智能控制技術(shù)在工程機械上的應(yīng)用

    控制技術(shù)是在上世紀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)展的推動下，５０年代又出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法為主的現(xiàn)代控制理論，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，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，許多新方法和技術(shù)進入工程化、產(chǎn)品化階段，顯著加快了工業(yè)技術(shù)更新的步伐，這對自動控制技術(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)主要用來解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的復雜系統(tǒng)的控制問題，如智能機器人系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)（ＣＩＭＳ）、復雜的工業(yè)過程控制系統(tǒng)、航天航空控制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟管理系統(tǒng)、交通運輸系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、環(huán)保與能源系統(tǒng)等。這些復雜系統(tǒng)具有以下特點：①控制對象存在嚴重的不確定性，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控制對象具有高度的非線性特征；③控制任務(wù)要求復雜。例如，在智能機器人系統(tǒng)中，要求系統(tǒng)對一個復雜的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的能力，有自動躲避障礙達到目的地的能力。

    智能控制技術(shù)通常通過智能控制系統(tǒng)發(fā)揮作用。簡單地說，智能控制系統(tǒng)是指具備一個智能行為的系統(tǒng)，它利用人工智能的方法能夠解決難以用數(shù)學的方法精確描述的復雜的、隨機的、模糊的、柔性的控制問題，具有自學習、自適應(yīng)、自組織的能力。它的主要目標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，能使機器像人一樣，根據(jù)少量模糊信息，依據(jù)一定的推理準則進行“思維”，就可以得出相當準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)用在工程機械產(chǎn)品上，解決了傳統(tǒng)控制方法無法很好的適應(yīng)多變復雜對象的難題。智能控制技術(shù)可以改變控制策略去適應(yīng)對象的復雜性和不確定性。它不是僅依靠數(shù)學模型，而且根據(jù)知識和經(jīng)驗進行在線推理，確定并優(yōu)選最佳的控制策略，針對某種不確定性使系統(tǒng)保持預定的品質(zhì)和期望的目標。

    智能控制技術(shù)在工程機械產(chǎn)品上的應(yīng)用非常廣泛，本文僅對履帶式液壓挖掘機和雙鋼輪振動壓路機兩種不同作業(yè)特點的典型產(chǎn)品為例進行論述。

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

    工程機械按作業(yè)目的的要求分為兩類：一類為無作業(yè)質(zhì)量要求的機械，其特點是作業(yè)介質(zhì)具有不均勻性和不規(guī)范性，作業(yè)載荷變化大，這類機械性能指標要求為動力性（功率充分發(fā)揮），經(jīng)濟性（燃油消耗），作業(yè)生產(chǎn)率；另一類為有作業(yè)質(zhì)量要求的機械，其特點為作業(yè)介質(zhì)是均勻一致的、規(guī)范的，而且工作裝置與介質(zhì)相互作用過程產(chǎn)生的負荷基本為穩(wěn)定值，這類機械以作業(yè)質(zhì)量要求為優(yōu)先指標，其次為動力性、經(jīng)濟性和作業(yè)生產(chǎn)率。挖掘機屬于前一類機械，而壓路機屬于后一類機械。

   １、控制目標和策略

   由于機器的作業(yè)類別不同，不同類別機器的控制目標和控制策略也不相同。挖掘機的智能控制目標為“節(jié)能環(huán)保、提高作業(yè)生產(chǎn)率”；而壓路機的目標為“提高路面壓實質(zhì)量和壓實效率”。
當前挖掘機主要有兩種控制策略，一是“負載適應(yīng)控制”，另一種是“動力適應(yīng)控制”。

   負載適應(yīng)控制：發(fā)動機的輸出功率一定的情況下，液壓系統(tǒng)（負載）通過自身調(diào)節(jié)以適應(yīng)（充分吸收和利用）發(fā)動機的動力輸出，體現(xiàn)了“按勞分配”原則。

