（机械制造及其自动化专业论文）数字自动调平控制系统.pdf

摘要 摘要 随着我国经济的迅速发展需要越来越多的高等级公路，同时高等级路面的摊 铺质量越来越依靠所用摊铺机的性能。为解决摊铺机摊铺高平整度沥青路面的问 题，需要先进的自动找平控制系统。本课题是和北京市政公司合作开发的为摊铺 机试研制一套数字自动找平控制系统，本论文主要侧重于软件的设计与研究。 首先分析研究了自动找平的工作原理，对接触式与非接触式自动找平系统的 特点进行了比较分析，指出非接触式自动找平系统是研究的趋势。接着我们提出 了设计的整体方案控制系统的设计思想，并基于这个思想确定了控制系统的各个 基本功能模块，并在此基础上进一步确定了三菱公司的f x l n 2 4 t , i t d 型号p l c 作 为核心控制器，选用t u r c k 公司的q 4 5 u 系列超声波传感器作为路厮的检测元件， 触摸屏选用三菱f 9 3 0 g o t b w d c ，a d 模块选用f x 2 n 4 a d 。 在系统设计时主要是软件的设计，主要设计包括系统的通讯设计和p l c 程序 设计，通讯软件用于实验采集分析数据，监控系统状态使用；p l c 程序设计包括 控制策略的研究和p l c 的软件实现。然后我们分别介绍了系统的各个模块功能， 对这套系统的功能以及操作方法进行了说明。 为了完善系统，我们对系统进行了优化设计，主要有系统数学模型的建立和 仿真优化，对控制系统的一些参数做了优化设计。我们在实验室内搭建了一套液 压系统模拟摊铺机的找平液压系统，在这套系统上我们做了一系列实验用于完善 我们的系统的实际使用能力，最后在实际的摊铺机上进行了部分实验，结果表明 这个系统是可行的，能够提高路面的平整度。 关键词：沥青混凝土摊铺机； 自动找平系统；可编程控制器( p l c ) ； 控制策略：熨平装置 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m i c o u rc o u n t r yn e e d sm o r ea n dm o r e l l i 曲一g r a d eh i g h w a y , a n dt h eq u a l i t yo ft h eh i g h - g r a d eh i 醢w a yd e p e n d sm o r ea n d m o r eo nt h ep e r f o r m a n c eo f t h ea s p h a l tp a v e li no r d e r 幻i m p r o v et h ep a v i n gq 叫i t y a n ds c r e e dt h ep l a t eo ft h em a d w en e e da l la d v a n c e da u t o - c o n t r o il e v e ls y s t e m t h i s o b j e c ti sc o o p e r a t e d 谢t hm u n i c i p a le n g i n e e r i n gc o m p a n yt ot r i a l p r o d u c eak i n do f n u m e r i c a la u t o - c o n t r o ll e v e ls y s t e m 。r e s e a r c ho nt h es o f t w a r ei st h ec h i e fc o n t e n to f m yt h e s i s 。 f i r s tw ea n a l y s i st h ep r i n c i p l eo fa u t o l e v e ls y s t e m ，c o m p a r e dt h ec o n t a c tl e v e l s y s t e mw i t ht h en o n - c o n t a c tl e v e ls y s t e mt h e np o i n to u tt h en o n c o n t a c tl e v e ls y s t e m a c c o r d i n g 谢t ht h er e s e a r c ht r e n d w ep u tf o r w a r dt h ea p p r o x i m a t ep r o j e c ta n dt h e t h e o r yo ft h eo b j e c ti ns u c c e s s i o n u p o nt h i st h e o r yw ee s t a b l i s h e dt h ef l o w i n g f u n c t i o nm o d u l e ，w ec h o s et h ef x l n 2 4 m t - ds e r i e sp l ca st l l ec p u ，t h eq 4 5 u l t r a s o n i cs e n s o ra st h ed e t e c tc o m p o n e n ti sf r o mt u r c