一.智能控制技術概述
控制技術是在上世紀20年代建立了以頻域法為主的經典控制理論后發展起來的,控制技術首先在工業生產中得到了廣泛的應用。在空間技術發展的推動下,50年代又出現了以狀態空間法為主的現在控制理論,使控制技術得到了廣泛的發展,產生了更多的應用領域。60年代以來,隨著計算機技術的發展,許多新方法和技術進入工程化,產品化階段,顯得加快了工業技術更新的步伐,這對自動控制技術提出了新的挑戰,也為其發展提供了條件,促進了智能理論在控制技術中的應用,形成了智能控制技術。
智能控制技術主要用來解決那些用傳統的方法難以解決的復雜系統的控制問題,如智能機器人系統,計算機集成制造系統（CIMS）,復雜的工業過程控制系統,航天航空控制系統,社會經濟管理系統,交通運輸系統,通信網絡系統,環保與能源系統等。這些復雜系統具有以下特點：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構和參數在很大的范圍內變化； 2.控制對象具有高度的非線性特征； 3.控制任務要求復雜。例如,在智能機器人系統中,要求系統對一個復雜的任務具有自行規劃和決策的能力,有自動躲避障礙達到目的地的能力。
智能控制技術通常通過智能控制系統發揮作用。簡單地說,智能控制系統是指具備一個智能行為的系統,它利用人工智能的方法能夠解決難以用數學的方法精確描述的復雜的,隨機的,柔性的控制問題,具有自學習,自適應,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,也是研究一種數理邏輯,能使機器像人一樣,根據少量模糊信息,依據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論和控制策略。
把智能控制技術應用在工程機械產品上,解決了傳統控制方法無法很好的適應多變復雜對象的難題。智能控制技術可以改變控制策略去適應對象的復雜性和不確定性。它不是僅依靠數學模型,而且根據知識和經驗進行在線推理,確定并優選最佳的控制策略,針對某種不確定性使系統保持預定的品質和期望的目標。
智能控制技術在工程機械產品上的應用非常廣泛,本文僅對履帶式液壓挖掘機和雙鋼輪震動壓路機兩種不同作業特點的典型產品為例進行論述。
二.智能控制技術在典型產品上的應用
工程機械按作業目的的要求分為兩類：一類為無作業質量要求的機械,其特點是作業介質具有不均勻性和不規范性,作業載荷變化大,
這類機械性能指標要求為動力性（功率充分發揮）,經濟性（燃油消耗）,作業生產率；另一類為有作業質量要求的機械,其特點為作業介質是均勻一致的,規范的,而且工作裝置與介質相互作用過程產生的負荷基本為穩定值,這類機械以作業質量要求為優先指標,其次為動力性,經濟性和作業生產率。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“節能環保,提高作業生產率”；而壓路機的目標為“提高路面壓實質量和壓實效率”。
當前挖掘機主要有兩種控制策略,一是“負載適應控制”《另一種是“動力適應控制”。
負載適應控制：發動機的輸出功率一定的情況下,液壓系統（負載）通過自身調節以適應（充分吸收和利用）發動機的動力輸出,體現了“按勞分配”原則。
動力適應控制：發動機根據實際作業工況的需要提供動力輸出,體現了“按需分配”原則。
采用“負載適應控制”技術的挖掘機,一般設有幾種動力選擇模式,如最大功率模式,標準功率模式和經濟功率模式,每種模式下的發動機輸出功率基本恒定,同時液壓泵業設有幾條恒功率曲線與之匹配。由于系統中采用了發動機速度傳感控制技術（ESS控制技術）,在匹配時將每種功率模式下的泵的吸收功率設定為大于或等于該模式下的發動機輸出功率,這樣可以使液壓系統充分吸收利用發動機的功率,減少能量損失。還可以通過對泵的吸收功率的調節,協調負載與發動機的動力輸出,避免發動機熄火。
實際作業時由操作手根據作業工況選擇發動機的功率模式,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“動力適應控制”技術的挖掘機,采用自動控制模式,發動機根據作業要求和負載大小提供相應的動力輸出。也就是動力系統能夠自動適應工作系統得需要輸出以滿足作業要求,無須人工干預,沒有動力輸出的浪費,動力性和經濟性最佳。其設計思路是讓機器自動識別出不同的作業工況,然后做出最有利于施工的解決方案。發動機與液壓系統始終處于不間斷的自身調節狀態,以便使作業效率與燃油消耗取得最佳平衡。
挖掘機智能控制技術還包括一些進一步節能和簡化操作,便于維修和保養的措施,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：根據設定的質量目標,通過對鋪層壓實效果的檢測和自適應控制系統得自動調節尋求最佳解決方案,實現作業質量目標要求。
控制系統能夠按照預先設定的作業質量目標要求,經過連續地檢測和分析對比,自動調整機器的壓實作業性能參數（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,所以決策的依據必須建立在大量的知識積累和數據積累上。國外產品的知識數據庫里一般都積累了他們幾十年的豐富施工經驗和施工技術,機器的智能化水平較高。
2.控制方法
任何智能控制系統包含三個過程：（1）信息采集；（2）信息處理并做出決定[思考與決策]；（3）執行決定。
挖掘機是通過檢測液壓系統得運行參數來識別載荷大小的,如檢測液壓系統中泵的控制壓力,泵的輸油壓力和各機構（行走,回轉,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流量等。
挖掘機控制器根據采集的信息,通過模糊控制理論推理出所需功率的大小和發動機的最佳轉速。執行決定的過程是由控制器驅動發動機油門執行器,使發動機設定到理想的轉速和輸出功率。
而壓路機是通過連續檢測振動輪的振動加速來識別地面壓實質量的。振動輪內的旋轉偏心快產生的振動,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,在軟地面上額度擾動小,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據。
