工業自動化的下一步:具自我意識的運動控制

作者 : Jeff DeAngelis,Maxim Integrated工業與醫療健康事業部工業通訊產品線副總裁

工業自動化發展的下一步是讓機器能夠獨立地修改其性能參數,從而完成任務...

工業自動化的下一步發展需要機器獨立地調整其性能參數,以完成工廠操作人員被指派的任務,或者根據提高生產力的人工智慧(AI)觀測器演算法之輸入,自行重新配置以最佳化其行為。具有自我意識的機器價值在於它能最大限度地提高生產力、延長設備的使用壽命並降低維護成本。

具有自我意識的運動控制之旅

「自我意識」(self-awareness)是指系統能自行根據對其功能和系統性能目標的理解而對於系統自身的認知。事實上,具有自我意識的運動控制系統需要實施多個控制迴路,以詮釋感測器輸入和期望的系統參數,並提供比較其自身操作行為與系統性能期望的能力。為了實現這些目標並創建具自我意識的運動控制系統,我們需要創建自適應的運動控制機制,以監控系統的行動,並根據驅動系統的工作環境動態調整其性能。

本文探討的重點在於提供一種實現自我意識運動控制系統的方法,其主要利用自主機制來檢測並監控不斷變化中的工作環境條件。這些條件源自一系列的巢狀封閉迴路即時性能模型,可從現場級驅動器中獲取運動參數。在推導出驅動系統的電氣和機械模型後,可利用該模型比較並調整在自動化統金字塔的監督、規畫或管理層級所要求之期望系統性能(1)。當高於自動化系統金字塔監控層的任何層級請求新的系統性能時,必須將一組新的控制參數傳遞到運動控制系統的自適應控制部份。系統接著將會調整其性能,以回應並配合新的性能請求。

Automation pyramid 

圖1:自動化系統金字塔。

實現具有自我意識的運動控制系統的兩大優勢分別是能夠自我調節,以及即時自動最大限度提高運動控制系統的性能。這項新功能為自動化系統金字塔的監督、規劃和管理級別提供了機會,使其得以實施生產力增強以調整具有自我意識的運動控制系統。此外,支援AI的軟體演算法可用於調整系統性能,從而在工廠範圍實現更好的結果。讓我們研究一個具有自我意識的運動控制概念圖,以便更瞭解實施具有自我意識的運動控制系統所需的4個基本要素。

Self-aware motion control concept map - automation

圖2:具有自我意識的運動控制概念圖。

自我意識的運動控制概念圖

為了實現這一層級的自我意識運動控制,我們需要開發控制系統圖。2表示成功實施自我意識運動控制所需的4個關鍵要素。

要素I:目標或任務

為了實現這一目標,系統需要建立明確的目標或任務。以文中描述的例子來看,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:期望的系統行為

一旦建立此目標後,自我意識運動控制圖的下一層級就會啟動期望的運動行為。在上述的啤酒杯例子中,這將「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控制安全限制內補償不同的啤酒杯重量和尺寸」。

等到目標和期望系統行為確定後,自適應控制引擎就會自動調整運動控制驅動及其整合的機械系統,動態地推動核心驅動系統的運動學及其配套機械系統之間的收斂,從而在其獨特的工作環境中運行時達到最佳運行性能。

要素III:核心驅動系統

具有自我意識的運動控制系統的核心是其運動學。挑戰在於觀察、學習和監控馬達與驅動系統的性能水準。為了創建有效的驅動系統模型,需要實施智慧觀察器,以便從根本上瞭解其運動參數及其物理極限。為了實現這一目標,可使用磁場定向控制器(FOC)與專用的位置感測器或無感測器FOC方法,以瞭解馬達在操作環境中如何受力,如何做出反應。透過監控和自動調整來自馬達扭矩-磁通電流迴路、速度迴路及其定位迴路的控制參數值,我們可以最佳化驅動系統響應。

一旦收集到這些資訊的封包並將其饋入智慧觀察器後,即可實施最佳化演算法以確保計算運動控制參數,並確保基礎運動控制演算法收斂以形成一組最優運動參數(3)。現在,創建了間接運動模型以對驅動系統的運動進行建模和最佳化後,我們可以動態導入自控制引擎,實施下一層級具有自我意識的運動控制解決方案。

Monitoring and autotuning of torque-flux current, velocity, and position loops  

圖3:監控和自動調整轉矩-磁通電流、速度迴路與位置迴路。

 要素IV:自適應控制

在在系統的運動學和FOC自動調整功能的基礎上,現在我們可以專注於實施具有自我意識的運動控制之下一級別——自適應控制引擎。下一層級的智慧運動側重於向自適應控制引擎傳達期望系統行為(4)。該系統行為由生產員工、工廠主管提供,或者根據在智慧感測器網路中收集工廠資料的AI生產力演算法而產生。

當期望的行為傳遞至自適應控制引擎後,具有自我意識的運動控制系統開始動態重新配置驅動系統指令引數,以匹配期望的系統行為。這些期望行為的一些示例包括請求提高工廠輸送量,或在安全模式下操作以延長馬達的操作壽命。由於運動控制系統自動調整其運動控制參數來實現該全新的請求性能水準,自適應控制系統持續監控閉路系統以維持其期望的性能水準。即使驅動系統因機械系統磨損而遇到變更,或者即使馬達工作環境變化,也會維持該狀態。現在,系統已達到具有自我意識的運動控制之終極層級。

Adaptive control model 

圖4:自適應控制模型。

使用真實示例也許是展示該概念的最佳方式(5)。該示例與所有啤酒愛好者相關­­——他們想要確保調酒師將帶有泡沫的啤酒從吧台另一側準確擺放在他們面前,並且在過程中不灑出一滴啤酒。讓我們看看該示例與實施具有自我意識的運動控制系統之相關性。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)送給吧台邊坐著的顧客(B點),而且不灑出一滴啤酒。在此示例中,工廠系統是一個內建重量檢測器的杯架,用於檢測各種尺寸啤酒杯的重量,並利用線性馬達在整個吧台上移動啤酒杯。

我們來思考一下該示例。利用具有自我意識的運動控制系統,可以在最短的時間內將啤酒送到顧客手中,但如果顧客將空的或半空的啤酒杯放回杯架,系統也會自動調整其速度和性能,以便將啤酒杯交還給調酒師續杯或處理掉。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,該系統也可用於調整其性能。

Self-aware motion control in action - automation

圖5:具有自我意識的運動控制系統的實際應用示例(不同的負載質量)。

儘管這聽起來像是科幻小說,但具有自我意識的運動控制技術目前正在進行微調,不久將會首次亮相。我們可以想像,在未來,整座工廠中的設備均使用具有自我意識的馬達和智慧感測器,該革命性工廠將具有先進的功能,針對潛在設備故障進行自我校正,並可自動調節生產流程以最大限度提高生產力,並延長工廠廠房設備的操作壽命。歡迎來到激動人心的新世界,體驗具有自我意識的運動控制和下一次工業革命。

(參考原文:The Next Evolution in Industrial Automation: Self-Aware Motion Control,by Bill Schweber)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2022年10月號雜誌

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