控制工程在机械电子工程中的应用研究

2024-05-21 04:29:59次小天
科技资讯 2024年4期
关键词:PID控制机械电子工程控制工程

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摘要:控制工程随着科学水平的不断提升已经得到了广泛的应用,将其应用到机械电子工程中,有助于机械电子工程实现快速发展。基于机械电子工程基本理论,探讨了控制工程的常见应用技术,从神经网络控制系统的应用、预测控制系统的应用、集成自动控制系统的应用、模糊控制系统的应用、柔性机械臂轨迹跟踪控制系统等方面深入分析了控制工程在机械电子工程中的应用,为推动我国机械电子工程领域的长远发展提供启示和借鉴。

关键词:控制工程  机械电子工程  控制系统  PID控制

中图分类号:TP18

Research on the Application of Control Engineering in Mechatronic Engineering

CI Xiaotian

Tianjin University of Technology, Tianjin, 300384 China

Abstract: With the continuous improvement of the scientific level, control engineering has been already widely used, and its application in mechatronic engineering helps the rapid development of mechatronic engineering. Based on the basic theory of mechatronic engineering, this paper probes into the common application technologies of control engineering, and deeply analyzes the application of control engineering in mechatronic engineering from the aspects of the application of the neural network control system, predictive control system, integrated automatic control system, fuzzy control system and trajectory tracking control system of flexible manipulators, which provides inspiration and reference for promoting the long-term development of the field of mechatronic engineering in China.

Key Words: Control engineering; Mechatronic engineering; Control system; PID control

控制工程是一門多领域交叉应用的科学,其应用原理和技术在机械电子工程中发挥着至关重要的作用。控制工程的核心任务是设计、分析和实施控制系统,以确保系统在各种条件下能够达到所期望的性能和行为。在机械电子工程中,控制工程的应用涉及多项技术,通过应用这些技术不仅能够提高机械电子工程的自动化程度,还可以增强电子工程的智能性和适应性,而且随着控制工程的创新和发展,机械电子工程的性能、可靠性和效率也在不断提升。

1机械电子工程基本理论

机械电子工程一般由控制层、数据采集与分析系统和控制系统组成,具有灵活性、自动性、智能性和功能性等特征。第一,控制层是机械电子工程中的关键组成部分,它负责协调和管理各个系统的运作。控制层的应用原理包括:控制层通常使用不同类型的控制算法,如PID控制、模糊逻辑控制、模型预测控制等,以根据系统状态和目标生成控制信号;控制层通过传感器收集系统的状态信息,然后使用执行器执行相应的任务,以维持系统的稳定性和性能;控制层使用反馈回路不断校正控制信号,使系统保持在所需的状态。第二,数据采集与分析系统用于收集、存储和分析与机械电子系统相关的数据。应用原理包括:通过传感器和数据采集设备,收集有关温度、压力、速度、位置等各种参数的数据;采集的数据通常需要存储在数据库或数据仓库中,以供后续分析和参考;数据分析系统使用各种算法和技术来解释数据,识别趋势、异常和关键性能指标,以支持决策制定和系统改进[1]。第三,控制系统是机械电子工程中实际执行操作的部分。应用原理包括:控制信号从控制层传送到执行器,如电动机或阀门,以执行相应的动作;开环控制是根据预定的输入执行操作,而闭环控制使用反馈信号调整操作,以确保系统的稳定性和性能。控制系统需要考虑安全性和容错性,以应对紧急情况和故障,从而保护人员和设备。

2控制工程的常见应用技术

控制工程是基于计算机和信息化技术相结合的基础上而衍生出的一项新技术,其工作过程中需遵从相应的控制依据。在应用控制工程的时候,应该以自动化方式进行操作。控制工程在机械电子工程中的应用较为广泛,常用的技术包括鲁棒控制技术、模糊控制技术、神经网络控制技术等,其常用的方向有推土机智能平台、挖掘机智能挖掘系统、高速液压机与模糊控制等。由于其使用的技术较多,应用范围较广,在此只针对控制工程的3种常用技术进行深入分析和探讨,具体如下。

