智能控制技術(shù)在工程機(jī)械控制中的應(yīng)用研究*

薛知言

（蘇州市職業(yè)大學(xué)，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國機(jī)械制造業(yè)的高速發(fā)展，工程機(jī)械需求數(shù)量不斷攀升，但是以往工程機(jī)械控制方式顯然無法滿足復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，且作業(yè)效率低，無法滿足行業(yè)發(fā)展需求?，F(xiàn)階段，社會群體逐漸將目光轉(zhuǎn)向智能控制技術(shù)，其在工程機(jī)械控制中的創(chuàng)新應(yīng)用，有助于提升機(jī)械作業(yè)效率，且能顯著減少安全事故[1]。當(dāng)前，工程機(jī)械控制領(lǐng)域的“智能化”，主要是借助智能設(shè)備將諸多信息因素進(jìn)行整合和分析，比如物料、機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)、現(xiàn)場人員、自然環(huán)境等，在此基礎(chǔ)上，控制人員有效識別工程機(jī)械的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)。若出現(xiàn)異常就會及時報警，最大限度保證機(jī)械設(shè)備的智能化水平。

現(xiàn)階段，智能控制技術(shù)在工程機(jī)械控制領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在推土機(jī)、壓路機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)等方面，智能控制技術(shù)顯著提升了工程機(jī)械智能化和自動化水平，極大地提高了機(jī)械使用壽命。與此同時，智能控制技術(shù)和工程機(jī)械控制的深度融合，有助于緩解控制操作人員的工作強(qiáng)度和壓力，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的智能化采集、處理及分析，從而做出最佳的決策。

1 智能控制技術(shù)概述

1.1 智能控制技術(shù)

所謂智能控制技術(shù)，其在工程機(jī)械控制領(lǐng)域中應(yīng)用的主要原理就是讓機(jī)械在運(yùn)行過程中可感知外界信息要素的變化情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行收集、分析及整合，控制智能動態(tài)化，促使工程機(jī)械長期處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。具體而言，在控制過程中，智能控制系統(tǒng)可動態(tài)獲取外部信息，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)感知能力，若外界環(huán)境因子發(fā)生變化，即可完成局部調(diào)整。與此同時，智能控制技術(shù)和工程機(jī)械的有機(jī)銜接，還側(cè)重于智能地識別和思維判斷數(shù)據(jù)信息，從海量的數(shù)據(jù)信息中提取有益數(shù)據(jù)，并及時儲存在控制系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行處理。在完成以上環(huán)節(jié)后，智能系統(tǒng)會科學(xué)合理做好決策和控制執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的智能化控制[2]。譬如，人們常見的挖掘機(jī)，智能化控制技術(shù)的應(yīng)用主要集中在液壓系統(tǒng)，精準(zhǔn)化識別各項(xiàng)液壓參數(shù)，主要包括輸油壓力、最大工作壓力、額定工作壓力、最大流量、額定流量、最少穩(wěn)定流量速度、溫度、受力、磨損及行程等，且動態(tài)檢測導(dǎo)手柄位移情況與系統(tǒng)流量，最大限度防止因故障而出現(xiàn)無法運(yùn)行的情況。

1.2 智能控制技術(shù)的主要類型

目前，智能控制技術(shù)在工程機(jī)械控制中應(yīng)用類型主要集中在三個方面：專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制技術(shù)。具體敘述如下。

1）智能控制技術(shù)中的專家系統(tǒng)本質(zhì)上就是一個計(jì)算機(jī)智能系統(tǒng)，主要是涵蓋了諸多行業(yè)專家的知識理論和實(shí)踐技能。在工程機(jī)械控制過程中，若操作人員出現(xiàn)問題，可有效及時解決。從此角度來看，專家系統(tǒng)就是整合了大量機(jī)械控制專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)程序，能夠全面仿真人類專家的大部分決策，對解決工程機(jī)械控制的實(shí)際問題具有重要實(shí)踐意義[3]?，F(xiàn)階段，專家系統(tǒng)主要分為直接控制和間接控制兩個方面，前者側(cè)重于通過仿真專家的知識進(jìn)行控制；后者側(cè)重于通過控制器參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)控制。

