【導(dǎo)讀】工業(yè)自動化領(lǐng)域的下一個發(fā)展方向要求機(jī)器能夠獨(dú)立調(diào)整其性能參數(shù),以完成工廠操作人員分配的任務(wù),或根據(jù)生產(chǎn)力增強(qiáng)的人工智能(AI)算法的輸入,對機(jī)器自身重新配置以優(yōu)化其行為。具有自我意識的機(jī)器的價值在于,它能夠最大限度提高生產(chǎn)力,延長設(shè)備的運(yùn)行壽命并減少維護(hù)成本。
具有自我意識的運(yùn)動控制之旅
自我意識,是指系統(tǒng)基于對其能力和系統(tǒng)性能目標(biāo)的了解,對系統(tǒng)自身的自我認(rèn)知。事實(shí)上,具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)需要實(shí)施多個控制環(huán)路,以解譯傳感器輸入和預(yù)期系統(tǒng)參數(shù),并允許比較系統(tǒng)自己的操作行為與預(yù)期系統(tǒng)性能。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)并創(chuàng)建具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng),需要創(chuàng)建自適應(yīng)運(yùn)動控制代理,以監(jiān)控系統(tǒng)操作,并根據(jù)驅(qū)動系統(tǒng)的工作環(huán)境動態(tài)調(diào)整其性能。在ADI看來,通過使用自動代理來檢測和監(jiān)控持續(xù)變化的工作環(huán)境條件,能構(gòu)建實(shí)現(xiàn)具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)。這些條件衍生自一系列嵌套閉環(huán)實(shí)時性能模型,而這些模型均采用現(xiàn)場級別驅(qū)動器的運(yùn)動參數(shù)。在推導(dǎo)出驅(qū)動系統(tǒng)的電氣和機(jī)械模型后,可利用該模型比較和調(diào)整在自動化系統(tǒng)金字塔的監(jiān)督、規(guī)劃或管理級別請求的預(yù)期系統(tǒng)性能(如圖1)。從高于自動化系統(tǒng)金字塔監(jiān)督部分的任何級別請求新的預(yù)期系統(tǒng)性能時,需要將一組新的控制參數(shù)傳輸?shù)竭\(yùn)動控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制部分。然后,系統(tǒng)通過調(diào)整其性能以匹配新的性能請求來做出響應(yīng)。
圖1.自動化系統(tǒng)金字塔
實(shí)現(xiàn)具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)的兩大優(yōu)勢分別是能夠自我調(diào)節(jié),以及實(shí)時自動最大限度提高運(yùn)動控制系統(tǒng)的性能。這項(xiàng)新功能為自動化系統(tǒng)金字塔的監(jiān)督、規(guī)劃和管理級別提供了機(jī)會,允許通過實(shí)施生產(chǎn)力增強(qiáng)來調(diào)整具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)。此外,支持人工智能的軟件算法可用于調(diào)整系統(tǒng)性能,從而在工廠范圍實(shí)現(xiàn)更好的結(jié)果。為了更加直觀,ADI設(shè)計了一張具有自我意識的運(yùn)動控制概念圖,以便更好了解實(shí)施具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)所需的4個基本要素。
具有自我意識的運(yùn)動控制概念圖:為了實(shí)現(xiàn)這一級別的具有自我意識的運(yùn)動控制,需要開發(fā)控制系統(tǒng)圖。如圖2表示成功實(shí)施具有自我意識的運(yùn)動控制所需的4個關(guān)鍵要素。
要素I:目標(biāo)或任務(wù):需要為系統(tǒng)建立明確的目標(biāo)或任務(wù)。在示例中,這表示“以最佳方式將啤酒杯從A點(diǎn)移動到B點(diǎn),且不灑出任何啤酒”。
要素II:預(yù)期系統(tǒng)行為:明確該目標(biāo)后,具有自我意識的運(yùn)動控制圖的下一級別發(fā)起預(yù)期的運(yùn)動行為。在啤酒杯例子中,這將是“使用線性運(yùn)動來移動啤酒杯,同時自動調(diào)整其運(yùn)動,從而在所需的機(jī)械系統(tǒng)控制安全限制內(nèi)補(bǔ)償不同的啤酒杯重量和尺寸”。
確定了目標(biāo)和預(yù)期系統(tǒng)行為后,自適應(yīng)控制引擎通過自動調(diào)整運(yùn)動控制驅(qū)動及其集成的機(jī)械系統(tǒng),以便在獨(dú)特的工作環(huán)境中運(yùn)行時實(shí)現(xiàn)峰值工作性能,從而在核心驅(qū)動系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)及其伴隨機(jī)械系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)動態(tài)驅(qū)動融合。
圖2.具有自我意識的運(yùn)動控制概念圖