2.1鲁棒控制技术

鲁棒控制技术是控制工程领域中的重要分支,它的主要目标是确保系统在面对各种不确定性和外部干扰时能够保持性能和稳定性。在这一领域中,有多种应用技术,其中包括鲁棒PID控制、H∞控制和自适应控制。鲁棒PID控制是一种改进的PID控制器,通过适应性参数调整,能够应对参数不确定性,即使处在不确定的系统参数或外部扰动的情况下,它仍然能够有效地维持系统的鲁棚性和性能,该技术通过动态地调整控制增益,以满足系统需求,使控制系统更加适应不确定性。H∞控制是一种基于线性矩阵不等式理论的鲁棒控制方法,其应用目的是为了最小化性能指标的上界,从而提高系统的鲁棒性。该技术适用于线性系统和多输入多输出系统,通过数学优化技术来设计控制器,以确保系统在面对不确定性和扰动时具有稳定性和性能[2]。自适应控制技术能够根据系统的变化自动调整控制策略,以维持性能和鲁棒性,该技术通常利用模型参考自适应控制或模型预测控制来进行实施,动态地调整控制器参数,以适应系统的变化和不确定性,确保系统在不断变化的环境中仍然能够保持性能和稳定性。

2.2 模糊控制技术

模糊控制技术是一种灵活而强大的方法,用于处理复杂、非线性系统中的模糊信息。该技术的有效应用涵盖了模糊逻辑控制器、模糊推理系统和模糊PID控制,为存在的各种问题提供了解决方案。模糊逻辑控制器是一种使用模糊规则和隶属度函数来处理输入和输出之间模糊关系的控制系统。相对于传统的精确控制方法,模糊逻辑控制器能够更好地适应不确定性和复杂性。通过定义模糊规则,系统可以模拟人类专家的知识,从而在复杂的系统中实现精确的控制。模糊逻辑控制器的基本结构如图1所示。

模糊推理系统可用于多个应用领域,包括模式识别、决策支持和控制任务。模糊推理基于事实之间的模糊关系,能够处理不完全或模糊的信息。这种方法特别适用于决策制定,因为它允许将不确定性和模糊性纳入考虑,从而更好地适应复杂的决策环境。模糊PID控制将传统的PID控制与模糊逻辑相结合,以提高系统对非线性和不确定性的适应性。模糊PID控制器能够自动调整PID参数,以根据系统的状态和需求实现更精确的控制。这种方法改进了传统PID控制器的性能,使其更适合复杂的工程系统[3]。

2.3 神经网络控制技术

神经网络控制技术在控制工程中是一项常用技术,该技术是在生物学基础上研究而成的控制技术,其工作原理是通过在网络中连接各个网络神经元来实现应用。单个神经元的使用效果不及整个网络神经元,且商品价值也难以确定。但是,如果能够将单个的神经元连接一起,那么就能够构建出功能强大且具有较高复杂性的神经网络控制系统,且该系统具有的功能可以实现对复杂的、大规模化的数据信息的有效处理。同时,该系统还逐渐呈现出人工智能的特性。此外,该技术在电子工程中的应用也在逐渐发生变化。从传统应用角度进行分析,该技术应用在cnc机床生产中时,由于过去的技术水平较低,影响了其使用效果的发挥,导致无法保证切削产品的精准度,在这个过程中,很容易会出现一些误差,从而降低了产品成品率,也影响了生产效率和生产质量[4]。基于此,在实际应用神经网络控制技术的过程中,应该进一步提升其使用效能,防止在cnc切削作业时产生不当操作,影响产品的精准性,提升机床加工效率,保证生产加工的安全性,全面提升生产效率和生产质量,如图2所示。

