一.智能控制技術(shù)概述

   　 控制技術(shù)是在上世紀(jì)20年代建立了以頻域法為主的經(jīng)典控制理論后發(fā)展起來(lái)的,控制技術(shù)首先在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用。在空間技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下,50年代又出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法為主的現(xiàn)在控制理論,使控制技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展,產(chǎn)生了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。60年代以來(lái),隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,許多新方法和技術(shù)進(jìn)入工程化,產(chǎn)品化階段,顯得加快了工業(yè)技術(shù)更新的步伐,這對(duì)自動(dòng)控制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),也為其發(fā)展提供了條件,促進(jìn)了智能理論在控制技術(shù)中的應(yīng)用,形成了智能控制技術(shù)。

    　智能控制技術(shù)主要用來(lái)解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)的控制問(wèn)題,如智能機(jī)器人系統(tǒng),計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）,復(fù)雜的工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng),航天航空控制系統(tǒng),社會(huì)經(jīng)濟(jì)管理系統(tǒng),交通運(yùn)輸系統(tǒng),通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),環(huán)保與能源系統(tǒng)等。這些復(fù)雜系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1.控制對(duì)象存在嚴(yán)重的不確定性,控制模型未知或模型的結(jié)構(gòu)和參數(shù)在很大的范圍內(nèi)變化；2.控制對(duì)象具有高度的非線性特征；3.控制任務(wù)要求復(fù)雜。例如,在智能機(jī)器人系統(tǒng)中,要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)復(fù)雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力,有自動(dòng)躲避障礙達(dá)到目的地的能力。

    　智能控制技術(shù)通常通過(guò)智能控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。簡(jiǎn)單地說(shuō),智能控制系統(tǒng)是指具備一個(gè)智能行為的系統(tǒng),它利用人工智能的方法能夠解決難以用數(shù)學(xué)的方法描述的復(fù)雜的,隨機(jī)的,柔性的控制問(wèn)題,具有自學(xué)習(xí),自適應(yīng),自組織的能力。它的主要目標(biāo)是探索更加接近人類大腦處理事物的“思維”模式,也是研究一種數(shù)理邏輯,能使機(jī)器像人一樣,根據(jù)少量模糊信息,依據(jù)一定的推理準(zhǔn)則進(jìn)行“思維”,就可以得出相當(dāng)準(zhǔn)確的或足夠近似的結(jié)論和控制策略。

    　把智能控制技術(shù)應(yīng)用在工程機(jī)械產(chǎn)品上,解決了傳統(tǒng)控制方法無(wú)法很好的適應(yīng)多變復(fù)雜對(duì)象的難題。智能控制技術(shù)可以改變控制策略去適應(yīng)對(duì)象的復(fù)雜性和不確定性。它不是僅依靠數(shù)學(xué)模型,而且根據(jù)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行在線推理,確定并優(yōu)選*的控制策略,針對(duì)某種不確定性使系統(tǒng)保持預(yù)定的品質(zhì)和期望的目標(biāo)。

    　智能控制技術(shù)在工程機(jī)械產(chǎn)品上的應(yīng)用非常廣泛,本文僅對(duì)履帶式液壓挖掘機(jī)和雙鋼輪震動(dòng)壓路機(jī)兩種不同作業(yè)特點(diǎn)的典型產(chǎn)品為例進(jìn)行論述。

    　二.智能控制技術(shù)在典型產(chǎn)品上的應(yīng)用

    　工程機(jī)械按作業(yè)目的的要求分為兩類：一類為無(wú)作業(yè)質(zhì)量要求的機(jī)械,其特點(diǎn)是作業(yè)介質(zhì)具有不均勻性和不規(guī)范性,作業(yè)載荷變化大,

  　  這類機(jī)械性能指標(biāo)要求為動(dòng)力性（功率充分發(fā)揮）,經(jīng)濟(jì)性（燃油消耗）,作業(yè)生產(chǎn)率；另一類為有作業(yè)質(zhì)量要求的機(jī)械,其特點(diǎn)為作業(yè)介質(zhì)是均勻一致的,規(guī)范的,而且工作裝置與介質(zhì)相互作用過(guò)程產(chǎn)生的負(fù)荷基本為穩(wěn)定值,這類機(jī)械以作業(yè)質(zhì)量要求為優(yōu)先指標(biāo),其次為動(dòng)力性,經(jīng)濟(jì)性和作業(yè)生產(chǎn)率。挖掘機(jī)屬于前一類機(jī)械,而壓路機(jī)屬于后一類機(jī)械。

