（机械电子工程专业论文）基于can总线的沥青摊铺机智能控制系统研究.pdf

内容摘要 本课题研究的沥青摊铺机智能控制系统是在改进传统技术和吸取国外先进 技术的基础上，运用先进的专家系统、网络控制等高新技术来促进沥青摊铺机智 能控制系统的产业化。本文研究的技术创新智能化摊铺机控制系统，具有恒速摊 铺和对铺筑材料的振动振捣过程的自适应控制，从而确保高速公路施工质量和工 期。 主要研究工作如下； l 针对常林股份有限公司l t u s 9 0 沥青摊铺机，完成沥青摊铺机电液控制系 统分析； 2 用专家系统建立行走和工作机构的合理控制算法；以实现恒速摊铺和各机 构动作协调； 3 基于模糊神经网络的摊铺机智能故障诊断系统研究； 4 构建由一台主控制器r c 6 - 9 ( 1 ) 、两台从控制器r c 9 ( 2 ) 和r c 4 - 4 、 及显示器d 忆通过c a n 总线连接而成的控制系统； 5 施工作业模式和参数的预置、自动显示记录生产过程； 6 智能控制系统软件编程，利用b o d a s 专用软件解决参数设置，程序初始 化、数据的发送和接收以及整机系统的智能控制。 关键词：机械工程，沥青摊铺机，智能控制，r c 控制器，c a n 总线 a b s t r a c t t h i st o p i cs t u d i e sa s p h a l tp a v e ri n t e l l c c t i v ec o n t r o ls y s t e m ，w h i c hi si nt h e f o u n d a t i o no fi m p r o v i n gt r a d i t i o n r dt e c h n o l o g i e sa n dl e a r n i n gt h eo v c r s c a sa d v a n c e d t c d l n o l o g i e s ，u t i l i z e ss o m en e wt e c h n o l o g i e s , s u c ha st h ea d v a n c e de x p e c ts y s t e ma n d n e t w o r kc o n t r o l , t op r o m o t et h ea s p h a l tp a v e ri n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mi n d u s t r i a l p r o d u c t i o n t h i sp a p e rs t u d i e st h et e c h n o l o g i c a li n n o v a t i o ni n t e l l e c t u a l i z a t i o np a v e r c o n t r o ls y s t e m , w h i c hh a st h ec o i l s t a l r 印蒯t os p r e a dp a v i n g ，a i h a saa d a p t i v e c o n t r o lf o rt h ev i b r a t i o na n dc o m p a c t i o np r o c e s so fp a v i n gm a t e r i a l s , s oa st oe n s u l e t h eq i “i 锣o f t h ee x p r e s s w a yc o n s t n g 嫩o na n dt h et i m el i m i tf o ra p r o j e c t n 砖m a i nr e s e a r c hw o r ki sa sf o l l o w s ： i a i m i n ga tt h el t u s 9 0a s p h a l tp a v e ro fc h a n g l i nc o m p o n yl t d , c o m p l e t i n gt h e a n a l y s i so fa s p h a l tp a v e re l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m , t h ep a r a m e t e r s c o m p u t a t i o na n d t h es c l t 姘o no f m a i ne l e m e n t s ； 2 e s t a b l i s h i n gt h er e a s o n a b l ec o n t r o lf l g o f i t h mo ft h ew a l k i n ga n do p e r a t i n g m e c h a n i s m sb yu s i n gt h ee x p e r ts y s t e m ；r e a l i z i n gt h ec o o s t a n ts p e e dt os p r e a d p a v i n ga n dt h ea g e n c i e sc o o r d i n