图2神经网络控制系统图

3 控制工程在机械电子工程中的应用

3.1 神经网络控制系统的应用

神经网络控制系统在机械电子工程领域的应用为系统的智能化和自适应性提供了有力支持。神经网络控制系统凭借其自身的优势,可以在机械电子工程领域的多个方面发挥作用。

  1. 在机器人控制方面,神经网络应用较为广泛。通过应用该技术可以使机器人更具智能,能够更好地感知和适应环境。通过训练神经网络,机器人可以执行复杂的任务,如自主导航、避免障碍物和物体抓取等,这为自动化生产线、仓储物流和服务行业等领域應用机器人提供了更高的效率和可操作性。
  2. 在工厂自动化和过程控制中,神经网络控制系统发挥了关键作用。工业生产过程通常会有很多不确定性,而神经网络可以通过学习和适应,提高生产过程的质量和效率。它们可以应用于优化生产线的调度、控制机械设备的运行以及检测产品质量等方面,这些应用可以在一定程度上减少生产成本、降低能源消耗和提高产品质量,从而使工厂更具竞争力[5]。由此可见,神经网络控制系统在机械电子工程中的应用丰富多彩,从机器人控制到工业自动化,再到过程控制,都为系统的自动化和智能化提供了重要支持。这些技术随着科技水平的发展也在不断发展和更新。神经网络控制系统在机械电子工程领域的应用,可以进一步推动它的发展,改善各种工程系统的性能和可靠性。

3.2 预测控制系统的应用

预测控制系统在机械电子工程领域的广泛应用为系统的稳定性和性能提供了重要支持。通过应用预测控制系统能够准确控制最终的预测成效,确保产品能够满足生产需求。这种控制方法在应用中是基于系统模型来控制预测成效,以实现所需的性能目标。

3.2.1高速液压机领域

由于人们的需求发生了变化,所以对高速液压机的性能也有了更高的要求,这项设备能够通过提升运转速度的方式承担更大的负荷。基于此,可以将预测控制系统应用其中,合理预测高速液压机所能承受的负荷,同时还能精准计算超负荷的冲击力、控制器输出功能以及其工作中可能出现的误差。

3.2.2航空航天领域

预测控制也得到了应用,其主要应用于航空器、卫星和导弹的航迹控制。这些系统需要精确的轨迹跟踪以确保飞行器安全抵达目的地,顺利完成任务。通过使用预测模型,控制系统可以预测航行轨迹,并考虑风速、气压和其他环境因素,从而调整飞行器的控制输入,以保持航迹的准确性和精确性。

3.2.3能源管理领域

预测控制系统可以用于优化电力网络的运行和能源分配,通过监测电力需求、可用能源来源和网络拓扑,控制系统的预测功效可以准确分析出能源的需求和供应情况,并根据获得的结果相应地调整发电机、储能设备和输电线路的操作,从而提高电网的效率、可靠性和可持续性,减少能源浪费、降低成本[6]。

3.2.4其他领域

在交通管理、工业自动化和环境控制中,预测控制系统也发挥著作用。无论是为了减少交通拥堵、优化生产过程还是减少能源消耗,预测控制系统都提供了一种强大的方法来实现更高效的系统运行。随着技术的不断进步和模型精度的提高,预测控制在机械电子工程领域的应用前景将继续扩大,为各种系统带来更高的性能和可持续性。

3.3 集成自动控制系统的应用

集成自动控制系统基于计算机信息技术基础之上,通过协调多个子系统的运作,使整体系统能够高效运行并满足系统目标。在高精度工业领域,这个系统具有广泛的应用价值。

(1)在工业自动化中,集成自动控制系统常常被应用于制造行业,通过应用该技术可以协调和管理生产线上的各个工作站,其中质量控制系统可以确保产品的生产过程具有高效性、精确性和可控性。这一般包括自动化装配线、材料搬运系统和机器视觉系统的协调运作,以此可以提高生产效率和产品质量。自动控制系统还可以监测和调整生产过程,以适应不同的产品类型和生产需求。

(2)智能交通系统是另一个集成自动控制系统的典型应用领域,该系统主要用于协调和优化城市交通流量,以便减少交通拥堵、提高交通效率和加强交通安全。交通信号控制系统可以根据交通流量情况动态调整信号灯,车辆跟踪系统可以监测车辆位置并提供导航建议,交通管理系统可以协调交通流量以减少拥堵[7]。这些系统通过集成自动控制技术,使城市交通更智能、高效和环保。随着技术的不断进步和创新,集成自动控制系统将继续在各种领域实现更广泛的应用,为机械电子工程行业的发展和优化提供有力支持。

3.4 模糊控制系统的应用

模糊控制系统的最大优势就是能够将复杂的问题简单化,因此机械电子工程中应用该系统能够为处理复杂性和不确定性事件提供强大支持和帮助,这样就能减轻工作人员的负担,确保工作效率。

