電氣技術(shù)的發(fā)展方向講義

關(guān)于工程機械控制技術(shù)的發(fā)展方向主講人:唐楚舒內(nèi)容提要：一、智能化控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)的比較。二、探討路面工程機械智能化的技術(shù)發(fā)展方向，以及自動控制理論和測控技術(shù)的發(fā)展將會對工程機械產(chǎn)生哪些有典型特征的影響。三、GPS/GSM在工程機械監(jiān)控中的應(yīng)用。如：定位、防盜、遠程控制等。四、探討工程機械普遍存在的多任務(wù)、多變量、大滯后的對液壓系統(tǒng)的控制方法（以攤鋪機的行走、輸分料位控制為例）。一、智能化控制技術(shù)與傳統(tǒng)控制技術(shù)的比較1.1自動控制理論與技術(shù)的3個階段1.2智能控制(IntelligentControl)的提出1.3智能控制體系1.4智能控制的基本特點1.5智能控制的主要方法1.6智能控制的實現(xiàn)基礎(chǔ)與支持1.7智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和比較1)、經(jīng)典控制

2)、現(xiàn)代控制3)、智能控制1.1、自動控制理論與技術(shù)的3個階段在1971年，由傅京遜(King-SunFu)提出。文章題目：“學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)和智能控制系統(tǒng)：人工智能與自動控制的交叉”，提出了智能控制就是人工智能與自動控制的交叉的“二元論”思想，列舉了三種智能控制系統(tǒng)(3種形式、3個方向)：人作為控制器的控制系統(tǒng)、人機結(jié)合作為控制器的控制系統(tǒng)、無人參與的智能控制系統(tǒng)，如自主機器人。

1.2智能控制(IntelligentControl)的提出★對“智能控制”這一術(shù)語還沒有確切的定義；理論仍在完善，技術(shù)應(yīng)用一直在蓬勃發(fā)展?！?/p>

1985年，IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會）在美國紐約召開了第一屆智能控制學(xué)術(shù)會議，集中討論了智能控制的原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等問題，標(biāo)志著這一新的體系的形成。1.3智能控制體系(1)應(yīng)能對復(fù)雜系統(tǒng)(如非線性、快時變、復(fù)雜多變量、環(huán)境擾動等)進行有效的全局控制，并具有較強的容錯能力。(2)定性決策和定量控制相結(jié)合的多模態(tài)組合控制。(3)其基本目的是從系統(tǒng)的功能和整體優(yōu)化的角度來分析和綜合系統(tǒng)，以實現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，并具有自主組織能力。(4)同時具有以知識表示的非數(shù)學(xué)廣義模型和以數(shù)學(xué)模型表示的混合控制過程，人的知識在控制中起著重要的協(xié)調(diào)作用，系統(tǒng)在信息處理上既有數(shù)學(xué)運算，又有邏輯和知識推理。1.4智能控制基本特點1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(NNC)2)模糊控制(FC)3)專家控制(EC)4)分級遞階智能控制(HIC)5)擬人智能控制(AHIC)6)集成智能控制7)組合智能控制方法1.5智能控制的主要方法(1)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制(2)模糊控制(3)專家控制(4)集成智能控制(5)組合智能控制目前智能控制研究的熱點★計算機：實現(xiàn)核心智能控制是一有效的計算機程序?！锟刂茊栴}軟件化。1.6智能控制的實現(xiàn)基礎(chǔ)與支持

1)、概述(1)傳統(tǒng)控制得到了巨大的發(fā)展和應(yīng)用。(2)傳統(tǒng)控制具有明顯的局限性。特別點：高度非線性、復(fù)雜系統(tǒng)、不確定性對象。傳統(tǒng)控制將整個系統(tǒng)置于固定的控制算法和模型框架下，靈活性和應(yīng)變能力較差。1.7智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和比較

2)、主要差異：智能控制和傳統(tǒng)控制在應(yīng)用領(lǐng)域、控制方法、知識獲取和加工、系統(tǒng)描述、性能考核及執(zhí)行等方面存在明顯的不同。1.7智能控制與傳統(tǒng)控制的關(guān)系和比較

