（机械电子工程专业论文）基于dsp的超声波多探头自动找平控制系统研究.pdf

摘要 本文分析了当前国内外各种自动找平控制系统的工作原理和控制方式，将 c a n 总线技术应用到摊铺机自动找平系统中，构成分布式数据采集系统，以超声 波传感器为路面数据采集传感器，提出了基于d s p 的超声波多探头自动找平控制 系统控制方案，用t i 公司的t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 作为数字控制器的微控制器， 以p i c l 6 f 8 7 7 a 单片机为智能传感器节点的微控制器，完成了自动找平系统的硬 件电路设计和软件设计。在实现摊铺机的自动找平基本功能的基础上，重点采用 软硬件结合多重滤波的方法，解决了摊铺机自动找平系统易受外界干扰的问题； 对控制器进行了系统稳定性测试、系统抗干扰性能测试和系统功能测试等相关试 验，结果表明系统运行良好，能滤除摊铺机工作过程中的诸如单个石块、坑槽等 偶然因素的影响，抑制了系统的干扰问题，达到实际使用的要求，并且通过和接 触式自动找平系统的对比实验，验证了该自动找平系统在一定程度上提高了路面 平整度。基于d s p 的摊铺机超声波多探头自动找平控制系统的研究，为进一步开 发多功能高可靠性自动找平控制系统奠定了基础。 关键词：摊铺机自动找平数字控制器t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 智能传感器节点 超声波传感器 c a n _ b u s t h r o u g ht h ea n a l y s e so f t h ec o n t r o lm o d e o ft h ep a v e rl e v e l i n g s y s t e ma n dt h ew o r kt h e o r yo fa u t ol e v e l i n gc o n t r o ls y s t e m ，t h ec a nb u s i sa p p l i e dt ot h el e v e l i n gs y s t e mo fp a v e r ，i nw h i l et h ed i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e & c h o o s e du l t r a s o n i cs e n s o ra st h es a m p l i n g s e n s o ro fr o a dd a t a 。as p e c i f i ca n dr e a s o n 曲l ea u t ol e v e l i n gc o n t r o l s y s t e mw i t hu l t r a s o n i cm u l t i - p r o b eb a s e do nt h ed s ph a sb e e np u to u t i nt h ep a p e r ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h em a i nc o n t r o l l e ri s a c c o m p l i s h e sb yu t i l i z i n gt h et m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p a n dt h em i c r o c h i p c o m p u t e rp i c l 6 f 8 7 7 aa st h ei n t e l li g e n ts e n s o r i nt h eb a s eo fr e a li z i n g t h eb a s i cf u n c t i o no fa u t ol e v e l i n g ，i ti sa i m e da ts o l v i n gt h ep r o b l e m o ft h ec a p a b i l i t yf o rr e s i s t i n gt h ei n t e r f e r e f e r i n gs i g n a li nt h ep a p e r c o m b i n e dt h eh a r d w a r ef i l t e ra n dt h es o f t w a r ef i l t e r t h ee f f e c t o f i n t e r f e r e f e r i n gs i g n a li s e li m i n a t e d t h r o u g ht h e e x p e r i m e n t ，t h e f u n c t i o na n dt h ec o n t r o lc a p a b i l i t yo ft h ec o n t r o l l e ri sv a l i d a t e d i n c o n t r a s tw i t ht h ea u t ol e v e l i n gs y s t e mo