世界滾動:工業(yè)自動化2.0演進：具有自我意識的運動控制

作者：ADI工業(yè)和醫(yī)療健康事業(yè)部工業(yè)通信和運動控制副總裁Jeff DeAngelis

工業(yè)自動化領(lǐng)域的下一個發(fā)展方向要求機器能夠獨立調(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)力增強的人工智能（AI）算法的輸入，對機器自身重新配置以優(yōu)化其行為。具有自我意識的機器的價值在于，它能夠最大限度提高生產(chǎn)力，延長設(shè)備的運行壽命并減少維護成本。

(資料圖)

具有自我意識的運動控制之旅

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)自身的自我認知。事實上，具有自我意識的運動控制系統(tǒng)需要實施多個控制環(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。為了實現(xiàn)這些目標(biāo)并創(chuàng)建具有自我意識的運動控制系統(tǒng)，需要創(chuàng)建自適應(yīng)運動控制代理，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)建實現(xiàn)具有自我意識的運動控制系統(tǒng)。這些條件衍生自一系列嵌套閉環(huán)實時性能模型，而這些模型均采用現(xiàn)場級別驅(qū)動器的運動參數(shù)。在推導(dǎo)出驅(qū)動系統(tǒng)的電氣和機械模型后，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\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

實現(xiàn)具有自我意識的運動控制系統(tǒng)的兩大優(yōu)勢分別是能夠自我調(diào)節(jié)，以及實時自動最大限度提高運動控制系統(tǒng)的性能。這項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會，允許通過實施生產(chǎn)力增強來調(diào)整具有自我意識的運動控制系統(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動控制概念圖，以便更好了解實施具有自我意識的運動控制系統(tǒng)所需的4個基本要素。

具有自我意識的運動控制概念圖：為了實現(xiàn)這一級別的具有自我意識的運動控制，需要開發(fā)控制系統(tǒng)圖。如圖2表示成功實施具有自我意識的運動控制所需的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點移動到B點，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，具有自我意識的運動控制圖的下一級別發(fā)起預(yù)期的運動行為。在啤酒杯例子中，這將是“使用線性運動來移動啤酒杯，同時自動調(diào)整其運動，從而在所需的機械系統(tǒng)控制安全限制內(nèi)補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)整運動控制驅(qū)動及其集成的機械系統(tǒng)，以便在獨特的工作環(huán)境中運行時實現(xiàn)峰值工作性能，從而在核心驅(qū)動系統(tǒng)運動學(xué)及其伴隨機械系統(tǒng)之間實現(xiàn)動態(tài)驅(qū)動融合。

圖2.具有自我意識的運動控制概念圖

要素III：核心驅(qū)動系統(tǒng)：具有自我意識的運動控制系統(tǒng)的核心是其運動學(xué)。挑戰(zhàn)在于觀察、學(xué)習(xí)和監(jiān)控電機與驅(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，需要實施智能觀察器，以便獲得對其運動參數(shù)及其物理限制的基本理解。要想實現(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，實施優(yōu)化算法以確保計算運動控制參數(shù)，并確?；A(chǔ)運動控制算法收斂以形成一組最優(yōu)運動參數(shù)（如圖3）?，F(xiàn)在，創(chuàng)建了間接運動模型以對驅(qū)動系統(tǒng)的運動進行建模和優(yōu)化后，可以通過引入自適應(yīng)控制引擎，實施下一級別的具有自我意識的運動控制解決方案。 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)整運動控制工具，即可對運動控制值實現(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)在可以專注于實施具有自我意識的運動控制的下一級別——自適應(yīng)控制引擎。這一級別的智能運動側(cè)重于向自適應(yīng)控制引擎?zhèn)鬟_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，延長電機的操作壽命。由于運動控制系統(tǒng)自動調(diào)整其運動控制參數(shù)來實現(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)因機械系統(tǒng)磨損而遇到變更，或者即使電機工作環(huán)境變化，也會維持該狀態(tài)?，F(xiàn)在，系統(tǒng)已達到具有自我意識的運動控制的最終級別。

圖4.自適應(yīng)控制模型

使用真實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，該如何實現(xiàn)？如果使用了具有自我意識的運動控制系統(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）送給吧臺邊坐著的顧客（B點），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，并利用線性運動在吧臺上移動啤酒杯。試想一下，利用具有自我意識的運動控制系統(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.具有自我意識的運動控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用示例（不同的負載質(zhì)量）

雖然聽起來有點不可思議，但具有自我意識的運動控制技術(shù)如今正在飛速演進，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和智能傳感器之時，智慧工廠將遠遠超出人們的想象。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ADI具有自我意識的運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)實世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認識周圍的世界。詳情請瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。

關(guān)鍵詞： 運動控制 自我意識 自動調(diào)整 自適應(yīng)控制 機械系統(tǒng)