a t o da c t i o n s ； 3 t h es t u d yo nt h ei n t e l l e c t i v es y s t e mo ff i m l td i a g n o s i sb a s e do nb pn e u r a l n e t w o r kf o ra s p h a l tp a v e r ； 重 c o a s t r a c t i j l gac o n t r o ls y s t e mt h r o u g ht h ec a n m a i nl i n ec o n n o c t i o n s , w h i c hi s c o m p o s o db yah o s tc o n t r o l l e rr c 6 - 9 ( 1 ) 。t w o 圳舡略h e dc o n t r o l l e r sr c 6 - 9 ( 2 ) a n d r c a - 4 ，a n da m o n i t o rd i p , ； 5 p a v e rm o v e m e i i l sa n da c t i v es t a t u s p a r a m e t e r sm o n i t o r , r e c o r d i n ga n da u t o m a t i c b r e a k d o w nd i a g n o s i s ； 6 i n t e l l e c f i v ec o n t r o l s y s t e m s o l w a r e p r o g r a m m j n g ，u s i n g t h eb o d a s s p e c i a l - p u r p o s es o t 栅a r e t os o l v et h ep a r a m e t e r s s e t t i n g , t h ep r o c e d t w e s i n i t i a l i z a t i o n , t h ed a t at r a n s m i s s i o na n dt h er e c e p t i o na sw e l la st h ei n t e l l i g e n t c o n u o lo f t h ew h o l es y s t e a x k e yw o r d ： m a c h h l e r y 舀n e c i i n g ，a s p h a l tp a v e r ，i n t e l l e c t i v ec o n t r o l ，r cc o n l r o l l e r ，c a n - b u s 第一章绪论 1 1 研究智能沥青摊铺机的目的及意义 2 0 世纪6 0 年代，中国开始研制沥青混合料摊铺机产品，在1 9 8 6 - 1 9 9 3 年期间分别 引进日本n i i g a t a 、德国戴纳派克、福格勒和a b g 公司的制造技术，同时也进i ：1 了大 量的德国以及其他国家的摊铺机产品。 2 0 0 0 年以后的1 0 2 0 年是中国公路建设十分关键和重要的历史时期，公路建设必须 使用大量先进的筑路机械，该时期为中国筑路机械产品与技术开发提供了难得的机遇 随着我国的公路建设，特别是高等公路建设日新月异的发展，对公路质量的要求也越来 越商。因此，要修筑高质、高等级公路必须有先进的筑路机械与之配套。此外在筑路过 程中，为了减少材料离析造成路面早期损坏，同时对沥青路面摊铺工艺提出了更高的要 求，对摊铺机也提出了更高地要求。由于现今科学技术高速的发展，国内外对高速公路 路面质量认识也进一步加深，再加上现代施工项目大型化的要求，新代摊铺机不仅需 要实现集成化和智能化控制，面且必须能够组成基于网络的智能化机群协同控制系统， 以获得项目施工的高效、低耗，并在尽可能短的时间内完成项目施工任务。摊铺机的智 能化，集成化正成为2 l 世纪摊铺机的重要发展方向之一 研究智能化沥青摊铺机的目的在于促进我国沥青摊铺机向机、电、液、信一体化方 向发展，向大型化和微型化方向发展，使摊铺机产品系列更加完善，制造工艺水平进一 步提高，引领我国沥青摊铺机行业跳出低水平低价格的恶性循环模式，提高沥青摊铺 机的国际竞争能力，实现可持续发展由于能源的短缺，节能、高效、可靠和环保型必 然会成为现代摊铺机发展的方向，其中发展节能型产品是摊铺机发展的主攻方向之一 国内外智能摊铺机主要有国内的常林股份最近开发的l t u 9 0 s 智能沥青摊铺机、徐工集 团r p i2 5 0 型智能化多功能铺机、镇江华晨通路面机械有限公司的s p l 2 5 型多功能摊铺 机、三一重工的ltu 90a 智能沥青摊铺机，国外的戴纳派克f 1 8 1 c s ，a b g 5 2 5 和福格 勒2 5 0 0 等超级大型沥青混凝土摊铺机。 1 2 智能沥青摊铺机国内外研究现状及发展趋势 沥青混凝土摊铺机作为种用来铺设高等级公路路面的专用设备，该设备技术性能 的高低直接影响着路面的摊铺质量。为了进一步提高路面的摊铺精度，降低成本，提高 功效，简化结构，国外许多公司对摊铺机的技术性能，结构和控制技术进行不断的改进 和提高，以此占领市场主导地位。 