（机械电子工程专业论文）智能振动压路机控制系统设计与调试.pdf

摘要 本文结合课题组前期研究成果，对智能振动压路机控制系统进行研究以及软硬件 设计和调试。通过查阅相关资料，在分析了振动压实机理和影响振动压实效果的各因 素的基础上，首先明确了智能振动压路机控制系统的组成、控制功能和控制要求：然 后，根据压路机控制系统的具体特点，结合c a n 总线技术，分析对比了几种不同的 控制方案，最终确定了由s p t - k - 2 0 2 3 a 控制器和s p t - x - 2 0 2 5 显示器组成压路机控制 系统方案，并对系统中其它硬件进行了相应的设计和改造：针对控制系统各部分具体 的控制要求，设计了各部分的控制流程图，并编写了相应的控制程序，增加了新的控 制算法；最后，结合实际旋工情况，在样机上对整个控制系统进行了调试，进一步修 正了系统中存在的问题，优化了部分控制程序，对所采用的控制算法进行了参数整定； 最终验证了控制方案的可行性，实现了各种控制功能并达到当前控制要求。 关键词：智能振动压路机c a n 总线控制调试 a b s t r a c t t h i sp a p e ri sb a s e do nt h ep r e v i o u sm e m b e r ss t u d y , d e s i g na n dd e b u g st h ei n t e l l i g e n t v i b r a t o r ym i l e r sc o n t r o ls y s t e m a f t e rr e f e r r e dt om a n yr e l a t e dl i t e r a t u r e sa n da n a l y z e dt h e v i b r a t o r yc o m p a c t i n gt h e o r y , t h ec o m p o n e n t ，f u n c t i o na n dc r i t e r i o no ft h es y s t e mw a s c o n f i r m e d t h e n ，b a s e do nt h ec h a r a c t e ro fr o l l e r sc o n t r o ls y s t e ma n dt h ec a n - b u s t e c h n o l o g y , w ed e c i d e dt o u s et w os p t - k - 2 0 2 3 ac o n t r o l l e r sa n do n es p t - x - 2 0 2 5 d i s p l a y e ra st h em a i nc o n t r o lp r o j e c to ft h es y s t e m ，s e l e c t e da n dm o d i f i e do t h e rr e l a t e d h a r d w a r e ，d e s i g n e dt h ef l o wc h a r ta n dp r o g r a m ，a d d e ds e v e r a ln e wc o n t r o la l g o r i t h m a t l a s t ，r e f e r r e dt ot h ea c t u a lr e q u i r e m e n t ，w e v eh a das y s t e m a t i cd e b u g g i n go ft h ef u l l s y s t e m ，m e n d e de r r o r so ft h es y s t e mf u r t h e r , o p t i m i z e dt h ec o n t r o lp r o g r a ma n dc o n f i r m e d a l lt h ec o n t r o lp a r a m e t e r s t h ec o n t r o lp r o j e c th a sb e e np r o v e dt ob ef e a s i b l e ；a l lt h e f u n c t i o ni sa v a i l a b l ea n dh a sm e tt h eb u r r e n tr e q u i r e m e n t k e y w o r d s ：i n t e l l i g e n t v i b r a t o r yr o l l e r c a n b u s d e s i g nd e b u g 1绪论 在公路修筑中，压实机械是很重要的设备，无论路基、地基层、基层和面层都需 要很好的压实以达到一定的密实度，提高道路的承载能力，并防止沉陷、水分渗透 等。随着交通运输量的迅速增大，公路建设的进一步发展，施工部门对压实机械提出 了越来越高的要求。通常，压实工作占施工项目费用2 ，设备占工程造价的0 2 ， 而密实度每提高1 ，基础承载能力就提高1 0 ，若是沥青混凝土密实度每提高1 ， 承载能力和寿命可提高1 0 1 5 。