kc o m p a n y t h eo t h e ri s f r o mt h em i t s u b l 8 h i ，t h e yi n c l u d e ：t h e ，f 9 3 0 g o t _ b w d c ，f x 2 n 4 a d t h es o f t w a r er e s e a r c hi st h ee m p h a s e so ft h es y s t e md e s i g n ，w h i c hi n c l u d et h e c o m m u n i c a t i o np r o g r a ma n dt h e 挚l cp r o g r a m 7 i 拉c o m m u n i c a t i o np r o g r a m 膦 u s e dt oc o l l e c ta n da n a l y s i st h ed a t ao rm o n i t o rt h es y s t e m t h ed e s i g no ft h ep l c p r o g r a mi n c l u d et h er e s e a r c ho f t h ec o n t r o ls t r a t e g ya n dt h ei m p l e m e n to nt h ep l c w ea l s oi n t r u d e do u rs y s t e m sf u n c t i o nm o d u l es e p a r a t e l y ；e x p l a i nh o wt ou s et h i s s y s t e m 。i no r d e r t oi m p r o v eo t l rs y s t e mw eo p t i m i s ei t ；w ec o n s t r u c tt h em a t hm o d e a n du s et h ee m u l a t i o n a ls o f t w a r e - m a t l a ba n a l y s i sa n do p t i m i s et h e m ，t r yt of i n do u t t h eb e s tp a r a m e t e r 1 i 慨t 淼e 髓嘲醛p a v e ra u t o l e v e lh y d r a u l i cs y s t e m8 st h e 羚 群黼，搬髓 e 鼢l i 照as 醢i tg h y d f a u l i es y s t e mi nt h el a b o r a t o r y o n t h eh y d r a u l i cs y s t e 撼w et a k e a 娥e so fe x p e r i m e n t a t i o n si no r d e rt oi m p r o v et h ep r a c t i c ec 嘲肚n e 。o 沁 s v s 捃m + f i 豫l l yw ep r a c t i s e do u s y s t e mo n t h er e a la s p h a l tp a y e r ，t h e 豫3 u l lw a 3 p r o v e dt h a tt h es y s t e mw a s v i a b l ea n dc a ni m p r o v et h es u r f a c ee v e n 5 8 - k e y w 汀d s ： a s p h a l tp a v e 嚣 a u t o - l e v e ls y s t e m ； p r o 謦a m m a b l e l o g i c e o n t r o l l e r ( p l c ) ；c o n t r o ls t r a t e g y ；s c r e e d i n ge q u i p m e n t ； i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中持另i 加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意 签名 掣k 嗍 沪u 岁、- 了 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：监导师签名：攀期 t 、卜f 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 修建高等级公路沥青路面，都必须用沥青混合料摊铺机( 下简称摊铺机) 进 行沥青混合料的摊铺作业，这不仅是因为它的摊铺速度快，更重要的是要保证 路面的关键技术指标平整度，非它莫属。目前作业在我国高等级公路工地 上的摊铺机，多为进口摊铺机，其中使用最多的是德国v o g e l e 和a b g 两家 公司的产品。自称摊铺机整机技术世界领先的美国b l a w - k n o x 公司产品，也 已打入我国筑路市场。这些摊铺机性能优越、自动化程度很高，可谓之近代摊 铺机。