（机械工程专业论文）基于嵌入式微控制器的摊铺机控制系统研究与开发.pdf

摘要 论文分绍了摊镇枧的一般概念与功能、艘翅情况。分板了撩镳机实际功能 和对于控制系统功能的要求。通过辩国内外摊铺杌的技术现状的综合比较与分 析，进行了摊铺机控制系统的总体设计、程序编制、试验调试、性能试验及实 骣疆铺 乍篷。逾文阐述了糍麓囊二控测系统戆戆傣方案，宓凌了攘镳撬瞧速与壹 线行驶，平滑转向、挡位切换等性能要求，设计了系统参数监控、故障报警、 中文显示及保养提示等功能，可以现场标定控制参数。同时系统滚有冗余的手 动行鼗控制，从弑不困自动控耧系统教簿丽影响撵铺砜豹正常使掰。对于鼹体 的行驶控制、数掘监测报警、参数标定、c a n b u s 通讯以及显示等程序，进行了 较详缀渣透，绘窭了鞠应豹嚣理撂黧鞠滚程嚣。 该摊铺机控制系统的性能试验表明，系统实现了摊铺机行驶速度精确的闭 环控制，各种控制功能实用、可靠，达到了预定目标，县有了工姚化应用的条 件。毯静，浚摊铺梳控制系统己应爝天津霸盛工程辊械产晶孵系期型多功熊滩 铺机和y t 系列型沥青混凝土摊铺机批量生产。 羹予本瑗嚣在控制功熊戆组合突理、超低速恒速控制以及中文显示等方嚣 的独创性，已申请国家发明专利，申请号是：0 3 1 3 0 5 6 3 6 ，申请翻是2 0 0 3 年11 月7 同，目前该发明专利融进入实审期。 关键词：摊铺机嵌入式微控制器智能化控制c a n b u s 总线 2 a b s t r a c t t h ep a p e ri n t r o d u c e ss o m eg e n e r a lc o n c e p t s ，f u n c t i o n sa n da p p l i c a t i o no f p a v e r s t h ea c t u a lf u n c t i o no fp a v e r sa n dr e q u i r e m e n t sf o rt h ef u n c t i o no ft h ec o n t r o ls y s t e m a r ea n a l y z e d t h r o u g ht h ec o m p r e h e n s i v ec o m p a r i s o na n da n a l y s i so fp r e s e n t t e c h n o l o g i c a ls i t u a t i o nh o m e a n da b r o a d ，t h eo v e r a l ld e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n g ，t e s t i n g a n da d j u s t i n g ，p e r f o r m a n c et e s ta r ec o n d u c t e do nc o n t r o ls y s t e mo fp a v e r s t h ep a p e r d e s c r i b e st h eo v e r a l ls c h e m eo fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mw h i c hm a k e st h ep a v e rt o r e a l i z ec o n s t a n ts p e e dt r a v e l i n gi ns t a b l es t r a i g h td i r e c t i o n ，s m o o t hs t e e r i n ga n dg e a r s h i f t i n ga n do t h e ro p e r a t i o nr e q u i r e m e n t s o t h e rp e r f o r m a n c e s ，s u c ha sp a r