　　1.控制目標(biāo)和策略

  　  由于機(jī)器的作業(yè)類別不同,不同類別機(jī)器的控制目標(biāo)和控制策略也不相同。挖掘機(jī)的智能控制目標(biāo)為“節(jié)能環(huán)保,提高作業(yè)生產(chǎn)率”；而壓路機(jī)的目標(biāo)為“提高路面壓實(shí)質(zhì)量和壓實(shí)效率”。

    　當(dāng)前挖掘機(jī)主要有兩種控制策略,一是“負(fù)載適應(yīng)控制”《另一種是“動(dòng)力適應(yīng)控制”。

    　負(fù)載適應(yīng)控制：發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率一定的情況下,液壓系統(tǒng)（負(fù)載）通過(guò)自身調(diào)節(jié)以適應(yīng)（充分吸收和利用）發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出,體現(xiàn)了“按勞分配”原則。

    　動(dòng)力適應(yīng)控制：發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)實(shí)際作業(yè)工況的需要提供動(dòng)力輸出,體現(xiàn)了“按需分配”原則。

    　采用“負(fù)載適應(yīng)控制”技術(shù)的挖掘機(jī),一般設(shè)有幾種動(dòng)力選擇模式,如zui大功率模式,標(biāo)準(zhǔn)功率模式和經(jīng)濟(jì)功率模式,每種模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率基本恒定,同時(shí)液壓泵業(yè)設(shè)有幾條恒功率曲線與之匹配。由于系統(tǒng)中采用了發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感控制技術(shù)（ESS控制技術(shù)）,在匹配時(shí)將每種功率模式下的泵的吸收功率設(shè)定為大于或等于該模式下的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率,這樣可以使液壓系統(tǒng)充分吸收利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,減少能量損失。還可以通過(guò)對(duì)泵的吸收功率的調(diào)節(jié),協(xié)調(diào)負(fù)載與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出,避免發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。

    　實(shí)際作業(yè)時(shí)由操作手根據(jù)作業(yè)工況選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率模式,這種控制方法還需要人工干預(yù),一旦功率模式選擇不當(dāng),還會(huì)造成動(dòng)力的浪費(fèi)。

    　采用“動(dòng)力適應(yīng)控制”技術(shù)的挖掘機(jī),采用自動(dòng)控制模式,發(fā)動(dòng)機(jī)根據(jù)作業(yè)要求和負(fù)載大小提供相應(yīng)的動(dòng)力輸出。也就是動(dòng)力系統(tǒng)能夠自動(dòng)適應(yīng)工作系統(tǒng)得需要輸出以滿足作業(yè)要求,無(wú)須人工干預(yù),沒(méi)有動(dòng)力輸出的浪費(fèi),動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性*。其設(shè)計(jì)思路是讓機(jī)器自動(dòng)識(shí)別出不同的作業(yè)工況,然后做出zui有利于施工的解決方案。發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)始終處于不間斷的自身調(diào)節(jié)狀態(tài),以便使作業(yè)效率與燃油消耗取得*平衡。

    　挖掘機(jī)智能控制技術(shù)還包括一些進(jìn)一步節(jié)能和簡(jiǎn)化操作,便于維修和保養(yǎng)的措施,如自動(dòng)怠速,自動(dòng)加速,自學(xué)習(xí),故障診斷和遠(yuǎn)程控制等。

    　智能壓路機(jī)的控制策略為：根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量目標(biāo),通過(guò)對(duì)鋪層壓實(shí)效果的檢測(cè)和自適應(yīng)控制系統(tǒng)得自動(dòng)調(diào)節(jié)尋求*解決方案,實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)要求。