压实工作的重要性显而易见。 1 1现代振动压路机的特点及新技术应用“1 。”1 1 1 1 现代振动压路机的特点 随着高等级公路施工要求的不断提高，对公路施工机械的性能也提出了新的要 求，振动压实机械( 尤其是振动压路机) 也不例外，相对于以前来说，现代振动压路 机主要有以下特点： 1 现代压路机的行走、振动、转向和制动均为液压传动，液压传动过程平稳， 操纵灵活省力，弗且为自动控制创造了条件。特别是压路机的行走液压驱动， 可以大大提高压路机的压实效果。 2 全轮驱动压路机的滚轮既是行走装置又是作业装置。全轮驱动可以克服拥 土，产生弓坡与裂纹的缺点，而且好提高了压路机的驱动能力，但这种群论 驱动只有通过液压传动才可能实现。 3 采用铰接转向，其机动性能好，在压实弯道时不会出现漏压和过压现象。 4 自锁式差速器既能保证压路机在一个轮悬空时的通过能力，又省去了使用差 速锁带来的操作麻烦，但与通常所用的牙嵌式自由轮差速器相比，越野能力 较差。 5 在压实沥青混合料的压路机上安装喷雾洒水系统，水成雾状均匀地洒在轮面 上，能防止材料粘结在压轮上，比用重力洒水节约了用水量。 6 在全液压传动压路机上，设有行车制动、应急制动和停车制动三套制动系统， 能够确保压路机处在各种动、静状态的有效制动。 7 在振动压路机上除了振动轮与框架之间装有橡胶减振器外，还在操作平台与 车架之问装有二级减振器，加上自动调节的减振座椅，大大改善了司机的工 作条件。 8 一般在l o t 以上的压路机上都设有翻车保护的驾驶室，且可根据用户要求安 装空调改善操作人员的工作环境。 1 1 2 现代振动压路机采用的新技术 随着振动压实理论的不断完善以及微电子技术和自动控制理论的发展，各种新技 术不断在压实机械上得以应用，总体说来，现代振动压路机采用的新技术主要有： i 引进蟹行机构，以提高压路机作业的贴边性能。蟹行机构一般分三种形式： 在铰接关系不变的情况下，使一个钢轮能作侧向滑移而实现蟹行；前后车架 之间有两个铰接中心，一个铰销用于转向，另一个铰销用于实现两车架中心 线的偏移：整体车架前后两轮都能偏转、偏转方向相反时实现全轮转向，偏 转方向相同时实现蟹行。 2 引进改变振子偏心距或偏心质量达到调幅调频的调幅与调频机构。最方便的 调幅机构是固定振子与活动振予以不同方位相叠加实现的；双幅振动只要改 变液压马达的旋转方向即可实现；通过花键或嵌接调节固定振子与活动振子 的相对角度能实现多级振幅转换；无级调幅很困难，现在有用液体流动原理 制成的无级调幅机构，振动调频的调节是用液压马达的调速来实现的。 3 装配式凸块瓦压路机。一般是在光轮上焊接若干凸块制成的，在光轮和凸块 轮转换时要整个更换。 4 剖分式滚轮。这样可以使压路机在转向时两半轮有个相对转动，减少了滚轮 偏转对地面材料的搓揉影响和减小转向力矩，从而提高了路面压实质量和减 小了转向操纵力，但驱动滚轮必须是液压驱动，且结构较复杂。 5 轮胎自动充气。司机可以根据铺层状况和施工要求随时改变轮胎气压，以便 于提高压实效果和生产效率。 6 气力悬挂减振装置可以使振动能量全部传递给压实面。气力悬挂是利用空气 的弹性，由于气体受压缩和反弹的速率很快，几乎不消耗振动能量。 2 7 在压路机的驾驶室内设置频率仪、振幅计和压实度计，实现压路机的随机自 动检测。这样操作人员可以随时测定压实效果及确定碾压遍数，从而提高了 作业效率和压实质量。 8 在压路机的有关部位设置传感器，可以对油位、油温、滤清器堵塞、皮带松 弛等故障自动报警，加上对压实速度、振动频率和振幅的快速调节及压实度 的随机检测，实现压路机故障报警与调控自动化。 9 计算机仿真压实技术。瑞典的g e o d y n a m i k 技术咨询公司开发了振动压实过 程计算机仿真软件。该软件提供的模型允许将土壤的最基本物理学特性作为 计算机的输入参数，在不同的土壤条件和不同的极限参数下模拟滚轮和土壤 相互作用的动力学特性，可用于对现有振动压路机的压实性能进行评价和对 新设计的机型进行性能预测。软件的另一个功能是可以根据给定的土壤条 件，选择不同的机型和施工工艺，并对方案进行比较和优化。 1 0 碾压作业连续控制技术。瑞典的g e o d y n a m i k 公司的压实设备控制与检测系 统经过改装可安装在其他厂家的压路机上。该系统包括用于振动压路机和振 荡压路机上的示波器，以及用于连续压实控制( c c c ) 、文件系统( c d s ) 和 处理数据( c c c ) 用的p c 软件程序。这些程序还包括c d s v i e w ( 中央数据服 务软件窗口) ，用来分析某一项目的c c c 在案信息，并将其进行有关处理， 制成各种图表和以特定的表格通过屏幕显示出来。 1 1 压实工程辅助管理。如b o m a g 公司向用户推出了一种名为c a r e ( c o m p u t e r a i d e dr o l l e rs e l e c t i o ni ne a r t h w o r k s ) 的土方压实机械辅助软件，作为使用压 实设备的辅助工具。