fe o n t r a c t i n g ，t h el e v e l n e s so f r o a ds u r f a c ec a nb ei m p r o v e db yu s i n gt h ea u t ol e v e l i n gc o n t r o ls y s t e m w i t hu l t r a s o n i cm u l t i p r o b e t h r o u g ht h es t u d yo fa u t ol e v e l i n gd s p c o n t r o ls y s t e m , i ti sl a i dt h ef o u n d a t i o no ft h em u l t i p l ef u n c t i o na n d h i g hr e l i a b i l i t ya u t ol e v e l i n gc o n t r o ls y s t e ms t u d y k e y w o r d s ：p a v e r ：a u t ol e v e l i n g ：d i g i t a lc o n t r o l l e r ：t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i n t e l l i g e n ts e n s o rn o d e ； u l t r a s o n i c s e n s o r ：c a n _ b u s ； 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名 向牵撕 。年弓月弓日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 匍体& 。6 年孑月3 日 驯雌氢研口6 引月5 日 第一章绪论 1 1 摊铺机自动找平控制系统的选题背景 随着微电子技术和计算机技术的发展，数字控制系统在工程机械中得到更为 广泛的应用，基于微处理器或单片机的控制系统以及嵌入式控制系统在现代工程 机械中正在逐渐普及，并已成为施工质量的保证1 1 1 。国外一些公司已经研制出基 于微处理器的数字式自动找平系统控制器，并已成功应用到产品中，取得了比较 满意的效果；国内也有采用数字式自动找平控制器的。数字化自动找平系统的应 用，不仅提高了系统的控制精度，而且也提高了系统的综合技术性能。现场总线 技术的不断发展，使分布式控制系统得到广泛的应用，对于自动找平系统也产生 了一定的影响，如m o b a 公司研制的m o b a - 姒t i c 自动找平系统，就是将c a n 总线 技术应用到了自动找平系统中目前，非接触式自动找平系统已经成为自动找平 技术的主流，在这方面主要有两种技术，超声波找平技术和激光找平技术。基于 以上的讨论，本论文研究了超声波找平技术和超声波多探头自动找平控制器。 1 2 摊铺机自动找平控制系统在国内外的发展状况 1 2 1 自动找平控制系统的控制形式 自动找平控制系统的控制形式经历了一个由开关式到比例式最后到目前自 动找平控制系统常用的比例脉冲式控制的发展过程，下面对这三种控制形式嘲 分别进行说明。 1 开关式 开关式控制形式是以。开关”的方式进行调节，不管检测到的偏差大小。均 以恒速进行断续控制。这种系统存在着反应误差，因此必须设置一个调节“死区” ( 或称为起阻尼作用的。零区”) ，传感器越过死区后才有信号输出为了提高系 统的反应精确性，。死区”应尽量减小；但是系统是恒速调节的，如果“死区” 范围过窄，调节容易冲出“死区”而出现误差，即产生所谓的超调。超调需要反 方向的修正，这样在不断的超调和修正之间，系统就在“死区”附近来回的搜索 零点，使系统发生振荡，由此而影响到路面的平整度为了消除振荡所引起的系 统不稳定的缺陷，“死区”要足够宽，让系统在反向修正时可由最高值趋向于零 速，不会再冲向另一边但是“死区”过宽又降低了系统的精确度。所以要想在 这种系统上获得理想的找平效果，必须合理的确定“死区”的大小，正确解决。死 区”大小和控制精度之间的矛盾，才能保证精确的找平特性 2 比例式 比例式自控系统是根据偏差信号的大小，以相应的快慢速度进行连续的调 节。当系统偏差为零时，相应的调节速度也趋于零，因此在这种调节方式下，基 本上消除了系统因为超调而引起的振荡现象该系统可使得摊铺出来的路面十分 平整但是它对系统结构精度的要求高、造价也相对较高。 3 比例脉冲式 比例脉冲式自动控制系统是在开关式自控系统的“恒速调节区”和。死区4 之间设置一个。脉冲区”。脉冲信号根据偏差的大小成一定比例变化其变化方 式主要有改变脉冲宽度和频率两种。传感器检测出偏差信号进入脉冲区后，调节 器根据信号的大小，以不同宽度或频率的脉冲信号推动电磁阀动作，使得油缸工 作这种系统兼备了前两种系统的优点，大大缩小了“死区”的范围。可以使系 统的精度达到很高的标准，而且价格低廉、经久耐用，是目前摊铺机中主要使用 的自动找平控制方式 i 2 2 自动找平控制系统传感器的发展状况 在自动找平控制系统的发展过程中，前期的多数摊铺机采用开关控制方式， 其传感器多为液压随动器( 即转阀) ，以开、关和死区三种工作方式响应基层不 平整度信号；随着电子传感技术的发展和广泛应用，逐渐出现了电位器式角度传 感器、超声波传感器和激光传感器等类型的传感器，同时配合相应的脉冲调节方 式实现了比例一脉冲控制方式。