智能控制技術(shù)在工程機械上的應用概要演示教學

1、智能限制技術(shù)在工程機械上的應用一、智能限制技術(shù)概述限制技術(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)中得到了廣泛的應用.在空間技術(shù)開展的推動下,50年代又出現(xiàn)了以狀態(tài)空間法為主的現(xiàn)代限制理論,使限制技術(shù)得到了廣泛的開展,產(chǎn)生了更多的應用領(lǐng)域.60年代以來,隨著計算機技術(shù)的開展,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,這對自動限制技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn),也為其開展提供了條件,促進了智能理論在限制技術(shù)中的應用,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

2、造系統(tǒng)CIMS、復雜的工業(yè)過程限制系統(tǒng)、航天航空限制系統(tǒng)、社會經(jīng)濟治理系統(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:限制對象存在嚴重的不確定性,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)變化；限制對象具有高度的非線性特征;限制任務(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)劃和決策的水平,有自動躲避障礙到達目的地的水平.智能限制技術(shù)通常通過智能限制系統(tǒng)發(fā)揮作用.簡單地說,智能限制系統(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、柔性的限制問題,具有自學習、自適應、自組織的水平

3、.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)少量本K糊信息,依據(jù)一定的推理準那么進行思維就可以得出相當準確的或足夠近似的結(jié)論和限制策略.把智能限制技術(shù)應用在工程機械產(chǎn)品上,解決了傳統(tǒng)限制方法無法很好的適應多變復雜對象的難題.智能限制技術(shù)可以改變限制策略去適應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)選最佳的限制策略,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.智能限制技術(shù)在工程機械產(chǎn)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

4、限制技術(shù)在典型產(chǎn)品上的應用工程機械按作業(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)具有不均勻性和不標準性,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、標準的,而且工作裝置與介質(zhì)相互作用過程產(chǎn)生的負荷根本為穩(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、限制目標和策略由于機器的作業(yè)類別不同,不同類別機器的限制目標和限制策略也不相同.挖掘機的智能限制目標為節(jié)能環(huán)保、提升作業(yè)生產(chǎn)率而壓路機的目標為提升

5、路面壓實質(zhì)量和壓實效率當前挖掘機主要有兩種限制策略,一是負載適應限制另一種是動力適應控制.負載適應限制：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)以適應充分吸收和利用發(fā)動機的動力輸出,表達了按勞分配原那么.動力適應限制：發(fā)動機根據(jù)實際作業(yè)工況的需要提供動力輸出,表達了按需分配原那么.采用負載適應限制技術(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)動機輸出功率根本恒定,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)動機速度傳感限制技術(shù)ESS限制技術(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

6、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,防止發(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,這種限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.采用動力適應限制技術(shù)的挖掘機,采用自動限制模式,發(fā)動機根據(jù)作業(yè)要求和負載大小提供相應的動力輸出.也就是動力系統(tǒng)能夠自動適應工作系統(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)濟性最正確.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),

7、以便使作業(yè)效率與燃油消耗取得最正確平衡.挖掘機智能限制技術(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)的舉措,如自動怠速、自動加速、自學習、故障診斷和遠程限制等.智能壓路機的限制策略為：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限制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)尋求最正確解決方案,實現(xiàn)作業(yè)質(zhì)量目標要求.限制系統(tǒng)能夠根據(jù)預先設(shè)定的作業(yè)質(zhì)量目標要求,經(jīng)過連續(xù)地檢測和分析比照,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,是一切智能限制的出發(fā)點和落腳點.最正確壓實的決策過程需要考慮的外部條件比擬多,如環(huán)境溫度、瀝青

8、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晨o2、限制方法任何智能限制系統(tǒng)包含三個過程：信息采集:信息處理并做出決定思考與決策;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)中泵的限制壓力、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.挖掘機限制器根據(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)動機的最正確轉(zhuǎn)速.執(zhí)行決定的過程是由限制器驅(qū)動

9、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EVibMn/m2.而瀝青治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

10、方法,這種系統(tǒng)應用了一種新的瀝青硬度計算模型.瀝青治理者能自動地測量和限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)揮壓路機最正確壓實性能.連續(xù)不斷地測量瀝青溫度并參加到管理系統(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限制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫知識庫,通過分析比擬、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)比擬復雜,實現(xiàn)起來較困難.3、典型應用實例智能限制技術(shù)在工程機械上的應用大大提升了產(chǎn)品的作業(yè)質(zhì)量和

11、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.智能限制技術(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用.目前國外一些主要挖掘機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上安裝的發(fā)動機限制系統(tǒng)和主泵限制系統(tǒng),能以最有效的方式使發(fā)動機的有效功率適應液壓系統(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)限制主泵的輸出功率；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)速自動限制系統(tǒng)AEC起作用,自動降低發(fā)動機轉(zhuǎn)速.美國凱斯公司CX系列分思考的智能挖掘機,采用了全權(quán)數(shù)字限

12、制FADEC發(fā)動機和獨創(chuàng)的精準液壓限制系統(tǒng)PCSTM,通過負荷感應系統(tǒng)由智能芯片限制發(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,自主選擇最正確動力完成工作.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正確平衡,從而在各種不同的施工應用中,機器能發(fā)揮出最正確的作業(yè)表現(xiàn).日本神鋼挖掘機配有ITCS自動限制操作系統(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)進行限制,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,從而提升作

13、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開展了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用了用于壓實狀態(tài)限制的測量技術(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)的限制,而不能限制壓路機本

14、身.BOMAG的第二代智能壓路機推出了用于測試、記錄和限制的Terrameter(t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,以及給出用于壓實限制的曲線和列表.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,來限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

15、司在第三代壓路機中引入了兩個新技術(shù),即TcrramcterBTM?E和Varicontrol.Varicontrol單鋼輪振動壓路機上都裝有BTME系統(tǒng),駕駛?cè)藛T能預設(shè)5個Evib值(45,80,100,120,15OMn/m2)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EVib(Mn/m2).與Omega值不同,Evib根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

16、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,即壓實治理系統(tǒng)C.mpact1.nManagementBCM03,BCM03壓實治理系統(tǒng)被作為BTM?£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/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機上,用BCMWIN壓實治理程序在windows上進行分析處理.BCM03有以下四個特點：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；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；實現(xiàn)了壓路機與計