它可以帮助用户根据工程的工作量、现场条件、材料特 性、葡式压实曲线及所要求的压实度来选择公司的三种压实机械配置方案， 对每一方案均可提供对各使用参数的选用建议，包括钢轮类型( 光轮、凸轮 或光轮与凸轮结合) 、振幅和频率、最小与最大铺层厚度和铺层数、每层压 实带的安排、碾压速度和遍数以及压实生产率和压实时间的确定。 1 2 防滑转控制系统。这种称作a s c ( a n t i s u pc o n t r 0 1 ) 的控制系统，是为满足建 筑大坝和大型填方工程而实际开发的，使压路机的爬坡能力超过5 0 。该系 统主要是检测振动轮和胶轮之间的滑转，借助于调整液压驱动系统的流量， 提供最佳牵引条件，避免机器停顿或下陷。 1 3 现代驾驶室和大斜坡的发动机罩工业设计技术的运用。如b o m a g 公司的第三 代压实机械采用工业设计，用圆弧形的现代驾驶室和发动机罩作为外观造 型。圆弧形挡风玻璃和驾驶室有四个外支承，可隔离噪声与振动。液压转向 器也移至q 驾驶室外，以减少发热和噪声。仪器仪表设计更合理，易于观察， 发动机罩倾斜，给驾驶员提供了良好的视野。 1 2 我国振动压路机现状及发展趋势睁”1 1 2 1 我国压路机现状 我国振动压路机经历了从机械传动到液压传动，由单一型号到系列发展的不同阶 段。4 0 年代以来，国内主要生产厂家直接引进世界先进技术水平压路机制造技术， 如洛阳建筑机械厂引进德犀b o m a g 公司的b w 2 1 7 d 、b w 2 1 3 d 、b w l 4 1 d 和b w l 2 0 d 等型号 和振动压路机专有技术；徐州工程机械厂引进瑞典d y n a p a c 公司的c a 2 5 振动压路机 制造技术，多年来经过对引进机型消化吸收和国产化改造，使产品技术水平不断提高， 可靠性不断增强，生产能力不断扩大。国内目前已。形成了徐工、三一、洛建、三重等 为代表的压路机生产厂家。 我国振动压路机的新发展体现在新产品频频亮相、新机构不断涌现和自动化水平 不断提高等三方面。随着微电子技术和自动控制技术的发展，液压与电子控制有机结 合使振动压路机性能显著提高。利用速度、压力、流量等传感器，采集振动压路机工 作状态参数引入自我诊断系统，实现故障自动报警、振动频率和振幅的快速调节及压 实度的随机检测。此外，无人驾驶或地面遥控压路机也迈出可喜的一步，取得很大进 展。如长沙矿山研究院研制成功的y z j l 9 a 的基础上又开发了地面遥控的振动压路机。 但是由于我国振动压路机起步晚，整体水平与国外先进水平相比仍有较大差距，尤其 是重型和超重型振动压路机生产数量和品种仍然较少，产品的可靠性和外观质量等综 合技术经济指标和自动控制技术方面仍低于国外先进水平。 4 1 2 2 发展趋势 随着现代科学技术的迅猛发展，计算机技术的运用已成为非常重要的手段，这使 得压实机械的研究过程从论证、设计、制造、试验、使用、维修到管理的全过程成为 高度自动化和现代化的工作过程，并将最终推动压实机械向自动化、智能化、无人化 和机器人化的方向发展。机器可以按照土质的变化情况不断调整自身各种工作参数 ( 振动频率、振幅、碾压速度和遍数) 的组合，自动适应外部工作状态的变化，使压 实作业始终在最优条件下进行。这种智能自动条幅压实系统能自动选择与被压材料的 密实度状况相匹配的振幅，从而消除材料出现压实不足或过压实现象，提高压实度的 均匀程度：能够消除振动轮的跳振，避免粗骨破碎。在对压实过程控制和机器工作状 态实时检测的基础上，压实机械将从局部自动化过渡到全面自动化。 1 3 课题背景及论文研究内容 1 3 1 课题背景 随着我国高等级公路的建设的全面展开以及其他各项基础建设的飞速发展，在今 后一段较长的时间里，压实机械的产销仍将保持较高的增长势头。就目前而言，国产 压实机械占据了国内压实机械市场绝大部分份额。但是我们应该清楚国际上那些极具 实力的压实机械厂商无不对现今的中国市场虎视眈眈，毕竟原来潜在的市场需要正逐 步变为现实的市场需要，国内的压实机械厂商已经清楚的看到这一点。 国家8 6 3 项目“机群智能化工程机械”的目标是：加快我工程机械的升级换代与 产品结构调整，形成产业化；有效地控制施工质量，降低施工成本，提高沥青路面铺 筑质量；提高道路使用率，延长道路使用寿命，降低道路维修费用；形成自主知识产 权的核心技术，形成企业核心力，参与国际竞争。 项目的主要内容有： 1 沥青混凝土机械化施工工艺：将沥青道路施工机械机群视为一虚拟的自动化 生产线，产品即为沥青路面，以最终产品质量最优为目标函数来研究施工工 艺。 2 机群和单元智能化施工技术：机群智能化技术主要研究基于网络的机群自动 5 信息交换、递阶智能控制系统的组织、施工调度优化技术、中央智能监控技 术；单元智能化技术主要研究嵌入式技术、远程网络通讯接口及应用层协议、 在线检测及智能诊断、c a n b u s 技术、遥控作业。 3 沥青路面施工机械机群在线智能故障诊断和智能维护技术：利用微电子技 术、信息技术和自动控制技术，对在线的机群的运行状况进行监测和辨识， 建立故障诊断专家系统。 4 沥青路面施工机群施工管理技术：将现代化设备管理思想创造性地应用到沥 青混凝土路面施工机群施工管理上，以达到对施工机群设备的物质运动和价 值运动进行全过程的科学管理。 智能振动压路机项目正是其中的一部分。 