这几类传感器各有各的优缺点，目前在国内外的 摊铺机中均有使用。 电位器式角度传感器线性度好。工作温度范围宽，工作寿命长但在施工中由 于传感器为接触式测量高度，必须要用以钢丝绳搭接起来的基准线，传感器在基 准线上滑动时容易引起其在基准线上振动；超声波传感器和激光式传感器均属于 非接触式传感器，不需要人工为其搭建基准，但是超声波传感器由于传输介质的 特性的影响( 如温度，密度等) 容易产生较大的误差，往往需要进行补偿，而且 对于路表情况不好的路面，其控制精度往往比不上接触式控制器。所以，超声波 自动找平控制器一般应用于面层施工中；激光传感器的找平控制器就其精度来说 要高于超声波找平控制器，但是其昂贵的价格也就使得它只能在较高档的摊铺机 中才能出现。 1 2 3 国内外主要自动找平控制系统介绍 目前，国外自动找平控制器的生产厂家主要有德国的m o b a 、日本的t o p c o n 以及丹麦的t f - t r a d i n g 等，国内自动找平控制系统的研发和生产厂家有江苏省 宝应县创新工程电器厂、常州市华诚双凯仪器有限公司、陕西神州自动控制有限 公司和孙祖望路桥技术研究有限公司等为数不多的几个厂商。其公司名称及产品 2 ， ligtsttf 如下表所列： 国外部分公司自动找平产品表1 1 公司名称 产品名称传感器类型感应方式 丹麦t f t r a d i n g 公m i n i - - - l z n e 非接声纳传感器 路面 司触平衡粱 g - 1 7 6 1 4 纵向控制角度传感器基准绳路面 器 s 一2 7 叫坡度控制角度传感器 器 德国m o b a 公司m o b a l i a t i c 超声s o m c - s k i路面 波滑靴 s u p e r l a t i c 超s o n i c - s k i ， 基准绳路面 声波自动找平系 d i g i s l o p 统 d i g i - r o t a r y 。 l a s e - r e c e i v e r l s _ 2 5 0 m o d u l a rs o n i c - s k id i g i s l o p基准绳路面 m a c h i n e d i g i - r o t a r yl a s e c o n t r o l r e c e i v e rl s2 5 0 s y s t e m s 美国t o p c o n 公司超声波平衡粱声纳跟踪器路面 荷兰r o a d w a r eb vr s s 非接触式激激光传感器路面 公司光扫描自动找平 系统 瑞士徕卡公司 徕卡3 dt p s 系统 激光 国内部分公司自动找平产品表2 2 公司名称 产品名称 传感器感应方式 江苏省宝应县创新 非接触式平衡粱超声波传感器 路面 工程电器厂 常州市华诚双凯仪n f c 沥青摊铺机自超声波传感器路面 器有限公司动找平装置 陕西神州自动控制删5 型数字式自动 角度传感器 基准绳 有限公司调平控制器 常州通联电子有限u s 3 0 0 0 全中文显示超声波探头路面 公司超声波基准粱 自动找平仪角度传感器基准绳 常州市树华电子仪 超声波非接触平衡超声波探头路面 器有限公司 粱 通过对以上的自动找平控制器进行分析比较，得出以下几个结论： 1 找平精度比较高的控制器均属于非接触式的，传感器都采用超声波或者 激光传感器，而超声波传感器占多数。 2 超声波传感器的感应方式都采用路面作为基准而且是路面高度的多点 采集。 3 现场总线技术被应用于自动找平控制系统，构成分布式控制系统 4 找平控制器的控制方式都采用的是比例一脉冲式。 1 3 论文研究的目的和内容 从以上的分析可知，国内在沥青混凝土摊铺机非接触式自动找平控制系统的 研制方面还落后于国外，国外的产品占据了国内市场比较大的份额。本课题根据 目前沥青混凝土摊铺机非接触式自动找平控制系统在国内外的发展状况，结合目 前工程机械智能化的发展趋势，确定研究内容如下： 1 研究国内外先进的自动找平控制系统，确定摊铺机自动找平控制系统的基 本控制方案与研究目标。 2 在基于d s p 的摊铺机自动找平控制系统研究嘲的基础上。确定基于d s p 的 超声波多探头自动找平系统的具体控制方案。 3 熟悉c a n 总线的原理和应用设计，确定c a n 总线在摊铺机超声波多探头自 动找平系统中的应用方案。 4 超声波多探头自动找平系统的硬件设计与研究 5 超声波多探头自动找平系统的软件设计与研究。 6 自动找平控制系统的相关实验研究 4 第二章自动找平电液系统及c a n 总线技术 2 1 自动找平电液系统 在目前的摊铺机中，自动找平液 压系统b 】【4 】一般采用的是两个电磁换 向阀来控制左右工作油缸的上下两个 腔的油路通断( 如图2 1 所示) 。定量 泵1 来的油经单支分流阀2 分成两路， 一路进入不需要稳流工作系统即至熨 平板提升和料斗回路中，另一路经过 稳流后，进入过滤器3 ，过滤后的油流 入分流阀4 ，将其一分为二，保持两调 平油缸调节和同步工作。