电气技术的发展方向讲义

关于工程机械控制技术的发展方向主讲人:唐楚舒内容提要：一、智能化控制技术与传统控制技术的比较。二、探讨路面工程机械智能化的技术发展方向，以及自动控制理论和测控技术的发展将会对工程机械产生哪些有典型特征的影响。三、GPS/GSM在工程机械监控中的应用。如：定位、防盗、远程控制等。四、探讨工程机械普遍存在的多任务、多变量、大滞后的对液压系统的控制方法（以摊铺机的行走、输分料位控制为例）。一、智能化控制技术与传统控制技术的比较1.1自动控制理论与技术的3个阶段1.2智能控制(IntelligentControl)的提出1.3智能控制体系1.4智能控制的基本特点1.5智能控制的主要方法1.6智能控制的实现基础与支持1.7智能控制与传统控制的关系和比较1)、经典控制

2)、现代控制3)、智能控制1.1、自动控制理论与技术的3个阶段在1971年，由傅京逊(King-SunFu)提出。文章题目：“学习控制系统和智能控制系统：人工智能与自动控制的交叉”，提出了智能控制就是人工智能与自动控制的交叉的“二元论”思想，列举了三种智能控制系统(3种形式、3个方向)：人作为控制器的控制系统、人机结合作为控制器的控制系统、无人参与的智能控制系统，如自主机器人。

1.2智能控制(IntelligentControl)的提出★对“智能控制”这一术语还没有确切的定义；理论仍在完善，技术应用一直在蓬勃发展。★

1985年，IEEE（电气和电子工程师协会）在美国纽约召开了第一届智能控制学术会议，集中讨论了智能控制的原理和系统结构等问题，标志着这一新的体系的形成。1.3智能控制体系(1)应能对复杂系统(如非线性、快时变、复杂多变量、环境扰动等)进行有效的全局控制，并具有较强的容错能力。(2)定性决策和定量控制相结合的多模态组合控制。(3)其基本目的是从系统的功能和整体优化的角度来分析和综合系统，以实现预定的目标，并具有自主组织能力。(4)同时具有以知识表示的非数学广义模型和以数学模型表示的混合控制过程，人的知识在控制中起着重要的协调作用，系统在信息处理上既有数学运算，又有逻辑和知识推理。1.4智能控制基本特点1)神经网络控制(NNC)2)模糊控制(FC)3)专家控制(EC)4)分级递阶智能控制(HIC)5)拟人智能控制(AHIC)6)集成智能控制7)组合智能控制方法1.5智能控制的主要方法(1)神经网络控制(2)模糊控制(3)专家控制(4)集成智能控制(5)组合智能控制目前智能控制研究的热点★计算机：实现核心智能控制是一有效的计算机程序。★控制问题软件化。1.6智能控制的实现基础与支持

1)、概述(1)传统控制得到了巨大的发展和应用。(2)传统控制具有明显的局限性。特别点：高度非线性、复杂系统、不确定性对象。传统控制将整个系统置于固定的控制算法和模型框架下，灵活性和应变能力较差。1.7智能控制与传统控制的关系和比较