近代摊铺机是集机、电、液技术为一体的非常复杂的机械，掌握它要涉 及到多方面的专业知识，这对非筑路机械专业人员而言并非易事，然而对它要 有着一般的了解，却又是路面施工技术人员及监理人员应必备的知识之一，否 则，很难把握路面施工管理和保证路面质量。 今天，随着我国经济的发展，公路等级的提高，交通量、载重量都有大幅 度提高，对摊铺机的技术水平提出了更高的要求，特别是急需开发我国自己的、 性能优良的摊铺设备，以适应快速发展的国民经济的需要。 1 2 我国摊铺机行业发展状况 路面机械在工程机械大行业中属于一个新发展的行业。从6 0 年代初期到 7 0 年代末，路面机械处于刚起步的阶段。其主要表现在工业生产底子薄、技术 落后，而我国的摊铺机制造业起步较晚，摊铺机整体制造技术水平和研发能力 明显落后于工业发达国家。针对当时国内公路建设，国内各厂家主要生产- 些 适用于二级以下公路的小型路面机械，如生产能力1 0 3 0 t h 的沥青混合料搅拌 设备，铺宽4 5 米以下的摊铺机，以及简易的公路养护机具等。国内笫一台沥青 摊铺机是7 0 年代初依据国外样机研制生产的，其摊铺宽度2 7 4 5 m ，而且产量 很少。当时，两个方面的因素决定了路面机械发展缓慢。 北京工业大学工学硕士学位论文 一、公路发展水平低，需求不高。这一时期公路建设发展较慢，公路等级 低，路面施工大多采用灌入式工艺，施工技术落后，机械化程度很低，相当程 度上主要以人工作业完成。 二、人们对机械化的认识不够。面对机械，人们误认为传统的人工炒拌和 扒耙旌工方法比搅拌站、摊铺机更经济、好使。 8 0 年代初期，我国国民经济迅速发展，国家将交通运输列为重点。随着公 路建设的发展和人们的认识逐步提高，以及对已有机械操作方法的进一步掌握， 机械的使用才多起来，使用的水平也逐步提高，传统的人工操作开始由机械化 所代替。尤其当时沈大、京滓塘等高速公路的修建，进口和使用了大批技术性 能先进的路面机械，路面水平上了一个大的台阶，人们开始形成机械化旌工的 新概念。随着我国改革开发的进一步深入，公路建设、路面机械制造部门与先 进发达国家的技术交流日益加强，路面机械行业出现了前所未有的发展前景。 从2 0 世纪8 0 年代起，随着高等级公路建设迅速发展，开始逐步进口适用于高 等级公路路面摊铺作业的摊铺机。据粗略统计，到2 0 0 3 年底已累计进口约1 0 0 0 多台套摊铺机。 为扭转国家公路建设设备依赖进口这一被动局面，我国通过多种形式引进 国外先进技术，“七五”期间，交通部、建设部先后引进了沥青混合料搅拌设备、 沥青摊铺机、振动压路机的生产技术。并在消化吸收的基础上进行二次创新， 使得我国摊铺机整体制造水平上了一个台阶。到“八五”期间，各方面更加重 视路面机械的发展，继续引进先进技术，使得路面机械有了一个更大的发展， 设备性能上有了很大的提高，使我国具备了批量生产制造高等级摊铺机的能力， 从引进技术的2 0 世纪7 0 年代到2 0 0 1 年底我国大约累计制造了各种型号的高等 级摊铺机2 0 0 0 余台，为我国的高等级公路建设作出了一定的贡献。 第1 章绪诧 1 3 摊铺机自动找平控制系统的研究现状及发展趋势 1 3 1 沥青混凝土摊铺机及其自动找平系统的历史 国羚有缀多攘镶飘生产公司，耱炎繁多、功憩齐全。缀多公司飙旱麓单一 产晶发展到今天，溅有成套的生产技零，满足各静道路的建设。依据自动诵乎 系统在摊铺机中的廒用性能以及液压拽术对机械传动的取代，我们可以从三个 历史阶段了解摊铺机的发展。 1 2 0 世纪3 0 5 0 年代摊镶枧 这类是第一静型号黪溪毒混合瓣摊镳穰，荚瓣b l a w k n o x 。秘 b a r b e r - g r e e n e 是这个时期生产摊铺机的代表，前者在2 0 世纪3 0 年代初嬲 生产了轨道式摊铺机，靠轨道作为基准米保证路面的平整媵；后者在1 9 3 7 年摊 出了拖式摊铺机，它由拖拉装置和浮动爨平装置组成，结构简单，尺寸较小。 渡撬式摊镶祝供糕装嚣凌藐楚单，不藏数据震耨量实瑷控露l 遴辩量豹丈，l 、，农 找平性能方面，仪采用了浮动熨平板的蠡动我平特性，箕找平效果较差。 2 2 0 世纪5 0 7 0 摊代摊铺机 2 0 世纪5 0 7 0 年代，随着液压技术的成熟以及自动控制理论的发展，摊锚 规在功能上有了较大熬进步，除了摊镶爨瘦窝厚度有辑增麴外，在我平装爨镣 方嚣与藏类稳毒羲本质静改善。主要袭戮在： ( 1 ) 手动调平系统 2 0 世纪5 0 年代朱期，美国k a n s a s 州高速公路委员会的名工程师发明 了第一套自动找平凝置。它结构简单，纛手动操作完成纵皱和横坡的调节。纵 缓是靠基准线亵一令臻示器寒蠡恚：横缓楚靠安装在横粱芝嚣较重簧感爨黧一 个指示器来指明。纵坡调节工作原理：基准线挂在摊镝枫一侧，指示器装在牵 引梁枢铰点附近并作为参考点搭在基准线上。当摊铺机杼难在高低不平的揍滕 上对，指示器随赭上下移动，此时，攥作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可 北京工业大学工学硕士学位论文 保证摊铺出较平整的面层。横坡调节工作原理：一个横梁跨装在摊铺机两侧， 并连接在两侧参考点上。带有指示尺的传感器被装在横梁的中问，指示点可沿 相应的指示器移动。