    　控制系統(tǒng)能夠按照預(yù)先設(shè)定的作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)要求,經(jīng)過(guò)連續(xù)地檢測(cè)和分析對(duì)比,自動(dòng)調(diào)整機(jī)器的壓實(shí)作業(yè)性能參數(shù)（振動(dòng)輪的振幅,頻率和機(jī)器行駛速度）,獲得有效的和均勻一致的壓實(shí)效果。當(dāng)然,對(duì)鋪層壓實(shí)硬度的準(zhǔn)確檢測(cè)尤為重要,是一切智能控制的出發(fā)點(diǎn)和落腳點(diǎn)。*壓實(shí)的決策過(guò)程需要考慮的外部條件比較多,如環(huán)境溫度,瀝青混合料溫度,鋪層厚度等,還要考慮瀝青的硬度隨溫度變化的非線性等,所以決策的依據(jù)必須建立在大量的知識(shí)積累和數(shù)據(jù)積累上。國(guó)外產(chǎn)品的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)里一般都積累了他們幾十年的豐富施工經(jīng)驗(yàn)和施工技術(shù),機(jī)器的智能化水平較高。

　　2.控制方法

    　任何智能控制系統(tǒng)包含三個(gè)過(guò)程：（1）信息采集；（2）信息處理并做出決定[思考與決策]；（3）執(zhí)行決定。

    　挖掘機(jī)是通過(guò)檢測(cè)液壓系統(tǒng)得運(yùn)行參數(shù)來(lái)識(shí)別載荷大小的,如檢測(cè)液壓系統(tǒng)中泵的控制壓力,泵的輸油壓力和各機(jī)構(gòu)（行走,回轉(zhuǎn),動(dòng)臂提升和斗桿收回）的工作壓力等。有的還檢測(cè)先導(dǎo)手柄的位移量和系統(tǒng)流量等。

    　挖掘機(jī)控制器根據(jù)采集的信息,通過(guò)模糊控制理論推理出所需功率的大小和發(fā)動(dòng)機(jī)的*轉(zhuǎn)速。執(zhí)行決定的過(guò)程是由控制器驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門執(zhí)行器,使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定到理想的轉(zhuǎn)速和輸出功率。

   　 而壓路機(jī)是通過(guò)連續(xù)檢測(cè)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速來(lái)識(shí)別地面壓實(shí)質(zhì)量的。振動(dòng)輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)偏心快產(chǎn)生的振動(dòng),理論上是一條正弦曲線。當(dāng)振動(dòng)輪在地面上振動(dòng)時(shí),曲線總是被擾動(dòng)的,在軟地面上額度擾動(dòng)小,在硬地面上的擾動(dòng)大。通過(guò)對(duì)壓路機(jī)振動(dòng)輪的加速度進(jìn)行快速傅立葉變換處理,能夠計(jì)算出地面壓實(shí)的數(shù)據(jù)。

    　如BOMAG裝有新測(cè)量系統(tǒng)BTM-E的VARICONTROL單鋼振動(dòng)壓路機(jī)實(shí)現(xiàn)了能夠直接地測(cè)定物理變量。利用壓路機(jī)壓實(shí)土壤的載荷與土壤變形結(jié)果之間的相互作用關(guān)系,能夠計(jì)算出土壤動(dòng)態(tài)硬度模量EVib（Mn/m2）。而瀝青管理者是為雙鋼輪壓路機(jī)開(kāi)發(fā)的,基于全新的瀝青硬度試驗(yàn)方法,這種系統(tǒng)應(yīng)用了一種新的瀝青硬度計(jì)算模型。瀝青管理者能自動(dòng)地測(cè)量和控制壓路機(jī)的壓實(shí)性能,連續(xù)地提供*化的壓實(shí)參數(shù),發(fā)揮壓路機(jī)*壓實(shí)性能。連續(xù)不斷地測(cè)量瀝青溫度并加入到管理系統(tǒng),操作者可以通過(guò)顯示器監(jiān)控瀝青溫度的變化和觀察壓實(shí)度的增加。

    　壓路機(jī)的信息處理是將采集的鋪層壓實(shí)信息輸入到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)（知識(shí)庫(kù)）,通過(guò)分析比較,判斷并做出對(duì)機(jī)器作業(yè)參數(shù)（振動(dòng)輪的振幅,頻率和機(jī)器行駛速度）調(diào)整地決定。

    　壓路機(jī)執(zhí)行決定的關(guān)鍵部件是可調(diào)頻調(diào)幅的振動(dòng)輪,振動(dòng)輪性能的優(yōu)劣直接影響壓實(shí)效果。帶自動(dòng)調(diào)頻調(diào)幅機(jī)構(gòu)振動(dòng)輪結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,現(xiàn)實(shí)起來(lái)較困難。