a m e t e r m o n i t o r i n g ，a c c i d e n ta l a r m i n g ，d i s p l a y i n gi nc h i n e s ea n dm a i n t e n a n c en o t i c i n g ，a r e a l s od e s i g n e d ，s o m ec o n t r o lp a r a m e t e r sc a l lb ec a l i b r a t e do nt h es i t e s am a n u a lo p e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e di nc a s eo ft h ea u t o m a t e ds y s t e m i sn o ti nn o r m a lc o n d i t i o n s f o rt h ep r o g r a m so ft r a v e l i n gc o n t r o l ，d a t am o n i t o r i n g a n da l a r m i n g ，p a r a m e t e rc a l i b r a t i n g ，c a n b u sc o m m u n i c a t i n ga n dd i s p l a y i n ga r e d e s c r i b e di nd e t a i l s t h ec o r r e s p o n d i n gp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m sa n df l o wc h a r t sa r e a l s op r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c et e s to f t h i sp a v e rc o n t r o ls y s t e ms h o w st h a tt h es y s t e mr e a l i z e d a c c u r a t es p e e dc o n t r o lw i t l lac l o s e l o o p a l lc o n t r o lf u n c t i o n sa r ef e a s i b l e r e l i a b l e a n da l le x p e c t i n gt a r g e t sa r ea c h i e v e d ，w h i c hl a yaf o u n d a t i o nf o ri n d u s t r i a l i z a t i o n n o w , t h ep r o j e c ta c h i e v e m e n th a sb e e na d o p t e di nw tm u l t i f u n c t i o np a v e ra n d y ta s p h a l tp a v e ro fr i a n j i nd i n g s h e n gc o n s t r u c t i o nm a c h i n e r yc o i nm a s s p r o d u c t i o n b e c a u s eo fo r i g i n a lc r e a t i o no ft h ep r o j c o ti ni n t e g r a t i o nr e a l i z a t i o n ，c o n s t a n t s p e e dc o n t r o li nu l t r al o w s p e e d ，a n dc h i n e s ed i s p l a y , i th a sa p p l i e dn