电磁换向阀 处于中位时，液压锁的两个阀双向顼。一 住，保证摊铺平整。当有提升控制信 号产生时，电磁换向阀的y 1 3 1 与y 1 4 1 得电，则调平油缸臂提升，自动调平 之后又回到中位。当电磁换向阀接受 到下降控制信号时，y 1 3 2 与y 1 得电， 调平油缸臂伸出。 2 2 超声波多探头自动找平装置布置 图2 1熨平板自动调平回路 卜定量泵；2 - 单支分流阀；3 - 过滤器； 4 一分流阀；5 一电磁换向阀；铲液控单向阀 ( 调平液压锁) ；7 球型阀；8 - 调平油缸； 9 一安全溢流阀 图2 2 调平装置布置图 5 整个调平装置的布置如图2 2 所示，在摊铺机的每一侧设置有一根铝合金梁， 每根梁上悬挂有3 个超声波传感器，摊铺机每一侧有一个数字化主控制器( 主节 点) ，一个主节点和三个传感器子节点用c a n 总线连接，按一定的时间间隔各子 节点将采集的路基数据发送给主节点进行数据处理，最终驱动电磁换向阀工作 2 3 影响自动找平控制系统精度的几个因素 摊铺机超声波多探头自动找平控制系统就是根据路面的平整度情况来控制 熨平板的仰角，从而使摊铺出来的路面能够达到规定的平整度要求在摊铺机的 工作过程中，恶劣的工作环境对摊铺机自身状态的影响和某些手工操作的误差决 定了影响摊铺机自动找平系统精度除了系统本身带来的因素之外，外界所带来的 客观和主观的影响也是不可避免的在利用熨平板自动调平特性进行摊铺路面 时，客观因素成了影响摊铺路面平整度的主体，主要因素1 2 】如下； 1 基层路面的不平整，使摊铺机在行驶过程中机身上下移动，导致熨平板 的上下扰动。虽然基层路面的铺设是按照一定的标准的，但是在有些路段难免会 出现较大的偏差，产生了一个很大的偏差量在这种情况下，液压系统的反应速 度不一定能够跟上熨平板的移动速度，使得摊铺出来的路面出现局部的下凹或凸 起。 2 摊铺机一切系统正常运行的前提是摊铺机的恒速行驶，但是要保证摊铺 机行驶速度的绝对恒速是不可能的，摊铺机在工作过程中，系统内部、外部的影 响，或多或少的影响其恒速性。摊铺机工作速度的改变，将引起振捣梁对混合料 的重叠冲击次数改变，造成了熨平板前混合料的初始密实度的变化由前面的熨 平板动力学分析可知，这将引起铺层表面平整度的下降。假如，当摊铺速度降低 时初密实度将增加，这时应减小仰角a ，若摊铺速度增加时，则要相应的增加仰 角a ，以消除初密实度增大的影响。 3 在摊铺机摊铺路面的过程中，螺旋分料器送料的速度稳定性也将在一定 程度上影响着自动找平系统的控制精度。螺旋分料器在布料时，其作用力通过物 料传到熨平板，螺旋分料器在布料时，作用力通过物料传至熨平板当螺旋分料 器开机、停机或速度改变时，这种作用力将改变而且，料堆对熨平板运行的附 力也随着料堆高度的不同而改变所有这些作用力的变化都将破坏熨平板原有的 力平衡，引起熨平板上下波动 4 熨平板前混合料堆高度的变化以及混合料的不均匀，除了影响料堆推移 阻力外，还将引起熨平板前混合料的初密实度变化，进而影响混合料结构的内应 力，而内应力的变化又影响混合料对熨平板的合反力摊铺机在工作过程中，不 可能保持混合料堆高度的恒定不变，这样，在混合料自身的不均匀和料堆的高度 变化的情况下，熨平板的受力情况在不断变化，这就导致了熨平板不断的上下移 动，熨平板自身的自调平特性在这种情况下并不能完全弥补其带来的影响，从而 使得摊铺出来的路面产生了一定的不平整度。 5 通过对自动找平电液系统分析可知，控制器发出的信号并不是直接控制 牵引臂的上下移动，控制器和牵引臂之间通过了一个液压系统进行控制信号的传 递( 如图2 3 所示) 。就液压系统来说， 控制器控制信号的发出到电磁换向阀 的响应再到油缸的运动直至达到要求 的位置需要一个响应时间( 图2 3 中的 t 1 ) ，而这段时间内，控制器对熨平板 的状态也同时在不停的检测，在油缸还 没达到要求位置时，a d 所采集的信号 并没有真实的反映控制信号的控制效 果，如果这时候控制器对这段时间内采 集的信号进行处理，结果将导致熨平板 5 1 1名 停止 回 t t 1 卜一 图2 3 油缸动作函数图 t l - - 滞后时间 。 s 1 一油缸运动位移 始终在不停的上下移动，不断在调整自身的状态。显而易见，这样很难达到理想 的控制效果。所以，液压系统的滞后时间长短，控制器何时才能对控制信号进行 进行响应是保证控制精度的主要问题。 综上所述，影响摊铺机自动找平系统控制精度的因素是多方面的，有摊铺机 自身性质和工作环境等外界因素所产生的影响，也与自动找平控制系统的类型有 关系。这就需要一个更新的自动找平控制器来弥补一般接触式找平系统所不能达 到的性能，并通过一些直观的方式( 如人机交换界面，控制按钮等) 使操作人员 能及时的知道系统的运行状态，使得摊铺机在摊铺不同等级路面下通过适当的设 置确保平整度达到规定的要求。这也成了本文研究的目的所在 2 4c a n 总线技术 2 4 1c a n 总线历史及特点 2 0 世纪8 0 年代初，德国的b o s c h 公司就提出了用c a n ( c o n t r o l l e ra r e a s n e t w o r k s ) 控制器局域网来解决汽车内部的复杂硬信号接线。