二、探討路面工程機械智能化的技術(shù)發(fā)展方向，以及自動控制理論和測控技術(shù)的發(fā)展將會對工程機械產(chǎn)生哪些有典型特征的影響。2.1總述2.2智能化的兩個方向

2.3路面工程機械機群智能化（機群）2.4路面工程機械智能化（單機）自動控制理論和測控技術(shù)的發(fā)展對工程機械產(chǎn)生的主要影響就是推動和促進工程機械的智能化和機、電、液、信一體化。2.1總述單機智能化機群智能化2.2智能化的兩個方向(有如人群之“團結(jié)協(xié)作”)參見第3部分GPS/GSM在工程機械中應(yīng)用。以“最優(yōu)”為目標(biāo)，通過GPS/GSM/GIS技術(shù)手段，將工程項目中路面機械構(gòu)建成一個“智能體”，利用智能化技術(shù)，實現(xiàn)資源配置、工作效率、工作質(zhì)量的最優(yōu)化。顯然，單機智能化是機群智能化的基礎(chǔ)。2.3路面工程機械機群智能化2.4.1機器人化：無人駕駛、自主作業(yè)2.4.2遠程化(網(wǎng)絡(luò)化)2.4.3智能控制2.4.4故障診斷智能化：2.4.5機、電、液、信一體化2.4.6信息化2.4.7虛擬化：計算機仿真、虛擬現(xiàn)實2.4.8人性化2.4路面工程機械智能化主要內(nèi)容：無人駕駛、自主作業(yè)。1)、智能移動機器人2)、機器人技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用2.4.1機器人化(1)概念智能車輛（IV，IntelligentVehicle），又稱室外移動機器人（OMR，OutdoorMobileRobot），它實際上是一個具有高度智能行為的自動化系統(tǒng)，是計算機、人工智能、機器人學(xué)、控制理論和電子技術(shù)等多學(xué)科交叉的產(chǎn)物，不僅有著誘人的應(yīng)用領(lǐng)域和商業(yè)價值，而且對它的研究本身也是對智能化技術(shù)的挑戰(zhàn)。它最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代美國國防部高級研究計劃署制訂的“戰(zhàn)略計算計劃”任務(wù)書中。1)智能移動機器人(2)實例

國內(nèi)已有的智能移動機器人：數(shù)家大學(xué)聯(lián)合研制的“地面機器人”TAB－1、TAB－2，國防科技大學(xué)的無人駕駛車CITAVT－Ⅰ、CITAVT－Ⅴ，以及清華大學(xué)的智能移動機器人THMR－Ⅲ、THMR-V。1)智能移動機器人

(3)應(yīng)用

智能移動機器人技術(shù)在智能交通，汽車安全輔助駕駛，物料的自動運輸，車輛的自動或遙控駕駛，工廠、碼頭、倉庫的巡邏、監(jiān)視，危險、有毒、有害場所的監(jiān)控、值守、排障、維修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。智能移動機器人技術(shù)的研究具有重要的理論意義和實際應(yīng)用價值。1)智能移動機器人(1)車輛行走控制：無人駕駛、輔助駕駛(2)工程作業(yè)控制：自主作業(yè)(3)應(yīng)用實例：徐工-清華LTU125A攤鋪機（863項目）、江麓-國防科技大學(xué)的無人駕駛振動壓路機。

2)機器人技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用★遠程化(網(wǎng)絡(luò)化)：遠程控制、遠程診斷與維護、遠程管理?！飶V義的遠程化就是指人與機械異地。隨著Internet的普及，工程機械的網(wǎng)絡(luò)化和遠程化成為可能，也是工程機械智能化發(fā)展的必然?；贗nternet的工程機械網(wǎng)絡(luò)化可以實現(xiàn)工程機械的遠程監(jiān)測與控制、遠程故障診斷與維護、遠程動態(tài)管理。結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以建立虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)實現(xiàn)異地實時監(jiān)控。2.4.2遠程化(網(wǎng)絡(luò)化)

