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工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的下一個(gè)發(fā)展方向要求機(jī)器獨(dú)立調(diào)整其性能參數(shù)，以完成工廠運(yùn)營商分配的任務(wù)，或根據(jù)生產(chǎn)力提高人工智能（AI）算法的輸入重新配置了機(jī)器本身，以優(yōu)化其行為。具有自我意識的機(jī)器的價(jià)值在于，它可以最大限度地提高生產(chǎn)力，延長設(shè)備的運(yùn)行壽命，降低維護(hù)成本。

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具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制之旅

自我意識是指系統(tǒng)本身的自我意識，基于對其能力和系統(tǒng)性能目標(biāo)的理解。事實(shí)上，具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要實(shí)施多個(gè)控制環(huán)，以解釋傳感器輸入和預(yù)期系統(tǒng)參數(shù)，并允許比較系統(tǒng)自身的操作行為和預(yù)期系統(tǒng)性能。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，創(chuàng)建自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，需要?jiǎng)?chuàng)建自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制代理來監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，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運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)似乎可以通過使用自動(dòng)代理來檢測和監(jiān)控不斷變化的工作環(huán)境條件。這些條件來源于一系列嵌套閉環(huán)實(shí)時(shí)性能模型，采用現(xiàn)場級驅(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，可以比較和調(diào)整自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔中的預(yù)期系統(tǒng)性能（如圖1所示）。在要求新的預(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)通過調(diào)整其性能來響應(yīng)匹配新的性能要求。

圖1.自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔

實(shí)現(xiàn)自我意識運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以自我調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)自動(dòng)最大限度地提高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。這一新功能為自動(dòng)化系統(tǒng)金字塔的監(jiān)督、規(guī)劃和管理提供了機(jī)會，允許通過增強(qiáng)生產(chǎn)力來調(diào)整自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。支持人工智能的軟件算法可用于調(diào)整系統(tǒng)性能，從而在工廠范圍內(nèi)取得更好的效果。為了更直觀，ADI為了更好地了解實(shí)施具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)所需的四個(gè)基本要素，設(shè)計(jì)了具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制概念圖。

運(yùn)動(dòng)控制概念圖具有自我意識：為了實(shí)現(xiàn)這一級別的自我意識運(yùn)動(dòng)控制，需要開發(fā)控制系統(tǒng)圖。圖2顯示了成功實(shí)施自我意識運(yùn)動(dòng)控制所需的四個(gè)關(guān)鍵要素。

要素I：目標(biāo)或任務(wù)：有必要為系統(tǒng)設(shè)定明確的目標(biāo)或任務(wù)。例如，這意味著以最佳方式將啤酒杯從A點(diǎn)移動(dòng)到B點(diǎn)，而不灑啤酒。

要素II：預(yù)期系統(tǒng)行為：明確目標(biāo)后，具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制圖將在下一級發(fā)起預(yù)期的運(yùn)動(dòng)行為。在啤酒杯的例子中，這將是使用線性運(yùn)動(dòng)移動(dòng)啤酒杯，并自動(dòng)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)，以補(bǔ)償不同啤酒杯的重量和尺寸。

自適應(yīng)控制引擎在確定目標(biāo)和預(yù)期系統(tǒng)行為后，通過自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)及其集成機(jī)械系統(tǒng)，在獨(dú)特的工作環(huán)境中實(shí)現(xiàn)峰值工作性能，實(shí)現(xiàn)核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)集成。

圖2.運(yùn)動(dòng)控制概念圖具有自我意識

要素III：核心驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的核心是運(yùn)動(dòng)學(xué)。電機(jī)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能水平受到觀察、學(xué)習(xí)和監(jiān)控。要?jiǎng)?chuàng)建有效的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型，需要智能觀察器來獲得對其運(yùn)動(dòng)參數(shù)及其物理限制的基本理解。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，磁場定向控制器可以使用(FOC)特殊位置傳感器或無傳感器FOC了解電機(jī)在操作環(huán)境中如何受力，如何做出反應(yīng)。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)值可通過監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整進(jìn)一步優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)響應(yīng)。在收集這些信息并將其送入智能觀察器后，實(shí)施優(yōu)化算法，確保運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的計(jì)算，并確保基本運(yùn)動(dòng)控制算法收斂，形成一組最佳運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如圖3所示）。現(xiàn)在，在創(chuàng)建了間接運(yùn)動(dòng)模型來建模和優(yōu)化驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)后，可以引入自適應(yīng)控制引擎，實(shí)現(xiàn)下一個(gè)具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制解決方案。 目前，Trinamic（現(xiàn)已成為ADI公司的一部分)TMCL- IDE運(yùn)動(dòng)控制工具的自動(dòng)調(diào)整可以優(yōu)化運(yùn)動(dòng)控制值。

