智能控制技術(shù)在工程機械控制中的應(yīng)用研究*

薛知言

（蘇州市職業(yè)大學，江蘇 蘇州 215000）

0 引言

隨著我國機械制造業(yè)的高速發(fā)展，工程機械需求數(shù)量不斷攀升，但是以往工程機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)，其在工程機械控制中的創(chuàng)新應(yīng)用，有助于提升機械作業(yè)效率，且能顯著減少安全事故[1]。當前，工程機械控制領(lǐng)域的“智能化”，主要是借助智能設(shè)備將諸多信息因素進行整合和分析，比如物料、機械運轉(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械的運行參數(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)在工程機械控制領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在推土機、壓路機、挖掘機、起重機等方面，智能控制技術(shù)顯著提升了工程機械智能化和自動化水平，極大地提高了機械使用壽命。與此同時，智能控制技術(shù)和工程機械控制的深度融合，有助于緩解控制操作人員的工作強度和壓力，實現(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)，其在工程機械控制領(lǐng)域中應(yīng)用的主要原理就是讓機械在運行過程中可感知外界信息要素的變化情況，在此基礎(chǔ)上進行收集、分析及整合，控制智能動態(tài)化，促使工程機械長期處于穩(wěn)定運行狀態(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)和工程機械的有機銜接，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)進行處理。在完成以上環(huán)節(jié)后，智能系統(tǒng)會科學合理做好決策和控制執(zhí)行，從而實現(xiàn)工程機械的智能化控制[2]。譬如，人們常見的挖掘機，智能化控制技術(shù)的應(yīng)用主要集中在液壓系統(tǒng)，精準化識別各項液壓參數(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)上就是一個計算機智能系統(tǒng)，主要是涵蓋了諸多行業(yè)專家的知識理論和實踐技能。在工程機械控制過程中，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)就是整合了大量機械控制專業(yè)知識和經(jīng)驗的計算機程序，能夠全面仿真人類專家的大部分決策，對解決工程機械控制的實際問題具有重要實踐意義[3]。現(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行控制；后者側(cè)重于通過控制器參數(shù)進行系統(tǒng)控制。

2）智能控制技術(shù)中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要是運用了神經(jīng)元模型，且通過相應(yīng)的標準規(guī)則進行銜接，最終形成一套系統(tǒng)的智能化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。當然，這種智能化控制系統(tǒng)本質(zhì)上屬于數(shù)據(jù)運算模型，由諸多的控制節(jié)點連接形成，同時每一個控制節(jié)點均屬于激勵函數(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，并進行神經(jīng)元傳遞，當然，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制體系的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，功能也較容易實現(xiàn)。實踐證明，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在工程機械領(lǐng)域具有很強的適應(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，實現(xiàn)工程機械的智能化控制。相比于其他控制技術(shù)，具有自學習、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)在工程機械控制中的應(yīng)用不是單純的數(shù)學數(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算法進行智能化控制。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)主要對語言輸入進行定量化和模糊化，在此基礎(chǔ)上通過模糊規(guī)則進行推理，最終進行定量化輸出，從而控制機械。

2 智能控制技術(shù)在工程機械控制中的應(yīng)用研究

現(xiàn)階段，根據(jù)我國工程領(lǐng)域投入的各類機械，基于自身使用屬性和應(yīng)用目的可以將工程機械分為兩個類別。第一大類機械在作業(yè)過程中對機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。這類工程機械在控制時更加關(guān)注于機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。第二大類就是機械作業(yè)時對施工質(zhì)量和施工條件有著明確的要求的機械設(shè)備。此種類型的機械設(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、壓路機、挖掘機、起重機等也分屬這兩類設(shè)備。

2.1 智能控制技術(shù)在挖掘機中的應(yīng)用

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

此外，目前挖掘機技術(shù)人員可以根據(jù)機械作業(yè)時的負載情況，通過智能控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)主泵的功率輸出，實現(xiàn)對挖掘機燃油量的最佳控制。與此同時，智能控制技術(shù)在應(yīng)用實踐過程中，還可以動態(tài)調(diào)節(jié)機械設(shè)備的節(jié)氣門變化，從而明顯提升挖掘機作業(yè)時的穩(wěn)定性。挖掘機在作業(yè)時，工程項目區(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，明顯降低機械設(shè)備運行速度，實現(xiàn)挖掘機作業(yè)時的智能化控制[6]?，F(xiàn)階段，智能控制技術(shù)中的ITCS系統(tǒng)是在挖掘機中運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作業(yè)時的類型和條件，實時監(jiān)控機械發(fā)動機的運行狀態(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)動機轉(zhuǎn)速和輸出功率。