★智能控制：行走控制、恒速控制、作業(yè)(如攤鋪、振動等)控制。

★智能控制主要體現(xiàn)在控制算法上。而控制算法(尤其是智能控制算法)是依靠計算機軟件來實現(xiàn)。即智能控制在工程機械中的應(yīng)用其實質(zhì)就是機械控制問題軟件化。采用智能控制理論及其控制算法是實現(xiàn)工程機械控制智能化的基本途徑。2.4.3智能控制★主要是指基于多傳感器的信息融合技術(shù)及專家系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，以實現(xiàn)故障診斷的自動化、智能化?！锲潢P(guān)鍵技術(shù)主要有二：(1)高可靠性的傳感器如溫度、壓力、角度、速度、加速度、力矩等。(2)故障識別技術(shù)主要有模式識別、專家系統(tǒng)方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法、模糊診斷方法等。2.4.4故障診斷智能化1)目標(biāo)★工程機械機電液信一體化的基本目標(biāo)是，引進具有良好控制性能和信息處理技術(shù)改造工程機械，實現(xiàn)工程機械機、電、液、信一體化，使工程機械成為有頭腦(微機)、有感覺(傳感器)、全身布滿神經(jīng)(電線、光纖)、有血液(液壓)、有手足和骨骼(機構(gòu)與結(jié)構(gòu))的機電液信一體化系統(tǒng)?！锛从善鸪鯏U展人的手足功能，到延伸人腦的思維、推理功能。

2.4.5機、電、液、信一體化機電液信一體化系統(tǒng)的主要特點是：(1)從個別部件單獨控制發(fā)展到對整個系統(tǒng)所有部件全面綜合控制。(2)從簡單的操縱控制發(fā)展到復(fù)雜的智能化控制。2.4.5機、電、液、信一體化1)信息化概念及其由來2)工程機械的信息類別3)工程機械信息處理技術(shù)2.4.6信息化★工程機械信息化是一種面向信息時代的說法及概念，是機、電、液、信一體化概念的發(fā)展，也是智能化的表現(xiàn)或稱同義詞?！镄畔⒒拍畹闹饕珜?dǎo)者是同濟大學(xué)機械學(xué)院的黃宗益教授?！?工程)機械的最初主要擴展人的手足功能，尤其解決了“動力”問題。工程機械被看作是“人類使用”的“工具”，設(shè)計與使用的出發(fā)點均源于此。傳統(tǒng)的工程機械主要解決機械的動力、傳動和運動問題。這種機械完全依靠人來進行操縱，對人的要求高，勞動強度高。1)信息化概念及其由來(1)任何工程機械在作業(yè)過程中都要求機械、環(huán)境和人三者的統(tǒng)一，需要檢出和處理來自這三方面的信息。(2)現(xiàn)場環(huán)境、作業(yè)對象和作業(yè)情況等信息(3)機械狀態(tài)信息(4)人機溝通信息

2)工程機械的信息類別(1)信息的檢出技術(shù)（傳感器和測量技術(shù)）(2)信息轉(zhuǎn)換技術(shù)(3)信息傳遞技術(shù)(通信技術(shù))(4)信息處理技術(shù)3)工程機械信息處理技術(shù)★計算機仿真技術(shù)是虛擬現(xiàn)實的重要手段之一。利用計算機仿真技術(shù)來虛擬工程施工的全過程，再依據(jù)其仿真結(jié)果進一步優(yōu)化施工方案，為工程具體的施工做好全面的安排。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是對工程施工進行分析與控制的一種手段，是對實際施工過程的一種動態(tài)仿真，為機群的多種組合尋找最佳配置。隨著GPS全球定位系統(tǒng)和GIS地理信息系統(tǒng)的發(fā)展，對地理位置、工程施工的虛擬現(xiàn)實技術(shù)顯示越來越重要。2.4.7虛擬化:計算機仿真、虛擬現(xiàn)實★基于虛擬原型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)是研發(fā)前期的一個很重要的技術(shù)和手段（仿真測試）。2.4.7虛擬化:計算機仿真、虛擬現(xiàn)實1)最大程度地降低機械對人的依賴性。2)最大程度地提高機械對人的舒適性。3)最大程度地減少機械對環(huán)境的破壞性。4)以人為本，改變工程機械的形象。2.4.8人性化

