智能控制技术在工程机械上的应用

xuer20050315 · 发表于 2011-8-8 21:35:22

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一、智能控制技术概述
控制技术是在上世纪２０年代建立了以频域法为主的经典控制理论后发展起来的，控制技术首先在工业生产中得到了广泛的应用。在空间技术发展的推动下，５０年代又出现了以状态空间法为主的现代控制理论，使控制技术得到了广泛的发展，产生了更多的应用领域。６０年代以来，随着计算机技术的发展，许多新方法和技术进入工程化、产品化阶段，显著加快了工业技术更新的步伐，这对自动控制技术提出了新的挑战，也为其发展提供了条件，促进了智能理论在控制技术中的应用，形成了智能控制技术。
智能控制技术主要用来解决那些用传统的方法难以解决的复杂系统的控制问题，如智能机器人系统、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）、复杂的工业过程控制系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、交通运输系统、通信网络系统、环保与能源系统等。这些复杂系统具有以下特点：①控制对象存在严重的不确定性，控制模型未知或模型的结构和参数在很大的范围内变化；②控制对象具有高度的非线性特征；③控制任务要求复杂。例如，在智能机器人系统中，要求系统对一个复杂的任务具有自行规划和决策的能力，有自动躲避障碍达到目的地的能力。
智能控制技术通常通过智能控制系统发挥作用。简单地说，智能控制系统是指具备一个智能行为的系统，它利用人工智能的方法能够解决难以用数学的方法精确描述的复杂的、随机的、模糊的、柔性的控制问题，具有自学习、自适应、自组织的能力。它的主要目标是探索更加接近人类大脑处理事物的“思维”模式，也是研究一种数理逻辑，能使机器像人一样，根据少量模糊信息，依据一定的推理准则进行“思维”，就可以得出相当准确的或足够近似的结论和控制策略。
把智能控制技术应用在工程机械产品上，解决了传统控制方法无法很好的适应多变复杂对象的难题。智能控制技术可以改变控制策略去适应对象的复杂性和不确定性。它不是仅依靠数学模型，而且根据知识和经验进行在线推理，确定并优选最佳的控制策略，针对某种不确定性使系统保持预定的品质和期望的目标。
智能控制技术在工程机械产品上的应用非常广泛，本文仅对履带式液压挖掘机和双钢轮振动压路机两种不同作业特点的典型产品为例进行论述。
二、智能控制技术在典型产品上的应用
工程机械按作业目的的要求分为两类：一类为无作业质量要求的机械，其特点是作业介质具有不均匀性和不规范性，作业载荷变化大，这类机械性能指标要求为动力性（功率充分发挥），经济性（燃油消耗），作业生产率；另一类为有作业质量要求的机械，其特点为作业介质是均匀一致的、规范的，而且工作装置与介质相互作用过程产生的负荷基本为稳定值，这类机械以作业质量要求为优先指标，其次为动力性、经济性和作业生产率。挖掘机属于前一类机械，而压路机属于后一类机械。
１、控制目标和策略
由于机器的作业类别不同，不同类别机器的控制目标和控制策略也不相同。挖掘机的智能控制目标为“节能环保、提高作业生产率”；而压路机的目标为“提高路面压实质量和压实效率”。
当前挖掘机主要有两种控制策略，一是“负载适应控制”，另一种是“动力适应控制”。
负载适应控制：发动机的输出功率一定的情况下，液压系统（负载）通过自身调节以适应（充分吸收和利用）发动机的动力输出，体现了“按劳分配”原则。
动力适应控制：发动机根据实际作业工况的需要提供动力输出，体现了“按需分配”原则。
采用“负载适应控制”技术的挖掘机，一般设有几种动力选择模式，如最大功率模式、标准功率模式和经济功率模式，每种模式下的发动机输出功率基本恒定，同时液压泵也设有几条恒功率曲线与之匹配。由于系统中采用了发动机速度传感控制技术（ＥＳＳ控制技术），在匹配时将每种功率模式下的泵的吸收功率设定为大于或等于该模式下的发动机输出功率，这样可以使液压系统充分吸收利用发动机的功率，减少能量损失。还可以通过对泵的吸收功率的调节，协调负载与发动机的动力输出，避免发动机熄火。
实际作业时由操作手根据作业工况选择发动机的功率模式，这种控制方法还需要人工干预，一旦功率模式选择不当，还会造成动力的浪费。
采用“动力适应控制”技术的挖掘机，采用自动控制模式，发动机根据作业要求和负载大小提供相应的动力输出。也就是动力系统能够自动适应工作系统的需要输出动力以满足作业要求，无须人工干预，没有动力输出的浪费，动力性和经济性最佳。其设计思路是让机器自动识别出不同的作业工况，然后做出最有利于施工的解决方案。发动机与液压系统始终处于不间断的自身调节状态，以便使作业效率与燃油消耗取得最佳平衡。