1 3 2 论文研究主要内容 1 收集整理了国内外振动压路机控制系统相关文献资料； 2 分析明确了智能压路机控制系统的组成、各部分控制功能和控制要求； 3 针对y z c l 2 一z 型振动压路机样机，设计并优化了控制系统的硬件系统，包括 控制器针脚重新分配、传感器类型重新选择、压实度仪选用改造等； 4 根据控制功能和要求，在原有的基础上重新设计了各部分的控制流程图并重 新编写完善了相应的控制程序； 5 进行了软件模拟及样机现场调试，修正了系统的软硬件错误，整定了控制程 序中各控制参数，验证了控制方案的正确性和可行性。 6 2 智能压路机控制要求 本章在振动压实理论的基础上，分析了振动压路机各工作参数与压实效果的关 系，进一步明确了压路机控制系统的组成、控制原理和控制要求，并根据控制要求初 步确定了控制系统需要处理的信号类型和数量。 2 1 振动压实原理” 2 1 1 振动压实理论 关于振动压实理论主要有以下几种学说： 1 、内摩擦减小学说 由于振动作用使被振压材料的内部摩擦阻力急剧减小，剪切强度降低，抗压阻力 变得很小，材料在重力作用下易于被压实。 2 、共振学说 当激振频率与被压实材料的固有频率相一致时，压实达到最佳效果。 3 、反复载荷学说 振动所产生的周期压缩运动作用，使被压材料受反复载荷作用，达到压实目的。 4 、交变剪应变学说 利用土力学交变剪应变原理，振动师土壤产生剪应变，是被压材料的颗粒重新排 列而达到压实效果。 2 1 2 振动压实的基本原理 振动使被压实材料内部产生振动冲击，被压实材料的颗粒在振动的冲击作用下， 由静止的初始状态过渡到运动状态，被压实材料之间的摩擦力也由初始的静止摩擦状 态逐渐进入动摩擦状态。同时，由于材料中水分的离析作用，使材料颗粒的外层包围 一层水膜，形成了颗粒运动的润滑荆，为颗粒的运动提供了非常有利的条件。被压材 料的颗粒之间在非密实状态下存在许多大小不等的间隙，被压实材料在振动冲击的作 用下，其颗粒间的相对位置发生变化出现了相互填充现象，即较大颗粒形成的间隙由 较小颗粒来填充，较小颗粒的间隙由水分填充。被压实材料中空气的含量也在振动冲 7 击过程中减少了。被压实材料颗粒间间隙的减小，意味着密实度的增加：被压实材料 之间间隙减小使其颗粒间接触面积增大，导致被压实材料内摩擦阻力增大，意味着其 承载能力的提高。 无论是水平振动还是垂直振动，压实材料在振动作用下减小空隙率，使其变得更 加密实的原理是一致的。 2 2 振动压路机工作参数与压实效果的关系o ”耵 振动压路机对材料的压实过程是一个非常复杂的随机过程。由于被压材料的物理 特性具有很大的随机性，即使同一种材料，由于压实时的初始状态、环境温度和湿度 等条件不同，其物理特性会有很大的差异。因此，振动压路机和被压材料所组成的振 动系统是个多参数、随机动态变化的系统。而且，随着压实作业的进行，被压材料的 密实度逐渐增加，其力学特性也会发生相应变化：而被压材料的特性变化反过来又影 响振动压路机的工作特性，要求振动压路机对工作参数进行相应的调整，以满足被压 材料进一步压实的需要。为了实现这一目标，使振动压路机始终处于最佳压实工作状 态。就必须实时的根据被压材料的状况对压路机的工作参数进行调节，选择一组最适 合被压材料现状的工作参数。为此，必须首先搞清楚振动压路机各个参数与被压材料 压实之间的关系，以保证振动压路机控制系统的设计合理可行。 振动压路机的工作参数有很多，其中与压实效果密切相关的主要有：振动频率、 振幅、工作行驶速度和振动轴旋转方向等。 2 2 1振动频率与振幅的影响 振动压路机的振动频率是影响土颗粒运动状态的重要参数，它反映了单位时间 内，振动轮对被压材料的冲击次数。当振动频率选择在合适的范围内时，随着振动轮 的振动，被压材料的颗粒运动加速度增高，其内摩擦阻力急剧下降，颗粒之间的相互 填充作用加强，这时振动轮受到的材料的抗剪作用也急剧减小，非常有利于压实。实 际应用中，不同的被压材料，适合于压实的振动频率范围相差较大，这就要求振动压 路机具有较大的振动频率范围，以适应不同压实材料的要求。 振动压路机的振幅反映振动轮对被压材料的冲击能量的大小。振幅越大，被压材 料颗粒运动的位移越大，参加振动的材料颗粒越多，振动轮对被压材料的冲击能量越 大，振动冲击波在材料中传播的距离越远，从而增加压实深度或压实厚度，压实效果 也越好。但是振幅也有一个适合的范围，过大的振幅使振动压实能量过高，这样多余 的能量不仅不会被被压材料吸收，反而会使已压实的部分产生松散现象。因为这时振 动轮在太大的振动强度作用下脱离了地面，被压材料受到无规则地蹦跳冲击，由于过 度碾压而使密实度降低。 由此看来，振幅和振动频率对压实效果都有重要的影响，但是它们影响程度又有 所不同。d y n a p a c 公司根据大量试验得出，对于各种土壤，在整个频率范围内把振幅 增大，将会获得压实效果和影响深度的显著提高；而振动频率的变化对压实效果影响 则没有振幅变化影响大。在一定的条件下，只要改变振动频率，被压材料的压实度就 会随着振动频率的变化而变化，但在振动频率达到某一数值时，压实度达到最大，此 时的振动频率称为最佳振动频率，其值接近被压材料的共振频率。综合考虑，振动频 率和振幅是相互密切联系的，任何一个选择不当都不能达到理想的压实效果。