随着电子技术的发展与应用，摊铺机的控制系统由以前的手动逐步向自动化发展， 这样无论在提高摊铺机的摊铺精度，还是在简化操作、降低驾驶员的劳动上，都得到了 改善。微电子技术的发展给摊铺机控制系统又带来了一次新的革命。微电子技术是一种 更为先进的控制技术，使得摊铺机向智能化更迈进了一大步。现在国内外生产摊铺机智 能化一个重要的特征就是整机控制核心为一个中央处理器，可以根据你需要控制的对 象，进行不断的软件优化和经验积累，同时可以方便的设定优化参数。由于数字技术在 控制系统中的运用，控制系统在各方面都要比传统的控制理论技术要更精确、更可靠。 如摊铺机上采用的r e x r o t h 公司m c 6 ，m c 7 ( 现在是r c 系列) 控制器其微处理器由8 位逐渐向1 6 位、3 2 位过渡，这使得数字控制的功能日趋强大国内在这方面的研究刚 刚起步， “九五”国家“8 6 3 ”计划由徐工集团与清华大学联合研制的沥青混凝士摊 铺机数字化平台已通过鉴定，标志着我国在这方面的研究前进了一大步，但该产品距离 产业化还有艰难的路要走，国内在这方面总的研究还不深入和广泛”。 现场总线是近年来迅速发展起来的一种工业数据通信及控制网络，是控制技术、传 感器技术、仪器仪表技术、计算机技术和网络技术的发展成果。c a n 总线技术具有可 靠性高、实时性强和灵活性突出等优点，适应工业控制系统分散化、网络化与智能化的 发展趋势。以前传统的控制技术将摊铺机分成几大模块：行走系统、输分料系统、找平 系统、发动机系统和其他辅助装置等。这些子系统各自功能独立分散，不能互相协作， 模块之间缺乏通讯手段，系统在整体性能上很难有所改善。在基于c a n 总线网络的控 制系统中，每一个数字微处理单元都可以达到信息共享，实现实时控制。在中央处理器 的统一指挥下，各个单元能够进行最优化的组合。如发动机的控制，传统上为了保证摊 铺机的工作平稳，发动机在摊铺时必须满负荷工作，这不仅浪费了功率，同时也是对发 动机寿命和周围环境等造成了损害。在智能控制网络控制技术中，发动机的c a n 单元 就可以通过网络从各相关子系统获得控制信息，由中央处理器根据收集来的数据进行统 计计算，发出指令，保证在系统稳定的情况下，柴油机以最佳的功率输出。 衡量摊铺路面质量好坏的标准是平整度，同时也是衡量摊铺机性能的最重要指标， 所以找平功能在摊铺机设计过程中显得尤为重要。传统的找平系统，常采用接触式平衡 梁，控制电路采用模拟电路，结构简单，成本低廉，但是反应精度较差，而且是在路上 滑行，受外界干扰的因素影响大，不易及时调整摊铺机的工作状态。现在非接触式平衡 梁正在逐步代替老式的接触式平衡梁，非接触式平衡梁一般分为激光自动找平、红外线 自动找平和超声波自动找平。其中激光自动找平技术精度最高，最突出的特点是采用了 2 在空气中传播速度恒定不变得激光作为探测距离的介质，但是价格太商，往往在公路施 工中极少应用最新研究成功的r s s ( r o a ds c a n n i n gs y s l e m ) 激光扫描自动找平系统 是且前国际上最先进的非接触式沥青摊铺机找平系统之一。在现代的旌工中常使用的超 声波平衡梁，它采用的超声波传感器是一种可逆的换能器，多采用多探头超声波技术， 它将电振荡的能量变为机械振荡，形成超声波或者由超声波能量变成电振荡。在非接触 式平衡梁领域内著名的生产厂家有：美国的拓普康( t o p c o n ) ，德国的摩巴( m o b a ) 以及丹麦m i n i - l i n e 等 z i 。虽然在找平技术上有了很大的提高，但是还有一些制约找平 技术的瓶颈问题。影响平整度的因素有以下几个方面：熨平板牵引臂牵引点的位置；摊 铺机摊铺速度；螺旋分料器的速度；液压系统反应速度慢；熨平板前材料的温度、高度、 均匀度；熨平板的压实度，振捣和高强压等。从目前的找平系统控制技术来看，仅仅大 臂牵引点得到了有效控制，但是如果使用c a n 技术，就可以将以上因素和找平系统建 立联系，在中央处理器的协调下，运用模糊控制理论，共同参与控制，从而使受控对象 处于最佳状态。 目前行驶系统的控制器多采用单片机、pl c 、d s p 数字技术，已经研究成功的摊铺 机d s p 数字行驶控制系统中的控制器可以实现恒速控制、起停、转向等功能，并且系 统的实时性好、控制精确，具有抗振、耐高温等优点。系统采用了模糊p i d 参数自整定 的控制算法，弥补了外界环境对摊铺机行驶速度的影响，实现了对摊铺机行驶速度的精 确控制。 在电子管理作业系统方面，英格索兰4 b g 摊铺机的e p i ! 电子管理摊铺作业系统已 发展到第二代，该系统既有数据远程传送，卫星跟踪定位，电子路面扫描系统及镭射找 平等功能，还有触摸式操作平台实现整机运作情况监测及故障诊断，在面板上实现刮板 无级调速、夯锤频率调整等。福格勒摊铺机的输料器、分料器分别独立驱动，通过超声 波传感器组成的闭环控制系统能够精确地控制料位的高度，保证摊铺质量。其智能发电 机管理系统配置一个三相交流发电机，动力储备充足，不论发动机的转速商低如何，摊 铺的负荷如何变化，发电机输出都可满足使用，避免了负荷突变，降低总燃油消耗。另 外熨平板得益于发电机管理系统，具有左右交替加热模式，从两可以减少一半加热动力 的消耗。