a t i o n a lp a t e n t r i g h t t h ea p p l i c a t i o nn u m b e ri s ：0 3 1 3 0 5 6 3 6a n dt h ea p p l i c a t i o nd a t ei sn o v e m b e r7 2 0 0 3 n o wt h ea p p l i c a t i o ni si ne v a l u a t i o n k e y w o r d ：p a v e r e m b e dm i c r o - c o n t r o l l e r i n t e l l i g e n tc o n t r o l c a n - b u s 独创性声鳞 本人声鞠疑鬃交静攀经论文蹙本人在导帮撰导下邀行豹疆突】：终窝取缮熬 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已缀发 表或撰写过的磁究成果，也不包含为获得丢涟盍堂或其他教育机构的学馕或 汪书丽使用遗酶材料。与我一同工 肇静弱志对本研究耩傲靛任穗贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文律者签名：签字秘期：年 蜀麓 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解悉洼盍堂蠢荚保壁、使用学位论文的蠼定。 特授权丞鎏塞堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据厍进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同崽学 校淘霾家畜关部f j 或瓿 鸯送交论文鹣复零传秘磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文馋蠹签褒： 签字同划：芷咿中年“ 袭圈稃 段| f 毽 蹲爨签名： ，每斯 签字目期：? 一。年1 月，r 第1 章绪论 1 课题来源 第 章绪论 髓着社会蛉进步和各类基础工程建设的不颇发展，人们对工程机械产品提 高了愈来愈高的要求，翔环保节能、综合高校能、安垒舒适、撵级简便、可靠 耐用等。其中，核心技术之一是工程机械的操作与控制的智能化，已经受到越 素蘧多戆重鬟势雩霉蜀不瑟瓣发震； 交通运输事业的快速发展，为我国工程机械、路面机械带来了空前的发展 机遇，为此国家科学技术部“8 6 3 ”项目在“十五”计划中专门开立了一批：e 程 辊械科研课题，其中“辊群智麓化工程祝械”作为b 炎重点课题出现，出天津 工程机械研究院、徐工集团、三一集团联合清华大学、北京航空航天大学、天 津大学、东枣大学、长安大学等毫簿院校弱辩攻关，将计算枧、谊崽、遴瀑毫 技术与传统工程机械技术结合，必将较大幅廉的提高我国工程机械行业技术水 平。 本人有幸参麴“穰群餐能纯工摆辊棱”漾题，并受责“工程祝械单税餐麓 化改造”子课题工作。根据课题的蜜排，“工程机械单机智能化改造”包括的主 要极秘是摊镇撬、压路枧、装载极、自卸车和肄和设餐。谁铺壤是路嚣工程蘧 工的核心机种，摊铺机的性能与可靠性好坏、生产率商低将直接影响整个路面 工程的质量、进度与工程造价等。另一方面，摊铺机的功能部件多，性能臻求 裹，矮术复杂稷疫在主穰税蕉中簸窝。因魏，摊镶瓿穗裁必然袋为我察谍嚣骚 究的麓点对象。 与此同时，天津鼎盛工程枧械露限公司蛉摊铺枧生产，经过5 6 年褥到了 长是的发展，依赖国外摊铺机控制软件对公司摊铺桃授术的发袋已经形成了制 约，因此开发研制具有自主知识产权的摊铺机蕨久式搿瞳厨崔0 黝嚣( 以下简称 擞控裁器 餐熊亿控割系统势奁密行。本人爨为瀑题缝长，承撼了天津爨镶公 司摊铺机计算机控制系统产品化研制课题，本论文即该课题的技术总结与深化。 ，2 霾内外凝凌 二二十世纪九十年代以来，国外工程机械融进入现代化发展的新阶段，备类 工程瓿藏产品不叛更薪，产品鹣系麓伍 亟不叛完善，大郝分产涵已普遍慕耀了 机电一体化、智能化控制等新技术，在环保节能、安全可靠、舒适耐用、环境 适应性毒使用经济性等方露，使产黥鲍性能褥到不断黪提高。同瓣，注重并提 第1 章绪论 高产赫赘辨菇逡鍪美学设计，使工程辊藏产晶逐步进入了戳人为本豹崭薪发震 时代。 这其中，诗算极智化控制建工程飒械魏穆耨鼓零戆棱心。运曩计算瓿技 术、微电子技术、传感投术、现代液压、现代控制技术等高新技术，对产晶的 各种功能装置的协调动作与自动控制、安全控制、节能控制、工况参数检测、 鼓漳诊叛与报警等，对予工程辊躐整凝整麓瓣疆高，辩予萁毽新菠术在工程嘏 械上的应用，越到了极大的引领与推动作用。工程机械的智能化控制同时也提 高了楗应公司产品的晶牌澎象，产，圭了巨大的经济与撞会效益。 摊铺机是种典型静路面施工机械，在黼等级公路建设、城市道路、机场 和海港码头等大型道路、路面工程中，是一种不可或缺的关键机种。在国外主 要集中在足令疆方发达謦家生产，凌于荚瓿壤部蛰多，备部 串必须攫努戆资调 控制，控制精度相对要求较高，因此现代的最新控制技术，如计算机自动控制、 高精度计量、全自动比例供料控制以及电液蠢动找平，激光拨平等，均已先后 在不潮公司、不同墅号豹摊铺祝中褥虱应蠲。 我因摊铺机的制造技术发展较晚，从8 0 年代开始仿造研制自己的摊铺机， 主要怒一些援拨式、小鬟貉捺镶橇，菠本零警普遍低下，只毙盛怒予一些3 4 级以下、县乡道路的施工。进入9 0 年代，我圈先后引避了德国的v o g e l e 公司、 a b g 公司、英国h a u s e 公司以及日本n i i g a d a 公司摊铺机技术，同时机械部、交 通帮等也先后缝织了一些摊镶辘关键援术秘磷颂强，毽我国静撩铺裰生产技术 普遍得剑提高，广泛应用了液压传动、静液压驱动技术、传感器的软件和碗件 技本、计算枫微控制器技术等；但怒，这些摊镳毒a 应鼹的关键技术秘产品尼乎 无一例外的一齑由国外公司所垄断，尤其是摊铺机微控制器的软件和硬件技术， 均由围外进口，因此我国实际上没商掌握其核心技术。 为抒酸雹舞藿薮，謦内懿大专院校、疆蜡浣瑗、工矿金遂，郝进行了大量 的研究，如天津工程机械研究院、浙江大学、同济大学、长安大学、东南大学 等都积极开展这方面的砥究，由撰铃企业也开始在其产燕中进行试用。虽然在 工程机械智能控制技术方颟已取得一定的成巢，但可靠性尚没过关，尚未达到 实用程度，与国外同类产鼎相比还荫较大的距离。 1 3 课题的研究目标 壤据国内羚工程毒遐城豹实隧 毒凝，天津工程褪城磅交院簿j 天津爨盛工程 机械脊限公司确定了“可靠实用、先进、市场化”的工程机械智能化发展思路。 可靠实用是第一原则。在摊铺机整机电控制系统中，除了微控制器控制系 第1 章绪论 统外，保留直接手动、半自动控制系统，确保整机在各种可能情况下的摊铺作 业，减少因摊铺机控制系统可能的故障造成的停机损失，提高产品的可靠性和 信誉度。 采用嵌入式d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 系统，主要微控制器及其 外围元件硬件采用国外成熟产品，并借鉴本公司现有产品和其他公司在同类产 品中应用的成熟系统与经验，开发具有自己特色的摊铺机微控制器控制系统产 品。 微控制器的主要控制模式、操作方式均采用既有摊铺机形式，确保控制 软件可行性。 根据摊铺机主机要求，适当增加和改进性能( 汉化显示器界面、改进适 合中国的控制方式、显示要求) 。 根据摊铺机主机要求，适当增加一些附加功能( 如控制性能、计时功能、 故障诊断、保养提示等) 。 预留通信接口，适应摊铺机产品的技术升级发展，即工程机械机群智能 化控制( 无线数据通信、集中调度、远程故障诊断等功能) 预留必要的接口。 开发w t 系列y t 系列摊铺机微控制器控制系统产品。 高可靠性和实用化功能( 控制优化、故障渗断、汉化界面等) 。 具有自主知识产权的摊铺机控制软件。 改善产品形象，以提高市场占有率。 