当拱形确定之后，相应的指示点就被确定在某一参考点位 置处。当指示点随着路面形状上下移动时，此时另一边的操作人员通过调节手 调螺杆来阻止指示点的移动，从而保证摊铺出合乎设计要求的路面。 ( 2 ) 自动调平系统 2 0 世纪7 0 年代初期，研究人员在手动调平系统的基础上研发出早期的自动 调平系统。它是靠移动牵引梁铰点来改变熨平板的倾斜位置的。由于这段时期 摊铺机的工作宽度较小，所以都采用纵坡和横坡控制器来进行找平作业。早期 是半自动调平系统，该系统横坡采用自动调节，纵坡采用原来的手调装置来控 制：后期手动横坡调节机构也被自动装嚣取代，出现了全自动熨平控制系统， 该系统工作特性相对较完善，且找平效果好。 工作原理：该自动熨平板控制系统由传感器、控制箱、操作面板、执行机 构( 液压马达或液压缸) 等部件组成。在摊铺之前，首先设定所需要的摊铺厚度， 工作时，控制面板、纵坡和横坡传感器产生电脉冲信号并传给控制箱，控制箱 发出电信号使马达或油缸作出相应的动作来改变熨平板的倾斜位簧，这样即达 到了自动补偿道路基层的不平整度。 传感器：这段时期自动调平系统所采用的调节方式分两个阶段：初期多数 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；中后期，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、应变片式、霍耳元件等类型的传感器，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。如v o g e l e 的脉频调制式， a b g 的脉宽调制方式，提高了调平精度。 基准选择：自动调平传感器的工作基础是建立一个参考基准。在这段时期 所采用的基准有两种形式：挂线式和滑靴式。如b a r b e r - g r e e n e 多采用挂 4 第l 章绪论 线方式，两b l a w - k n o x ；整i 0 w a 常选蠲添鞭式。挂线式筏平效栗较赔，骰 容易受外界影响( 如本身挠度及蘸力影响等) ，多在摊铺基屡时使用 滑靴找平綦 准多用在基层平整度较好的上面层的摊铺。 3 。2 稚毽纪钧年 弋麓今静摊铺梳 近年来，随着电子技术、计算机控制技术等的发展，摊镳机性能上褥到了 进一步的完酱，具体涉及到自动调平瑟统、供料系统、行走驱动系统替内容的 改避。其中舀动谲洋系统的改交如下： 找平基准：在原有接线、搬靴找乎基准姻基础土，2 0 世纪7 0 年代中期出 现了找平效果更好的平均梁找平基准，目前它们完象可以满足各种铺路情况。 找平传感器；2 0 世纪9 0 年代的融动我平装蚤中，j e 接艋式超声波传感嚣 终到了应用，增热了抗于抗戆力，我乎效象受趋良好，翅c ed ar api ds 公 司较早地采用了超声波传感器。激光传感器出现在2 0 世纪7 0 年代，由于其本 身的复杂性以及受外界影响较大，没有得到发展。2 0 世纪9 0 年代，美因一些公 司歪致力1 予激竞赞戆器懿磅究，有望戏为将来搜爱驰重点。 控制器：2 0 徽纪7 0 年代，脉冲调制式的比例脉冲控制方式取代了前期的 开关控制方式，在控制精度上得到很大的改善，但较机液、电液伺服控制方式 来看，爨存在不是。2 0 溅毙粥年我，蘧藿诗算枫按爨技零帮滚援技寒瓣发袋， 出现了数字控制器自动调乎装黢，它是计算机与高速响应阀相络合的产物，如 b l a w - k n o x 公司最= i 聩生产的“b l a w - k n o x ”自动调平系统。此系统采用 锻簸毽器来鑫动控涮缓竣移禳坡。圈辩提供令蠡隽藏跨诊殴系统。 3 2 摊镳枧及其自动找串控制系统的发疑趋势 公路交通事业的迅猛发展对沥青路面的使用性能提出了更搿的要求，而摊 铺质糙又取决于沥青摊铺机的技术性能，所以沥青混凝土摊铺机的技术性能继 续发溪势在必孬。总篷塞滋，鼹覆摊锾掇械磅究发震懿憨趋势楚囱大型纯、系 列化；多功能、离性能；智能化、机暇液一体化方向发展。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 、大型化、系列化 目前沥青摊铺机在摊铺宽度上已达9 1 5 米，滑模水泥摊铺机摊铺宽度己达 1 6 米，能满足多车道高等级公路面层全幅摊铺的要求。大型化已经是高生产率 的标志。摊铺机的系列化产品是根据等级公路和高等级公路修筑的要求而发展 起来的。其摊铺宽度分3 5 米以下、4 5 米、9 米、1 2 米、1 6 米若干档次。在摊 铺机系列中，摊铺机宽度3 5 米以下的机型称为小型机，其主机的基本宽度电 米，摊铺作业宽度在1 5 3 5 米之间。由于小型摊铺机灵活、方便的特点以及一 些特殊摊铺工况的需要( 例如摊铺非机动车道、城市人行道路等) ，所以目前类似 小型机也是一个发展方向。几个著名摊铺机厂家，在系列产品中都有此类小型 机，并各自有其风格，有些结构给人耳目一新的感觉。国外的像德国a b g 公司 的t i t a n 系列，美国b l o w - k n o x 公司的p f 系列等；国内的西安筑路机械厂、 徐工集团等都有了系列化的沥青摊铺机产品。目前为止，应用较多的水泥摊铺 机产品大多从国外进口，滑模水泥摊铺机是技术含量较高的产品，此类机型在 我国发展较晚，设计与制造技术均与国外存在着较大的差距。