v - t r o n i c 系统提供非接触式自动导向，纵横坡控制，且具有记忆功能，只需 按一下按扭，机器就能马上恢复到停机前的工作状态。近年来，国外厂商在电子监控系 统上加装了故障数据的纪录存储和输出接口，维修人员可以将故障代码读出，进行分析， 确定故障的类型和故障点。而我们国内，我国摊铺机在这方面的研究与应用还比较落后， 电子监控鱼故障技术正处于初始探索和应用阶段1 3 1 。 近几年g p s 在智能化摊铺机中的主要作用是显示摊铺机的工作位置，向中央控制系 统发送摊铺机的位置信息、地理信息，以便于中央控制系统对工程进行智能管理，它是 机群控制体系得以实现的技术支持之一。具体来说，它主要完成以下工作：完成施工工 地信息的高精度测量；完成施工工地摊铺机的位置、作业速度和时间等信息的采集：根 据需要，数据对话框能实时在屏幕上显示所需测量数据；记录目标的原始测量信息，经 事后处理得到精确的目标数据；经过处理后的数据，可以用于控制摊铺机的行走方向以 及控制摊铺坡度：对多目标采集的信息和数据具有事后回放、显示记录的功能。通过g p s 可以实时的对摊铺机实行定位和地貌测量1 4 】。 1 3 本文研究的主要内容 以上所述是机群智能化的相关内容，通过以上的比较，不难发现虽然在近几年，国 内沥青摊铺机在智能化研制方面有所发展，但是和国外的先进技术的差距还是很大，导 致国内引进生产或自制生产的摊铺机在智能化发面的关键技术全部依赖于进口或仿造， 这就导致了在技术上我们和国外的差距越来越大。本课题的主要目的是根据国内摊铺机 智能化研制的情况。立足于国内需要和实际技术情况，追踪国外先进技术，开发适合于 中国国情的摊铺机单机智能化控制系统。这对于迅速提高国产摊铺机质量水平，从而提 商路面施工质量具有十分重要的意义。根据目前单机沥青摊铺机单机智能化发展的实际 情况，确定本文研究的内容有以下几点： l 对国内外智能摊铺机特征、技术、发展水平、研究现状进行分析； 2 选取常林股份的l t u 9 0 s 摊铺机，对其电液系统进行分析； 3 根据摊铺机作业特点，对行驶电液控制系统控制策略、控制算法进行研究； 4 理论上研究基于模糊神经网络的沥青摊铺机智能故障诊断系统； 5 通过引入数字控制技术及网络控制技术，构建基于c a n 总线的多微处理器摊铺 机单机智能控制系统，完成硬件选型及相关程序编程； 6 以企业的智能化技术为基础，根据研究项目的可行性，对智能摊铺机进行试验 研究。 4 第二章沥青摊铺机电液控制系统分析 沥青摊铺机智能化的实现离不开电液控制系统，它是现代机电设备中，特别是机电 液信一体化设备中一个重要的组成部分，要想具备好的智能控制，就要拥有性能良好的 电液控制系统。液压控制技术近年来发生着巨大的变化，各种精巧的方案与实施方法使 得液压系统进一步得到完善而性能更佳。 2 1 自动找平系统电液控制原理 自动找平电液控制系统采用2 个电磁阀来控制左右工作油缸的上下2 个腔的油路通 断，从而达到控制活塞行程的目的。自动找平电液控制系统的控制核心是通过控制电磁 阀的油路流向来控制活塞的上升和下降，通过改变电磁阀的通断时间来控制活塞的运动 速度。实现熨平板对路面波动的自动补偿。 系统采用定量泵供油，通过节流阀来控制系统的流量，同时使用液压锁来防止油缸 的滑移。左右两个功能相同的找平液压系统以电控方式对工作油缸供油，通过控制左右 两个电磁阀的工作状态就可以独立的调节两个工作油缸的升降，从而达到对摊铺层高度 的精确把握例。 i 一基准线2 一触臂3 、4 - - 纵坡传罄器及机架5 、6 - - 横坡传感器及可调藏座 7 一横粱8 一横粱支架9 一电气系统1 0 一工作油缸l l - - 电磁周 围2 1 电一液调节的开关自动调平装置布置图 电一液调节的开关自动调平装置见图2 1 ，它由检测装置( 参考基准1 ；纵坡传感器 和固定机架3 ，4 和触臂2 ；横坡传感器及其底座5 ，6 ；电源系统) 和执行机构( 工作油 缸l o 和电磁换向阀1 1 ) 两大部分组成。 该系统的工作情况如下： 在工作过程中，参考基准l 是一条按规定张紧的钢丝，将它作为纵坡传感器的触臂2 紧靠在钢丝上随着摊铺机的移动而移动。 当牵引点因路表的起伏而上下移动时，它会带着熨平板一起升降；另外，当混合料 的配比、温度、料堆高度和行驶速度等发生变化时，熨平板的受力平衡受到破坏，这样 5 也会导致熨平板的自动升降。熨平板升降直接带动了固定在熨平板上的纵坡传感器的共 同升降。由于传感器下面的触臂是以一定的角度搭在基准线上的，因此，它的角度也随 着熨平板的升降而改变，这就导致了传感器内部的旋转臂的转动产生了偏差信号，这个 偏差信号由控制器采集后，通过一定的分析和处理，发出控制信号通过功率驱动电路给 电磁阀供电。电磁阀接到信号后，根据信号的不同作出不同的响应，使得牵引点的工作 油缸上腔或下腔进油，让牵引点回到原来的高度，于是，熨平板的工作仰角也就相应的 回到原来的工作仰角。至此，偏差信号消失。控制器切断电磁阀的控制信号，油缸停止 运动。这样就保证了摊铺层仍维持在原来的厚度，达到了自动找平的目的。 随着微电子技术和计算机技术的发展以及硬件成本的降低，数字式控制系统在现代 工程机械中得到了越来越广泛的应用，基于微处理器或单片机的控制系统在现代工程机 械中正在逐渐普及，并成为旌工质量的保证数字化自动调平系统的应用，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。 