3.1GPS發(fā)展3.2GPS主要技術(shù)結(jié)果3.3GPS一般應(yīng)用3.4GSM：GlobeSystemforMobile3.5GPS/GSM在工程機械中應(yīng)用三、GPS/GSM在工程機械監(jiān)控中的應(yīng)用如：定位、防盜、遠程控制等。GPS起源于USA(24star)，俄羅斯已有(9star)，但受經(jīng)濟影響進展較慢；歐盟伽利略（Galileo）正在籌建；中國北斗導(dǎo)航系統(tǒng)在研制和完善之中。GPS已發(fā)展為軍、民兩用專用IC、OEM板：日益成熟及廣泛應(yīng)用。3.1GPS發(fā)展

直接采集位置信息(經(jīng)緯度)(如車輛、手機及其他裝置)；間接獲取速度、方向、時間信息。3.2GPS主要技術(shù)結(jié)果★車輛定位與導(dǎo)航，如交通車輛定位與導(dǎo)航、城市交通管理、物流監(jiān)控；★人們?nèi)粘Ｉ?，如旅游、探險；★當(dāng)然，最廣應(yīng)用是軍事。

3.3GPS一般應(yīng)用

GSM：GlobeSystemforMobileCommunications（手機通訊網(wǎng)絡(luò)）。工程應(yīng)用主要是利用它傳送數(shù)據(jù)，如工程機械的設(shè)備狀態(tài)參數(shù)、工作參數(shù)和運行命令等。

3.4GSM一般結(jié)合GIS應(yīng)用(GeographicInformationSystem)。1)主要應(yīng)用：單機2)特別應(yīng)用：機群3)應(yīng)用系統(tǒng)核心4)主要作用

3.5GPS/GSM在工程機械中的應(yīng)用單臺車輛(裝載機、自卸車、攤鋪機、壓路機等路面機械)的定位(可到cm級)、防盜、遠程控制、導(dǎo)航(特：無人駕駛)、遠程故障診斷與遠程維護。

1)主要應(yīng)用★工程機械機群智能化機群：裝載機、自卸車、攤鋪機、壓路機、攪拌站等。★主要目標(biāo)：實現(xiàn)最優(yōu)資源配置、最優(yōu)工作效率、最佳工作質(zhì)量的同步施工智能化調(diào)度與運行。

2)特別應(yīng)用車載系統(tǒng)：GPS接收機、通信模塊、計算機系統(tǒng)主控中心：通信模塊、計算機系統(tǒng)、GIS通信：可采取GSM方式。也可其他無線方式：衛(wèi)星(價貴)、自建短波網(wǎng)(范圍小、組網(wǎng)麻煩)。

3)應(yīng)用系統(tǒng)核心GPS在工程施工中的主要作用是用于顯示各工程機械的工作位置，向中央控制系統(tǒng)發(fā)送各車輛的位置信息、地理信息，以便中央控制系統(tǒng)對工程進行智能管理，它是機群控制體系得以技術(shù)支持之一。

4)主要作用四、探討工程機械普遍存在的多任務(wù)、多變量、大滯后的對液壓系統(tǒng)的控制方法以攤鋪機的行走、輸分料位控制為例★工程機械由于作業(yè)對象和作業(yè)環(huán)境變化多端，其控制問題往往不能通過簡單的PID控制方式來解決?！锕こ虣C械的機械、液壓系統(tǒng)一般較為龐大，因此機器本身具有很大的慣性質(zhì)量，本身也包含著許多非線性因素，控制系統(tǒng)動態(tài)特性