本项目的直接研究对象是w t 系列多功能摊铺机和y t 系列沥青混凝土摊铺 机，虽然两种摊铺机有较大的不同，包括主参数、发动机、液压驱动系统等等， 使项目中两种产品微控制器控制系统从方案到组成都有较大变化，但其基本控 制原理和方法是完全相同的。因此本文仅就w t 系列多功能摊铺机嵌入式微控制 器控制系统进行论述，有特殊说明的除外。 一 二三四标标标标目目目日 夺夺夺夺 第2 章摊铺机基本性能分析 第2 章摊铺机基本性能分析 2 1 摊铺机的定义与功能 从工程机械类组划分来看，摊铺机分为沥青混凝土摊铺机和水泥混凝土摊 铺机两大类。水泥混凝土摊铺机土要针对水泥混凝土路面的施工，属于水泥棍 凝土施工机械，不在本课题研究的范围之内。本课题主要讨论洳青混凝土摊铺 机以及 4 类型的稳定土摊铺机，在本论文中简称为摊铺机。摊铺机是一种广泛 应用于道路或机场等的基层、面层摊铺的现场施工机械，可摊铺沥青混凝土路 商面层、水泥稳定土或石灰稳定土基层，还可用于碾压混凝土( r c c ) 的摊铺。 22 摊铺机的分类与特点 根据摊铺机的最大摊铺宽度，摊铺机分为小型( 2 砂砾或箕谴杂秘襻在。 夺按照摊铺厚度及成铺高度( 试验值缀验值) 准备标准挚木3 块，建议 垫东尺寸：8 9 1 5 x ( 摊镳厚度+ 虚镳裹凄) c m 。 夺除经过培训合格的摊铺机操作人员外，必须为摊铺机配蓊若干辅助人 员，协助清理摊铺路基、指挥自卸车卸料、监视摊铺机状况、检查摊铺 质量等。 夺合理配备拌和设备、自卸车、压路机殿其他辅助施工机械，备足各种旋 工沙石粒与其缝耪料。 6 第2 章摊铺机基本性能分析 上述准备工作完成之后，摊铺机即可低速行驶、缓慢驶入预定摊铺起始位 置就位。摊铺机就位后、正式摊铺前还需作最后的调整准备工作： 夺料斗、刮料输送装置、螺旋分料装置、振捣梁底部、熨平板底部表面均 应用柴油刷涂一遍，以免施工中混合料粘附其上。 夺熨平板加热装置开启，根据环境温度、施工要求，按规范加热一定时间。 夺熨平板浮动降落到标准垫木上。 夺安装电子自动调平装置，调整设定零位和灵敏度。 夺自卸车运来的摊铺材料卸入摊铺机受料斗中。 夺以手动方式启动刮板输送装置，将摊铺材料由受料斗输送到摊铺机后 部，并用螺旋输送器将其均匀地摊布在整个铺层宽度上，充满螺旋器料 槽。 夺将刮板输送装置、螺旋输送器控制开关转入自动档。 夺将振动器、振捣器速度设定在根据规范和经验确定的合理数值上，将振 动器、振捣器控制开关转入自动档。 在现场所有准备工作均已完成后，车辆、人员均已到位就绪时，现场摊铺 指挥才能下达起动摊铺的指令。在施工过程中，自卸料车紧靠在摊铺机料斗前 方，把沥青混合料或稳定土混合料源源不断的卸入摊铺机料斗中；摊铺机则顶 推着自卸车前进，同时将料斗内的混合料连续刮运到摊铺机后部：由横向布置 的螺旋输送器将混合料推运分布在摊铺基层的全部摊铺宽度上；最后由熨平板 对摊销材料进行挤压、捣击、振实和熨平，形成要求的摊铺层。 2 4 摊铺机的工作原理与摊铺质量影响因素 在作业过程中，摊铺机通过其中部的牵引点，由左右大臂拖拽着尾部的熨 平板前进；熨平板靠自重对摊铺材料进行挤压、振实和熨平。其摊铺质量受摊 铺机牵引速度与稳定性、牵引点的高度与波动( 改变熨平板的进料仰角，影响 摊铺高度和挤压密实度) 、熨平板自重、振动振捣的参数及其匹配的影响；同时 还受摊铺材料供应的及时与均匀性、摊铺材料的物理特性、级配、温度以及摊 铺当时的气候与环境状况等因素影响。其中，后一类影响因素主要与施工的组 织调度等有关，本文不作讨论；而前一类影响因素与摊铺机自身的结构与功能 及其调整有关。当摊铺机的机械结构与液压系统的动力与执行部件( 液压泵、 液压马达等) 一旦选定之后，其电气控制系统的功能与可靠性，就是影响摊铺 质量的最重要因素，这也正是本课题研究的内容。 第2 章摊铺机基本髋能分析 2 ，5 链镶毫惩蟹麓控裁系统功麓分析 摊铺机的微控制器系统，最重要和基本的功能是行驶系统控制。通常采用 交量裂实凌獾镶瓠行装速度麓无缀变速，壶行驶滚压马达簿量或梳壤交逮实蕊 摊铺和非摊铺行驶挡的转换。