虽然国内郴州筑 路机械厂，江苏建筑机械厂，镇江路面机械总厂，黄河工程机械厂引进或开发 了中小型水泥路面滑模摊铺机，但是作为产品供应市场，还需经历市场培育过 程和产品成熟阶段。而该类产品在国外己形成了系列化，如美国c m i 公司的s f 系列，c o m a c o 公司的g p 系列，德国w i r t g e n 公司的s p 系列等等。 2 高性能、多功能 路面摊铺机械向大型化、系列化发展的同时，综合功能的开发也成为发展 方向。沥青摊铺机除可用来摊铺沥青混合料，还可摊铺改性沥青材料和r c c 材 料，亦可摊铺路基稳定材料的多种材料。水泥混凝土摊铺机更是集众多功能于 一身。例如美国p 0 w e r c u r b e r s 公司8 7 0 0 型多功能滑模摊铺机。该机 除了可铺筑水泥构造物( 路缘、隔离带、防护栏、边沟、人行道等) 之外，还可铺 筑2 7 5 5 m 宽水泥路面，可完成摊铺、捣实、整平、抹光等全套工序。 6 第1 章绪论 3 智能化、机电液一体化。 机电液一体化的设计技术已普遍应用在摊铺机械中。摊铺机作业功能的先 进程度，主要体现在电液控制系统的性能上，也就是系统的先进性和元件选择 的先进性。纵观路面机械发展史，在技术上大致经历了三次飞跃。第一次是柴 油机的出现，使机械设备有了较理想的动力装置：第二次是液压技术的广泛应 用，使设备的传动装置更趋合理：第三次是电子技术尤其是计算机技术的广泛 应用，使机械设备有了较完善的控制系统，提高了机械的性能。 机械智能化就是要求机械像人一样有自己的视觉、听觉、嗅觉和触觉，能 有“意识”地计算和推理，能有“记忆”地进行信息的存储、处理和选择；能自 动工作、学习和“自组织”自己的动作。机械智能化是各项现代先进技术的综 合体现。 摊铺机控制技术的智能化，主要包括摊铺作业状态的自动显示、供料系统 料位的自动控制、摊铺作业的恒速控制、转向系统的自动控制、摊铺作业的自 动调平控制，作业工况的状态监测以及故障诊断等几个部分。在主传动行走系 统和物料供给系统中，设置中央微控制器。传感器将各种检测到的数据，如料 位的高低、摊铺机作业阻力的大小、作业速度的快慢、发动机的输出功率等送 到中央微处理器。控制器处理完数据后，给出控制信号，自动调整液压系统的 流量等，以保证摊铺速度的恒定不变和物料供给的均衡性，从而保证摊铺的质 量。摊铺机处于自动转向和自动调平状态时，中央控制器可随时显示摊铺作业 状态情况，操作者可通过人机界面对计算机进行输入或设定和修改、调整参数， 以使机器进行更复杂，要求更高的作业。如弯道摊铺作业，可将弯道的设计参 数输入计算机，摊铺机可按输入的数据自动进行作业，并自动显示当前作业的 状态数据，随时跟踪修正，以保证摊铺路面符合复杂的曲面设计要求。现结合 国际上较大摊铺机生产公司b l a w k n o x 和a b g 对自动找平系统进行阐述。 目前b l a w k n o x 公司推出的全新纵坡横坡控制系统，实践证明其使用 北京工业大学工学硕士学位论文 相当可靠，它以微机作为控制器，自动化程度较好，控制精度高，能够确保铺 层的横坡纵坡与基准一致。但由于环境的复杂，对系统干扰较大，有时会出现 控制失调现象，所以今后要致力于控制系统硬件抗干扰的研究。 a b g 公司的自动调平装置仍以模拟电子调节器为控制核心，与数字控制器 相比，虽然可靠性较好，但操作不便，而且在进行弯道摊铺时很难摊铺出超高 连续变化的路面( 目前国内施工单位在进行弯道作业时多数都是通过解除自动 调平装置靠手动完成) 。所以采用先进的电脑控制自动调平装置是今后的发展趋 势。 1 4 课题来源及其意义 综上所述不难看出，在解决各项技术问题的过程中，机电技术起着至关重 要的作用。所以随着人工智能、模糊控制、神经网络和模拟控制等控制技术研 究的不断深入，利用当今先进的计算机技术研制多功能控制器、开发相应的控 制软件己成为当今摊铺机控制系统的技术关键。控制器功能的开发己不仅仅满 足于工作的基本需要，控制器综合功能的开发已成为发展方向。但是目前国内 没有研制数字式控制器的报道，更没有产品问世，因此开发摊铺机自动找平系 统数字式控制器具有很重要的意义。正是基于这个目的，我们和北京市政公司 合作开发摊铺机自动找平控制系统的数字控制器。 1 5 论文研究的目的和内容 1 5 1 论文研究的目的 本课题的研究目的主要是该控制系统的设计，应该达到： 1 研究摊铺机自动找平控制系统的工作原理，形成一套可行的控制策略并通过 系统设计得到实现。 2 研究数字式控制器的理论、设计方法和在工程实现中所具有的自身优势，并 努力在该系统的研究中达到充分的体现。 第1 章绪论 1 5 2 论文研究的内容 ( 1 ) 在分析沥青摊铺机的工作原理的基础上分析找平运动的机理及运动特点，寻 找合适的控制方法。 ( 2 ) 提出数字式自动找平控制系统的组成方案与基本结构，设计一种新型的控制 器并编制具有不同控制策略的软件，同时设计一套p c 和p l c 通讯软件用于分 析监控系统的状况。 ( 3 ) 利用数字仿真技术对所建立的控制系统进行仿真分析。 ( 4 ) 通过实验对系统进行测试。 