工业自动化的下一次发展：自我感知运动控制

工业自动化的下一次发展需要机器独立调整其性能参数以完成工厂操作员分配的任务，或根据生产力增强的人工智能观察算法的输入重新配置自身以优化其行为。具有自我意识的机器的价值在于它能够最大限度地提高生产力、延长设备的使用寿命并降低维护成本。 

自我感知运动控制之旅

自我意识描述了一个基于对其能力和系统性能目标的理解而具有自身知识的系统。事实上，自我感知运动控制系统需要实施多个控制回路，这些控制回路解释传感器输入和所需系统参数，并提供将其自身操作行为与所需系统性能进行比较的能力。为了实现这些目标并创建具有自我意识的运动控制系统，我们需要创建一个自适应运动控制代理来监控系统的动作并根据驱动系统的工作环境动态调整其性能。 

我们在本文中的重点是提供一种通过使用自主代理来检测和监控不断变化的工作环境条件来实现自我感知运动控制系统的方法。这些条件源自一系列嵌套闭环实时性能模型，这些模型从现场级驱动器中获取运动参数。导出驱动系统的电气和机械模型后，该模型将用于比较和调整自动化金字塔的监督、规划或管理级别所要求的所需系统性能（图 1）。当从自动化金字塔的监督部分之上的任何级别请求新的所需系统性能时，一组新的控制参数被传输到运动控制系统的自适应控制部分。然后系统通过调整其性能以匹配新的性能请求来响应。 

图 1：自动化金字塔 

实现自我感知运动控制系统的两个主要好处是能够实时自我调节和最大限度地提高运动控制系统的性能。这种新功能为自动化金字塔的监督、规划和管理级别提供了通过提高生产力来调节自我感知运动控制系统的机会。此外，支持 AI 的软件算法可用于调节系统性能，以实现更好的工厂范围内的结果。 

让我们检查一个自我感知运动控制概念图，以更好地理解实现自我感知运动控制系统所需的四个基本要素。 

自我感知运动控制概念图

为了实现这一级别的自我感知运动控制，我们需要开发一个控制系统图。图 2展示了成功实施自我感知运动控制所需的四个关键要素。 

要素 I：目标或任务 

需要为系统建立明确的目标或任务才能实现。在本文后面描述的示例中，这意味着以最佳方式将啤酒杯从 A 点移动到 B 点，以免洒出任何啤酒。 

要素 II：期望的系统行为 

一旦建立了这个目标，下一层自我感知运动控制图就会启动所需的运动行为。对于我们的啤酒杯示例，这将使用线性运动来移动啤酒杯，同时自动调整其运动以在机械系统所需的控制安全限制范围内补偿啤酒杯的不同重量和尺寸。 

一旦建立了目标和所需的系统行为，自适应控制引擎就会通过自动调整运动控制驱动器及其集成机械系统来动态驱动核心驱动系统运动学与其配套机械系统之间的收敛，从而在其独特的工作中运行时实现峰值运行性能环境。 

图 2：自我感知运动控制概念图 

要素三：核心驱动系统 

自我感知运动控制系统的核心是其运动学。挑战在于观察、学习和监控电机和驱动系统的性能。要创建驱动系统的工作模型，需要实施智能观察器，以从根本上了解其运动参数及其物理极限。这是通过带有专用位置传感器的磁场定向控制器 (FOC) 或无传感器 FOC 方法来实现的，以了解电机在其运行环境中如何受到压力和反应。通过监控和自动调整来自电机转矩-磁通电流环、速度环和定位环的控制参数值，我们可以优化驱动系统响应。一旦这些信息数据报被收集并输入智能观察者，图 3）。既然创建了间接运动模型来对驱动系统的运动进行建模和优化，我们就可以通过引入自适应控制引擎来实现下一级的自我感知运动控制解决方案。 

该视频提供了 Trinamic（现为 Analog Devices 的一部分）的自动调谐工具示例，用于实现优化的运动控制值。 

图 3：转矩-磁通电流、速度和位置环的监控和自动调整  

要素四：自适应控制 

基于我们系统的运动学和 FOC 自动调整功能，我们现在可以专注于实现自我感知运动控制的下一个级别，即自适应控制引擎。下一级智能运动侧重于将所需的系统行为传达给自适应控制引擎（图 4）。该系统行为由生产员工或工厂主管提供，或者由 AI 生产力算法生成，该算法通过其智能传感器网络收集工厂数据。一旦期望的行为被传递到自适应控制引擎，自我感知运动控制系统开始动态地重新配置驱动系统的操作参数以匹配期望的系统行为。这些期望行为的一些示例是要求增加工厂吞吐量或通过在安全模式下运行来延长电机的使用寿命。随着运动控制系统自动调整其运动控制参数以达到要求的新性能水平，自适应控制系统持续监控闭环系统以保持其所需的性能水平。即使驱动系统由于其机械系统的磨损或遇到电机工作环境的变化而发生变化，这种状态也会保持不变。现在，该系统已经达到了自我感知运动控制的极致。 

图 4：自适应控制模型 

演示此概念的最佳方式可能是使用真实示例（图 5）。这个例子适用于所有喜欢确保他们的泡沫啤酒杯可以从调酒师运送到整个酒吧长度而不会在此过程中溢出一滴啤酒的啤酒爱好者。让我们来看看这个例子是如何与实现一个自我感知运动控制系统相关的。此任务的目标是在尽可能快的时间内将啤酒从调酒师（A 点）送到坐在吧台长度上的顾客（B 点），而不会溅出一滴啤酒。在这种情况下，工厂系统是一个带有内置重量检测器的杯架，用于检测各种尺寸啤酒杯的重量，并使用线性电机将其移动到整个酒吧的长度上。 

让我们想想这个例子：一个自我感知的运动控制系统有利于在尽可能快的时间内将啤酒送到顾客手中，但如果顾客将空或半空的啤酒杯放回原位，它也会自动调整其速度和性能杯架将啤酒杯送回调酒师进行补充或丢弃。如果调酒师使用不同尺寸的玻璃杯和要交付给顾客的其他类型的饮料，该系统也可用于调整其性能。 

图 5：动作中的自我感知运动控制示例（变化的负载质量） 

虽然这听起来像是科幻小说，但自我感知运动控制技术的发展正在为首次亮相进行微调。可以想象一个基于使用自我感知电机和智能传感器的设备的整个工厂。这家革命性的工厂将拥有先进的能力来自我纠正潜在的设备故障，自动调整生产流程以最大限度地提高生产力，并延长整个工厂车间设备的使用寿命。欢迎来到自我感知运动控制和下一次工业革命的激动人心的新世界。 

审核编辑 黄昊宇