2)、主要差异：智能控制和传统控制在应用领域、控制方法、知识获取和加工、系统描述、性能考核及执行等方面存在明显的不同。1.7智能控制与传统控制的关系和比较

二、探讨路面工程机械智能化的技术发展方向，以及自动控制理论和测控技术的发展将会对工程机械产生哪些有典型特征的影响。2.1总述2.2智能化的两个方向

2.3路面工程机械机群智能化（机群）2.4路面工程机械智能化（单机）自动控制理论和测控技术的发展对工程机械产生的主要影响就是推动和促进工程机械的智能化和机、电、液、信一体化。2.1总述单机智能化机群智能化2.2智能化的两个方向(有如人群之“团结协作”)参见第3部分GPS/GSM在工程机械中应用。以“最优”为目标，通过GPS/GSM/GIS技术手段，将工程项目中路面机械构建成一个“智能体”，利用智能化技术，实现资源配置、工作效率、工作质量的最优化。显然，单机智能化是机群智能化的基础。2.3路面工程机械机群智能化2.4.1机器人化：无人驾驶、自主作业2.4.2远程化(网络化)2.4.3智能控制2.4.4故障诊断智能化：2.4.5机、电、液、信一体化2.4.6信息化2.4.7虚拟化：计算机仿真、虚拟现实2.4.8人性化2.4路面工程机械智能化主要内容：无人驾驶、自主作业。1)、智能移动机器人2)、机器人技术在工程机械中的应用2.4.1机器人化(1)概念智能车辆（IV，IntelligentVehicle），又称室外移动机器人（OMR，OutdoorMobileRobot），它实际上是一个具有高度智能行为的自动化系统，是计算机、人工智能、机器人学、控制理论和电子技术等多学科交叉的产物，不仅有着诱人的应用领域和商业价值，而且对它的研究本身也是对智能化技术的挑战。它最早出现于20世纪80年代美国国防部高级研究计划署制订的“战略计算计划”任务书中。1)智能移动机器人(2)实例

国内已有的智能移动机器人：数家大学联合研制的“地面机器人”TAB－1、TAB－2，国防科技大学的无人驾驶车CITAVT－Ⅰ、CITAVT－Ⅴ，以及清华大学的智能移动机器人THMR－Ⅲ、THMR-V。1)智能移动机器人

(3)应用

智能移动机器人技术在智能交通，汽车安全辅助驾驶，物料的自动运输，车辆的自动或遥控驾驶，工厂、码头、仓库的巡逻、监视，危险、有毒、有害场所的监控、值守、排障、维修等方面有着广泛的应用前景。智能移动机器人技术的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。1)智能移动机器人(1)车辆行走控制：无人驾驶、辅助驾驶(2)工程作业控制：自主作业(3)应用实例：徐工-清华LTU125A摊铺机（863项目）、江麓-国防科技大学的无人驾驶振动压路机。

2)机器人技术在工程机械中的应用★远程化(网络化)：远程控制、远程诊断与维护、远程管理。★广义的远程化就是指人与机械异地。随着Internet的普及，工程机械的网络化和远程化成为可能，也是工程机械智能化发展的必然。基于Internet的工程机械网络化可以实现工程机械的远程监测与控制、远程故障诊断与维护、远程动态管理。结合虚拟现实技术可以建立虚拟现实系统实现异地实时监控。2.4.2远程化(网络化)

★智能控制：行走控制、恒速控制、作业(如摊铺、振动等)控制。

★智能控制主要体现在控制算法上。而控制算法(尤其是智能控制算法)是依靠计算机软件来实现。即智能控制在工程机械中的应用其实质就是机械控制问题软件化。采用智能控制理论及其控制算法是实现工程机械控制智能化的基本途径。2.4.3智能控制★主要是指基于多传感器的信息融合技术及专家系统的故障诊断技术，以实现故障诊断的自动化、智能化。★其关键技术主要有二：(1)高可靠性的传感器如温度、压力、角度、速度、加速度、力矩等。(2)故障识别技术主要有模式识别、专家系统方法、神经网络方法、模糊诊断方法等。2.4.4故障诊断智能化1)目标★工程机械机电液信一体化的基本目标是，引进具有良好控制性能和信息处理技术改造工程机械，实现工程机械机、电、液、信一体化，使工程机械成为有头脑(微机)、有感觉(传感器)、全身布滿神经(电线、光纤)、有血液(液压)、有手足和骨骼(机构与结构)的机电液信一体化系统。★即由起初扩展人的手足功能，到延伸人脑的思维、推理功能。

2.4.5机、电、液、信一体化机电液信一体化系统的主要特点是：(1)从个别部件单独控制发展到对整个系统所有部件全面综合控制。(2)从简单的操纵控制发展到复杂的智能化控制。2.4.5机、电、液、信一体化1)信息化概念及其由来2)工程机械的信息类别3)工程机械信息处理技术2.4.6信息化★工程机械信息化是一种面向信息时代的说法及概念，是机、电、液、信一体化概念的发展，也是智能化的表现或称同义词。★信息化概念的主要倡导者是同济大学机械学院的黄宗益教授。★(工程)机械的最初主要扩展人的手足功能，尤其解决了“动力”问题。工程机械被看作是“人类使用”的“工具”，设计与使用的出发点均源于此。传统的工程机械主要解决机械的动力、传动和运动问题。这种机械完全依靠人来进行操纵，对人的要求高，劳动强度高。1)信息化概念及其由来(1)任何工程机械在作业过程中都要求机械、环境和人三者的统一，需要检出和处理来自这三方面的信息。(2)现场环境、作业对象和作业情况等信息(3)机械状态信息(4)人机沟通信息