9 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章系统工作原理与总体方案设计 2 。1 摊铺机的工作原理 我瓣篱速公籍主袋由沥毒混凝主貉嚣筮袋，沥青淫凝主鼹蠢一般靠炎平板 式摊铺机摊铺。高速公路行车密度大、车速高，为确保行驶牮辆的安全和舒适 性，对路两平整度的骚求很高。交通部颁发的公路沥青路灏施工技术规范 ( j t j 0 3 2 9 4 ) 要求爱连续式孚整疫纹测定豹鼹葱乎整度i 。8 m m 。垂予影响溺青 路面平熬度的因素狠多，对每一个因素的忽视都将对沥青面屡最终的平熬度产 生影响，因此要达到上述标准是裔定难度的。要达到上述标准首先要了解摊 镇机的工作原理。 2 。 摊铺橇熨警缀的浮动源理 摊铺路面的平按度主要取决于对浮动式熨平板的控制，通常通过改变擞平 板的仰角a 来控制熨平扳的上下浮动来调整路掰的厚度及乎熬度。分析影响路 蟊乎整痰耱覆霞，掰究瑟乎教黪浮渤覆瑾及影穗爱平板浮魂沟嚣素，对改遂摊 铺机的性能，提高高速公路的平皴度继而提高行车安全性合舒适性都有精藿要 的意义。下图是熨平板工作示意图： 图2 - 1 熨平板工作原理示意图 其枣；1 。熨平援2 ，灞繁螺耪3 掇擒粱4 。诗量蒜扳5 。牵；l 丈翡 6 混合料7 自动找平传感器 摊铺机工作时，擞平板在自黛及振动器振渤力作用下给予混合料一个接触 1 0 压力以压实混合料，同时熨平板像一块滑雪板一样在混合料表亟浮动并向前滑 行。如图2 - 1 所示，熨平板底平面与运行方向构成仰角n 角。n 角的存在是熨 平板能够压实混合料和正常工作的前提，而熨平板底平面所受“浮力”的大小 则决定了熨平板的浮动规律。根据研究表明，混合料所受到的压力q 与垂直变 形z 之间的关系可用下式来描述： 俐。+ 斟掣 。， 式中：q 混合料受到的单位面积压力 q ( 厂一混合料的初始压力 z 一混合料的垂直变形 k - 、k 2 曲线拟合常数，与混合料的性质有关 b _ 熨平板的短边宽度 n 一混合料的变形系数 熨平板所受到的法向合反力： n = l m o + ( 8 k 2 ) x ”s i n ”a a x = 地g o + 之( b k 2 ) “s i n ”a 聆十l ( 2 2 ) d j ( 2 2 ) 式可知，若混合料的初始压力q o 不变( 假设摊铺机工作速度稳定，熨 平板前混合料堆积情况基本不变) ，则当熨平板仰角c t 增大时，混合料对熨平板 的法向合反力n 增大。这是因为a 角增大时，熨平板下混合料的进给量增加， 导致熨平板下混合料的垂直变形z 增加( 见图2 1 ) 。由( 2 1 ) 式可知，变形量z 的 增加，将引起最大接触压力q 。( 见图2 1 ) 的增加，所以混合料对熨平板的合反 力n 增大。而混合料对熨平板的合反力n 增大，则打破了熨平板原有的力平衡， 使熨平板被抬高，摊铺层的厚度也随之增加，直到a 角减少，力平衡被恢复为 止。所以仰角a 的增大将引起摊铺层厚度的增加；反之，a 角的减小将引起摊 铺厚度的减小，这就是熨平板的浮动原理。 2 1 2 影晌摊铺平整度的因素 摊铺机实际工作时，影响摊铺平整度的因素较多，主要有以下几点： 北京丁业火学工学硕士学位论文 ( 1 ) 由于路基表蕊的起茯不平，导致路面平熬度下降； ( 2 ) 擞平板前混食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灼初密实度变化，进而影响混合料结构的内 应力( 魏艘嚣2 一l 爱示裙始压力，嚣内痤力豹燹绽又影穗瀑合瓣薅燹平叛麴合 反力n ( 见图2 1 ) ； ( 3 ) 摊铺机工作遽度的改变，将引起振捣粱对混合料的熏叠冲击次数改变， 造残熨乎叛嚣混合辩弱初密实度变纯。如翦掰述，这将弓 超镶层表蟊平整旋豹 下降。般圭l 亟，当摊铺速度降彳氐时秘密实度将增加，这时成减小仰角n ，戳消 除初密嶷度增大的影响； 4 ) 螺旋分料器谯布料时，作用力通过物料传至数平板。当螺旋分料器开机、 箨褪葳速度改变对，这静薅矮力将浚交。虽羚，懿难对熨警掇运行豹阻力邈随 着料堆蒲度的不同而霹殳变。所有这些作用力的黛化都将破坏熨平板原有的力平 衡，引勰熨平板上下波动，造成铺层表面的不平整。 ( 5 ) 其他影晌，织括软土地基鹩不均匀槛弓l 超翰影昀等等。 综上所述，为了使摊铺税的黉平叛正常工体，减小路綦不平、茯睾墨不均或 摊铺机行走速度变化等因素的影响，必须采用自动找平装置，以求获得高平整 度的路蕊。 2 。2 囱动我平系统的工作原理 2 2 1 自动找平装置的工作原理 当戆菠在搜震的挎锾扭，基本土鄱聚有窦动撬乎系统。摊镶极静自动找乎 就是摊锚扼在摊铺作；娩过程中，针对摊铺层底蕊( 路面基层顶蕊) 的起伏不平，使 摊铺层按照设定的自动找平参考系统的设置，使摊铺层顶面的高程和横坡与自 动找平参考系统的相对位置保持不变的过程，即保持摊铺屡顶面与自动找平参 考系绞鹣裙对莅霉不发玺交纯。下嚣为鑫魂我平豢理圈： 第二章系统蔓作原理与总体方案设计 圈2 - 2 鑫动我平系统藤毽謦 实际上摊铺机在摊铺过程中，摊铺层顶面与参考系统的相对位置不发嫩变 化根本不可能的。在摊铺过程中，摊铺机熨平板牵引枢轴的檄置会随着摊铺层 痣覆( 鼹霆基层顼嚣捧起获上下动，造成熨平扳鹣 枣角不凝发懋交亿，搜褥撵镳 机的熨平板随之上下波动，从而造成熨平板屠的摊铺层顶谣出于熨平板的波动 出现波浪，摊铺层顶丽与自动找平参考基准问的相对位置不断发生变化。 