所以， 振动频率和振幅的选择以及它们之间的合理匹配都对压实效果起着决定性的作用。 共振理论认为振频取在振动压路机和材料的共振频率处，压实效果最佳。而实际 应用过程中并不是这样，最佳频率一般取在高于共振频率处，困为根据研究表明，在 次共振频率到共振频率这一频段，振动频率很微小变化，都会引起振动压路机工作振 幅很大的变化。但是工作频率也不能过高，否则，振动轮跳离地面后在空中停留的时 间过长，使被压实路面呈搓板形，降低路面施工质量。通常以压实接近终了时的“振 动压路机一材料”的振动频率为依据，以保证在任何情况下，振动压路机都能稳定工 作。虽然目前振动压路机的名义振幅已经有了比较合理的取值范围。但是，要选取最 佳的振动参数，还是要针对具体的压路机，通过试验来获得。 振动频率和振幅的综合作用表现为振动轮传输给被压材料的振动压实能量，它们 之间可通过下式来计算： h - 2 4 ( q + m 。2 2 ) 式中： 日一振动压实能量( k j ) ； 2 a 一全振幅( m ) ； q 振动部分的重量( k n ) ： 9 m 一偏心块的静偏心力矩( k g m ) ； 一振动频率( t a d s ) ； 2 2 2 行驶速度的影响 对于所有压路机来说，碾压速度对被压材料所能达到的密实度有明显影响，碾压 速度过快，容易导致被压层的平整度变差。振动压路机的运行速度对压实质量和生产 率的影响更显著，因为碾压速度影响振动轮对单位面积内材料的压实时间。碾压速度 低时，单位面积内的振动次数比碾压速度高时要多，因而作用在被压材料上的能量， 前者多于后者。在铺层一定时，传递至被压材料内的能量与碾压遍数成正比，与压路 机的速度成反比。假定使碾压材料层达到规定密实度所需的压实能量不变，则压路机 的速度增加两倍时，碾压遍数也要增加两倍。 糌 牝 酬 厂 、 一 o 2 4 碾压速度( k m h ) 1 2 9 赫 誊e 鹾 3 0 。 0i234 碾压速度( k m h ) 图2 - 1 振动压路机生产率、碾压遍数与行驶速度关系 图2 - 1 是振动压路机碾压砂质沥青混合料所需碾压遍数、生产率与碾压速度的关 系。从图中可以看出，碾压速度小于2 5 k m h 时，压实遍数和碾压速度呈2 倍关系： 当碾压速度超过2 5 k m h 时，随碾压速度的加快，压实遍数就大大增加了。从碾压速 度与生产率图的关系可以看出，碾压速度过高过低都会降低生产率。生产率在碾压速 度在1 - - 2 5 k m h 范围内达到最大值。而且在压实不同材料时，工作行驶速度的最佳 值是不一样的。根据有关规定，振动压路机工作速度必须保证在一英寸距离内振动次 数不少于一次，工作速度越高，振动轮连续两次冲击地面的间距越大。若一英寸内振 动达不到一次，则会在被压材料表面形成波纹，使路面平整度降低。因此，振动压路 机工作速度应与频率相匹配。试验证明，自行式振动压路机工作速度应在1 - 6 k m h 1 0 轴蚰善如暑： 范围内。 在不影响压实深度的情况下，振动压路机的极限速度可以按照下面的经验公式确 定： v 。：0 2 ( k m h ) 式中。一振动频率( h z ) 。 在实际施工中，具体碾压速度应该根据所选压路机和被压实材料的实际情况，通 过试验路段来确定。通常，碾压厚层和难以压实的材料，应采用较低的碾压速度。 振动压路机振动参数的选配，主要是以上三个参数的匹配，通过选择一组合理的 振动工作参数，压路机对被压材料施加一定的振动能量，来降低被压实材料的内部阻 力，实现用较少的能量消耗获得较高的压实效果。如果以e 表示土的压实度，e 与振 动压路机的振动参数和工作参数有下列函数关系： e 。，l ( p 。) + ，2 ( 丝) v 式中：只一振动压路机振动轮的线载荷( n c m ) ； a 一振动压路机工作振幅( 啪) ； 一振动压路机工作频率( t a d s ) ； v 一振动压路机工作速度( m s ) 。 为了克服土颗粒之间的粘聚力和吸附力，振动压路机必须有足够的线载荷最和 振幅a 。线载荷越大，作用在被压实的土表面上的正压力也越大，从而越容易破坏由 土颗粒之间的粘聚力和吸附力形成的抗剪强度。振动轮振幅越大，土颗粒运动的位移 越大，也越容易破坏土的颗粒之间的粘聚力，使土容易被压实。合理的选择振动频率 和行走速度，可以有效的减小土壤颗粒之间的摩擦力，促进压实效果，提高生产率。 这里我们可以清楚的看出，振动频率和行走速度有着密切的关系。在施工中，选择振 动频率必须考虑到行走速度，这样才能快速有效的完成压实任务。 2 2 3 振动轴旋转方向的影响 在振动压路机的设计制造与施工应用中，很少注意或者根本就忽略了一个问题， 那就是振动轴的旋转方向与振动轮的旋转方向是否应该保持一致。g e 伯特伦 ( a ) 振动与行驶同向 ( b ) 振动与行驶反向 图2 _ 2 振动与行驶方向示意图 ( g e b e r t r a m ) 曾经指出振动轮 只有在一个方向移动才具有有效 压实。福斯布莱德( l f o r s s b l a d ) 专门研究了振动轮前进方向对压 实的影响，如图2 2 所示。他认 为振动轮在碾压过程中，振动轴 旋转产生的激振力与刚轮的重力 产生一个合力，该合力方向与垂 直方向有一倾角，具体倾斜的方向跟振动轴旋转方向一致。