目前，其应用范围 已不再局限于汽车工业，而向过程控制、纺织机械、农用机械、工程机械、机器 人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展c a n 总线以其独特的设计，低成 本、高可靠性、实时性，抗干扰能力强等特点得到了广泛的应用。1 9 9 3 年1 1 月 i s o 正式颁布了道路交通运输工具、数据信息交换、高速通信控制器局域网国际 标准1 5 0 1 1 8 9 8c a n 高速应用标准，i s 0 1 1 8 9 8c a n 低速应用标准，这为控制器局 域网的标准化、规范化铺平了道路。c a n 具有如下特点i s l l 6 1 ： c s 姒c d 载波监测，多主掌握冲突检测 “载波监测”的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测 到总线上有一段时间的空闲状态一旦此一空闲状态被监测到，那么每个节点都 有均等的机会来发送报文，这被称作“多主掌握”。冲突检测”是指在两上节点 同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决 这一冲突情况此时优先级高的报文先发送。低优先级的报文发送会暂停。在 c a n 总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测这也就意味着 当总线出现发送冲突时。通过仲裁后原发送信息不会受到任何影响。所有的仲裁 判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何的时延。为 了达到这种“非破坏性的位仲裁方式”，c a n 总线协议必须满足一些前提条件。 首先，必须定义两种逻辑状态一我们在这里叫做。支配( d o m i n a n t ) ”和“顺从 位( r e c e s s i v e ) ”；然后，节点在发送过程中必须检测刚刚发出的状态是否就是 信息中所描述的内容。在c a n 总线的定义中，逻辑0 为支配位，逻辑1 为顺从位。 支配位一定会在和顺从位的判别过程中获胜，换句话说，报文标记区( 报文仲裁 专用区域) 的值越小，其优先级就越高举个例子，假定有两个节点在同一时刻 发送一个报文，每个节点都会监测总线以便了解欲发送的信息状态是否确实出现 在总线上。一个优先级较低的报文在某一时刻会发送一个“顺从位”但是检测回 来的却是“支配位此时这个节点被仲裁为发送权取消，立刻停止发送报文的工 作。优先级较高的报文继续发送直到完整的报文发送完毕。在刚才冲突仲裁中被 取消发送权的节点将等待总线的下一个空闲期并自动地再次尝试发送。 基于报文的通讯 c a n 总线是一个基于报文而不是基于站点地址的协议也就是说报文不是 按照地址从一个节点传送到另一个节点c a n 总线上报文所包含的内容只有优先 级标志区和欲传送的数据内容所有节点都会接收到在总线上传送的报文，并在 正确接后发出应答确认。至于该报文是否要做进一步的处理或被丢弃将完全取决 于接收节点本身。同一个报文可以发送给特定的站点或许多站点，就看你怎样去 设计你的网络和系统 例如，考虑到安全气袋在整个汽车安全系统中重要性，可以用c a n 总线把车 中的安全气袋传感器作为一个节点连接到中央安全系统网中，该中央安全系统可 作为一个节点和其他安全系统节点通过“菊花链”的配置方式连接起来这样该 中央安全系统就可以把安全气袋的信息传给系统网络上所有其他节点。如果接收 不出问题，网上的各节点可以在同一时刻收到由该节点传送的安全气袋的信息， 然后由它们自己去决定是否利用此信息或者简单地把它丢弃 远端发送请求( r t r ) c a n 总协议另外一个有用的特性是一个节点可以主动要求其它节点发送信 息。这种特性叫做“远端发送请求”( r t r ) 。和上例不同之处在于，节点并不等 待信息的到来，而是主动去索取。如汽车中的中央安全系统会频繁地更新一些象 安全气袋等关键传感器的信息。但是有些信息如油压传感器或电池电压传感器可 能不会经常收到。为了确保了解这些设备是否工作正常，系统必须定期地要求此 类设备发送相关的信息以便检查整个系统的工作情况。设计人员就可以利用这一 “远端发送请求”特性来减少网络的数据通讯量，同时维持整个系统的完整性。 基于报文的这种协议另外一个好处是新的节点可以随时方便地加入到现有的系 统中，而不需对所有节点进行重新编程以便它们能识别这一新节点。一旦新节点 加入到网络中，它就开始接收信息，判别信息标识，然后决定是否作处理或直接 丢弃。 c a n 总线定义了四种不同的报文( 或叫帧) 用于总线通讯。第一种且是最常 用的是“数据帧”，用于一个节点传送信息到其它任一或所有节点；第二种叫“远 端帧”，基本上是一个数据帧但其中的r t r 位被置l ，表明这是一个“远端发送 请求”，用于一个节点主动要求其它节点发送信息；另外两种用于差错处理，分 别叫做“错误帧”和“过载帧”。如果节点在接收过程中检测到任一在c a n 总线 协议中定义了的错误信息，它就会发送一个错误帧，当一个节点正忙于处理接收 的信息，需要额外的等待时间接收下一报文时。可以发送过载帧，通知其它节点 暂缓发送新报文。 快速，可靠的网络通讯 c a n 总线一开始是为汽车工业而设计的，如果要使这一市场能够接受它，一 个能高效处理出错情况的通讯协议是至关重要的。