工業(yè)自動(dòng)化2.0演進(jìn)：具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制

工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的下一個(gè)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(duì)機(jī)器自身重新配置以優(yōu)化其行為。具有自我意識(shí)的機(jī)器的價(jià)值在于，它能夠最大限度提高生產(chǎn)力，延長(zhǎng)設(shè)備的運(yùn)行壽命并減少維護(hù)成本。

具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制之旅

自我意識(shí)，是指系統(tǒng)基于對(duì)其能力和系統(tǒng)性能目標(biāo)的了解，對(duì)系統(tǒng)自身的自我認(rèn)知。事實(shí)上，具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)施多個(gè)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要?jiǎng)?chuàng)建自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制代理，以監(jiān)控系統(tǒng)操作，并根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整其性能。在ADI看來(lái)，通過(guò)使用自動(dòng)代理來(lái)檢測(cè)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。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(xiàn)場(chǎng)級(jí)別驅(qū)動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。在推導(dǎo)出驅(qū)動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)金字塔的監(jiān)督、規(guī)劃或管理級(jí)別請(qǐng)求的預(yù)期系統(tǒng)性能（如圖1）。從高于自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔監(jiān)督部分的任何級(jí)別請(qǐng)求新的預(yù)期系統(tǒng)性能時(shí)，需要將一組新的控制參數(shù)傳輸?shù)竭\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的自適應(yīng)控制部分。然后，系統(tǒng)通過(guò)調(diào)整其性能以匹配新的性能請(qǐng)求來(lái)做出響應(yīng)。 

圖1.自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔

實(shí)現(xiàn)具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的兩大優(yōu)勢(shì)分別是能夠自我調(diào)節(jié)，以及實(shí)時(shí)自動(dòng)最大限度提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。這項(xiàng)新功能為自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔的監(jiān)督、規(guī)劃和管理級(jí)別提供了機(jī)會(huì)，允許通過(guò)實(shí)施生產(chǎn)力增強(qiáng)來(lái)調(diào)整具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)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(jì)了一張具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制概念圖，以便更好了解實(shí)施具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需的4個(gè)基本要素。

具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制概念圖：為了實(shí)現(xiàn)這一級(jí)別的具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制，需要開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)圖。如圖2表示成功實(shí)施具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制所需的4個(gè)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(dòng)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制圖的下一級(jí)別發(fā)起預(yù)期的運(yùn)動(dòng)行為。在啤酒杯例子中，這將是“使用線性運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)啤酒杯，同時(shí)自動(dòng)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)，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(guò)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)峰值工作性能，從而在核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)及其伴隨機(jī)械系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)融合。

圖2.具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制概念圖

要素III：核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是其運(yùn)動(dòng)學(xué)。挑戰(zhàn)在于觀察、學(xué)習(xí)和監(jiān)控電機(jī)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能水平。要?jiǎng)?chuàng)建有效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，需要實(shí)施智能觀察器，以便獲得對(duì)其運(yùn)動(dòng)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(chǎng)定向控制器(FOC)與專用的位置傳感器或無(wú)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(guò)監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整來(lái)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(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)。收集這些信息的數(shù)據(jù)報(bào)文并將其饋入智能觀察器后，實(shí)施優(yōu)化算法以確保計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)，并確?；A(chǔ)運(yùn)動(dòng)控制算法收斂以形成一組最優(yōu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如圖3）?，F(xiàn)在，創(chuàng)建了間接運(yùn)動(dòng)模型以對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行建模和優(yōu)化后，可以通過(guò)引入自適應(yīng)控制引擎，實(shí)施下一級(jí)別的具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制工具，即可對(duì)運(yùn)動(dòng)控制值實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

圖3.監(jiān)控和自動(dòng)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(dòng)學(xué)和FOC自動(dòng)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制的下一級(jí)別——自適應(yīng)控制引擎。這一級(jí)別的智能運(yùn)動(dòng)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(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始動(dòng)態(tài)重新配置驅(qū)動(dòng)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(qǐng)求提高工廠吞吐量，或通過(guò)在安全模式下操作，延長(zhǎng)電機(jī)的操作壽命。由于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)該全新的請(qǐng)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(dòng)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(huì)維持該狀態(tài)?，F(xiàn)在，系統(tǒng)已達(dá)到具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制的最終級(jí)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(tái)一側(cè)準(zhǔn)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(xiàn)？如果使用了具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，就會(huì)變得非常簡(jiǎn)單。該任務(wù)的目標(biāo)是在盡可能快的時(shí)間內(nèi)將啤酒從調(diào)酒師（A點(diǎn)）送給吧臺(tái)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(gè)帶有內(nèi)置重量探測(cè)器的杯托，用于檢測(cè)各種尺寸的啤酒杯的重量，并利用線性運(yùn)動(dòng)在吧臺(tái)上移動(dòng)啤酒杯。試想一下，利用具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，可以在盡可能快的時(shí)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(huì)自動(dòng)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(shí)的運(yùn)動(dòng)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(tīng)起來(lái)有點(diǎn)不可思議，但具有自我意識(shí)的運(yùn)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(dāng)整個(gè)工廠中的設(shè)備都用上具有自我意識(shí)的電機(jī)和智能傳感器之時(shí)，智慧工廠將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。屆時(shí)，工廠車(chē)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(zhǎng)，生產(chǎn)流程可自動(dòng)調(diào)節(jié)，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(yàn)ADI具有自我意識(shí)的運(yùn)動(dòng)控制和下一次工業(yè)革命到來(lái)吧。