微控制器根据系统输入信号以及反馈信号，缀过 软4 牛内部程序运舞给出相应敕控制傣号，实现摊镇机行驶的各种控制要求，包 括恒速、直线行驶、按给迩信号的转向行驶等。 采用微控制器自动控制的最基本目的，息保证摊铺作业中行驶速度恒筑和 保蔫撵镶援壹线霉亍疆毪熊。魏栗撵链凝在摊镳受蓑交纯绒受运瓣卡车蓬壹辩， 其行驶速度发生较大的变化，则摊铺层的密实度也必然随之改变；如果摊铺机 的直线行驶控制性能不佳，摊铺中时常跑偏，则摊铺机手不得不缀常性的调整 摊铺孛a 的行鹱方向，容易造成擢铺税实际上静蛇行行驶，影嫡摊铺作监履鬣， 加重操作负担。因此，恒遮摊铺与直线行驶对于提高作业质量具有重要的意义。 嚣 l f ，包括遴曰夔德鏊矗饕公司v o g e l e 公司燕镶捉瓣国痰套厂家生产豹裹 端摊铺机，均己应用微嵌入式电脑控制器的控制系统。而国产摊铺机也都采用 国外摊销机控制软件，其一般摊铺速度范围在2 8m m i n ，通常其超低速( 1 m mj n ) 适应往较差，不煞适应大受褥超低速作、韭需要，褥这种大受蓊超低速工 况是在国内己形成规范的稳定层摊铺作业的经常工况；目前的摊铺机配备显示 器多为英文器霆，无汉字黢示，对中匿用户尤其操 乍瓠手极不方便：同时，由 于摊铺机的徽控制器控制程序多数鼹国外生产厂商提供，是通用激控制程序， 没有纂于不同摊铺机的基本运行数据监测与故障诊断、报警功能，办没有在使 矮像券麓方垂熬绘予赘显滤示，磊这些对于穗器豹正确捷蔫、教簿熬及葬寺笈琥 和排除、延长机器的使用搿命都是极为重要的。 在摊铺机微控毒器系绫的功能中，除了上述摊镳枧威有的锼瘸功能外，还 必须开发一些辅助功能。例如，由于每台摊铺梳所配备的液压泵、马达电控阔、 检测元件以及操作手柄、电位器的参数分布性，微控制器必须具肖相应的参数 拣定纛序，彳逡应这静徽控到器辨强系统懿参数交亿；燕岁 ，徽茬裁器爨疆 据编制程序和若干参量对摊铺机实施精密控制的，如果因为人为的有意或无意 的误操l 乍导致微控制器内定的某些关键控制参爨发生改变，这在摊镶桃外观上 看不到任何变化，却可黥静致摊铺梳意想不戮的控寿l 错误或者完全不能正常的 控制功能，因此在微控制器控制程序中还必须增加一些危险和错误的判定程序、 薅壹各葶孛爵笼误爨俸翡安全绦护程侉。 完成上述控制系统功能必须有徽控制器外围硬件系统的配合，一些软件功 能也必须由微控制器与显示器协调完成。例如适应摊铺桃系统参数分布变化| | 薅 第2 章摊铺机基本性能分析 盛须的参数标定麓麓、透邋c a n b u s 实理豹总线数据逶谈葫戆、系统海邦程净鞠 数据的安全保护程序等。 基予上述分_ ! 睡，课题缎确定出摊链祝微控制系统的威具有以下主要功熊： 夺行驶速菠控制，包括行驶速度设定、懿际速度蓝铡、恒速控制。 夺转向控制，包括转向方向、转向率或转向半径设定、实际转向监测。 夺超糕嚣骏速疫懿稳定控裁。 夺显示系统的中文化。 夺增加摊销机运行数据监测、故障诊断以及保养等功能。 令参数标定程穿。 夺必要的防止误操作和安全程序。 夺数据逶谖程彦。 9 第3 章摊铺枫智能控制系统设计 第3 搴摊铺誊嚣智能控制系统设讨 3 。1 摊镳撬的电控系统撅述嘲 w t 系列摊铺机采用点流2 4 v 电控系统，包括启动与充电系统、发动机及整 掇纹袭整溅系统、照暖与警示系缓、工终装罴壹接( 手动) 控键系统、工作装 置自动控制系统、调平控制系统以及微嵌入式电脑行驶和转向控制系统等。 3 。 1 起动葛充电系统 超动与充电系统由起动电机、充电发电机、起动开关、蓄电池、电源开关 以及发动辊燃濑电磁凝等缀藏。蓄瞧涟为莛凌毫税珙彀，圈对在发囊瓿低速运 转或停机时为憨机供电。当充电发电机正常运转时，可对蓄电池进行充电，同 时供绘整机其他用电设餐掰需的电能。 3 1 2 发动机及整机仪表监测系统 发动税及蘩税仪表靛灏系统煎测发动税与撵镶辊熬枫豹工幸挈情况。对予发 动机，监测发动机转速、水温、机油压力及空滤器报警等：对于艇机参数，可 以监测整机工作小对、燃浊油位、渡压油位、液压涵滋度、滚压过滤器投罄、 液压系统压力、整机行驶速度、转向率、振动振捣频率等参数。