在发布了2 0 b 版的c a n 总线 技术规范后，其最大的通讯速率已经比1 0 版提高了8 倍，达l m 位秒，在这种 速率下，即便是对时间要求非常关键的参数也可以通过c a n 总线传输而不必担心 其时延。另外，c a n 总线协议有一套完整的差错定义，能够自动地检测出这些错 误信息，由此保证了被传信息的正确必性和完整性。 c a n 总线上的每个节点具有检测多种通讯差错信息的能力并采取相关的应对 措施：发送错误可通过“c r c 出错”检测到；普通接收错误可通过“应答出错” 检测到；c a n 报文格式错误可通过“格式出错”检测到；c a n 总线信号错误可通 过“位出错”检测到；同步和定时错误可通过“阻塞出错”检测到c a n 总线上 的节点都有一个出错计数器用以记录各种错误发生的次数。取决于出错的严重 性，通过这些计数器就可以确认这些节点是否应工作到降级模式；总线上的节点 可以从正常工作模式( 正常收发数据和出错信息) 降级到消极工作模式( 只有在 总线空闲时才能取得控制权) ，或者到关断模式( 和总线隔离) c a n 总线上各节 9 点还有能力监测是短期的干扰还是永久性的故障，并采取相关的应对措施，这种 特性被叫做“故障界定隔离”采取了这种故障界定隔离措施后，故障节点将会 被及时关断，不会永久占用总线这一点对关键信息能在总线上畅通无阻地传送 是非常重要的。 总上所述，c a n 总线是针对相对少量信息的发送而优化设计的一种串行通讯 协议，不像以太网或u s b ，是针对大块数据的传输。总线上的所有节点其可靠性 都是一致保证的它有非常优异的总线共享和仲裁性能，能够快速，强有力地交 换信息。具备故障界定隔离能力使得即便像那些“时延关键”的通讯也能容易实 现 2 4 2c a n 的分层结构 c a n 遵从o s i 模型，按照o s i 标准模型，c a n 结构划分为两层；数据链路层 和物理层。而数据链路层又包括逻辑链路控制子层l l c 和媒体访问控制子层m a c ， 而在c a n 技术规范2 o a 的版本中，数据链路层的l l c 和m a c 子层的服务和功能 被描述为。目标层”和“传输层”c a n 的分层结构和功能【6 l 如图2 3 所示： 图2 3c a n 的分层结构和功能 l l j c 子层的主要功能是：为数据传送和远程数据请求提供服务，确认有l l c 子层接收的报文实际已被接收，并为恢复管理和通知超载信息。m a c 子层的主要 功能是传送规则，亦既控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。 物理层的功能是有关全部电气特性在不同节点间的实际传送。c a n 技术规范2 0 b 定义了数据链路中的m a c 子层和l l c 子层的一部分，并描述与c a n 有关的外层。 2 4 3c a n 总线的位数值表示与通信距离 v t 再弋广 ； 影l ，、 b i，、 ，、 ，、 v d i 压 隐性位。百： 图2 4 总线位的数值表示 时间t c a n 总线上用“显性”( d o m i n a n t ) 和“隐性”( r e c e s s i v e ) 两个互补的逻 辑值表示“0 ”和。l ”当在总线上出现同时发送显性和隐性位时，其结果是总 线数值为显性( 即“0 ”与“1 ”的结果为“o ”) 。如上图2 4 所示，v c a n _ h 和v c a n _ l 为c a n 总线收发器与总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的“差分”电压 形式出现。在隐性状态，v c a n _ h 和v c a n _ l 被固定在平均电压电平附近，v d i f f 。 近似于0 。在总线空闲或隐性位期间，发送隐性位显性位以大于最小阀值的差 分电压表示。 c a n 总线上任意两个节点之间的最大传输距离与其位速率有关，表2 1 【6 】列举 ， 了相关的数据。 c a n 总线系统任意两个节点之间的最大距离表2 1 i 位速率( k b i t s )1 0 0 05 0 0 2 5 0 1 2 5 1 0 05 02 01 05 l 最大距离 4 01 3 02 7 05 3 0 6 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 注：这里的最大通信距离是指在同一条总线上两个节点之间的距离 2 5 本章小结 1 影响自动找平控制系统精度的因素包括基层路面的平整、摊铺机行驶速 度、工作过程中分料系统、施工中混合料的堆高和找平电液系统的响应时间，本 文设计的超声波多探头自动找平控制器由于采用相对基准，因此对原始路面的平 整度要求比较苛刻，该找平系统是针对于中层面和上层面摊铺工作设计的，而对 影响因素之一的液压系统响应时间我们设计了相应的数据处理算法 2 c a n 总线的高可靠性和抗干扰能力以及实时性好的特点使其在分布式数 据采集系统中应用很广，本文的多探头超声波自动找平系统采用c a n 总线构成路 面高度的多点采集网络，可以增加数据传送的快速性和可靠性。 