    　3.典型應(yīng)用實(shí)例

    　智能控制技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用大大提高了產(chǎn)品的作業(yè)質(zhì)量和生產(chǎn)效率,節(jié)省了能源,保護(hù)了環(huán)境,簡(jiǎn)化了操作,方便了日常維護(hù)保養(yǎng)和維修。智能控制技術(shù)在對(duì)作業(yè)質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保有特殊要求的產(chǎn)品上得到了廣泛地應(yīng)用。目前國(guó)外一些主要挖掘機(jī)制造商均有自己專有的智能控制系統(tǒng),如：

    　美國(guó)卡特匹勒公司挖掘機(jī)上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)合主泵控制系統(tǒng),能以zui有效的方式使發(fā)動(dòng)機(jī)的有效功率適應(yīng)液壓系統(tǒng)功率,使挖掘機(jī)工作；根據(jù)挖掘機(jī)的載荷情況,主動(dòng)調(diào)節(jié)主泵的輸出功率,改善燃油消耗量；發(fā)動(dòng)機(jī)油門設(shè)置有多個(gè)檔位,以平穩(wěn)控制主泵的輸出功率；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不需要或只需要很小的液壓油流量時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)（AEC）起作用,自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

    　美國(guó)凱斯公司CX系列“會(huì)思考”的智能挖掘機(jī),采用了全權(quán)數(shù)字控制（FADEC）發(fā)動(dòng)機(jī)和的液壓控制系統(tǒng)（PCSTM）,通過(guò)負(fù)荷感應(yīng)系統(tǒng)由智能芯片控制發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的工作狀態(tài),自主判斷工作條件,自主選擇*動(dòng)力完成工作。發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)始終處于不間斷的自身調(diào)節(jié)狀態(tài),以便使作業(yè)效率與燃油消耗取得*平衡,從而在各種不同的施工應(yīng)用中,機(jī)器能發(fā)揮*的作業(yè)表現(xiàn)。

    　日本神鋼挖掘機(jī)配有ITCS自動(dòng)控制操作系統(tǒng),電腦能自動(dòng)監(jiān)測(cè)操作手柄的動(dòng)作,通過(guò)模糊邏輯推理,識(shí)別出此時(shí)的作業(yè)類型后對(duì)操作系統(tǒng)進(jìn)行控制,同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子監(jiān)控,自動(dòng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,調(diào)整液壓系統(tǒng)流量。在低負(fù)荷自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,讓作業(yè)進(jìn)行得更準(zhǔn)確,容易,重負(fù)荷時(shí)發(fā)揮出發(fā)動(dòng)機(jī)zui大功率,從而提高作業(yè)效率,同時(shí)其裝備的“探望信息系統(tǒng)”可以將挖掘機(jī)的工作位置,工作狀況和機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況等信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳送,用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)短信的方式,獲得的機(jī)器工作信息。

   　 從20世紀(jì)80年代中期到現(xiàn)在,國(guó)外智能型振動(dòng)壓路機(jī)已發(fā)展了5代,其中德國(guó)的BOMAG公司地位。

    　BOMAG的*代智能壓路機(jī)應(yīng)用了用于壓實(shí)狀態(tài)控制的測(cè)量技術(shù)Omegameter（歐米咖計(jì)）,它是由一個(gè)加速度傳感器,BOM電子單元和歐米咖值顯示表組成的。由于振動(dòng)振動(dòng)壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度是隨土壤硬度的變化而變化的,土壤越硬,振動(dòng)輪的加速度就越大,而較高的土壤硬度對(duì)應(yīng)了較好的壓實(shí)狀態(tài)。但這種技術(shù)只能用于壓實(shí)狀態(tài)的控制,而不能控制壓路機(jī)本身。

