結合陜西省自然科學基金資助項目“連續行走作業機械功率自適應控制系統模型研究”(2007E221),針對目前一些冷銑刨機行走作業功率控制主要憑司機經驗人工控制造成了銑刨機的發動機功率利用率低、生產率不高及能耗比較大的使用情況,提出了“冷銑刨機功率自適應控制系統研究”的課題。本文所研究的功率自適應控制系統主要由三個子系統組成,一是最大功率或者最大生產率自適應控制子系統,該功能主要滿足發動機油門固定在最大位置,當外負荷的干擾超過控制器的設定值時對機器的作業速度進行控制,從而使發動機轉速平穩并保持額定功率輸出或者使機器能在最大生產率下工作;二是行走機構滑轉功率自適應控制系統,當機器在大負荷的工況下作業時其行走機構的阻力非常大,此時一味的追求高生產率可能會使機器的滑轉率迅速增加,雖然此時能夠使發動機在額定工況下工作,但是這時機器的輪胎磨損嚴重,滑轉功率損失增加,并且其作業速度并沒有明顯的增加,在此種工況下通過滑轉功率自適應控制系統將銑刨機行走機構的滑轉率控制在最佳滑轉率上,以提高機器的生產率,降低機器的功率損失;三是發動機變功率自適應控制子系統,當冷銑刨機在小負荷下工作時,面臨著即使把行走變量泵的排量加到最大,其發動機的功率仍然得不到充分利用的工況。此時還把發動機油門固定在最大位置勢必會增加燃油的消耗,此種工況下由發動機變功率控制子系統完成發動機的油門開度控制,使發動機輸出功率與機器實際消耗的功率相匹配,以減小油耗。由上述內容可以看出,“冷銑刨機功率自適應控制系統研究”課題旨在采用自適應控制的理論、方法和技術對銑刨機消耗的功率進行自動控制,充分發揮機器的裝機功率,提高功率利用率,降低功率消耗和功率損失,充分發揮機器能力和提高生產率以及作業效率,提高機器的可靠性和壽命,降低機器的燃油消耗。本文以冷銑刨機功率自適應控制系統為研究對象,對系統進行了數學建模、硬件設計、軟件設計、系統仿真和樣機試驗等研究工作,主要研究工作如下: 1.通過查閱大量的國內外文獻,總結了冷銑刨機的技術發展和機電一體化過程,分析了機器功率自適應的發展歷程,介紹了目前國內外冷銑刨機的控制方式和相關產品,分析了國產小型冷銑刨機的功率控制技術研究與應用現狀。進而提出了在冷銑刨機功率自適應控制的過程中,不僅要考慮發動機輸出功率的控制,同時也要考慮機器作業過程中行走機構滑轉率和發動機油門開度控制的研究方案。 2.對冷銑刨機功率自適應控制理論及原理進行了系統地分析。詳細闡述了本文所研究功率自適應的控制原理及理論依據,分析了冷銑刨機發動機、作業裝置及行走機構所消耗功率的影響因素,提出了以銑刨機作業速度作為主控參數的結論;并分析了功率自適應控制對已有冷銑刨機功率使用的影響。在回顧傳統性能參數匹配的基礎上,對功率自適應控制系統對冷銑刨機傳統性能參數匹配的影響進行闡述和理論證明。 3.冷銑刨機功率自適應控制系統的設計和系統實時運行必須以一定的系統模型為基礎,論文利用理論分析和參考相關試驗數據相結合的方法,推導、建立了冷銑刨機整機系統的數學模型,主要包括發動機的模型、行走機構的模型、作業裝置的模型、油門執行器模型等。根據對模型的仿真表明該模型有著良好的動靜態性能,能夠對銑刨機的作業過程進行相關仿真研究。 4.系統研究了冷銑刨機功率自適應控制系統的各個功能模塊,文中根據銑刨機的作業特性,分別闡述了各個功能模塊的工作原理,重點闡述了功率控制、油門開度控制及行走機構滑轉率控制的電路工作原理。并對相應功能模塊的控制電路進行了設計,對各電路中的電器元件選擇進行了介紹。室內調試的結果表明該設計能夠滿足功率自適應的功能要求。 5.結合所建立的冷銑刨機整機數學模型,對傳統的PID控制及其控制效果進行簡單介紹,并對近年來流行的幾種人工智能控制算法進行了比較,重點對模型參考模糊自適應控制與單神經元自適應控制進行了研究,并給出了這幾種控制算法應用于本系統的仿真結果。根據對各種控制算法優缺點的比較及冷銑刨機控制的需要,選擇了模型參考單神經元自適應控制算法。在研究控制算法的基礎上,對冷銑刨機功率自適應控制主要模塊的控制策略進行了研究,并給出了軟件設計的流程圖,提出了冷銑刨機作業過程中發動機油門開度、滑轉率及功率自適應三者的聯合控制策略。 6.基于冷銑刨機的系統結構及參數配置,利用本文研究的控制策略及控制算法,設計開發了具有實際應用價值的功率自適應控制系統。 7.對功率自適應控制系統進行了現場試驗,試驗結果表明:全功率自適應控制系統能夠滿足作業的需要,并對機器的生產率產生顯著影響,試驗結果與銑刨機功率自適應控制的原理相吻合。使用功率自適應控制前發動機要么出現輕載要么會出現過載的情況,這使發動機的功率很難充分發揮;使用功率自適應控制系統后,銑刨機完成起步后發動機大部分時間能夠工作在額定工況附近;使用功率自適應控制系統后,銑刨機的作業速度亦即生產率得到提升。在銑深4cm時提升了4.1%,在銑深為8cm時提升13.3%,而在銑刨深度為12cm時提升了43.9%之多。這說明所研究的功率自適應控制系統能夠用于提升機器的作業效率,與仿真中的負荷越大生產率提升越顯著的結論一致。