   動力適應(yīng)控制：發(fā)動機根據(jù)實際作業(yè)工況的需要提供動力輸出，體現(xiàn)了“按需分配”原則。

   采用“負載適應(yīng)控制”技術(shù)的挖掘機，一般設(shè)有幾種動力選擇模式，如最大功率模式、標準功率模式和經(jīng)濟功率模式，每種模式下的發(fā)動機輸出功率基本恒定，同時液壓泵也設(shè)有幾條恒功率曲線與之匹配。由于系統(tǒng)中采用了發(fā)動機速度傳感控制技術(shù)（ＥＳＳ控制技術(shù)），在匹配時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)動機輸出功率，這樣可以使液壓系統(tǒng)充分吸收利用發(fā)動機的功率，減少能量損失。還可以通過對泵的吸收功率的調(diào)節(jié)，協(xié)調(diào)負載與發(fā)動機的動力輸出，避免發(fā)動機熄火。

   實際作業(yè)時由操作手根據(jù)作業(yè)工況選擇發(fā)動機的功率模式，這種控制方法還需要人工干預，一旦功率模式選擇不當，還會造成動力的浪費。

   采用“動力適應(yīng)控制”技術(shù)的挖掘機，采用自動控制模式，發(fā)動機根據(jù)作業(yè)要求和負載大小提供相應(yīng)的動力輸出。也就是動力系統(tǒng)能夠自動適應(yīng)工作系統(tǒng)的需要輸出動力以滿足作業(yè)要求，無須人工干預，沒有動力輸出的浪費，動力性和經(jīng)濟性最佳。其設(shè)計思路是讓機器自動識別出不同的作業(yè)工況，然后做出最有利于施工的解決方案。發(fā)動機與液壓系統(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最佳平衡。

      挖掘機智能控制技術(shù)還包括一些進一步節(jié)能和簡化操作、便于維修和保養(yǎng)的措施，如自動怠速、自動加速、自學習、故障診斷和遠程控制等。

      智能壓路機的控制策略為：根據(jù)設(shè)定的質(zhì)量目標，通過對鋪層壓實效果的檢測和自適應(yīng)控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)尋求最佳解決方案，實現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量目標要求。

      控制系統(tǒng)能夠按照預先設(shè)定的作業(yè)質(zhì)量目標要求，經(jīng)過連續(xù)地檢測和分析對比，自動調(diào)整機器的壓實作業(yè)性能參數(shù)（振動輪的振幅、頻率和機器行駛速度），獲得有效的和均勻一致的壓實效果。當然，對鋪層壓實硬度的準確檢測尤為重要，是一切智能控制的出發(fā)點和落腳點。最佳壓實的決策過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積累和數(shù)據(jù)積累上。國外產(chǎn)品的知識數(shù)據(jù)庫里一般都積累了他們幾十年的豐富施工經(jīng)驗和施工技術(shù)，機器的智能化水平較高。

２、控制方法

      任何智能控制系統(tǒng)包含三個過程：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。

      挖掘機是通過檢測液壓系統(tǒng)的運行參數(shù)來識別載荷大小的，如檢測液壓系統(tǒng)中泵的控制壓力、泵的輸油壓力和各機構(gòu)（行走、回轉(zhuǎn)、動臂提升和斗桿收回）的工作壓力等。有的還檢測先導手柄的位移量和系統(tǒng)流量等。

      挖掘機控制器根據(jù)采集的信息，通過模糊控制理論推理出所需功率的大小和發(fā)動機的最佳轉(zhuǎn)速。執(zhí)行決定的過程是由控制器驅(qū)動發(fā)動機油門執(zhí)行器，使發(fā)動機設(shè)定到理想的轉(zhuǎn)速和輸出功率。

      而壓路機是通過連續(xù)檢測振動輪的振動加速度來識別地面壓實質(zhì)量的。振動輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)偏心塊產(chǎn)生的振動，理論上是一條正弦曲線。當振動輪在地面上振動時，曲線總是被擾動的，在軟地面上的擾動小，在硬地面上的擾動大。通過對壓路機振動輪的加速度進行快速傅立葉變換處理，能夠計算出地面壓實的數(shù)據(jù)。