数字式控制器的结构特点符合摊铺机的基本需要，所有在模拟式控制器上能够实现 豹功能在其上也能很好地实现。数字式控制器的基本结构如图3 4 所示。模拟量输入端为 外界模拟信号的输入端，经控制器内部的a d 转换器转换为数字量，地址端主要是为了 与其它控制器进行通讯而设计的。由于数字式控制器是以微处理为核心的系统，容易实 现与其它控制器的通讯功能。该功能可以把每一个控制器作为下位机，而由一台上位机 统一协调控制，进一步实现整个摊铺机控制系统的智能化分级控制。上升端与下降端是 输出信号端。此输出信号一般为脉冲形式与所选软件有关。根据不同的控制策略及采用 不同的液压系统，需要不同的软件。由于软件的开发、安装迅速方便，也就体现了数字 式控制器的应用具有广泛性与灵活性。传感器电源端为传感器提供电源，如有必要。还 可以提供多组电源输出以满足不同传感器的需要。 电源 模拟最输入 地址 上舟 下岸 传盛器电源 地 围2 2数字式控制器的基本结构 6 图2 2 所示为基于p l c 的自动找平控制系统原理图。从中可以清楚地看出其工作原理 此控制系统实际是一种随动液压位置伺服系统，由于摊铺机在工作中的基准线一般为固 定设置，牵引点的位置跟随其上下移动，从而调整熨平板的垂直位移。其中p w m 和p f m 控制信号的产生是通过p l c 的定时器完成的，其占空比的大小依赖于牵引臂上安装的位 移传感器的输出信号，它们的关系是线性关系分段控制方案中的占空比大小与该位移 传感器的输出量是一种分段线性关系，可以通过对分段参数的调整达到提高系统性能的 目的【6 l 。 图2 3 目动找平控制系统原理图 2 。3 行驶系统电液控制原理 图2 4 所示为典型履带式摊铺机单边行驶液压系统驱动回路该，系统由变量泵、变量 马达、比例电磁阀、变量机构、安全阀、单向阀、补油溢流阀、溢流阀、梭阀、滤油器、 补油泵和油箱等组成系统中变量泵既提供液压能源，又是主要的控制元件，改变变量 泵排量和方向就可以改变液压马达输出转速和方向。安全阀确定了系统的最高工作压 力。作为闭式回路，在工作中油路的高低要互换，因此在油路两个方面都设置了安全阀。 由于闭式回路不可避免存在一定的泄漏。补油泵提供控制油路，通过单向阀向系统的低 压回路补油，并可在低压回路建立起一定的压力。溢流阀设定系统补油压力，不由压力 应略高于主油路回油侧的压力。该系统中补油泵同时进行变量机构的液压油源，以保证 主泵在捧量为零的情况下仍可以对比饲阕进行控制1 1 4 1 。现代混凝土摊铺机的行驶控制方 式为电子控制，其中变量泵采用电子比例控制，双速马达采用电磁二位开关控制。在沥 青混凝土摊铺机的控制中，双速马达的控制较为简单，普遍采用电磁二位开关控制对 摊铺机传动的控制以及摊铺机各种不同行驶工况的实现重点在于变量泵的控制 7 i 变量泵2 补油泵3 补油溢流阀4 单向围5 安全阀6 梭阀z 制动缸 & 双速马达9 ，井控渡压阀l o 变量调节机构 r l l ，r l f _ _ 彳f 驶泵比倒电磁蠲y i d 动电磁开关月轳双速马达控制电磁周 围2 4 摊铺机行驶液压系统驱动回路 图2 5 为行驶驱动与制动控制原理图。s 7 0 为手动自动切换开关，l 【糟、k 3 0 ，k 2 7 为 相应继电器控制开关。 虹f 。、i s 鼍瞎8 翟嚣铝豇斟，淑k 噩 ir _ b i t j 一一l 虹l 。 “心 。j 一一 车kd s l r 篱r 藿t 捌 简简帮 i 一 墨 簟 幕1 f 1舯附苛 砭 i匮t | i i i i i ii ili i 舢 恒醚 芙 警点 ii 口t q 喘 l i i il i l l l $ - o j 筘缸 釜鞠 i 矬 毫五；畦 n 稍 f # 。b 舅 当 晕 b 口 k i 厩 】 辱孳 署 琦母 墨 孕b li h ji h 旺 k z s 孵群t t t 墨： 图2 5 行驶驱动与制动控制电路图 y r 为液压马达输出轴制动解除电磁阀( 带续流二极管和发光二极管指示) ，左、右两 侧马达的制动共用y r 阀，h 3 为制动指示灯，k 为制动解除继电器( 2 2 0 - 6 4 0 m a ) 。 行驶控制电子调节器a s 的工作电压由继电器如通过熔断器k 2 5 ( 7 5 a ) 提供，电源电压 为+ 1 2 v d c 。该系统有自动和手动两套速度控制系统，能实现机器的前进，后退，转向 及速度的调节。 b 3 和b 4 为摊铺机左、右驱动轮转速传感器，用于测量行驶速度，以实现摊铺机在作 业工况下速度恒定及直线行驶。r l s 为行驶速度调节电位器，r 1 7 为左转向调节电位器， 3 r j s 为右转向调节电位器，r 1 9 为车辆原地转向控制开关，s 7 s 为消除喇叭报警开关，s 6 为 高低速控制开关。用于控制左、右两侧液压马达的电磁阀b 、y “串联电路，每个电 磁阀工作电压为+ 1 2 v d c ) ，通电时机器处于高速行驶，即液压马达在最小捧量下工作( 高 速、小扭矩工况) ，用于机器非作业工况( 如转移场地等) ；断电时为低速工况，即液压马 达在最大捧量下工作，为低速、大扭矩工况，用于机器摊铺作业工况脚。 