    　BOMAG的第二代智能壓路機(jī)推出了用于測(cè)試,記錄和控制的Terrameter（土壤狀態(tài)儀）。Terrameter也是利用振動(dòng)輪加速度和土壤硬度之間的關(guān)系,測(cè)試加速度并產(chǎn)生Omega值,用以知道土壤的壓實(shí)狀態(tài)。當(dāng)繼續(xù)壓實(shí)不可能時(shí),Terrameter給出指示,同時(shí)Terrameter也可以識(shí)別并記錄地面的松軟點(diǎn)和壓實(shí)狀態(tài)不均勻點(diǎn),以及給出用于壓實(shí)控制的曲線和列表。Terrameter由2個(gè)加速度傳感器,1個(gè)位移傳感器,Omega表和打印機(jī)組成。Terrameter安裝了位移傳感器,用以根據(jù)地面壓實(shí)狀態(tài)的不同,來(lái)控制壓路機(jī)的行走速度,這使得振動(dòng)壓路機(jī)*次具有了“智能”。

    　BOMAG公司在第三代壓路機(jī)中引入了兩個(gè)新技術(shù),即TerrameterBTM-E和Varicontrol。Varicontrol單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)上都裝有BTM-E系統(tǒng),駕駛?cè)藛T能預(yù)設(shè)5個(gè)Evib值（45,80,100,120,150Mn/m2）作為目標(biāo),通過(guò)的自動(dòng)化的調(diào)節(jié)裝置,能進(jìn)行有效地和均勻地壓實(shí)。BTM-E*次為壓實(shí)狀態(tài)提供了一個(gè)物理量,即土壤動(dòng)態(tài)硬度模量Evib（Mn/m2）。與Omega值不同,Evib基本上與振動(dòng)壓路機(jī)的參數(shù)無(wú)關(guān),因而震動(dòng)參數(shù)的改變對(duì)測(cè)量結(jié)果無(wú)任何影響。

    　Varicontrol系統(tǒng)能夠產(chǎn)生可變換方向的振動(dòng),使振動(dòng)方向根據(jù)物料的密實(shí)度無(wú)級(jí)地在垂直和水平方向調(diào)節(jié),由于振動(dòng)方向決定了傳遞給土壤壓實(shí)能量的大小,因此該系統(tǒng)可以使壓實(shí)能量與土壤狀態(tài)相匹配。

   　 BOMAG的第四代智能壓路機(jī)又推出了一個(gè)新的概念,即壓實(shí)管理系統(tǒng)CompactionManagementBCM03,BCM03壓實(shí)管理系統(tǒng)被作為BTM-E控制系統(tǒng)的附件用于提高分析和管理壓實(shí)作業(yè)。

   　BTM-E產(chǎn)生的Evib（Mn/m2）值被BCM03以圖表的形式顯示給駕駛?cè)藛T。BCM03的所有信息都可以被傳輸?shù)絇C機(jī)上,用BCMWIN壓實(shí)管理程序在windows上進(jìn)行分析處理。BCM03有以下四個(gè)特點(diǎn)：

    　[1]實(shí)現(xiàn)了維護(hù)保養(yǎng)的電子提示,當(dāng)壓路機(jī)工作到一定的時(shí)間或預(yù)設(shè)的某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)超出預(yù)警值時(shí),顯示器會(huì)給出提示,并顯示出維護(hù)保養(yǎng)方法；

  　  [2]實(shí)現(xiàn)了在線故障診斷,當(dāng)壓路機(jī)某處發(fā)生故障時(shí),顯示器會(huì)給出提示,并顯示出故障類型和維修方法；

   　 [3]實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的溝通,為網(wǎng)絡(luò)診斷打下了基礎(chǔ)；

   　 [4]駕駛?cè)藛T可以較為直觀地在顯示器上觀察到被壓實(shí)區(qū)域每一地段的壓實(shí)狀況。但駕駛?cè)藛T對(duì)壓實(shí)過(guò)的每一個(gè)地段進(jìn)行大概定位,不能準(zhǔn)確定位。

    　BOMAG的第五代智能壓路機(jī)應(yīng)用了土壤壓實(shí)綜合定位系統(tǒng)GLOBALPositioningSystemforsoilcompactiom（GPS）。使用GPS系統(tǒng)可以地給出壓路機(jī)的位置,地給出振動(dòng)輪的標(biāo)高,與前一鋪層的標(biāo)高相比較,就可以得到鋪層的厚度,以便更地選擇壓路機(jī)的振動(dòng)頻率等參數(shù)。支持整個(gè)系統(tǒng)工作的核心是BCMGeoCAD軟件。

來(lái)源：慧聰泵閥網(wǎng)