要素III:核心驅(qū)動系統(tǒng):具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)的核心是其運(yùn)動學(xué)。挑戰(zhàn)在于觀察、學(xué)習(xí)和監(jiān)控電機(jī)與驅(qū)動系統(tǒng)的性能水平。要創(chuàng)建有效的驅(qū)動系統(tǒng)模型,需要實(shí)施智能觀察器,以便獲得對其運(yùn)動參數(shù)及其物理限制的基本理解。要想實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),可使用磁場定向控制器(FOC)與專用的位置傳感器或無傳感器FOC方法,以了解電機(jī)在操作環(huán)境中如何受力,如何做出反應(yīng)。通過監(jiān)控和自動調(diào)整來自電機(jī)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(shù)值,可以進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動系統(tǒng)響應(yīng)。收集這些信息的數(shù)據(jù)報文并將其饋入智能觀察器后,實(shí)施優(yōu)化算法以確保計算運(yùn)動控制參數(shù),并確?;A(chǔ)運(yùn)動控制算法收斂以形成一組最優(yōu)運(yùn)動參數(shù)(如圖3)?,F(xiàn)在,創(chuàng)建了間接運(yùn)動模型以對驅(qū)動系統(tǒng)的運(yùn)動進(jìn)行建模和優(yōu)化后,可以通過引入自適應(yīng)控制引擎,實(shí)施下一級別的具有自我意識的運(yùn)動控制解決方案。 目前,Trinamic(現(xiàn)已成為ADI公司的一部分)所推出的TMCL- IDE自動調(diào)整運(yùn)動控制工具,即可對運(yùn)動控制值實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。
圖3.監(jiān)控和自動調(diào)整扭矩-磁通電流、速度與位置環(huán)路
要素IV:自適應(yīng)控制:在系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和FOC自動調(diào)整功能的基礎(chǔ)之上,現(xiàn)在可以專注于實(shí)施具有自我意識的運(yùn)動控制的下一級別——自適應(yīng)控制引擎。這一級別的智能運(yùn)動側(cè)重于向自適應(yīng)控制引擎?zhèn)鬟_(dá)預(yù)期系統(tǒng)行為(如圖4)。該系統(tǒng)行為由生產(chǎn)員工、工廠主管提供,或者根據(jù)在智能傳感器網(wǎng)絡(luò)中收集工廠數(shù)據(jù)的人工智能生產(chǎn)力算法生成。將預(yù)期行為傳遞至自適應(yīng)控制引擎后,具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)開始動態(tài)重新配置驅(qū)動系統(tǒng)操作參數(shù),以匹配預(yù)期系統(tǒng)行為。這些預(yù)期行為的一些示例包括,請求提高工廠吞吐量,或通過在安全模式下操作,延長電機(jī)的操作壽命。由于運(yùn)動控制系統(tǒng)自動調(diào)整其運(yùn)動控制參數(shù)來實(shí)現(xiàn)該全新的請求性能水平,自適應(yīng)控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控閉環(huán)系統(tǒng)以維持其預(yù)期的性能水平。即使驅(qū)動系統(tǒng)因機(jī)械系統(tǒng)磨損而遇到變更,或者即使電機(jī)工作環(huán)境變化,也會維持該狀態(tài)?,F(xiàn)在,系統(tǒng)已達(dá)到具有自我意識的運(yùn)動控制的最終級別。
圖4.自適應(yīng)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(diào)酒師想將一杯滿滿的啤酒從吧臺一側(cè)準(zhǔn)確地傳送到顧客面前,過程中卻不灑出一滴啤酒,該如何實(shí)現(xiàn)?如果使用了具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng),就會變得非常簡單。該任務(wù)的目標(biāo)是在盡可能快的時間內(nèi)將啤酒從調(diào)酒師(A點(diǎn))送給吧臺邊坐著的顧客(B點(diǎn)),并且不灑出啤酒。此示例中的傳送系統(tǒng)是一個帶有內(nèi)置重量探測器的杯托,用于檢測各種尺寸的啤酒杯的重量,并利用線性運(yùn)動在吧臺上移動啤酒杯。試想一下,利用具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng),可以在盡可能快的時間內(nèi)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(diào)酒師續(xù)杯或丟棄,而此系統(tǒng)還會自動調(diào)整其速度和性能。此外,如果調(diào)酒師使用不同尺寸的玻璃杯盛裝其他類型的飲品提供給顧客,該系統(tǒng)同樣可優(yōu)化效率。
圖5.具有自我意識的運(yùn)動控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用示例(不同的負(fù)載質(zhì)量)
雖然聽起來有點(diǎn)不可思議,但具有自我意識的運(yùn)動控制技術(shù)如今正在飛速演進(jìn),相信不久的將來便會步入人們的生活和工作中。試想一下,當(dāng)整個工廠中的設(shè)備都用上具有自我意識的電機(jī)和智能傳感器之時,智慧工廠將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。屆時,工廠車間設(shè)備的潛在故障能夠自我修復(fù),設(shè)備操作壽命被有效延長,生產(chǎn)流程可自動調(diào)節(jié),生產(chǎn)力獲得最大限度提高。歡迎來到激動人心的新世界,快來真切體驗(yàn)ADI具有自我意識的運(yùn)動控制和下一次工業(yè)革命到來吧。
關(guān)于ADI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(shè)計挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測、測量、電源、連接和解譯技術(shù),搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁,從而幫助客戶重新認(rèn)識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者:ADI工業(yè)和醫(yī)療健康事業(yè)部工業(yè)通信和運(yùn)動控制副總裁Jeff DeAngelis
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