挖掘机智能控制技术还包括一些进一步节能和简化操作、便于维修和保养的措施，如自动怠速、自动加速、自学习、故障诊断和远程控制等。
智能压路机的控制策略为：根据设定的质量目标，通过对铺层压实效果的检测和自适应控制系统的自动调节寻求最佳解决方案，实现作业质量目标要求。
控制系统能够按照预先设定的作业质量目标要求，经过连续地检测和分析对比，自动调整机器的压实作业性能参数（振动轮的振幅、频率和机器行驶速度），获得有效的和均匀一致的压实效果。当然，对铺层压实硬度的准确检测尤为重要，是一切智能控制的出发点和落脚点。最佳压实的决策过程需要考虑的外部条件比较多，如环境温度、沥青混合料温度、铺层厚度等，还要考虑沥青的硬度随温度变化的非线性等，所以决策的依据必须建立在大量的知识积累和数据积累上。国外产品的知识数据库里一般都积累了他们几十年的丰富施工经验和施工技术，机器的智能化水平较高。
２、控制方法
任何智能控制系统包含三个过程：①信息采集；②信息处理并做出决定（思考与决策）；③执行决定。
挖掘机是通过检测液压系统的运行参数来识别载荷大小的，如检测液压系统中泵的控制压力、泵的输油压力和各机构（行走、回转、动臂提升和斗杆收回）的工作压力等。有的还检测先导手柄的位移量和系统流量等。
挖掘机控制器根据采集的信息，通过模糊控制理论推理出所需功率的大小和发动机的最佳转速。执行决定的过程是由控制器驱动发动机油门执行器，使发动机设定到理想的转速和输出功率。
而压路机是通过连续检测振动轮的振动加速度来识别地面压实质量的。振动轮内的旋转偏心块产生的振动，理论上是一条正弦曲线。当振动轮在地面上振动时，曲线总是被扰动的，在软地面上的扰动小，在硬地面上的扰动大。通过对压路机振动轮的加速度进行快速傅立叶变换处理，能够计算出地面压实的数据。
如ＢＯＭＡＧ装有新测量系统ＢＴＭ－Ｅ的Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ单钢轮振动压路机首次实现了能够直接地测定物理变量。利用压路机压实土壤的载荷与土壤变形结果之间的相互作用关系，能够计算出土壤动态硬度摸量ＥＶｉｂ（Ｍｎ／ｍ２）。而沥青管理者是为双钢轮压路机开发的，基于全新的沥青硬度试验方法，这种系统应用了一种新的沥青硬度计算模型。沥青管理者能自动地测量和控制压路机的压实性能，连续地提供最优化的压实参数，发挥压路机最佳压实性能。连续不断地测量沥青温度并加入到管理系统，操作者可以通过显示器监控沥青温度的变化和观察压实度的增加。
压路机的信息处理是将采集的铺层压实信息输入到控制系统的数据库（知识库），通过分析比较、判断并做出对机器作业参数（振动轮的振幅、频率和机器行驶速度）调整的决定。
压路机执行决定的关键部件是可调频调幅的振动轮，振动轮性能的优劣直接影响压实效果。带自动调频调幅机构振动轮结构比较复杂，实现起来较困难。
３、典型应用实例
智能控制技术在工程机械上的应用大大提高了产品的作业质量和生产效率，节省了能源，保护了环境，简化了操作，方便了日常维护保养和维修。智能控制技术在对作业质量和节能环保有特殊要求的产品上得到了广泛地应用。目前国外一些主要挖掘机制造商均有自己专有的智能控制系统，如：
美国卡特匹勒公司挖掘机上安装的发动机控制系统和主泵控制系统，能以最有效的方式使发动机的有效功率适应液压系统功率，使挖掘机高效工作；根据挖掘机的载荷情况，主动调节主泵的输出功率，改善燃油消耗量；发动机油门设置有多个档位，以平稳控制主泵的输出功率；当发动机不需要或只需要很小的液压油流量时，发动机转速自动控制系统（ＡＥＣ）起作用，自动降低发动机转速。
美国凯斯公司ＣＸ系列“会思考”的智能挖掘机，采用了全权数字控制（ＦＡＤＥＣ）发动机和独创的精准液压控制系统（ＰＣＳＴＭ），通过负荷感应系统由智能芯片控制发动机与液压系统相关的工作状态，自主判断工作条件，自主选择最佳动力完成工作。发动机与液压系统始终处于不间断的自身调节状态，以便使作业效率与燃油消耗取得最佳平衡，从而在各种不同的施工应用中，机器能发挥出最佳的作业表现。
日本神钢挖掘机配有ＩＴＣＳ自动控制操作系统，电脑能自动监测操作手柄的动作，通过模糊逻辑推理，识别出此时的作业类型后对操作系统进行控制，同时对发动机进行电子监控，自动调节发动机转速、调整液压系统流量。在低负荷时自动降低发动机转速，让作业进行得更准确、容易，重负荷时发挥出发动机最大功率，从而提高作业效率，同时其最新装备的“探望信息系统”可以将挖掘机的工作位置、工作状况和机器的运转情况等信息实现远距离的传送，用户可以通过互联网或手机短信的方式，获得最新的机器工作信息。