u 第三章控制方案及算法设计 随着公路建设的迅猛发展，对于路面平整度的要求也随之不断提高。在公路 施工中，摊铺机自动找平系统性能的好坏是决定路面平整度的主要因素之一，而 摊铺机自动找平控制系统中的控制器又是决定找平系统性能的主要部分，它的结 构形式与工作原理一方面决定于相关技术发展水平。另一方面也决定于系统的执 行机构和其它环节的结构形式。多年来，人们研制出多种数字控制器组成电液控 制调平系统。这些控制器的性能也随着电子技术的发展而日趋完善，其传感器的 选择和相关的数字处理技术对自动找平系统的精度有重要的影响。为了实现对路 面平整度的高精度控制，以直观、友好的人机界面为操作人员提供一个良好的操 作环境，及时了解系统的运行状态，并根据施工需求随时更改系统参数，本文选 用超声波传感器以及液晶显示技术设计超声波多探头自动找平控制器 3 1 自动找平控制方案的确定 3 1 1 自动找平控制系统的基本要求 保证摊铺出来的路面平整度达到规定的要求是摊铺机自动找平系统的一项 基本功能。要实现对熨平板的升降的精确控制就要求系统必须采用闭环控制，通 过反馈来判断和调整控制信号的准确性。然而，对于自动找平系统来说，以往的 模拟式控制系统已经基本上能够实现对熨平板升降的控制，在数字式自动找平控 制系统中不仅仅只是要将控制精度提高，还应该考虑到让操作人员能在工作中随 时可以了解到机器的运行状态，根据不同的路况和路面平整度要求对控制系统进 行参数设置，使控制器能够满足不同等级路面施工的需求。综合各方面考虑，摊 铺机自动找平控制系统应该要求具备以下功能： 1 具备两种工作模式：手动模式和自动模式，在摊铺机工作时应能在这两种 工作模式之间相互切换。 2 具有灵敏度设置功能，使摊铺机在不同的施工环境和摊铺不同等级的路面 时能对灵敏度进行调整，通过合理设置很好的协调好保证路面平整度要求和减小 自动找平系统振荡两者之间的矛盾 3 系统应该具有控制窗口设置功能，当传感器节点由于故障或者突发情况测 量的路基高度大，其已经超出了正常的工作范围，这时主控制器将数据处理，然 后输出p v m ，于是引起了控制器的强烈反应，这样就造成了路面出现很明显的凹 凸不平为了防止这种情况的发生，系统应该设有一个窗口值，当路基高度误差 超过设定的窗口值时，认为有不正常情况出现，这时系统的控制信号立即停止输 出，同时显示故障界面通知操作人员，让他知道系统发生了故障，从而保证系统 能在正常状态下运行 4 系统应该具有故障诊断功能，在摊铺机工作或待料时，若系统发生短路故 障，应能及时的通知操作人员。在施工中如果后向通道发生脱离( 即发生断路故 障) ，在有p w m 信号输出时，系统应能检测到是否有断路故障发生，并及时通知 操作人员，保证系统运行的稳定性。 5 在手动模式下，应屏蔽灵敏度、频率和窗口设置功能。这时，系统保持高 度误差显示和故障诊断功能，同时通过“增”和“减”两个按键来控制熨平板的 升降。 6 在自动模式下，应能随时对灵敏度、频率和窗口值进行设置，通过系统各 项参数的设置，根据不同的高度误差对熨平板采用不同的调整方式。实现对熨平 板的精确控制。 7 考虑到摊铺机在工作中有时由于混合料的供应速度跟不上摊铺速度，使得 摊铺机处于停机待料的状态，系统处于一种怠速或停机状态。此时自动找平控制 器不应对熨平板进行控制，所以控制器必须有一个接口用于接收摊铺机主控制器 发出的停机待料信号，使控制系统也处于待料的状态( 即只显示高度误差和进行 故障诊断，屏蔽其他所有功能) ，直到摊铺机恢复正常工作。 8 摊铺机在停机待料时可能会将摊铺机熄火，这样也就是将控制器的电源切 断，若系统的各项参数设置没有保存。那么等到摊铺机再次开机时，系统只能使 用默认数据，这样就可能使得当前系统参数设置和停机前的参数不一致，使得控 制变得混乱。所以，在系统参数的每一次改变时必须将当前的最新参数值保存， 这样即使是断电也可将数据再次调出，保证断电前后系统的完全一致性。 9 具备简单易操作的人机接口，以便于系统工作参数的设置，同时有醒目的 故障状态显示 在控制系统设计中，应该 力求在实现所有功能的前提 下，尽量使操作变得简便( 即 必须把控制面板设计得简单 明了) ，通过硬件和软件的结 合，不仅能实现对熨平板高度 的精确控制，还要使的控制界 面更人性化，操作更简便。 3 1 2 自动找平系统控制方 案 终 端 电 阻 蓑h 嚣 节点 a - 1 il c a nh ) c a nl 节点节点节点 12n 圈3 1 找平系统拓扑结构图 终 端 电 阻 哦妒? 建 - 本系统的网络拓扑结构采用总线式，如图3 1 所示，通信采用半双工，虽然 该网络结构的信息吞吐量低，但结构简单，成本低，可靠性高，完全可以满足自 动找平系统中的通信要求系统中，用c a n 总线将各个节点连接起来，形成多主 局域网用，有关c a n 节点的有关内容在后面的章节中介绍。 3 1 3 自动找平系统总体设计 根据摊铺机自动找平电液系统的特性。下面通过具体的控制方案，说明如何 实现对摊铺机自动找平系统的整体设计。 