3.4.1应用于温度和湿度的控制领域

室内环境的温度和湿度是影响人们生活和工作的重要因素,模糊控制可用于调整加热、通风和空调系统,以维持舒适的室内环境。通过使用模糊逻辑,控制系统可以更好地应对外部湿度和温度的变化,以确保室内环境始终处于理想状态。这种应用在住宅、商业建筑和工业生产中都非常常见,能够大幅度提高生活质量和工作效率。

3.4.2  应用于飞行器控制领域

飞行器的控制需要处理不同的飞行阶段和环境条件,如起飞、巡航、降落和飞行中的气象变化。模糊控制系统可以适应不同情况下的非线性和不确定性,以维持飞机的稳定性和安全性。这种应用在商用飞机、军用飞行器和飞行器导航中起着关键作用,可以确保飞机在各种条件下具有精确的操纵和导航能力[8]。总的来说,模糊控制系统在机械电子工程领域的应用有助于处理复杂性和不确定性,提高系统的适应性和鲁棒性。无论是在调整室内环境条件,还是在飞行器的控制中,模糊控制系统都为各种系统提供了更好的性能和可靠性,使人们能够更好地应对不断变化的需求和环境条件。

3.5 柔性机械臂轨迹跟踪控制系统

柔性机械臂轨迹跟踪控制系统在机械电子工程中的应用主要是为处理复杂的控制问题提供关键性的解决方案。该控制系统技术广泛应用于各个领域中。

3.5.1  应用于制造业

柔性机械臂的轨迹跟踪控制系统常用于装配、焊接、零件加工和其他精细的制造任务。柔性机械臂通常由弹性材料构成,因此其形状和运动可能会受到振动、外部干扰和负载变化的影响。柔性机械臂轨迹跟踪控制系统能够实时调整机械臂的姿态和运动,以确保其沿着期望的轨迹进行精确控制,这样可以提高生产效率和产品质量,减少废品率以及实现自动化制造。

3.5.2 应用于医疗领域

在机器人手术中,柔性机械臂用于进行微创手术,如胃肠道手术和心脏手术。柔性机械臂轨迹跟踪控制系统可以确保手术工具的精确位置和运动,以支持外科医生进行高精度的操作,减少创伤,加速康复。从上述内容中可以看到,柔性机械臂轨迹跟踪控制系统在机械电子工程中应用,无论是在工业自动化中,还是在医疗领域中,都为系统提供了更高的智能性、精确性和适应性。这些技术的不断发展和创新将进一步推动机械电子工程领域的进步,改善各种工程系统的性能和可靠性,满足不同领域的需求。

4 结语

综上所述,控制工程中包含着丰富的基础理论和先进的技术,将控制工程应用到机械电子工程中,可以对其实现长远发展并产生重要的推动作用。在新时代背景下,随着经济水平和科学技术的不断更新和发展,机械电子工程逐渐呈现出智能化的发展趋势,这是时代发展的必然结果,也是机械电子工程得以发展的必然要求。基于此背景下,只有确保机械电子工程中能够合理运用控制工程,才能确保其得以快速发展。需要注意的是,在应用过程中,工作人员需要掌握控制工程的特点和优势,了解其注意事项,这样才能确保控制工程在机械电子工程中应用可以发挥出最大化的价值和作用,有助于促进我国机械电子工程领域的进一步发展。

参考文献

[1] 赵玉斌.智能控制工程在机械电子工程中的应用[J].电子元器件与信息技术,2021,5(8):87-88.

[2] 付晓云.智能控制工程在机械电子工程中的应用[J].设备管理与维修,2021(10):76-78.

[3] 郝勇.长输成品油管道PID控制工程实践[D].北京:中国石油大学(北京),2020.

[4] 章跃军.基于智能控制工程在机械电子工程中的应用分析[J].内燃机与配件,2020(10):229-230.

[5] 蔡自兴,陈海燕,魏世勇.智能控制工程研究的进展[J].控制工程,2003(1):1-5+10.

[6] 陈淑江,徐春望,路长厚,等. 嵌入控制油腔的静压主轴轴心运动主动控制分析与试验 [J]. 吉林大学学报(工学版), 2023, 53 (4): 973-981.

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