圖3.監(jiān)控和自動(dòng)調(diào)整扭矩-磁通電流、速度和位置環(huán)路

要素IV：自適應(yīng)控制：運(yùn)動(dòng)學(xué)和系統(tǒng)FOC在自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的基礎(chǔ)上，我們現(xiàn)在可以專注于下一具有自我意識的下一級運(yùn)動(dòng)控制——自適應(yīng)控制引擎。XPPower代理水平智能運(yùn)動(dòng)側(cè)重于將預(yù)期系統(tǒng)行為(如圖4所示)傳達(dá)到自適應(yīng)控制引擎。該系統(tǒng)行為由生產(chǎn)人員和工廠主管提供，或根據(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)期行為傳輸?shù)阶赃m應(yīng)控制引擎后，具有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)開始動(dòng)態(tài)重新配置驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的操作參數(shù)，以匹配預(yù)期系統(tǒng)的行為。這些預(yù)期行為的一些例子包括要求提高工廠吞吐量或在安全模式下延長電機(jī)的使用壽命。自適應(yīng)控制系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)控閉環(huán)系統(tǒng)，以保持其預(yù)期的性能水平，因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)以達(dá)到新的要求性能水平。即使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因機(jī)械系統(tǒng)磨損而發(fā)生變化，或者即使電機(jī)工作環(huán)境發(fā)生變化，也會保持這種狀態(tài)。現(xiàn)在，該系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了自我意識運(yùn)動(dòng)控制的最終水平。

圖4.自適應(yīng)控制模型

使用真實(shí)的例子可能是演示這個(gè)概念的最佳方式(如圖5所示)。比如調(diào)酒師想從吧臺一側(cè)準(zhǔn)確地把一杯滿滿的啤酒傳顧客，但在這個(gè)過程中沒有灑出一滴啤酒。如何實(shí)現(xiàn)？使用自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)會變得非常簡單。這項(xiàng)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)酒師處取出（A點(diǎn))送給坐在酒吧旁邊的顧客（B點(diǎn))，不灑啤酒。本例中的傳輸系統(tǒng)是一個(gè)帶有內(nèi)置重量探測器的杯托，用于檢測各種尺寸啤酒杯的重量，并在酒吧上線性移動(dòng)啤酒杯。想象一下，使用有自我意識的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，啤酒可以盡快送給客戶。如果客戶將空啤酒杯或半空啤酒杯放回杯托，方便回調(diào)酒師更新或丟棄，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整其速度和性能。此外，如果調(diào)酒師為顧客提供不同尺寸的玻璃，系統(tǒng)還可以優(yōu)化效率。

圖5.運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有自我意識的實(shí)際應(yīng)用示例(負(fù)載質(zhì)量不同)

雖然聽起來有點(diǎn)令人難以置信，但自我意識的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)現(xiàn)在正在迅速發(fā)展，我相信它將在不久的將來進(jìn)入人們的生活和工作。想象一下，當(dāng)整個(gè)工廠的設(shè)備使用自我意識的電機(jī)和智能傳感器時(shí)，智能工廠將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出人們的想象。屆時(shí)，工廠車間設(shè)備的潛在故障可以自行修復(fù)，設(shè)備的運(yùn)行壽命可以有效延長，生產(chǎn)過程可以自動(dòng)調(diào)整，生產(chǎn)力可以最大限度地提高。歡迎來到激動(dòng)人心的新世界，來真正體驗(yàn)一下ADI自我意識的運(yùn)動(dòng)控制和下一次工業(yè)革命的到來。