图3 2自动找平系统结构框图 图3 2 为自动找平控制系统结构图，根据上文所述可知，自动找平系统的核 心任务就是通过控制电磁换向阀的y l ，y 2 实现油路的通断和方向控制，最终达 到控制工作油缸动作的目的通过控制电磁阀实现油缸的升与降，从而使熨平板 的仰角随着油缸的升降而发送变化，调整摊铺厚度 作为系统的主要控制对象，电磁换向阀的控制方式是决定整个控制系统性能 的主要因素，对于普通电磁换向阀的控制，目前有两种控制方式，一使开关式控 “ 制；二是比例脉冲式控制。基于系统控制精度和稳定性的要求，本设计采用了比 例脉冲式来对电磁阀进行控制。 p w m ( 脉冲宽度调制) 是通过改变导通时间t 与工作周期t 的比值，即调节 占空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成正比。如 图3 3 所示不同的占空比情况。 t 1 = t j 21 1 t 2 图3 3 占空比图 p 吼脉冲信号经功率驱动电路放大，在电磁换向阀的电磁铁线圈两端产生与 之同向的脉冲电压，由于电磁铁线圈电感的滤波作用而变为同频率小幅度充电的 近似直流电信号。电磁阀的换向动作使其输出脉冲流体，推动液压缸升降。当，。 p 州波的频率高于电磁阀的响应频率时，阀对p 哪信号的响应不完全，其响应特 性近似对模拟信号的响应，再叠加上一个脉动幅值很小的颤振信号，p w m 波的频 率越高，脉动幅值越小。 q 1 综上所述，p w m 信号的调制频率的选择应考虑阀本身的响应特性，如固有频 率和过度时间。因为响应p w m 信号的颤振分量不能单独调节，它是由脉宽调制频 率、脉冲宽度、阀芯运动响应时间等因素综合决定，一般颤振分量的振幅大约为 额定控制信号1 0 ，这样，p w m 信号的调制频率不超过1 k h z 为宜。摊铺机自动找 平系统的电磁换向阀的截止响应频率为4 h z l 2 1 嘲，所以在设置p w m 信号输出时， 其频率必须小于截止频率本系统为了扩展电磁阀的使用范围，满足不同机器， 将频率设为一个可调范围2 5 h z 6 5 i t z ，可以通过按键来改变p w u 信号的频率。 系统刚启动时，p w m 信号频率为3 h z ，通过改变p w u 信号的占空比来控制电磁阀 的通断时间，从而达到对熨平板仰角的精确控制，实现摊铺厚度均一 如图3 2 所示，系统对工作油缸的控制采用分步进行的方式，超声波传感器 节点采集路面高度的变化情况，将采集的数据传送给主控节点，主控制器将各个 节点发送的数据按照一定的算法进行处理，得到路面的高度值，再和设定的控制 点值进行比较，最后得到一个高度误差值，如果超出了系统设定的灵敏度范围， 那么对油缸的控制采用恒速控制( 即电磁阀始终处于常开状态) ；若高度误差在 灵敏度范围之内( 即进入了脉冲区) ，那么控制器对电磁阀相应的一端电磁铁( y 1 或y 2 ) 供以脉冲信号，通过控制电磁阀的通断时间使得油缸的运动速度放慢， 以较小的速度逼近理想状态为了使系统的控制精度进一步提高，在脉冲区内对 脉冲的宽度采用比例调节的方式，根据逼近理想高度的不同程度来调整p w m 的占 空比，这样即能将调平精度控制在一个很小的范围之内，又可以最大限度的避免 系统超调的发生 图3 2 中的p l 、p 2 ，p 3 、p 4 分别为系统中电磁阀短路和断路故障检测点， 每个点分别对应一个控制器的i o 口输入，通过采样每个点状态的变化来判断系 统是否发生故障因为摊铺机属于低速行驶车辆，在控制上对时间的要求相对来 讲不是很高，系统运行时除一部分时间用于熨平板控制外，其余时间的绝大部分 用于系统故障诊断，这样就可以保证系统在故障发生时能第一时间作出反应，同 时通过显示故障代码和指示灯报警等方式，通知操作人员及时对系统中相应的部 件进行检查，从而大大提高了系统的可靠性图3 2 中的k 1 、i 【2 、k 3 、k 4 、k 5 五个开关量输入信号，分别用于系统的参数设置，比如灵敏度、控制点、窗口值、 频率，还有自动手动切换，熨平板上升和下降。通过对这些系统参数的设置，使 得摊铺机作业在不同工况下或同一工况下的不同路段下，根据路面施工的不同要 求随时对系统的运行参数进行调整。 在本系统中，我们将控制摊铺层路面高度的误差分成4 个区域，如图3 4 ； 故障区 恒速调节区 比例脉冲区 三。1 量 比例脉冲区 恒速调节区 图3 4 系统调节区域图 分别是死区、比例脉冲区、恒速调节区、故障区这四个区域的设置决定了 摊铺出来的路面平整度的好坏当系统工作与自动状态时，操作人员可根据路面 施工的要求对以上四个区域的值通过按键进行设置。使得摊铺机自动找平系统在 摊铺过程中确保路面平整度要求的前提下以最稳定的状态运行。 图3 4 中的四个区域的大小是由控制器中设置的灵敏度值和窗口值决定的， 下面我们简单讲述以下各个区域大小的确定和调节方式【2 l ： 1 死区：死区是指在理想摊铺高度附近，与理想的摊铺高度值相差很小的一小 块区域。当路面高度误差处于这个区域时，系统不进行任何调节。死区的大 小决定了摊铺机在运行过程中熨平板振荡的剧烈程度，死区不能过大，其大 小必须小于路面摊高度误差要求，否则摊铺机摊铺出来的路面必然达不到路 面平整度的要求，但是在满足上述条件的前提下，死区也不能无限制的调小， 死区太小则会引起系统的超调，使熨平板发生振荡。所以死区的调节必须在 保证路面平整度的前提小尽可能的减小系统超调的发生。 2 比例脉冲区：本系统对熨平板的仰角调节如图3 5 所示，当系统进入比例脉 图3 5 脉宽