【導讀】工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的下一個(gè)發(fā)展方向要求機器能夠獨立調整其性能參數，以完成工廠(chǎng)操作人員分配的任務(wù)，或根據生產(chǎn)力增強的人工智能（AI）算法的輸入，對機器自身重新配置以?xún)?yōu)化其行為。具有自我意識的機器的價(jià)值在于，它能夠最大限度提高生產(chǎn)力，延長(cháng)設備的運行壽命并減少維護成本。
具有自我意識的運動(dòng)控制之旅
自我意識，是指系統基于對其能力和系統性能目標的了解，對系統自身的自我認知。事實(shí)上，具有自我意識的運動(dòng)控制系統需要實(shí)施多個(gè)控制環(huán)路，以解譯傳感器輸入和預期系統參數，并允許比較系統自己的操作行為與預期系統性能。為了實(shí)現這些目標并創(chuàng )建具有自我意識的運動(dòng)控制系統，需要創(chuàng )建自適應運動(dòng)控制代理，以監控系統操作，并根據驅動(dòng)系統的工作環(huán)境動(dòng)態(tài)調整其性能。在A(yíng)DI看來(lái)，通過(guò)使用自動(dòng)代理來(lái)檢測和監控持續變化的工作環(huán)境條件，能構建實(shí)現具有自我意識的運動(dòng)控制系統。這些條件衍生自一系列嵌套閉環(huán)實(shí)時(shí)性能模型，而這些模型均采用現場(chǎng)級別驅動(dòng)器的運動(dòng)參數。在推導出驅動(dòng)系統的電氣和機械模型后，可利用該模型比較和調整在自動(dòng)化系統金字塔的監督、規劃或管理級別請求的預期系統性能（如圖1）。從高于自動(dòng)化系統金字塔監督部分的任何級別請求新的預期系統性能時(shí)，需要將一組新的控制參數傳輸到運動(dòng)控制系統的自適應控制部分。然后，系統通過(guò)調整其性能以匹配新的性能請求來(lái)做出響應。
圖1.自動(dòng)化系統金字塔
實(shí)現具有自我意識的運動(dòng)控制系統的兩大優(yōu)勢分別是能夠自我調節，以及實(shí)時(shí)自動(dòng)最大限度提高運動(dòng)控制系統的性能。這項新功能為自動(dòng)化系統金字塔的監督、規劃和管理級別提供了機會(huì )，允許通過(guò)實(shí)施生產(chǎn)力增強來(lái)調整具有自我意識的運動(dòng)控制系統。此外，支持人工智能的軟件算法可用于調整系統性能，從而在工廠(chǎng)范圍實(shí)現更好的結果。為了更加直觀(guān)，ADI設計了一張具有自我意識的運動(dòng)控制概念圖，以便更好了解實(shí)施具有自我意識的運動(dòng)控制系統所需的4個(gè)基本要素。
具有自我意識的運動(dòng)控制概念圖：為了實(shí)現這一級別的具有自我意識的運動(dòng)控制，需要開(kāi)發(fā)控制系統圖。如圖2表示成功實(shí)施具有自我意識的運動(dòng)控制所需的4個(gè)關(guān)鍵要素。
要素I：目標或任務(wù)：需要為系統建立明確的目標或任務(wù)。在示例中，這表示“以最佳方式將啤酒杯從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，且不灑出任何啤酒”。
要素II：預期系統行為：明確該目標后，具有自我意識的運動(dòng)控制圖的下一級別發(fā)起預期的運動(dòng)行為。在啤酒杯例子中，這將是“使用線(xiàn)性運動(dòng)來(lái)移動(dòng)啤酒杯，同時(shí)自動(dòng)調整其運動(dòng)，從而在所需的機械系統控制安全限制內補償不同的啤酒杯重量和尺寸”。
確定了目標和預期系統行為后，自適應控制引擎通過(guò)自動(dòng)調整運動(dòng)控制驅動(dòng)及其集成的機械系統，以便在獨特的工作環(huán)境中運行時(shí)實(shí)現峰值工作性能，從而在核心驅動(dòng)系統運動(dòng)學(xué)及其伴隨機械系統之間實(shí)現動(dòng)態(tài)驅動(dòng)融合。
圖2.具有自我意識的運動(dòng)控制概念圖
要素III：核心驅動(dòng)系統：具有自我意識的運動(dòng)控制系統的核心是其運動(dòng)學(xué)。挑戰在于觀(guān)察、學(xué)習和監控電機與驅動(dòng)系統的性能水平。要創(chuàng )建有效的驅動(dòng)系統模型，需要實(shí)施智能觀(guān)察器，以便獲得對其運動(dòng)參數及其物理限制的基本理解。要想實(shí)現這一目標，可使用磁場(chǎng)定向控制器(FOC)與專(zhuān)用的位置傳感器或無(wú)傳感器FOC方法，以了解電機在操作環(huán)境中如何受力，如何做出反應。通過(guò)監控和自動(dòng)調整來(lái)自電機扭矩-磁通電流環(huán)路、速度環(huán)路及其定位環(huán)路的控制參數值，可以進(jìn)一步優(yōu)化驅動(dòng)系統響應。