智能控制技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用概要

智能限制技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用一、智能限制技術(shù)概述限制技術(shù)是在上世紀(jì)20年頭建立了以頻域法為主的經(jīng)典限制理論后發(fā)展起來的,限制技術(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年頭又出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法為主的現(xiàn)代限制理論,使限制技術(shù)得到了廣泛的發(fā)展,產(chǎn)生了更多的應(yīng)用領(lǐng)域。60年頭以來,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,很多新方法和技術(shù)進(jìn)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(duì)自動(dòng)限制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),也為其發(fā)展供應(yīng)了條件,促進(jìn)了智能理論在限制技術(shù)中的應(yīng)用,形成了智能限制技術(shù)。智能限制技術(shù)主要用來解決那些用傳統(tǒng)的方法難以解決的困難系統(tǒng)的控制問題,如智能機(jī)器人系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS、困難的工業(yè)過程限制系統(tǒng)、航天航空限制系統(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。這些困難系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):①限制對(duì)象存在嚴(yán)峻的不確定性,限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)變更;②限制對(duì)象具有高度的非線性特征;③限制任務(wù)要求困難。例如,在智能機(jī)器人系統(tǒng)中,要求系統(tǒng)對(duì)一個(gè)困難的任務(wù)具有自行規(guī)劃和決策的實(shí)力,有自動(dòng)躲避障礙達(dá)到目的地的實(shí)力。智能限制技術(shù)通常通過智能限制系統(tǒng)發(fā)揮作用。簡潔地說,智能限制系統(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)的方法精確描述的困難的、隨機(jī)的、模糊的、柔性的限制問題,具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、自組織的實(shí)力。它的主要目標(biāo)是探究更加接近人類大腦處理事物的“思維”模式,也是探討一種數(shù)理邏輯,能使機(jī)器像人一樣,依據(jù)少量模糊信息,依據(jù)肯定的推理準(zhǔn)則進(jìn)行“思維”,就可以得出相當(dāng)精確的或足夠近似的結(jié)論和限制策略。把智能限制技術(shù)應(yīng)用在工程機(jī)械產(chǎn)品上,解決了傳統(tǒng)限制方法無法很好的適應(yīng)多變困難對(duì)象的難題。智能限制技術(shù)可以變更限制策略去適應(yīng)對(duì)象的困難性和不確定性。它不是僅依靠數(shù)學(xué)模型,而且依據(jù)學(xué)問和閱歷進(jìn)行在線推理,確定并優(yōu)選最佳的限制策略,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)。智能限制技術(shù)在工程機(jī)械產(chǎn)品上的應(yīng)用特別廣泛,本文僅對(duì)履帶式液壓挖掘機(jī)和雙鋼輪振動(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、智能限制技術(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)具有不勻稱性和不規(guī)范性,作業(yè)載荷變更大,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)是勻稱一樣的、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(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、限制目標(biāo)和策略由于機(jī)器的作業(yè)類別不同,不同類別機(jī)器的限制目標(biāo)和限制策略也不相同。挖掘機(jī)的智能限制目標(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)主要有兩種限制策略,一是“負(fù)載適應(yīng)限制”,另一種是“動(dòng)力適應(yīng)限制”。負(fù)載適應(yīng)限制:發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率肯定的狀況下,液壓系統(tǒng)(負(fù)載通過自身調(diào)整以適應(yīng)(充分汲取和利用發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出,體現(xiàn)了“按勞安排”原則。動(dòng)力適應(yīng)限制:發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)實(shí)際作業(yè)工況的須要供應(yīng)動(dòng)力輸出,體現(xiàn)了“按需安排”原則。采納“負(fù)載適應(yīng)限制”技術(shù)的挖掘機(jī),一般設(shè)有幾種動(dòng)力選擇模式,如最大功率模式、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)液壓泵也設(shè)有幾條恒功率曲線與之匹配。由于系統(tǒng)中采納了發(fā)動(dòng)機(jī)速度傳感限制技術(shù)(ESS限制技術(shù),在匹配時(shí)將每種功率模式下的泵的汲取功率設(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)充分汲取利用發(fā)動(dòng)機(jī)的功率,削減能量損失。