      如ＢＯＭＡＧ裝有新測量系統(tǒng)ＢＴＭ－Ｅ的Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ單鋼輪振動壓路機首次實現(xiàn)了能夠直接地測定物理變量。利用壓路機壓實土壤的載荷與土壤變形結(jié)果之間的相互作用關(guān)系，能夠計算出土壤動態(tài)硬度摸量ＥＶｉｂ（Ｍｎ／ｍ ２）。而瀝青管理者是為雙鋼輪壓路機開發(fā)的，基于全新的瀝青硬度試驗方法，這種系統(tǒng)應(yīng)用了一種新的瀝青硬度計算模型。瀝青管理者能自動地測量和控制壓路機的壓實性能，連續(xù)地提供最優(yōu)化的壓實參數(shù)，發(fā)揮壓路機最佳壓實性能。連續(xù)不斷地測量瀝青溫度并加入到管理系統(tǒng)，操作者可以通過顯示器監(jiān)控瀝青溫度的變化和觀察壓實度的增加。
壓路機的信息處理是將采集的鋪層壓實信息輸入到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫（知識庫），通過分析比較、判斷并做出對機器作業(yè)參數(shù)（振動輪的振幅、頻率和機器行駛速度）調(diào)整的決定。

      壓路機執(zhí)行決定的關(guān)鍵部件是可調(diào)頻調(diào)幅的振動輪，振動輪性能的優(yōu)劣直接影響壓實效果。帶自動調(diào)頻調(diào)幅機構(gòu)振動輪結(jié)構(gòu)比較復雜，實現(xiàn)起來較困難。

３、典型應(yīng)用實例

      智能控制技術(shù)在工程機械上的應(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，保護了環(huán)境，簡化了操作，方便了日常維護保養(yǎng)和維修。智能控制技術(shù)在對作業(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。目前國外一些主要挖掘機制造商均有自己專有的智能控制系統(tǒng)，如：
美國卡特匹勒公司挖掘機上安裝的發(fā)動機控制系統(tǒng)和主泵控制系統(tǒng)，能以最有效的方式使發(fā)動機的有效功率適應(yīng)液壓系統(tǒng)功率，使挖掘機高效工作；根據(jù)挖掘機的載荷情況，主動調(diào)節(jié)主泵的輸出功率，改善燃油消耗量；發(fā)動機油門設(shè)置有多個檔位，以平穩(wěn)控制主泵的輸出功率；當發(fā)動機不需要或只需要很小的液壓油流量時，發(fā)動機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)（ＡＥＣ）起作用，自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速。

      美國凱斯公司ＣＸ系列“會思考”的智能挖掘機，采用了全權(quán)數(shù)字控制（ＦＡＤＥＣ）發(fā)動機和獨創(chuàng)的精準液壓控制系統(tǒng)（ＰＣＳＴＭ），通過負荷感應(yīng)系統(tǒng)由智能芯片控制發(fā)動機與液壓系統(tǒng)相關(guān)的工作狀態(tài)，自主判斷工作條件，自主選擇最佳動力完成工作。發(fā)動機與液壓系統(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最佳平衡，從而在各種不同的施工應(yīng)用中，機器能發(fā)揮出最佳的作業(yè)表現(xiàn)。

      日本神鋼挖掘機配有ＩＴＣＳ自動控制操作系統(tǒng)，電腦能自動監(jiān)測操作手柄的動作，通過模糊邏輯推理，識別出此時的作業(yè)類型后對操作系統(tǒng)進行控制，同時對發(fā)動機進行電子監(jiān)控，自動調(diào)節(jié)發(fā)動機轉(zhuǎn)速、調(diào)整液壓系統(tǒng)流量。在低負荷時自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速，讓作業(yè)進行得更準確、容易，重負荷時發(fā)揮出發(fā)動機最大功率，從而提高作業(yè)效率，同時其最新裝備的“探望信息系統(tǒng)”可以將挖掘機的工作位置、工作狀況和機器的運轉(zhuǎn)情況等信息實現(xiàn)遠距離的傳送，用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)或手機短信的方式，獲得最新的機器工作信息。