福斯布莱德用砂料和碎石 分别作了同向和反向的压实试验，通过试验分析得出，初期，同向碾压要比反向碾压 效果好，但当压到一定遍数后，表面沉陷量很小时，继续增加压实遍数，反向碾压尚 有效果，但同向碾压已经无效，甚至产生负的效果。 近来也有研究认为，振动轴的旋转方向与振动轮的旋转方向保持一致，可以改善 铺层材料的受力状况，使之有利于材料被压实和减小裂纹的产生，从而提高压实表面 的质量，并且通过力学分析给出了证明。 2 3 智能压路机控制系统控制功能 压实控制新技术的迅速发展是与现代高科技向传统产业部门渗透与改造这一大 趋势紧密关联的，它导致了压实过程的自动监测、自动控制和自动调节技术的迅速发 展。由于以往振动压实过程中所存在问题和传统压实控制方法的缺点，人们一直在寻 求一种新型的控制系统，结合现在的智能压实技术以实现振动压路机的智能化。 所谓智能压路机主要体现在以下两个方面： 1 、控制操作智能化除了控制实现压路机的各种动作，还能够实时监控压路机 各部位的工作状态；能进行故障自诊断及报警，准确及时地给予操作人员以指导；对 于严重故障能够自动停止发生故障部分动作或者彻底切断动力，防止发生危险。 2 、压实作业智能化进行压实作业时，自动模式下能根据工作状况自动调整压 1 2 实工作参数，使之与当时的作业环境和被压实材料相适应，优化压实过程；使用g p s 系统，能够精确地给出压路机的作业位置，结合当时压实度信息，可以更高效地进行 压实作业管理。 本课题的智能压路机控制系统主要是针对压路机的行走、压实、通信等方面的控 制，通过对相应的控制器模块、显示器模块和通信模块进行编程，完成对各种信号的 采集、传输、比较、运算、放大、输出等处理，实现对整个压路机的控制。操作人员 只需要在驾驶室操作相应的开关、手柄、电位计等，就可以实现压路机的操作；通过 显示器模块还可以对压路机的状态信息全面直观的了解；技术人员通过显示器模块可 以轻松完成系统参数的修改和设置。从而实现整个压路机控制系统智能化。 本控制系统要求实现如下功能： 行驶操作控制功能； 压实参数自动控制功能； 工作状态监控功能； 故障智能诊断及报警功能； 数据管理功能； 远距离通讯功能： 系统帮助功能； 2 4 智能压路机控制系统具体技术要求分析 在控制系统中，除了满足基本控制功能外，还应使自动压实控制和手动操作可以 相互融合：对操作误动作采取保护措施，对故障情况及时报警等。 2 4 1 控制系统需要控制的几个方面 控制系统主要应该包括以下几个方面的控制 振动轮选择控制 调频调幅系统控制 行走系统控制 转向系统控制 1 3 蟹行控制 洒水系统控制 故障诊断 工作状态显示、监控 g p s 定位及远程通讯 2 4 2 各部分具体控制要求 具体各部分控制要求设计如下： 1 、振动轮选择控制 用振动轮选择开关可分别实现前轮振动、后轮振动或前后轮同时振动三种工 作方式 通过振动轮选择开关和调幅操作相互配合，可以实现前后轮同振幅或异振幅 的振动 2 、调频调幅系统控制 压实过程中保持频率的恒定 自动实现激振块旋向始终和行驶方向保持一致，无须驾驶员干预 手动时由调频旋纽选择频率，振动频率分为六档可调 振动压路机的起振控制由行驶速度和起振开关两个条件决定，当行驶速度大 于规定值，且起振开关打开时才能起振 手动时由调幅旋钮选择幅值，振幅分为六档可调 自动调节时根据密实度情况，采用模糊控制规则自动选定振频和振幅并进行 振动参数调节 自动时密实度达到要求后系统自动停止振动，防止出现过压现象 自动压实时起振由行驶速度控制，当行驶速度大于规定值时才起振，且起振 速度可调 3 、行走系统控制 行走控制由驾驶员通过行驶手柄完成 在自动模式下，显示最佳行驶速度范围 1 4 保持恒速行驶 对不规范操作或误动作，通过软件采取保护措施 驻车制动未解除时，行驶系统不响应行驶手柄的操作 行驶手柄位置急剧变化时，压路机不会产生急起急停现象 振动轮行驶方向改变后，激振块的旋向也自动改变 行驶手柄回中位实现工作制动，延时1 秒实现驻车制动，可实现紧急制动 4 、转向系统控制 机器转向的方向跟方向盘的旋转方向相同 根据方向盘的旋转速度确定机器转向的快慢 根据转向行程传感器信号，显示器显示转向角度 5 、蟹行控制 手动开关控制左右蟹行 显示器显示蟹行的位置 6 、洒水系统控制 通过洒水三位选择开关，可分别选择停止洒水、定量洒水和变量洒水 变量洒水模式下，可通过水量调节旋钮调节洒水量的大小 7 、故障诊断 通过传感器采集的信号，采用模糊推理或者是逻辑判断进行故障检测，一旦 发现故障，立即显示故障部位、等级、原因、解决的办法等 故障诊断帮助系统，对于传感器检测不到的故障，对特定的系统与部件出现 的常见故障采用故障树与对话框的形式给予提示，帮助操作人员找出故障原 因、解决办法等 8 、工作状态显示、监控 开发人机界面友好的显示器监控程序 可以通过进入主监控界面及辅控界面，对压路机的2 0 多个工作状态参数进 行实时监控 可以通过相应的按键实现主监控界面与其它界面的相互切换，完成故障诊断 显示、工作参数修改等 9 、g p s 定位及远程通讯 应用g p s 定位技术，将压路机的各种工作参数与当前的位置坐标联系在一起 可与监控中心通过无线通讯模块进行远程通讯 2 5 智能压路机控制系统需要处理的信号类型及数量 根据智能压路机控制系统需要完成的功能，结合各部分具体控制要求，初步设定 压路机各部分需要处理信号如下。 