造成摊铺层项瑟与自动找平参考基准相对镣覆变他的根本瑕因为因撵铺层 底覆魏怒茯不平，致搜燹乎板牵零| 褪囊l | 与叁动羧乎参考基准静蠲薅整鬣发鬟三波 动，从而造成了摊铺朦顶面与自动找平参考基凇相对位置发嫩改变。摊铺机的 自动找平过程，就是通过自动找平传感器检测刹的摊铺层底筒的起伏不平，对 熨乎扳零弓| 枢辘进镎谜整，於偿熨乎扳牵弓| 枢毒冀l 瞪摊镶底瑟麴起扶弓| 起的摊镄 机杌体使置改变造成的熨平牵弓l 枢轴与自动找带参考基准的稍对位置的改变， 保证摊铺层顶面按照自动找平参考基准的设定状态形成摊铺层顶面的过襁，使 摊铺层完全按照自动找乎参基准设定状态形成摊镇层顶面，实现自动找平的 蚕匏。 2 2 2 两种找平系统的比较分析 摊镧机的自动找乎系统目前主毅是比例一脉抻式自动找平系统。从其工作 方式上塞章笄，主要鸯羧舷式叁囊筏乎系统和 接麓式叁动我平系统嚣类。接霆耋 式自动找平系统根据自动找平参考耩准的不同，又有固定参考基准( 如弦线式基 北京_ i 业大学工学预i ：学位论文 准或与摊镶带相邻的成形蔼基溅等) 和移动式参考嫠准；非接触式自动找平系统 根据其检测原理和方法的不同，有激光自动找平系统、甄外线融动我平系统和 超声波囊动技平系统。激光囊凌找平系统秘红辨绞是动找平系绞困其农公路施 工现场易受各种外界因索干扰而在公路施工中极少应用。公路施工中使用的非 接融式謇动筏平系统多为超声波鑫动技平系统。 2 2 2 1 接触式的自动找平系统分析 高速公路施工中目简常用的接触式的蠡渤找平系统一般采蕊梳褫移动式均 衡浮动梁的结构，在国内褥到广泛威用的一种机械移动式均缀浮动梁是参考 b l a w - k n o x 公司的移动式均衡梁的缩构自彳亍制作的，大约为1 6 7 7m ， 交兹粱，踌越粱及蓐梁等组戏，霹用予宽螟跨路段戆摊镳。其基本愿爨强如下。 图2 - 3 均衡浮动粱我平原理简鹭 这种力终用式均衡浮动梁找平原理( 参考公式2 - 3 ) ，融下面力作用乎衡方程 得到找平赦果结论：纵坡机械传感触点的揄商量为某一滚轮( 或滑靴) 上升鬣的 1 n ，n 隽支撑滚轮( 或滢魏) 豹数爨。掰甄，支撑滚轮或浸鞔) 豹数蹩越多它的平均 效果越好。 w = 5 , u , o 4 k ( h o 一两) + 露( h o + 矗一甄) = w = 5 k h o 援2 ) 式中；w 一梁体及附件的重量； b 0 - 一支撑弹簧的初始压缩量； h 想点熬楚废： k 支撑弹簧刚度； h l 缀玻撬械传感器熬患麓援蠢量； 由于其内在结构存在如下的固有缺点： 第二苹系统工作原理与总体方案设计 1 行驶在松铺层上的后梁的支滚轮( 或滑靴) 常粘结沥青混合料，除需人工清 洗外，还使调平系统引起找平误差； 2 每个支撑弹簧的弹性以及枢轴点的灵活性都将影响均衡梁的找平性能，所 以它的实际找平性能的影响因素很难发挥到它的理论找平性能； 3 沿着摊铺机行驶方向的纵向长度很长，转向性能较差，在曲率半径较小的 弯道路段无法使用接触式平衡梁。 除此之外，它的长度以及接触性能给压实、接缝、摊铺机转移以及铺设时 的装配等都将带来不利的影响。 2 2 2 2 超声波非接触电子调平系统 超声波非接触电子调平系统以纵坡形式控制松铺层的厚度，由多个超声波 探头、非接触平衡梁、电缆线及附件构成的超声波非接触电子调平系统具有优 越的找平性能。非接触平衡梁通过安装座与牵引臂相连，各个超声波探头分别 固定在非接触平衡梁的不同位置上，并通过数据线与控制盒构成一个系统。( 见 图2 4 ) 斤 矗 uuuu 平衡梁 超声波 传感器 图2 - 4 非接触式超声波传感器平衡梁示意图 每个超声波探头分别测试探头到路面之间的距离，并上传控制盒，控制盒 按预定算法处理这些数据，得到各个超声波探头到路面之间的平均距离。它的 非接触性以及数字化的特点使其具有如下的优点： ( 1 ) 该系统悬在路面的上方与路面非接触，免清洗，尤其适用于粘性较大的 改性沥青路面。同时，它的非接触性还克服了机械移动式均衡浮动梁在接缝、 摊铺机转移以及桥台铺装等所存在的不足； ( 2 ) 数字式控制盒对各个超声波探头所测得的距离数据有存贮、平均处理功 能，相对于机械移动式均衡梁的支撑滑靴所引入的过多影响因素，该系统能提 供一个较精确的找平基准： 北京工业大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 非接触平衡梁较短，使摊铺机具有较小的转弯半径，即使在曲率半径较 小的匝道路段也可用于对铺层纵坡的控制； ( 4 ) 控制盒的数字显示，使操作人员增加减小铺层厚度更加直观。 综上所述传统的机械移动式均衡梁的结构使其具有本质上的缺点，难以克 服，面临逐渐淘汰的趋势；超声波非接触电子调平系统的结构紧凑、非接触性以 及数字化的特点使其具有广阔的应用前景和推广价值。 2 2 3 自动找平控制系统的控制原理与分析 自动找平控制系统就是以补偿路面系统误差为目的的控制系统。工业上用 的控制系统，根据有无反馈作用可分为两类：开环控制和闭环控制。 1 开环控制系统。如果系统的输出端和输入端之间不存在反馈回路，输出 量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。