和制造环境中，它们被称为操作员或类似的东西。在锅炉房和中央公用事业部门，他们被称为固定工程师。存在不同类型的智能化工具：ANN-人工神经网络；DCS-分布式控制系统；HMI-人机界面；SCADA-监督控制和数据采集；PLC-可编程逻辑控制器；仪表；运动控制；机器人。在工厂自动化方面，主机仿真软件（HSS）是一种常用的测试工具，用于测试设备软件。HSS用于根据工厂自动化标准（超时，响应时间，处理时间）测试设备性能。

5 自动化限制

目前的技术无法使所有期望的任务自动化。许多使用自动化的操作具有大量的投资资本并产生大量的产品，使得故障成本极高且潜在危险。因此，需要一些人员来确保整个系统正常运行，并保证安全和产品质量。目前工业过程中人类的许多角色已经超出了自动化的范围。人类模式识别、语言理解和语言生产能力远远超出了现代机械和计算机系统的能力。需要主观评估或合成复杂感官数据（如气味和声音）以及战略规划等高级任务的任务目前需要人类专业知识。在许多情况下，甚至在可能实现工业任务自动化的情况下，使用人类比机械方法更具成本效益。克服这些障碍是后稀缺经济学的理论化途径。

6 结语

智能化生产可以有效提高生产的效率和质量，同时还能减少对人力的需求，降低生产成本。但应用智能化技术是机遇与风险并存的选择。在使用智能化技术的同时，应明确其技术缺陷，根据实际需要，进行技术的合理选择与应用。

[1]朱澄.探究智能化技术在机械工程自动化中的应用[J].科技经济导刊，2017（15）：91-92.