2 4 输分料电液控制系统及料斗液压系统 2 4 1 螺旋分料器液压回路 螺旋分料器液压系统采用了双向变量泵一双向定量马达组成的闭式回路，附有补油 泵，左、右分料液压驱动回路完全相同，工作原理和行走液压回路完全相同，如图2 6 所示。变量泵虽为双向变量泵，但在使用上只当单向使用，分料器驱动马达也是单向的。 螺旋分科器旋转的速度大小采用电子比例调节，比例放大器的功麓要比行驶控制功能少 得多，它主要是转速比例控制，且是开环控制。电磁阀工作电流为1 0 0 5 0 0m a ，也可 采用手动设定为最大转速状态。 图2 6 单边分科器液压系统围 2 4 2 刮板供料器液压回路 刮板供料器液压系统采用的是单向定量泵一单向定量马达组成的开式回路，左、右 液压回路相同。其左输送带液压系统如图3 9 所示。左输送带泵l 输出的油经过单向阀3 进 入左输送带马达2 ，流回油箱。分路式溢流阀4 用来控制并调节马达的匝力，它由稳压溢 流阀和节流阀组成，节流阀控制液流流向定差减压阀5c 润整压力为2 3m l a ) 和电磁阀y 0 7 。 若电磁阀处于断电位置( 下位) ，p 2 点的压力接近大气压力，溢流阀4 卸载。若y o t 通电， p 2 建立压力( 最高压力为2 3m p a ) ，液压马达工作，系统压力超过溢流压力时，溢流阀打 开溢流。分路式溢流阀由稳压溢流阀和节流阀两部分组成。刮扳输送速度只有一个速度， 即给y 0 7 通电，刮板输送器工作，断电后稳压溢流阀打开溢流，液压马达卸载，刮板输送 9 器停止工作嗍。 2 4 3 料斗液压回路 l 一粤一一 围2 7 单边刮板供料器液压系统 料斗位于摊铺机的前部，是承接自卸车卸料和存放沥青混合料的地方。主要由左右 边斗、铰轴、支座和液压缸等组成，其液压回路如图2 8 所示。 至 图2 ，8 科斗液压系统图 由定量泵1 ( 额定转速为2 1 8 5r m i n ) 出来的油流向三通流量分配阀。一部分油流向 自动调平系统，需要稳流：另一部分油不需要稳流作用， 流入另一三通流量分配阀， 一支流至熨平板提升回路，另一支流向料斗缸或熨平板延伸回路。当电磁换向阀5 处于 中位。a 点的压力能打开液控换向阀4 ，让油流至熨平板延伸回路中。当电磁换向阀5 处于左位时，即通电，油经单向阀流至料斗缸的左腔，使料斗打开。相反，当电磁换向 阀5 处于右位时，即通电，料斗关闭。安全溢流阀7 限制系统最高压力，当系统压力超过 2 1m p a 时，安全阀打开，保护液压系统温度控制开关在温度超过5 5 3 时，启动风扇 工作。冷却器的作用是使液压系统油冷却，当冷却器堵塞，回路压力超过0 1 5m p a 时， 冷却器单向阀打开。在系统中，有很少部分油经溢流阀3 流回油箱。单向溢流阀有一定 开启压力，可保证阀4 始终处于下位，从而保证料斗工作压力o o 。 2 4 4 供料系统控制电路 图2 ，9 供料电路图。供料系统由供料系统由左右刮板输送器，左右螺旋分料器和 科斗开闭3 个子系统组成。螺旋分料是比例控制，左控制放大器为a 4 l ；右控制放大器 为a 蛇；刮板输送由开关量控制【1 1 1 。 _ n if ，lh 自b i - 咀_ f il h 4 ”- m “ - 足量格 胛，l 。 雨一 枉辩 - 啭 g 蝴蚰嚏t t 矗 s ” 一臣 一 荠 擎： i 士 h 忑 i lb f 孓j 叶，i 堂 l 麓寡 i 轴 k j k l 一，铀j 驯蕤 强 j 一- - - fn 幂 1 l 一 b ，j 半 一。 t 题 亭 t 1谛 喾 函 i 群 剖，e * m 一 裟嚣斟 * 2 m 围2 ，9 供料系统控制电路 左螺旋分料电路由熔断器f 3 $ ( 1 2 5 a ) 、左螺旋开关控制继电器k l ! 三位开关s l s 、急 停供料开关s 5 3 强制供料开关$ 4 5 、左螺旋分料器转速调节电位计r 1 3 、限位开关s 4 3 、 左布料控制放大器a 4 l0 0 0 5 0 0 m a ) 、比例电磁阀y 5 l 、螺旋分科器手动自动控制开关 s 4 5 、料位传感器r 2 3 ( 2 2 欧姆) 、最高转速设定开关s 5 2 、电阻r 3 t ( 1 0 0 欧姆) 和r 3 2 ( 2 2 欧姆) 等组成 左刮板输送器速度不变，电路由熔断器f 3 ，( 7 5a ，左右刮板输送器共用一个熔断器) 、 继电器k 1 3 、左输送电磁阀y 7 、行程开关s 1 、三位开关s b ( 自动、中位停止、强制输料) 等组成。 右供料系统与左供料系统完全相同。科斗门开闭电路由熔断器f 1 5 ( 7 5 a ) 、控制缸电 磁阀( y 2 0 i 和y 2 0 2 ) 及三位开关s 7 组成。 第三章沥青摊铺机液压行驶驱动系统 控制算法和控制策略研究 目前用于摊铺机行驶驱动系统控制的方法主要采用p i d 控制，p i d 控制由于算法简 单，鲁棒性好，可靠性高，不依赖被控对象的精确数学模型，在许多控制系统中得到了 广泛的应用。由于液压伺服系统多为非线性、时变的复杂系统，其参数变化较大，难以 精确建模，p i d 参数整定困难，如果单纯采用固定参数的常规p i d 控制就不能满足在不 同偏差下系统对p i d 参数自整定的要求，控制器对运行工况的适应性差，从而影响其控 制效果进一步提高。