還可以通過對(duì)泵的汲取功率的調(diào)整,協(xié)調(diào)負(fù)載與發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力輸出,避開發(fā)動(dòng)機(jī)熄火。實(shí)際作業(yè)時(shí)由操作手依據(jù)作業(yè)工況選擇發(fā)動(dòng)機(jī)的功率模式,這種限制方法還須要人工干預(yù),一旦功率模式選擇不當(dāng),還會(huì)造成動(dòng)力的奢侈。采納“動(dòng)力適應(yīng)限制”技術(shù)的挖掘機(jī),采納自動(dòng)限制模式,發(fā)動(dòng)機(jī)依據(jù)作業(yè)要求和負(fù)載大小供應(yīng)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)的須要輸出動(dòng)力以滿意作業(yè)要求,無須人工干預(yù),沒有動(dòng)力輸出的奢侈,動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性最佳。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,然后做出最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)整狀態(tài),以便使作業(yè)效率與燃油消耗取得最佳平衡。挖掘機(jī)靈能限制技術(shù)還包括一些進(jìn)一步節(jié)能和簡化操作、便于修理和保養(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)程限制等。智能壓路機(jī)的限制策略為:依據(jù)設(shè)定的質(zhì)量目標(biāo),通過對(duì)鋪層壓實(shí)效果的檢測(cè)和自適應(yīng)限制系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)整尋求最佳解決方案,實(shí)現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)要求。限制系統(tǒng)能夠依據(jù)預(yù)先設(shè)定的作業(yè)質(zhì)量目標(biāo)要求,經(jīng)過連續(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,獲得有效的和勻稱一樣的壓實(shí)效果。當(dāng)然,對(duì)鋪層壓實(shí)硬度的精確檢測(cè)尤為重要,是一切智能限制的動(dòng)身點(diǎn)和落腳點(diǎn)。最佳壓實(shí)的決策過程須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更的非線性等,所以決策的依據(jù)必需建立在大量的學(xué)問積累和數(shù)據(jù)積累上。國外產(chǎn)品的學(xué)問數(shù)據(jù)庫里一般都積累了他們幾十年的豐富施工閱歷和施工技術(shù),機(jī)器的智能化水平較高。2、限制方法任何智能限制系統(tǒng)包含三個(gè)過程:①信息采集;②信息處理并做出確定(思索與決策;③執(zhí)行確定。挖掘機(jī)是通過檢測(cè)液壓系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)來識(shí)別載荷大小的,如檢測(cè)液壓系統(tǒng)中泵的限制壓力、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)限制器依據(jù)采集的信息,通過模糊限制理論推理出所需功率的大小和發(fā)動(dòng)機(jī)的最佳轉(zhuǎn)速。執(zhí)行確定的過程是由限制器驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)油門執(zhí)行器,使發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)定到志向的轉(zhuǎn)速和輸出功率。而壓路機(jī)是通過連續(xù)檢測(cè)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度來識(shí)別地面壓實(shí)質(zhì)量的。振動(dòng)輪內(nèi)的旋轉(zhuǎn)偏心塊產(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,在軟地面上的擾動(dòng)小,在硬地面上的擾動(dòng)大。通過對(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單鋼輪振動(dòng)壓路機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了能夠干脆地測(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)硬度摸量EVib(Mn/m2。而瀝青管理者是為雙鋼輪壓路機(jī)開發(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)量和限制壓路機(jī)的壓實(shí)性能,連續(xù)地供應(yīng)最優(yōu)化的壓實(shí)參數(shù),發(fā)揮壓路機(jī)最佳壓實(shí)性能。連綿不斷地測(cè)量瀝青溫度并加入到管理系統(tǒng),操作者可以通過顯示器監(jiān)控瀝青溫度的變化和視察壓實(shí)度的增加。壓路機(jī)的信息處理是將采集的鋪層壓實(shí)信息輸入到限制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(學(xué)問庫,通過分析比較、推斷并做出對(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)整的確定。壓路機(jī)執(zhí)行確定的關(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)劣干脆影響壓實(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)比較困難,實(shí)現(xiàn)起來較困難。