2）智能控制技術(shù)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是運(yùn)用了神經(jīng)元模型，且通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則進(jìn)行銜接，最終形成一套系統(tǒng)的智能化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當(dāng)然，這種智能化控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于數(shù)據(jù)運(yùn)算模型，由諸多的控制節(jié)點(diǎn)連接形成，同時每一個控制節(jié)點(diǎn)均屬于激勵函數(shù)，最終構(gòu)建系統(tǒng)的邏輯關(guān)系。一般情況下，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一個神經(jīng)元都會受到上一層次的指令輸入，并進(jìn)行神經(jīng)元傳遞，當(dāng)然，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制體系的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，功能也較容易實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐證明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程機(jī)械領(lǐng)域具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化動態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的控制行為，主要是采取調(diào)整權(quán)值的方式，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的智能化控制。相比于其他控制技術(shù)，具有自學(xué)習(xí)、聯(lián)想儲存、高速化解、使用空間等方面的能力[4]。

3）智能控制技術(shù)中的模糊控制技術(shù)是當(dāng)前最為普遍的一種智能化控制手段，具有鮮明的特征。一是模糊控制技術(shù)在工程機(jī)械控制中的應(yīng)用不是單純的數(shù)學(xué)數(shù)據(jù)模型，而是更加現(xiàn)代化的語言變量；二是模糊控制主要采取了附加條件的形式進(jìn)行語言變量的識別和描述；三是模糊控制技術(shù)主要是采取了模糊運(yùn)算法進(jìn)行智能化控制。具體而言，從模糊控制技術(shù)三個方面的特征可以發(fā)現(xiàn)，智能化控制系統(tǒng)主要對語言輸入進(jìn)行定量化和模糊化，在此基礎(chǔ)上通過模糊規(guī)則進(jìn)行推理，最終進(jìn)行定量化輸出，從而控制機(jī)械。

2 智能控制技術(shù)在工程機(jī)械控制中的應(yīng)用研究

現(xiàn)階段，根據(jù)我國工程領(lǐng)域投入的各類機(jī)械，基于自身使用屬性和應(yīng)用目的可以將工程機(jī)械分為兩個類別。第一大類機(jī)械在作業(yè)過程中對機(jī)械控制操作及使用要求不太高，且作業(yè)界面和環(huán)境因素整體上呈現(xiàn)不均勻性，同時作業(yè)時施工荷載也在動態(tài)發(fā)生變化。這類工程機(jī)械在控制時更加關(guān)注于機(jī)械本身的能耗及作業(yè)效率，并將其作為控制效率的衡量指標(biāo)。第二大類就是機(jī)械作業(yè)時對施工質(zhì)量和施工條件有著明確的要求的機(jī)械設(shè)備。此種類型的機(jī)械設(shè)備在施工過程中作業(yè)界面和環(huán)境因素整體上較為規(guī)范化并呈現(xiàn)均勻性，同時作業(yè)時施工荷載一般也不會發(fā)生變化[5]。而下文所研究的推土機(jī)、壓路機(jī)、挖掘機(jī)、起重機(jī)等也分屬這兩類設(shè)備。

2.1 智能控制技術(shù)在挖掘機(jī)中的應(yīng)用

現(xiàn)階段，智能控制技術(shù)在挖掘機(jī)控制中的應(yīng)用主要是采取負(fù)荷控制和功率控制。就負(fù)荷控制而言，主要是根據(jù)工程任務(wù)按勞分配的原則。由于挖掘機(jī)發(fā)動機(jī)要保證長期且穩(wěn)定的輸出功率，需要智能控制技術(shù)對挖掘機(jī)負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)功率輸出。從功率控制角度進(jìn)行分析，主要是根據(jù)實(shí)際進(jìn)行分配的原則。當(dāng)發(fā)動機(jī)的功率控制與實(shí)際作業(yè)狀態(tài)有效銜接時，能夠最大限度保證在工程項(xiàng)目區(qū)挖掘機(jī)有著持續(xù)的動力輸出。實(shí)踐證明，智能化技術(shù)在挖掘機(jī)控制中的應(yīng)用，能提升機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率和質(zhì)量。