由于模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型，其响应快、鲁棒性 强，干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱，尤其适合于非线性、时变及纯滞后 系统的控制，所以我们决定采用模糊参数自整定p i d 控制算法应用于摊铺机行驶驱动系 统的控制中。 现代履带式沥青混凝土摊铺机普遍采用双泵一双马达系统，液压系统左右两侧独立 驱动回路，单侧回路见图1 ，通过对左右两侧独立的泵和液压马达进行控制，实现摊铺 机的前进后退、左右转向及原地转向等控制，以实现无级变速，达到恒速控制的目的。 图3 1 履带式摊铺机行驶液压驱动回路 3 1p i d 算法 3 1 1 常规p i o p i d 控制算法是利用偏差信号，采用比例、积分、微分三个基本环节对系统进行调 节。为了在单片机上实现p i d 控制算法，p i d 控制规律的实现必须用数值逼近的方法， 使模拟p i d 离散化变为差分方程。 常规p i d 控制规律的差分方程： i ( 七) = k ，p ( 七) + k ，p ( 七) + 置d 【p ( 七) 一p ( 七一1 ) 】 m 式中：u ( k ) 一一第k 个采用时刻控制器的输出量： p ( j ) 一一第k 个采样时刻的偏差值； x ，一一比例增益系数，它影响系统的响应速度和精度； 髟一积分作用系统，它影响系统的稳态精度； k 。微分作用系数，它影响系统的动态特性。 其速度型控制算法为： “( 女) = “( 女) 一u ( k 1 ) = k ，p ( 七) 一e ( k 一1 ) 】+ k i “七) + b e ( k ) - 2 e f k - d + e ( k 一2 ) 1 为了进一步提高p i d 控制的效果，我们采用了积分分离措施和梯形积分对控制算法 进行改进，以提高控制性能。在软件编程前，必须对k ，、x ，、x 。进行初始化，因此 应对p i d 参数进行预整定。p i d 参数整定的比较成熟的方法有临界灵敏度法、扩充响应 曲线法、z i e g l e r - n i c h o l s 法等等。应用中要结合具体情况反复整定，并进行实验，确 定一组较满意的参数。 3 1 2 模糊控制“” 模糊控制的基本思想是利用计算机来实现人的控制经验，丽这些经验多是用语言表 达的具有相当模糊性的控制规则。模糊控制器( f u z z yc o n t r o l l e r ，即f c ) 获得巨大成 功的主要原因在于它具有如下一些突出特点： 模糊控制是一种基于规则的控制。它直接采用语言型控制规则，出发点是现场操作 人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象的精确数学模型，因 而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于应用。 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控制对那些数 学模型难以获取、动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适用。 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同，容易导致较 大差异；但一个系统的语言控制规则却具有相对的独立性，利用这些控制规律问的模糊 连接，容易找到折中的选择，使控制效果优于常规控制器。 模糊控制算法是基于启发性的知识及语言决策规则设计的，这有利于模拟人工控制 的过程和方法，增强控制系统的适应能力，使之具有一定的智能水平 模糊控制系统的基本结构如图3 2 所示： 圉3 2 模糊控制系统框图 其中s 为系统的设定值，y 为系统输出，e 和c 分别是系统偏差和偏差的微分信号，也 就是模糊控制器的输入，u 为控制器输出的控制信号，e 、c 、u 为相应的模糊量。由图 可知模糊控制器主要包含三个功能环节：用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节， 模糊控制算法功能单元，以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。模糊控制器设许的基 本方法和主要步骤大致包括： 选定模糊控制器的输入输出变量，并进行量程转换。选取方法一般如图3 2 所 示，即分别取e 、c 和u 。 确定各变量的模糊语言取值及相应的隶属函数，即进行模糊化。模糊语言值通 常选取3 、5 或7 个，例如取为 负，零，正) ， 负大，负小，零，正小，正大) ，或 负 大，负中，负小，零，正小，正中，正大 等。然后对所选取的模糊集定义其隶属函数， 可取三角形隶属函数( 如图3 3 所示) 或梯形，并依据问题的不同取为均匀间隔或非均匀 的：也可采用单点模糊集方法进行模糊化 u 围3 3 隶属度函数 建立模糊控制规则或控制算法。这是指规则的归纳和规则库的建立，是从实际 控制经验过渡到模糊控制器的中心环节。控制规律通常由一组i f - t h e n 结构的模糊条件 语句构成，侧如：i fe = na n dc = n ，t h e nu = p b 等；或总结为模糊控制规则表，可直 接由e 和c 查询相应的控制量u 确定模糊推理和解模糊化方法。