表2 - 1 控制器需要处理的信号 分类序号名称信号类型数量备注 l 振动轮选择开关开关量输入( d i ) 2前、后、全 振动 2 振动轮控制信号开关最输出( d 0 ) 2 丝 1 虿 l压实模式选择开关开关量输入( d i l自动或- t - 耐j 2 振动模式选择开关开关量输入( 毗) 1周上 3 起振按钮信号开关量输人( d i ) 1 手动振动模式下控制起振 翥 4 频率调节旋钮模拟量输入( h i ) l 篓 5振幅六档调节模拟盘输入( i )l 6振动频率信号脉冲信号输入( p i ) 2 毳 7 压实度信号模拟蕾输入( a i ) 2 8调幅油缸行程信号模拟量输入( i )2 9振动调频比例阀p 州信号输出( a o ) 2 l o 振动调幅信号开关量输出( d 0 ) 4 分别控制前后轮增幅减幅 l行驶调速信号模拟量输入( a i )l 2 行驶方向信号开关量输入( d i ) 2 前、停、后 行 3 行驶速度信号脉冲信号输入( p i ) 1 萎 4行走泵比例阀p 删信号输出( 0 )2 5行驶换档开关开关量输入( d i ) 1 高速档、低速档 统 6 行驶变档阀信号开关量输出( d o ) i 7行驶制动阀信号开关盘输出( 0 0 )l 8 行驶短接阀信号开关量输出( d 0 ) l 1 转向编码器信号脉冲信号输入( e i ) 2 转向 2转向行程信号模拟量输入( a i )l 系统 3转向比例换向阎p 删信号输出( a o ) 2 l 蟹行状态选择开关开关量输入( d i ) 2 左、中、右 蟹行 2 蟹行控制阀信号 开关量输出( d o )4相互组台实现不同状态 1 洒水模式选择开关 开关量输入( o i ) 2 变量、关、定量 洒水 2 洒水大小调节旋钮模拟置输入( i ) l 控制 3 水泵速度调节信号p 删信号输出( a o ) 1 发动 l 发动机启停信号开关量输入( d i ) l 启动、熄火 机启 2 启动电机控制信号开关董输出( 0 0 ) l 1 6 停 3 停车阍控制信号 开关量输出( d 0 ) l l 急停信号开关量输入( d i ) l 2 报警复位信号 开关量输入( d i ) 1 3 报警信号开关量输出( d 0 ) 2 声音、灯光 4 刹车压力继电器开关量输入( d i ) l 其它 5 虑清器阻塞信号开关量输入( d i ) 4空气、液压系统 控制 6 液压系统压力信号模拟量输入( a i ) 4 转向、行驶、振动、补油 信号 及传 7 液压系统温度信号模拟量输入( i ) 3 转向，行驶，振动 感器 8电源电压 模拟量输入( a i ) l 信号9 发动机水温模拟量输入( a i l 1 0 机油压力模拟量输入( a i ) 1 1 1 燃油液位 模拟量输入( a i ) 1 1 2 水箱液位模拟量输入( a i ) 1 1 3 发动机转速脉冲量输入( p i ) l 合计7 1 表2 - 2 各类信号数量统计 信号类型开关量输入( d i )模拟量输入( a i )脉冲输入( p 1 )开关量输出( d o )p w m 输出( a 0 ) l数量 2 02 161 77 由上表可以看出，该控制系统中所采用的信号有开关量、模拟量、脉冲信号和 p w m 信号等四种类型，共7 1 路信号。在这里对各种信号进行分析统计，为下一步 控制系统硬件的设计和选择提供依据和参考。 3 智能压路机控制系统硬件设计 3 1 硬件系统总体设计要求 根据第二章的分析可知，智能振动压路机控制系统是个比较复杂的多输入多输 出系统，需要对行驶、转向、蟹行、洒水、调频、调幅、压实等多种功能实现控制， 而且对不同类型的输入输出信号有不同要求，控制精度要求较高；同时该控制系统还 应具有工作状态监控、压实参数存储与处理以及远程通讯等功能：另外，压路机施工 环境恶劣，要求控制系统能够在高温、高湿、强振等情况下保持控制的可靠性。 总体来说，智能压路机控制系统有如下特点和要求： 1 、控制功能多算法复杂压路机控制系统需要对行驶、转向、蟹行、洒水、调 频、调幅、压实等多种功能进行控制，而且不同功能之间既相对独立，有的时候又需 要相互协调；而且有的功能，比如说行驶、调频、调幅等，为了保证控制的精度，需 要用到比较复杂控制算法。 要求控制系统特别是控制器具有强大的数字处理能力和足够的内部存储空间， 以方便通过软件编程轻松实现各神复杂的控制算法，满足压路机多种控制功能的需 要。 2 、信号类型多控制点数多控制系统中需要处理信号有开关量输入、模拟量输 入( 包括电压和电流两种) 、脉冲信号输入、开关量输出、p w m 输出等多种类型； 以上各类信号分别有2 0 、2 1 、6 、1 7 、7 共7 1 路( 详见第二章表2 - 1 和2 - 2 ) 。 这就需要控制系统除了能够方便处理以上多种类型数据外，还要具有足够的多 的输入输出点，即使控制器本身没有足够多的点，也必须可以方便地通过添加其他扩 展模块或采用多个控制器以满足输入输出点数的需要。 