收集這些信息的數據報文并將其饋入智能觀(guān)察器后，實(shí)施優(yōu)化算法以確保計算運動(dòng)控制參數，并確?；A運動(dòng)控制算法收斂以形成一組最優(yōu)運動(dòng)參數（如圖3）?，F在，創(chuàng )建了間接運動(dòng)模型以對驅動(dòng)系統的運動(dòng)進(jìn)行建模和優(yōu)化后，可以通過(guò)引入自適應控制引擎，實(shí)施下一級別的具有自我意識的運動(dòng)控制解決方案。 目前，Trinamic（現已成為ADI公司的一部分）所推出的TMCL- IDE自動(dòng)調整運動(dòng)控制工具，即可對運動(dòng)控制值實(shí)現優(yōu)化。
圖3.監控和自動(dòng)調整扭矩-磁通電流、速度與位置環(huán)路
要素IV：自適應控制：在系統的運動(dòng)學(xué)和FOC自動(dòng)調整功能的基礎之上，現在可以專(zhuān)注于實(shí)施具有自我意識的運動(dòng)控制的下一級別——自適應控制引擎。這一級別的智能運動(dòng)側重于向自適應控制引擎傳達預期系統行為（如圖4）。該系統行為由生產(chǎn)員工、工廠(chǎng)主管提供，或者根據在智能傳感器網(wǎng)絡(luò )中收集工廠(chǎng)數據的人工智能生產(chǎn)力算法生成。將預期行為傳遞至自適應控制引擎后，具有自我意識的運動(dòng)控制系統開(kāi)始動(dòng)態(tài)重新配置驅動(dòng)系統操作參數，以匹配預期系統行為。這些預期行為的一些示例包括，請求提高工廠(chǎng)吞吐量，或通過(guò)在安全模式下操作，延長(cháng)電機的操作壽命。由于運動(dòng)控制系統自動(dòng)調整其運動(dòng)控制參數來(lái)實(shí)現該全新的請求性能水平，自適應控制系統持續監控閉環(huán)系統以維持其預期的性能水平。即使驅動(dòng)系統因機械系統磨損而遇到變更，或者即使電機工作環(huán)境變化，也會(huì )維持該狀態(tài)?，F在，系統已達到具有自我意識的運動(dòng)控制的最終級別。
圖4.自適應控制模型
使用真實(shí)示例也許是演示此概念的最佳方式（如圖5）。比如調酒師想將一杯滿(mǎn)滿(mǎn)的啤酒從吧臺一側準確地傳送到顧客面前，過(guò)程中卻不灑出一滴啤酒，該如何實(shí)現？如果使用了具有自我意識的運動(dòng)控制系統，就會(huì )變得非常簡(jiǎn)單。該任務(wù)的目標是在盡可能快的時(shí)間內將啤酒從調酒師（A點(diǎn)）送給吧臺邊坐著(zhù)的顧客（B點(diǎn)），并且不灑出啤酒。此示例中的傳送系統是一個(gè)帶有內置重量探測器的杯托，用于檢測各種尺寸的啤酒杯的重量，并利用線(xiàn)性運動(dòng)在吧臺上移動(dòng)啤酒杯。試想一下，利用具有自我意識的運動(dòng)控制系統，可以在盡可能快的時(shí)間內將啤酒送給顧客，如果顧客將空的或半空的啤酒杯放回杯托，便于傳回調酒師續杯或丟棄，而此系統還會(huì )自動(dòng)調整其速度和性能。此外，如果調酒師使用不同尺寸的玻璃杯盛裝其他類(lèi)型的飲品提供給顧客，該系統同樣可優(yōu)化效率。
圖5.具有自我意識的運動(dòng)控制系統的實(shí)際應用示例（不同的負載質(zhì)量）
雖然聽(tīng)起來(lái)有點(diǎn)不可思議，但具有自我意識的運動(dòng)控制技術(shù)如今正在飛速演進(jìn)，相信不久的將來(lái)便會(huì )步入人們的生活和工作中。試想一下，當整個(gè)工廠(chǎng)中的設備都用上具有自我意識的電機和智能傳感器之時(shí)，智慧工廠(chǎng)將遠遠超出人們的想象。屆時(shí)，工廠(chǎng)車(chē)間設備的潛在故障能夠自我修復，設備操作壽命被有效延長(cháng)，生產(chǎn)流程可自動(dòng)調節，生產(chǎn)力獲得最大限度提高。歡迎來(lái)到激動(dòng)人心的新世界，快來(lái)真切體驗ADI具有自我意識的運動(dòng)控制和下一次工業(yè)革命到來(lái)吧。
關(guān)于A(yíng)DI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設計挑戰。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現實(shí)世界和數字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶(hù)重新認識周?chē)氖澜?。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者：ADI工業(yè)和醫療健康事業(yè)部工業(yè)通信和運動(dòng)控制副總裁Jeff DeAngelis
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