3、典型應(yīng)用實(shí)例智能限制技術(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)約了能源,愛護(hù)了環(huán)境,簡化了操作,便利了日常維護(hù)保養(yǎng)和維修。智能限制技術(shù)在對(duì)作業(yè)質(zhì)量和節(jié)能環(huán)保有特別要求的產(chǎn)品上得到了廣泛地應(yīng)用。目前國外一些主要挖掘機(jī)制造商均有自己專有的智能限制系統(tǒng),如:美國卡特匹勒公司挖掘機(jī)上安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)限制系統(tǒng)和主泵限制系統(tǒng),能以最有效的方式使發(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)高效工作;依據(jù)挖掘機(jī)的載荷狀況,主動(dòng)調(diào)整主泵的輸出功率,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)限制主泵的輸出功率;當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)不須要或只須要很小的液壓油流量時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速自動(dòng)限制系統(tǒng)(AEC起作用,自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。美國凱斯公司CX系列“會(huì)思索”的智能挖掘機(jī),采納了全權(quán)數(shù)字限制(FADEC發(fā)動(dòng)機(jī)和獨(dú)創(chuàng)的精準(zhǔn)液壓限制系統(tǒng)(PCSTM,通過負(fù)荷感應(yīng)系統(tǒng)由智能芯片限制發(fā)動(dòng)機(jī)與液壓系統(tǒng)相關(guān)的工作狀態(tài),自主推斷工作條件,自主選擇最佳動(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)整狀態(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(jī)器能發(fā)揮出最佳的作業(yè)表現(xiàn)。日本神鋼挖掘機(jī)配有ITCS自動(dòng)限制操作系統(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)行限制,同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行電子監(jiān)控,自動(dòng)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)整液壓系統(tǒng)流量。在低負(fù)荷時(shí)自動(dòng)降低發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,讓作業(yè)進(jìn)行得更精確、簡潔,重負(fù)荷時(shí)發(fā)揮動(dòng)身動(dòng)機(jī)最大功率,從而提高作業(yè)效率,同時(shí)其最新裝備的“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)狀況等信息實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的傳送,用戶可以通過互聯(lián)網(wǎng)或手機(jī)短信的方式,獲得最新的機(jī)器工作信息。從20世紀(jì)80年頭中期到現(xiàn)在,國外智能型振動(dòng)壓路機(jī)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(jī)應(yīng)用了用于壓實(shí)狀態(tài)限制的測(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)壓路機(jī)振動(dòng)輪的振動(dòng)加速度是隨土壤硬度的變更而變更的,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)的限制,而不能限制壓路機(jī)本身。BOMAG的其次代智能壓路機(jī)推出了用于測(cè)試、記錄和限制的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)接著壓實(shí)不行能時(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)不勻稱點(diǎn),以及給出用于壓實(shí)限制的曲線和列表。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首次安裝了位移傳感器，用以依據(jù)地面壓實(shí)狀態(tài)的不同，來限制壓路機(jī)的行走速度，這使得振動(dòng)壓路機(jī)第一次具有了“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)，通過精確的自動(dòng)化的調(diào)整裝置，能進(jìn)行有效地和勻稱地壓實(shí)。ＢＴＭ－Ｅ第一次為壓實(shí)狀態(tài)供應(yīng)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)無關(guān)，因而振動(dòng)參數(shù)的變更對(duì)測(cè)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(dòng)，使振動(dòng)方向依據(jù)物料的密實(shí)度無級(jí)地在垂直和水平方向調(diào)整，由于振動(dòng)方向確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限制系統(tǒng)的附件用于供應(yīng)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的全部信息都可以被傳輸?shù)剑校脵C(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)工作到肯定的時(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修理方法；③實(shí)現(xiàn)了壓路機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的溝