2.2 智能控制技術(shù)在壓路機中的應(yīng)用

智能控制技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于挖掘機控制當中，同樣也對工程壓路機的機械控制起到至關(guān)重要的作用。早期，壓路機智能控制技術(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)底在于對壓路機的加速度無法精準化控制。隨著科學技術(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)在壓路機中應(yīng)用的最大優(yōu)勢是能夠及時對數(shù)據(jù)進行動態(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)未達到預(yù)期的標準，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，為路段壓實質(zhì)量提供充分保障。

2.3 智能控制技術(shù)在起重機中的應(yīng)用

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

當然，智能化控制技術(shù)在起重機控制中的應(yīng)用，不光體現(xiàn)在抓斗上，同樣能對機械設(shè)備其他的構(gòu)件實現(xiàn)智能化控制。變頻調(diào)速和PLC是起重機最為廣泛應(yīng)用的智能化控制手段。具體而言，在起重機中安裝變頻調(diào)速智能控制系統(tǒng)，結(jié)合實際的作業(yè)條件，自動變頻調(diào)速起重機設(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)角度進行分析，核心要義就是能夠顯著提升起重機設(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械設(shè)備的各工序環(huán)境進行語言編碼，提高起重機設(shè)備操作的標準化和流程化，同時智能控制起重機本身設(shè)備性能和負載程度，從而保證機械設(shè)備的安全性和使用年限[8]。當然，專家系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)一般會用在先進的起重機設(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)操作人員的指令進行數(shù)據(jù)化，在定量處理基礎(chǔ)上，最終實現(xiàn)控制的微操作。同時，還有一些起重機設(shè)備安裝了自診斷系統(tǒng)，在作業(yè)時能夠結(jié)合運行狀態(tài)及時進行故障診斷，充分保證各項運行參數(shù)的精準化控制。

2.4 智能控制技術(shù)在推土機中的應(yīng)用

一般情況下，推土機作業(yè)環(huán)境相對較差，危險程度高，若操作控制不當很容易發(fā)生安全事故。因此，為進一步提升推土機的作業(yè)效率和安全性能，運用智能化控制技術(shù)一定程度上緩解了以上問題的發(fā)生。眾所周知，傳統(tǒng)的推土機作業(yè)方式主要是機械設(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)強度大、投入成本高等明顯劣勢。若機械設(shè)備人員和測量人員配合出現(xiàn)問題，會嚴重制約著工程項目的整體質(zhì)量。目前，智能控制技術(shù)中的激光2D智能找平系統(tǒng)在推土機控制中最為常見，主要是利用激光發(fā)射器在施工項目作業(yè)區(qū)高程位置建立水平面或者坡面，并安裝到推土機智能接收終端設(shè)備上，從而精確定位和測量基準面的高程差。此外，推土機激光接收器能夠?qū)崟r接收外部環(huán)境因素數(shù)據(jù)，全面掌握推土機的位置及高程差，從而智能化控制推土機設(shè)備的高效運轉(zhuǎn)。與此同時，智能控制技術(shù)組在推土機設(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，在某個建筑工程項目上，在推土機內(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%，機械可靠性提升了14.2%，機械安全性12.3%。

3 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，工程機械領(lǐng)域得到了前所未有的發(fā)展機遇。智能控制技術(shù)和機械設(shè)備的有機融合，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踐作用。具體而言，智能化手段顯然已成為工程機械發(fā)展的主流趨勢，因此，如何利用智能化控制技術(shù)實現(xiàn)推土機、起重機等設(shè)備自動化控制是當前亟需解決的關(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)的工程機械設(shè)備控制轉(zhuǎn)型升級奠定了堅實的基礎(chǔ)，朝著智能化方向發(fā)展。因此，以推土機、壓路機、挖掘機或起重機等機械設(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械領(lǐng)域的高質(zhì)量發(fā)展。