常见的模糊推理方法有最大最小推理和最大乘 积推理两种，可视具体情况选择其一：解模糊化方法有最大隶属度法。中位数法，加权 平均，重心法，求和法或估值法等等，针对系统要求或运行情况的不同而选取相适应的 方法，从而将模糊量转化为精确量，用以实施最后的控制策略。 1 4 3 2 控制策略 综上所述，我们采用模糊控制与p 1 d 控制相结合的方法来实现摊铺机行驶驱动系统 智能控制，模糊控制与p i d 控制相结合的方法多种多样，在这罩我们采用的足f u z z y p i d 复合控制，即模糊p i d 控制，通常是当误差较大时采用模糊控制，而误差较小时采用p i d 控制，从而既保证动态响应效果，又能改善稳念控制精度。其结构如图3 4 所示，它由 一个标准的p i d 控制器和一个模糊自调整机构组成。 模糊自调整机构 图4 模糊p i d 控制器 3 2 1 模糊语言变量的确定 选择摊铺机行驶速度偏差e 和速度偏差变化率e c 的语言变量e 和e c 作为输入语言 变量，输出语言变量选择酢、k ，、如，也就是p i d 参数x p 、足，、k 。相应的语言变 量。考虑实际情况，利用 负大，负小，零，正小，正大 _ n b 、n s 、z e 、p s 、p b ) 五个 模糊状态描述语言变量反丘、k ，、足，、k d o 通常情况下，中国沥青混凝土摊铺机作业摊铺速度不大于6 m m i n ，此处确定速度偏 差e 的基本论域为 一0 6 m m i n ，0 6 m m i n ，利用扩充响应曲线法求出的p i d 预整定参 数，可以确定足，、k ，、k 。的大致变化范围，k ，变化范围为 0 9 ，2 1 ，足，变化范 围为 4 ，1 0 ，x 。变化范围为 0 2 ，0 6 。 3 2 2 语言值隶属度函数的确定 下面以离散形式给出语言变量e 的隶属度，语言变量丘与采用相同的隶属度函数， 而语言变量k ，、k ，、k 。三个则采用相同的隶属度函数。隶属度函数见图3 5 、图3 6 ， 赋值见表3 1 、表3 2 。 图3 5 信差和偏差变化铝的隶属度函数 图3 6 控制量群、k t 、如的隶属度函数 表3 1语言变量f 和e 隶量度赋值表 模糊 等级 变量 - 4- 3- 2- 101234 p loooooo0o 3 4l p s00 o 0oo 5 0 1 0 0 5 0 0 z e0o00 2 4loo 2 4000 n s 0o 5 01 0 0 5 0 oo00o n l 1o 3 4o 0 o0 ooo 表3 2语言变量胂、k i 、如隶属度赋值表 模糊等级 变量 - 4- 321o1234 p lo0o 0 0o o 0 5 0 1 p s0ooo00 5 01 00 5 0o z e0o00 5 01 00 5 0000 n so 0 5 01 0 0 5 000 o0o n ll0 5 00ooooo0 3 2 3 系统中p i d 参数自调整的规则o ”： 1 ) 当摊铺机起步或停车时速度偏差iei 较大时，为加快泵马达系统的响应速度， 应取较大k e ；同时为避免由于开始时e 的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作 用超出许可范围，应取较小k e ；为防止液压马达转速出现较大的超调，产生积分饱和， 应对积分加以限制，取局为零。 2 ) 当速度偏差iei 和偏差变化率le ci 处于中等大小时，为使液压马达转速具有较小 的超调，置，应取小一些，j 【，取值要适当，置。要大小适中，以保证系统响应速度。 3 ) 当速度偏差lel 较小，即接近设定值时，为使系统有良好的稳态性能，应增加譬。、 x ，取值，同时为避免系统在设定值附近出现振荡，并考虑系统抗干扰性能，置。的取值 相当重要，一般当fa e i 较大时，k ，可取小一些；i e c 较小时，足。取大一些。 根据以上分析和语言变量的设定，可以初步总结出置，、髟、置。的自整定规律， 见表3 3 表3 5 ，模糊控制器输出图见图3 7 。利用著名的 岫d a n i 法进行推理。根据 泵控系统要求实时性好的特点，采用最大准则法进行模糊决策。 表3 3 k ，模糊推理规则 e k p n bn sz ep sp b n bp bp bp bp sz e n sp bp sp s z e n b ez ep sp sz e n s n b p sp sz e n sn s n b p bz en sn sn b b i b 表3 4k ，模糊推理规则 f k l n bn s z ep sp b n bn bn bn bn bz e ， n sn bn sn sz ep s 丘z en sm sz ep sp s p sn sz ep sp sp b p b z e p s p sp b p b 表3 5 k o 模糊推理规列 e 如 n bn s z e p sp b n b p sz ez ez ep s n sn bn b n sz ep s 丘 z en bn b n s z ep s p sn bn sn sz ep s p bp sz ez ez ep s l q 【l 图3 7 模糊控制嚣输出图 建立的摊铺机行驶系统的仿真模型见图3 8 图3 1 3 ，数学模型的建立参考