工業(yè)自動化2.0演進：具有自我意識的運動控制

工業(yè)自動化領域的下一個發(fā)展方向要求機器能夠獨立調整其性能參數，以完成工廠操作人員分配的任務，或根據生產力增強的人工智能（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力，延長設備的運行壽命并減少維護成本。

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期系統(tǒng)參數，并允許比較系統(tǒng)自己的操作行為與預期系統(tǒng)性能。為了實現這些目標并創(chuàng)建具有自我意識的運動控制系統(tǒng)，需要創(chuàng)建自適應運動控制代理，以監(jiān)控系統(tǒng)操作，并根據驅動系統(tǒng)的工作環(huán)境動態(tài)調整其性能。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，能構建實現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場級別驅動器的運動參數。在推導出驅動系統(tǒng)的電氣和機械模型后，可利用該模型比較和調整在自動化系統(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期系統(tǒng)性能時，需要將一組新的控制參數傳輸到運動控制系統(tǒng)的自適應控制部分。然后，系統(tǒng)通過調整其性能以匹配新的性能請求來做出響應。 

圖1.自動化系統(tǒng)金字塔

實現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，允許通過實施生產力增強來調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整系統(tǒng)性能，從而在工廠范圍實現更好的結果。為了更加直觀，ADI設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個關鍵要素。

要素I：目標或任務：需要為系統(tǒng)建立明確的目標或任務。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：預期系統(tǒng)行為：明確該目標后，具有自我意識的運動控制圖的下一級別發(fā)起預期的運動行為。在啤酒杯例子中，這將是“使用線性運動來移動啤酒杯，同時自動調整其運動，從而在所需的機械系統(tǒng)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(tǒng)行為后，自適應控制引擎通過自動調整運動控制驅動及其集成的機械系統(tǒng)，以便在獨特的工作環(huán)境中運行時實現峰值工作性能，從而在核心驅動系統(tǒng)運動學及其伴隨機械系統(tǒng)之間實現動態(tài)驅動融合。

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。挑戰(zhàn)在于觀察、學習和監(jiān)控電機與驅動系統(tǒng)的性能水平。要創(chuàng)建有效的驅動系統(tǒng)模型，需要實施智能觀察器，以便獲得對其運動參數及其物理限制的基本理解。要想實現這一目標，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。通過監(jiān)控和自動調整來自電機扭矩-磁通電流環(huán)路、速度環(huán)路及其定位環(huán)路的控制參數值，可以進一步優(yōu)化驅動系統(tǒng)響應。收集這些信息的數據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，并確保基礎運動控制算法收斂以形成一組最優(yōu)運動參數（如圖3）?，F在，創(chuàng)建了間接運動模型以對驅動系統(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（現已成為ADI公司的一部分）所推出的TMCL- IDE自動調整運動控制工具，即可對運動控制值實現優(yōu)化。

圖3.監(jiān)控和自動調整扭矩-磁通電流、速度與位置環(huán)路

要素IV：自適應控制：在系統(tǒng)的運動學和FOC自動調整功能的基礎之上，現在可以專注于實施具有自我意識的運動控制的下一級別——自適應控制引擎。這一級別的智能運動側重于向自適應控制引擎?zhèn)鬟_預期系統(tǒng)行為（如圖4）。該系統(tǒng)行為由生產員工、工廠主管提供，或者根據在智能傳感器網絡中收集工廠數據的人工智能生產力算法生成。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控制系統(tǒng)開始動態(tài)重新配置驅動系統(tǒng)操作參數，以匹配預期系統(tǒng)行為。這些預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)自動調整其運動控制參數來實現該全新的請求性能水平，自適應控制系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控閉環(huán)系統(tǒng)以維持其預期的性能水平。即使驅動系統(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）。比如調酒師想將一杯滿滿的啤酒從吧臺一側準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？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。該任務的目標是在盡可能快的時間內將啤酒從調酒師（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(xù)杯或丟棄，而此系統(tǒng)還會自動調整其速度和性能。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)的實際應用示例（不同的負載質量）

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，當整個工廠中的設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，工廠車間設備的潛在故障能夠自我修復，設備操作壽命被有效延長，生產流程可自動調節(jié)，生產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。