如BOMAG裝有新測量系統BTM-E的VARICONTROL單鋼振動壓路機首次實現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果之間的相互作用關系,能夠計算出土壤動態硬度模量EVib（Mn/m 2)。而瀝青管理者是為雙鋼輪壓路機開發的,基于全新的瀝青硬度試驗方法,這種系統應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,連續地提供最優化的壓實參數,發揮壓路機最佳壓實性能。連續不斷地測量瀝青溫度并加入到管理系統,操作者可以通過顯示器監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的數據庫（知識庫）,通過分析比較,判斷并做出對機器作業參數（振動輪的振幅,頻率和機器行駛速度）調整地決定。
壓路機執行決定的關鍵部件是可調頻調幅的振動輪,振動輪性能的優劣直接影響壓實效果。帶自動調頻調幅機構振動輪結構比較復雜,現實起來較困難。
3.典型應用實例
智能控制技術在工程機械上的應用大大提高了產品的作業質量和生產效率,節省了能源,保護了環境,簡化了操作,方便了日常維護保養和維修。智能控制技術在對作業質量和節能環保有特殊要求的產品上得到了廣泛地應用。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,如：
美國卡特匹勒公司挖掘機上安裝的發動機控制系統合主泵控制系統,能以最有效的方式使發動機的有效功率適應液壓系統功率,使挖掘機高效工作；根據挖掘機的載荷情況,主動調節主泵的輸出功率,改善燃油消耗量；發動機油門設置有多個檔位,以平穩控制主泵的輸出功率；當發動機不需要或只需要很小的液壓油流量時,發動機轉速自動控制系統（AEC）起作用,自動降低發動機轉速。
美國凱斯公司CX系列“會思考”的智能挖掘機,采用了全權數字控制（FADEC）發動機和獨創的精準液壓控制系統（PCSTM）,通過負荷感應系統由智能芯片控制發動機與液壓系統相關的工作狀態,自主判斷工作條件,自主選擇最佳動力完成工作。發動機與液壓系統始終處于不間斷的自身調節狀態,以便使作業效率與燃油消耗取得最佳平衡,從而在各種不同的施工應用中,機器能發揮最佳的作業表現。
日本神鋼挖掘機配有ITCS自動控制操作系統,電腦能自動監測操作手柄的動作,通過模糊邏輯推理,識別出此時的作業類型后對操作系統進行控制,同時對發動機進行電子監控,自動調節發動機轉速,調整液壓系統流量。在低負荷自動降低發動機轉速,讓作業進行得更準確,容易,重負荷時發揮出發動機最大功率,從而提高作業效率,同時其最新裝備的“探望信息系統”可以將挖掘機的工作位置,工作狀況和機器的運轉情況等信息實現遠距離的傳送,用戶可以通過互聯網或手機短信的方式,獲得最新的機器工作信息。
從20世紀80年代中期到現在,國外智能型振動壓路機已發展了5代,其中德國的BOMAG公司最具領先地位。
BOMAG的第一代智能壓路機應用了用于壓實狀態控制的測量技術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了較好的壓實狀態。但這種技術只能用于壓實狀態的控制,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(土壤狀態儀）。Terrameter也是利用振動輪加速度和土壤硬度之間的關系,測試加速度并產生Omega值,用以知道土壤的壓實狀態。當繼續壓實不可能時,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,用以根據地面壓實狀態的不同,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,即TerrameterBTM-E和Varicontrol。Varicontrol單鋼輪振動壓路機上都裝有BTM-E系統,駕駛人員能預設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節裝置,能進行有效地和均勻地壓實。BTM-E第一次為壓實狀態提供了一個物理量,即土壤動態硬度模量Evib（Mn/m 2）。與Omega值不同,Evib基本上與振動壓路機的參數無關,因而震動參數的改變對測量結果無任何影響。
Varicontrol系統能夠產生可變換方向的振動,使振動方向根據物料的密實度無級地在垂直和水平方向調節,由于振動方向決定了傳遞給土壤壓實能量的大小,因此該系統可以使壓實能量與土壤狀態相匹配。
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Compaction Management BCM03,BCM03壓實管理系統被作為BTM-E控制系統的附件用于提高分析和管理壓實作業。
BTM-E產生的Evib（Mn/m 2）值被BCM03以圖表的形式顯示給駕駛人員。BCM03的所有信息都可以被傳輸到PC機上,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]實現了維護保養的電子提示,當壓路機工作到一定的時間或預設的某項技術指標超出預警值時,顯示器會給出提示,并顯示出維護保養方法；
[2]實現了在線故障診斷,當壓路機某處發生故障時,顯示器會給出提示,并顯示出故障類型和維修方法；
[3]實現了壓路機與計算機之間的溝通,為網絡診斷打下了基礎；
[4]駕駛人員可以較為直觀地在顯示器上觀察到被壓實區域每一地段的壓實狀況。但駕駛人員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用了土壤壓實綜合定位系統GLOBAL Positioning System for soilcompactiom（GPS）。使用GPS系統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。支持整個系統工作的核心是BCMGeoCAD軟件。