在开环系统中， 动作信号是预先确定、不变化的。开环控制系统比较容易建造，结构也比较简 单。 2 闭环控制系统。为了提高控制质量，系统常采用闭环负反馈结构，这种 反馈控制系统的组成框图如图2 5 所示。 山 图2 - 5 典型反馈系统机构框图 摊铺机自动调平控制系统本身就是一个典型的闭环系统。沥青摊铺机自动 调平控制系统信息传递见图2 - 6 1 6 第二章系统工作原瓣与总体方案设计 图2 - 6 纵向调平控制系统信息传递路线圈 其中：w 一检测点设定高度 e 误差信号 h 捡溅点实际毫撵 1 牵零l 枢铰煮实涨燕程 h 厂熨平板实际高程 z _ 一铺层表面高程 如果摊铺路基不平，就会引起拖点上下移动、这样熨平板仰角就会发生变 他，力的平衡受到破坏，会引起调平大鼹的上下移动，两阑定在大臀上的用予 嚣定踅褰醵转惑戆感翔这秘交谨载霆谈麓蘩号e ，然惹逶 篷髻饕节器霹误差信鼍 伟出相应的处理再绦执行杌构发出控剃信号，调节熨平装鬣，从而达到施工简 稷和设计高程的一致，保证路面的平越魔。现在一般已经使用的比较成熟的控 制系统都是基于这个思想而设计的。 2 ，3 毒动调平控制系统总体方寨设计 2 3 。 自动调乎控翩器的设计愚想 本论文所设计的摊铺机自动找平控制系统是建立在发馈控制系统的理论慕 础上的，在反馈控制鲧统中，通过检测袋鼹( 仪表) 获取输出变量，将此值与给 怒值相比较后，由棱缆装置( 控制器) 按偏差进行某种控制遮箨，最后由执行器 羧翱搡穆量终瘸予被狡黠装，戳漩除按麓。这静裁爱攮差，叛减小或最终消狳 绱差的方法是爱镶撩翻系统静基本控潮原理。嚣此本论文掰涉及兹研究讨论藏 北京工业大学工学硕士学位论文 围就是蘩予这个基确之上把滚稳圈中所箍及稳各个模块酶繁体纯搡 乍戳及蕃并 究。 这个过程中设计的核心就是控制器的选择和控制策略的研究，而控制策略 或毒方法必续基予舍逶约控副器，鞠忿嚣蔻懿熏悫藏是选择会逶弱控翱爨，褥 反馈控制系统中的比较器和控帝器用计算机来代替，就组成了一个典型的数字 控制系统： 给定 r 一i 蠢磊1 被控参数 图2 - 7 数字控制系统基本框图 出予数字控制器只能对数字爨进行比较运算，所以给定爨和反馈量都戍是 数字萋。爱绩量经a d 转换将禳羧麓转换盛数字爱。数字控镧器接受了绘定量 和反馈爨后，让主机对偏差值进行算术与逻辑遐算，再输出运算结果。输出量 应经d a 转换将数字鬣转换成模拟量输出到执彳予机构，调节相应的被控参数， 甄瑟达裂控裁熬嚣豹。上逑过程寂不甄重复，毅经整个系统麓按一定豹动森 = 1 s 扛r e a d2m s c o m m l i n p u t l o o p 等待 i n s t r i n g = m s c o m m l i n p u t 读取接收缓冲区的数据 由于要实时的采集数据我们原来的单的查询方式很难做到，因此我们引进 了轮询的方式，在程序的循环阶段我们自行编写了一个延时程序t i m e d e l a y ，用于 自行设定延时时间，控制程序在一段时间段内的所采集的数据量，在此我们要注 意到延时的时间的长短要适中，要考虑到程序的通讯以及p l c 与a d 的数据读 入时间。我们把不同时间的数据同时存储到一个数据库中，以便以后核对历史数 据、分析数据。在程序中我们还利用图形的形式直观的反应出传感器的数据变化 情况以便即时了解、分析和比较。 j 衷：韭大学z 学硬士学短论文 3 。2 。2 自动调孚控剌系统豹控利策璐及p l g 缡程实现 3 。2 。2 。1 控制繁蝮 自动找平控制系统其中的一个关键部分的就是对于基准的确认，在接触式的 系统中路边酶标秆或者接触式的平衡粱就楚参照基准，诞楚在我们静系统中没有 以实物形式存在的基准，我们的基准是通过软件实现的，在路面的预铺设阶段， 在传感器的采集的数据程被确认稳定盾，此时的数攒可以被认为就是被要求铺设 路露的基蒎 盘猛，疆个健感爨处于摊锱极的鞭端，端处于熨平扳位置，一鲻处 于拖点油缸位置，此时这两点的形成的直线一条虚拟的基准，如阉接触式的摅线 一榉。由于嚣夸毖感器豹数豢处子撵链极不嗣静位嚣，其作用氇不疑，毽照在数 据处理时对不同位置的传感器疆有不同的权重，具体到如何分配权重以及参数情 况要遥过实验或嚣仿真过程来确谈。 当基凇确定以后摊铺机进入正式摊铺状态，这时自动找平控制系统也同时进 入自动运行状态，传感器实时采集路面的数值状况，并通过与基准的眈较计算岛 当前豹偏麓馑，劳由此计算出系统的竣出，援于调节拖点油缸搜系统迅速恢复与 基准一致的状态，但是由于控制的对象是液压系统实际上是个阀控系统，控制的 壹搂瓣象怒迄磁瘸，在嚣藏零溺摊镳誉 找平液压系统孛，翅豹毙鞍多瓣控鞠方式 是比例脉冲式，因此我们为了自够实现对摊锄机系统的控制决定采用进行脉冲宽 度诵秘方式( p w m ) ，在我们 羹计静数字式较嗣器麓软释 殳诗牵，爸含鸯这种控 制筑略，但是在不同的控制区域，采用不同p w m 的控制方式，控制规律是种 非线性曲线。这种调甫方式就怒采用脉冲周期内输入福应盼调制信号来改变所调 制懿脒冲宽度，躅3 7 怒利用摸拟运冀元件组成的p w m 实现朦理图，从中可以 清楚地了解其工作原理。 u e 为传感器检测点与嚣绘基准黪偏差电基，姨受定频镊