3 、控制信号相对分散又集中统虽然大部分控制信号都是通过操纵台的手柄 和旋钮提供的，但还有相当一部分信号是通过安装在压路机不同部位的传感器发送过 来的，信号相对分散而且距离控制器比较远：但不管哪里过来的控制信号，最后都要 经过控制器运算处理之后再集中输出到执行机构或显示器。 这样一来，在选择传感器的时候，除了要跟被测量的类型和信号范围一致外， 还必须根据安装的部位和距离控制器的远近情况，适当选择传感器输出信号的类型和 范围。比如，在传输距离比较远的时候，尽量选择输出信号为电流的传感器，而且传 感器到控制器之间必须使用屏蔽线，以防止由于信号衰减和干扰等因素而影响控制精 度。 4 、工作环境恶劣信号易受干扰压路机一般都是在高温、高湿、强振等情况下 工作，环境非常恶劣，控制器和控制信号极易受到干扰或因为环境原因而变得不稳定。 因此，控制器、显示器、传感器和其它关键部件必须具有足够的防护等级，以保证整 个控制系统的可靠性。 针对上述压路机控制系统的特点和要求，我们在进行压路机控制系统硬件设计 时，必须综合考虑各种影响因素，合理选择各部分硬件。 3 2 控制方案总体设计 控制系统是整个压路机的核心，而控制器又是整个控制系统的核心，可谓是重中 之重，我们在确定控制方案的时候就是以控制器为中心，然后结合控制器的类型再选 择传感器等其它的相关设备。 3 2 1控制器局域网( c a n ) 及其在工程机械中的应用“。 随着计算机技术、通讯技术、集成电路技术的飞速发展，以全数字式现场总线技 术为代表的现场控制仪表、设备大量应用，使得传统的现场控制技术及现场控制设备 发生了巨大的变化。繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计 灵活、设备维护简单，信号传输质量也大幅提高。 电子技术的飞速发展及在工程机械上的广泛应用，使得工程机械的智能化程度越 来越高，特别是在控制器技术被引入工程机械控制领域后，给工程机械的发展带来了 划时代的变化，工程机械的操作便利性、安全性、燃油经济性都得到了大幅提高。然 而，电子设备的大量使用，必然导致车身布线越来越长愈来愈复杂，运行可靠性降低、 故障维修难度增大，特别是电子控制单元的大量引入，为了提高信号的利用率，要求 大批的数据信息能在不同的控制单元中共享，大量的控制信号也需要实时交换，传统 线束己远远不能满足这种需求。在这种情况下，将串行通讯总线系统引入可以有效解 决上述问题。 基于上述原因，博世( b o s c h ) 公司开发了控制器局域网( c a n ) ，并获得了国 际标准化组织的认可及许多半导体器件制造商、网络系统开发商的支持。现在它已经 被广泛地应用于汽车、工程机械和工业现场控制，实践证明c a n 网络是一种性能优 异的现场网络。c a n 总线技术的引入彻底改变了工程机械控制领域的面貌。分布式 控制系统完全取代了集中式控制系统，在众多具有c a n 功能的控制器、传感器和执 行器的支持下，繁琐的现场连线被单一、简洁的现场总线网络所替代，系统设计更加 灵活、信号传输质量也大幅提高。 c a n 由于具有良好的运行特性、极高的可靠性和独特的设计，不但特别适合现 代工程机械及汽车各电子单元之间的互连通讯，而且日益受到其他业界的欢迎，并被 公认为最有发展前途的现场总线之一。 在众多半导体厂商的支持下，国际上一些著名的工程机械大公司如c a t 、 v o l v o 、利勃海尔等都在自己的产品上广泛采用c a n 总线技术来提高产品的技术档 次及可靠性。 3 2 。2 控制方案分析比较“删 控制器是整个控制系统硬件的核心部分，它具有怎么样的接口类型、多大的数据 处理能力以及防护等级的高低等，将直接关系到其它相关硬件的设计、选用以及整个 系统的控制性能和可靠性高低等诸多方面。因此，在进行控制系统设计的时候，控制 器的确定显得尤为重要。目前，比较主流的控制系统的控制器主要有以下几种方案， 下面将分别介绍它们的特点以及相互之间的差别。 1 、单片机： 单片机以其集成度高，系统结构简单，处理功能强，速度快，成本低，开发容易， 应用灵活，易于实现各种控制策略等优点被广泛使用于工业控制领域，但是它容易受 各种外界干扰的影响，在工作环境比较差的压路机上使用，必须花费大量精力提高其 抗干扰性能。 2 、工控机 工控机相对于单片机和p l c 来说，功能灵活，编程容易，接口简单，控制功能强， 具有单片机和p l c 的优点。但是工控机成本高，系统结构复杂，接线烦琐，控制精度 和响应速度较低，不利于在响应度要求较高的行驶机械控制系统中使用。 3 、普通的可编程控制器 随着科学技术的发展，可编程控制器技术日趋完善，功能越来越强，性能价格比 不断提高，加上它硬件过程的可靠性高，环境适应性好，编程简单，容易改变功能， 目前广泛应用于钢铁、采矿、机械制造、汽车船舶、造纸等各行各业。从可靠性上考 虑，由于振动压路机运作环境十分恶劣，环境温度高，温度变化大，灰尘多，光照强 弱悬殊，而且最重要的就是振动的影响，普通的p l c 如果不经过强化措旌和特殊的保 护措施或者是保护措施不当，也同样是难以适应振动压路机的恶劣工况。 4 、工程机械专用控制器 根据第三章介绍可知，近几年来，随着微电子技术、自动控制技术和现场总线 技术的不断进步，很多控制器生产厂家针对车辆控制