此外，目前挖掘機(jī)技術(shù)人員可以根據(jù)機(jī)械作業(yè)時的負(fù)載情況，通過智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主泵的功率輸出，實(shí)現(xiàn)對挖掘機(jī)燃油量的最佳控制。與此同時，智能控制技術(shù)在應(yīng)用實(shí)踐過程中，還可以動態(tài)調(diào)節(jié)機(jī)械設(shè)備的節(jié)氣門變化，從而明顯提升挖掘機(jī)作業(yè)時的穩(wěn)定性。挖掘機(jī)在作業(yè)時，工程項(xiàng)目區(qū)作業(yè)條件無需過多的液壓油，則智能控制系統(tǒng)對識別工況，明顯降低機(jī)械設(shè)備運(yùn)行速度，實(shí)現(xiàn)挖掘機(jī)作業(yè)時的智能化控制[6]。現(xiàn)階段，智能控制技術(shù)中的ITCS系統(tǒng)是在挖掘機(jī)中運(yùn)用最廣泛的智能控制模塊。該智能模塊主要原理就是利用模糊控制智能識別挖掘機(jī)作業(yè)時的類型和條件，實(shí)時監(jiān)控機(jī)械發(fā)動機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，有效識別和分析智能模塊反饋的數(shù)據(jù)，及時調(diào)整發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率。

2.2 智能控制技術(shù)在壓路機(jī)中的應(yīng)用

智能控制技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于挖掘機(jī)控制當(dāng)中，同樣也對工程壓路機(jī)的機(jī)械控制起到至關(guān)重要的作用。早期，壓路機(jī)智能控制技術(shù)主要簡單包含了顯示儀器、傳感器設(shè)備及電子單元等部分。壓路機(jī)作業(yè)過程中很容易受到工程區(qū)的施工條件影響，歸根結(jié)底在于對壓路機(jī)的加速度無法精準(zhǔn)化控制。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，智能控制技術(shù)解決了加速度無法精準(zhǔn)化控制的問題。最為常見的就是BCMO3智能控制系統(tǒng)。該智能化控制系統(tǒng)在壓路機(jī)中應(yīng)用的最大優(yōu)勢是能夠及時對數(shù)據(jù)進(jìn)行動態(tài)識別，查找問題并及時解決。一般情況下，BCMO3智能控制系統(tǒng)對收集和識別的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過智能化傳送技術(shù)將識別結(jié)果輸入到客戶端，若工藝參數(shù)未達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，顯示器及時將故障反映處理，這無疑對后期維修及延長設(shè)備壽命具有重要作用[7]。同時，智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以確保將所壓路段的情況及時反饋在顯示器上，便于控制人員及時觀察，為路段壓實(shí)質(zhì)量提供充分保障。

2.3 智能控制技術(shù)在起重機(jī)中的應(yīng)用

智能控制技術(shù)和起重機(jī)控制的有機(jī)融合，主要集中在深挖、開閉斗等作業(yè)內(nèi)容，保證起重機(jī)設(shè)備的受力均衡。因此，在采取智能控制技術(shù)時，立足于實(shí)際工況，實(shí)時定位和觀測記錄起重機(jī)的抓斗位置，在此基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)開閉斗的智能化控制。具體而言，為充分保證起重機(jī)工藝參數(shù)的精準(zhǔn)化是有效識別，智能控制技術(shù)實(shí)時校正和修正起重機(jī)的位置。在作業(yè)過程中，智能化控制系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)抓斗力矩的調(diào)整，較好地完成各類物料的精確抓取。

當(dāng)然，智能化控制技術(shù)在起重機(jī)控制中的應(yīng)用，不光體現(xiàn)在抓斗上，同樣能對機(jī)械設(shè)備其他的構(gòu)件實(shí)現(xiàn)智能化控制。變頻調(diào)速和PLC是起重機(jī)最為廣泛應(yīng)用的智能化控制手段。具體而言，在起重機(jī)中安裝變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)際的作業(yè)條件，自動變頻調(diào)速起重機(jī)設(shè)備不同的構(gòu)件，保證作業(yè)時設(shè)備的穩(wěn)定性。從PLC智能控制技術(shù)角度進(jìn)行分析，核心要義就是能夠顯著提升起重機(jī)設(shè)備控制系統(tǒng)的智能化，充分保證控制操作的自動化。尤其是PLC智能控制技術(shù)在應(yīng)用過程中能夠深度融合機(jī)械設(shè)備的各工序環(huán)境進(jìn)行語言編碼，提高起重機(jī)設(shè)備操作的標(biāo)準(zhǔn)化和流程化，同時智能控制起重機(jī)本身設(shè)備性能和負(fù)載程度，從而保證機(jī)械設(shè)備的安全性和使用年限[8]。當(dāng)然，專家系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)一般會用在先進(jìn)的起重機(jī)設(shè)備，構(gòu)建系統(tǒng)的智能化控制模塊。此類型模塊可根據(jù)操作人員的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)化，在定量處理基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)控制的微操作。同時，還有一些起重機(jī)設(shè)備安裝了自診斷系統(tǒng)，在作業(yè)時能夠結(jié)合運(yùn)行狀態(tài)及時進(jìn)行故障診斷，充分保證各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)的精準(zhǔn)化控制。