      從２０世紀８０年代中期到現(xiàn)在，國外智能型振動壓路機已發(fā)展了５代，其中德國的ＢＯＭＡＧ公司最具領(lǐng)先地位。

    BOMAG的第一代智能壓路機應(yīng)用了用于壓實狀態(tài)控制的測量技術(shù)Ｏｍｅｇａｍｅｔｅｒ（歐米咖計），它是由一個加速度傳感器，ＢＯＭ電子單元和歐米咖值顯示表組成的。由于振動壓路機振動輪的振動加速度是隨土壤硬度的變化而變化的，土壤越硬，振動輪的加速度就越大，而較高的土壤硬度對應(yīng)了較好的壓實狀態(tài)。但這種技術(shù)只能用于壓實狀態(tài)的控制，而不能控制壓路機本身。

     
    BOMAG的第二代智能壓路機推出了用于測試、記錄和控制的Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ（土壤狀態(tài)儀）。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ也是利用振動輪加速度和土壤硬度之間的關(guān)系，測試加速度并產(chǎn)生Ｏｍｅｇａ值，用以知道土壤的壓實狀態(tài)。當繼續(xù)壓實不可能時，Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ給出指示，同時Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ也可以識別并記錄地面的松軟點和壓實狀態(tài)不均勻點，以及給出用于壓實控制的曲線和列表。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ由２個加速度傳感器、１個位移傳感器、Ｏｍｅｇａ表和打印機組成。Ｔｅｒｒａｍｅｔｅｒ首次安裝了位移傳感器，用以根據(jù)地面壓實狀態(tài)的不同，來控制壓路機的行走速度，這使得振動壓路機第一次具有了“智能”。

     BOMAG公司在第三代壓路機中引入了兩個新技術(shù)，即ＴｅｒｒａｍｅｔｅｒＢＴＭ?Ｅ和Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ。Ｖａｒｉｃｏｎｔｒｏｌ單鋼輪振動壓路機上都裝有ＢＴＭ－Ｅ系統(tǒng)，駕駛?cè)藛T能預設(shè)５個Ｅｖｉｂ值（４５，８０，１００，１２０，１５０Ｍｎ／ｍ ２）作為目標，通過精確的自動化的調(diào)節(jié)裝置，能進行有效地和均勻地壓實。ＢＴＭ－Ｅ第一次為壓實狀態(tài)提供了一個物理量，即土壤動態(tài)硬度模量ＥＶｉ ｂ（Ｍｎ／ｍ ２）。與Ｏｍｅｇａ值不同，Ｅｖｉｂ基本上與振動壓路機的參數(shù)無關(guān)，因而振動參數(shù)的改變對測量結(jié)果無任何影響。

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

      ＢＯＭＡＧ的第四代智能壓路機又推出了一個新的概念，即壓實管理系統(tǒng)Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ＢＣＭ０３，ＢＣＭ０３壓實管理系統(tǒng)被作為ＢＴＭ?Ｅ控制系統(tǒng)的附件用于提供分析和管理壓實作業(yè)。

      ＢＴＭ?Ｅ產(chǎn)生的ＥＶｉｂ（Ｍｎ／ｍ ２）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)剑校脵C上，用ＢＣＭＷＩＮ壓實管理程序在ｗｉｎｄｏｗｓ上進行分析處理。ＢＣＭ０３有以下四個特點：

    ①實現(xiàn)了維護保養(yǎng)的電子提示，當壓路機工作到一定的時間或預設(shè)的某項技術(shù)指標超出預警值時，顯示器會給出提示，并顯示出維護保養(yǎng)方法；

    ②實現(xiàn)了在線故障診斷，當壓路機某處發(fā)生故障時，顯示器會給出提示，并顯示出故障類型和維修方法；

    ③實現(xiàn)了壓路機與計算機之間的溝通，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區(qū)域每一地段的壓實狀況。但駕駛?cè)藛T對壓實過的每一個地段進行大概定位，不能準確定位。

      ＢＯＭＡＧ的第五代智能壓路機應(yīng)用了土壤壓實綜合定位系統(tǒng)Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｓｏｉ ｌ ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ（ＧＰＳ）。使用ＧＰＳ系統(tǒng)可以精確地給出壓路機的位置，精確地給出振動輪的標高，與前一鋪層的標高相比較，就可以得到鋪層的厚度，以便更精確地選擇壓路機的振動頻率等參數(shù)。支持整個系統(tǒng)工作的核心是ＢＣＭＧｅｏＣＡＤ軟件。