从２０世纪８０年代中期到现在，国外智能型振动压路机已发展了５代，其中德国的ＢＯＭＡＧ公司最具领先地位。
BOMAG的第一代智能压路机应用了用于压实状态控制的测量技术Ｏｍｅｇａｍｅｔｅｒ（欧米咖计），它是由一个加速度传感器，ＢＯＭ电子单元和欧米咖值显示表组成的。由于振动压路机振动轮的振动加速度是随土壤硬度的变化而变化的，土壤越硬，振动轮的加速度就越大，而较高的土壤硬度对应了较好的压实状态。但这种技术只能用于压实状态的控制，而不能控制压路机本身。
BOMAG的第二代智能压路机推出了用于测试、记录和控制的Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ（土壤状态仪）。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ也是利用振动轮加速度和土壤硬度之间的关系，测试加速度并产生Ｏｍｅｇａ值，用以知道土壤的压实状态。当继续压实不可能时，Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ给出指示，同时Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ也可以识别并记录地面的松软点和压实状态不均匀点，以及给出用于压实控制的曲线和列表。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ由２个加速度传感器、１个位移传感器、Ｏｍｅｇａ表和打印机组成。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ首次安装了位移传感器，用以根据地面压实状态的不同，来控制压路机的行走速度，这使得振动压路机第一次具有了“智能”。
BOMAG公司在第三代压路机中引入了两个新技术，即ＴｅｒｒａｍｅｔｅｒＢＴＭ?Ｅ和Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ。Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ单钢轮振动压路机上都装有ＢＴＭ－Ｅ系统，驾驶人员能预设５个Ｅｖｉｂ值（４５，８０，１００，１２０，１５０Ｍｎ／ｍ２）作为目标，通过精确的自动化的调节装置，能进行有效地和均匀地压实。ＢＴＭ－Ｅ第一次为压实状态提供了一个物理量，即土壤动态硬度模量ＥＶｉｂ（Ｍｎ／ｍ２）。与Ｏｍｅｇａ值不同，Ｅｖｉｂ基本上与振动压路机的参数无关，因而振动参数的改变对测量结果无任何影响。
Ｖａｔｉｃｏｎｔｒｏｌ系统能够产生可变换方向的振动，使振动方向根据物料的密实度无级地在垂直和水平方向调节，由于振动方向决定了传递给土壤压实能量的大小，因此该系统可以使压实能量与土壤状态相匹配。
ＢＯＭＡＧ的第四代智能压路机又推出了一个新的概念，即压实管理系统ＣｏｍｐａｃｔｉｏｎＭａｎａｇｅｍｅｎｔＢＣＭ０３，ＢＣＭ０３压实管理系统被作为ＢＴＭ?Ｅ控制系统的附件用于提供分析和管理压实作业。
ＢＴＭ?Ｅ产生的ＥＶｉｂ（Ｍｎ／ｍ２）值被ＢＣＭ０３以图表的形式显示给驾驶人员。ＢＣＭ０３的所有信息都可以被传输到ＰＣ机上，用ＢＣＭＷＩＮ压实管理程序在ｗｉｎｄｏｗｓ上进行分析处理。ＢＣＭ０３有以下四个特点：
①实现了维护保养的电子提示，当压路机工作到一定的时间或预设的某项技术指标超出预警值时，显示器会给出提示，并显示出维护保养方法；
②实现了在线故障诊断，当压路机某处发生故障时，显示器会给出提示，并显示出故障类型和维修方法；
③实现了压路机与计算机之间的沟通，为网络诊断打下了基础。
④驾驶人员可以较为直观地在显示器上观察到被压实区域每一地段的压实状况。但驾驶人员对压实过的每一个地段进行大概定位，不能准确定位。
ＢＯＭＡＧ的第五代智能压路机应用了土壤压实综合定位系统ＧｌｏｂａｌＰｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇＳｙｓｔｅｍｆｏｒｓｏｉｌｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ（ＧＰＳ）。使用ＧＰＳ系统可以精确地给出压路机的位置，精确地给出振动轮的标高，与前一铺层的标高相比较，就可以得到铺层的厚度，以便更精确地选择压路机的振动频率等参数。支持整个系统工作的核心是ＢＣＭＧｅｏＣＡＤ软件。
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