2.4 智能控制技術(shù)在推土機(jī)中的應(yīng)用

一般情況下，推土機(jī)作業(yè)環(huán)境相對較差，危險程度高，若操作控制不當(dāng)很容易發(fā)生安全事故。因此，為進(jìn)一步提升推土機(jī)的作業(yè)效率和安全性能，運(yùn)用智能化控制技術(shù)一定程度上緩解了以上問題的發(fā)生。眾所周知，傳統(tǒng)的推土機(jī)作業(yè)方式主要是機(jī)械設(shè)備人員和測量人員密切配合，智能化水平相對較低，且具有作業(yè)強(qiáng)度大、投入成本高等明顯劣勢。若機(jī)械設(shè)備人員和測量人員配合出現(xiàn)問題，會嚴(yán)重制約著工程項(xiàng)目的整體質(zhì)量。目前，智能控制技術(shù)中的激光2D智能找平系統(tǒng)在推土機(jī)控制中最為常見，主要是利用激光發(fā)射器在施工項(xiàng)目作業(yè)區(qū)高程位置建立水平面或者坡面，并安裝到推土機(jī)智能接收終端設(shè)備上，從而精確定位和測量基準(zhǔn)面的高程差。此外，推土機(jī)激光接收器能夠?qū)崟r接收外部環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，全面掌握推土機(jī)的位置及高程差，從而智能化控制推土機(jī)設(shè)備的高效運(yùn)轉(zhuǎn)。與此同時，智能控制技術(shù)組在推土機(jī)設(shè)備中的創(chuàng)新應(yīng)用，可摒棄傳統(tǒng)的人工操作方式，無需施工人員到現(xiàn)場進(jìn)行放線，只需要控制智能系統(tǒng)合理確定高程位置即可，且精確度可控制在厘米范圍。譬如，在某個建筑工程項(xiàng)目上，在推土機(jī)內(nèi)部設(shè)置激光發(fā)射器，操作室內(nèi)部設(shè)置激光接收器，施工作業(yè)效率明顯提高。相關(guān)參數(shù)如下：施工作業(yè)效率提升了23.1%，工程效益提升了19.4%，機(jī)械可靠性提升了14.2%，機(jī)械安全性12.3%。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，工程機(jī)械領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。智能控制技術(shù)和機(jī)械設(shè)備的有機(jī)融合，無疑對作業(yè)效率、工程效益、可靠性及安全性等方面具有重要實(shí)踐作用。具體而言，智能化手段顯然已成為工程機(jī)械發(fā)展的主流趨勢，因此，如何利用智能化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)推土機(jī)、起重機(jī)等設(shè)備自動化控制是當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵問題。充分發(fā)揮專家系統(tǒng)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制技術(shù)的顯著優(yōu)勢，構(gòu)建數(shù)據(jù)模型或者語言程序，根據(jù)實(shí)際情況，選擇合適的智能化控制技術(shù)，解決不同的控制問題。此外，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等技術(shù)的高速發(fā)展，智能控制技術(shù)為傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)備控制轉(zhuǎn)型升級奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，朝著智能化方向發(fā)展。因此，以推土機(jī)、壓路機(jī)、挖掘機(jī)或起重機(jī)等機(jī)械設(shè)備為研究對象，系統(tǒng)解讀了智能控制技術(shù)的具體應(yīng)用，旨在助力我國工程機(jī)械領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。