2)工程机械的信息类别(1)信息的检出技术（传感器和测量技术）(2)信息转换技术(3)信息传递技术(通信技术)(4)信息处理技术3)工程机械信息处理技术★计算机仿真技术是虚拟现实的重要手段之一。利用计算机仿真技术来虚拟工程施工的全过程，再依据其仿真结果进一步优化施工方案，为工程具体的施工做好全面的安排。虚拟现实技术是对工程施工进行分析与控制的一种手段，是对实际施工过程的一种动态仿真，为机群的多种组合寻找最佳配置。随着GPS全球定位系统和GIS地理信息系统的发展，对地理位置、工程施工的虚拟现实技术显示越来越重要。2.4.7虚拟化:计算机仿真、虚拟现实★基于虚拟原型的虚拟现实技术是研发前期的一个很重要的技术和手段（仿真测试）。2.4.7虚拟化:计算机仿真、虚拟现实1)最大程度地降低机械对人的依赖性。2)最大程度地提高机械对人的舒适性。3)最大程度地减少机械对环境的破坏性。4)以人为本，改变工程机械的形象。2.4.8人性化

3.1GPS发展3.2GPS主要技术结果3.3GPS一般应用3.4GSM：GlobeSystemforMobile3.5GPS/GSM在工程机械中应用三、GPS/GSM在工程机械监控中的应用如：定位、防盗、远程控制等。GPS起源于USA(24star)，俄罗斯已有(9star)，但受经济影响进展较慢；欧盟伽利略（Galileo）正在筹建；中国北斗导航系统在研制和完善之中。GPS已发展为军、民两用专用IC、OEM板：日益成熟及广泛应用。3.1GPS发展

直接采集位置信息(经纬度)(如车辆、手机及其他装置)；间接获取速度、方向、时间信息。3.2GPS主要技术结果★车辆定位与导航，如交通车辆定位与导航、城市交通管理、物流监控；★人们日常生活，如旅游、探险；★当然，最广应用是军事。

3.3GPS一般应用

GSM：GlobeSystemforMobileCommunications（手机通讯网络）。工程应用主要是利用它传送数据，如工程机械的设备状态参数、工作参数和运行命令等。

3.4GSM一般结合GIS应用(GeographicInformationSystem)。1)主要应用：单机2)特别应用：机群3)应用系统核心4)主要作用

3.5GPS/GSM在工程机械中的应用单台车辆(装载机、自卸车、摊铺机、压路机等路面机械)的定位(可到cm级)、防盗、远程控制、导航(特：无人驾驶)、远程故障诊断与远程维护。

1)主要应用★工程机械机群智能化机群：装载机、自卸车、摊铺机、压路机、搅拌站等。★主要目标：实现最优资源配置、最优工作效率、最佳工作质量的同步施工智能化调度与运行。

2)特别应用车载系统：GPS接收机、通信模块、计算机系统主控中心：通信模块、计算机系统、GIS通信：可采取GSM方式。也可其他无线方式：卫星(价贵)、自建短波网(范围小、组网麻烦)。

3)应用系统核心GPS在工程施工中的主要作用是用于显示各工程机械的工作位置，向中央控制系统发送各车辆的位置信息、地理信息，以便中央控制系统对工程进行智能管理，它是机群控制体系得以技术支持之一。

4)主要作用四、探讨工程机械普遍存在的多任务、多变量、大滞后的对液压系统的控制方法以摊铺机的行走、输分料位控制为例★工程机械由于作业对象和作业环境变化多端，其控制问题往往不能通过简单的PID控制方式来解决。★工程机械的机械、液压系统一般较为庞大，因此机器本身具有很大的惯性质量，本身也包含着许多非线性因素，控制系统动态特性