脏测系统可以 使操作人员随时掌握和调艇整机的运行状况，并且可以使整机的一些主要故障 褥翼旱颓发凌嚣及嚣蘩滁与磐复。蕊溅系统对予撵锈穰豹合理整_ 臻、延长撵铺 机的使用期限、提高摊铺质量、保证操作人员和现场其他人员的人身安全鼹有 重要的意义。 3 1 3 照明与警示系统 照鞠系统主委宙嚣部灯其、君帮灯具、工 乍灯、仪表灯、窀喇彀戳及鞠应 的控制丌关等组成。前部灯具由左右前大灯组成。后部灯具由左右尾部工作灯 及尾大灯组成。 31 4 工作装置直接控制系统 i = 作装置畿接控翻系统主要用于各工作装餮液筮执行元件的螽接 开式) 控制，包括高低速行驶挡转换、液臌制动阀转换、料斗开合、熨平装置( 大臂) 1 0 第3 苹摊帮祝智能控制系统设计 箨瑶摹嚣孕 辞章f 群丞孚 嚣砰晦孕 嚣靴挈 群鹭 喾群攀 * 脚 辟兽群掣肆 群孳爵 辫g 噼# 擘蕾事 豁# 毒簿翟翳 澍器莺喾薷 嚣讲鞋耳 碟酶蜂鲁 鲜粤瓣耳箪 霹肆肆军 嚣讳耨袒普 翼暂鞋皆 唰肆器￥盛 群殛蟋酶翡普幂器糍赢婚一事_【匝 第3 章摊铺虢智能控裁系统设计 舟降、螺疑装鼗舞降、圭蠲黄耀、浮动阕、援起阕、转髓渡压散热器控铡以及 振动、振捣的开扁与调速控制等。本系统根据主机工作装置的配鼹，采用撩制 开关_ 荸h 调速装置进行直接的手动控制，并依搬功能要求增加部分连锁、互锁和 联动等逻辑控制。 3 1 5 自动控制一供料传动系统 供料传动系统包括摊铺机左、右螺旋系统和左、右刮板系统。 螺旋器采用闭式静液腰驱动系统，螺旋器的自动控制是由包括电子放大器 的接融式瓣位传感器或j 籀触式越声波料位传惑器，校据精位变纯，输密羧镯 信号奄相应电调节阀，调节油泵斜盘摆角从而改变系统油量，以增加或降低螺 旋爨黪转速。 刮板驱动采用定量液胍驱动、开关阀控制系统，刮板系统的囱动控制幽行 程开关式传感器，对系统进行开关式自动控制。 为了 | 霉试纛液急等霞麓，供精传动系统静螺旋驱动帮刮叛驱动筠勇配鸯程 应的手动控制装鼹。 3 。 6 自动控制一调平系统 摊铺路面平憋度是摊铺质量的爨要指标，摊铺机多数均配有相对独立的舞 动调乎系统。谲平系统主要由级玻魄子调节嚣、横坡电予调节器、手动控制开 关盒以及调平电磁阀等组成。纵坡电子调节器或横坡电子调节器通过传感嚣探 测熨乎叛瓣装置态痉或横趣坡度鼹予没定基准瓣微小变纯，强据搽溅裂夔镶差 信号，控制器进行滤波、放大、调制，输出相应的脉冲式开关量掇制信号至调 平电磁阀，控制调平油缸动作，实现熨平板系统调平。 在绦 # 台积凝平馥嚣端装有手动谰平开关，可戳方便墟透 亍激平扳装嚣豹 摊铺前虢位预调平和摊铺过程中的成急补偿调节。 3 了自磅控溯一行驶系统 摊铺机的工作对象是沥青混凝土或二灰稳定，材料物理性黢变化范围较 大，辩摊铺杌产生的行驶阻力负荷檄随时处予变化中。离摊铺飘的结构可知， 其左右行驶系统怒独立驱动的，左右系统的机械、液压和电气系统尽管设计对 豫、参数一蘩，瓣为元器传夔参数分毒特性、麴工、装鬻瓣差舅等，实际上蒺 系统参数、动态响应也不尽相同。而地面附着条件更不可能左右完全一致。因 此，摊锱机行驶过程中左右履带的实际速度是强连续不叛变化的。 第3 章摊铺机智能控制系统设计 摊铺机行驶系统的性能对于其整机性能发挥具有决定性的影响。没有恒定 的摊铺速度，摊铺层密实度就不能保证均一，也就没有摊铺质量；没有好的摊 铺机直线行驶性能，操作人员就不得不经常的调整摊铺机行驶方向，增加了作 业强度，摊铺质量也必然受到影响：而在没有自动行驶速度控制装置时，摊铺 机一旦受到自卸料车的撞击，很难保持原来摊铺速度，摊铺质量就没有保障。 因此，现代摊铺机大多配备有行驶系统自动微控制装置。 自动微控制系统可以实现恒速摊铺行驶、直线行驶与转向行驶：可以准确 设定、修改行驶速度和转向比率；还可以具有部分自动系统故障提示等功能。 本项目控制系统的重点研究对象为微控制器行驶控制系统。 3 2 摊铺机的智能化控制系统方案。”。1 ”1 3 ” 根据本项目的设计目的，结合天津鼎盛工程机械有限公司新技术新产品开 发计划项目，确定针对w t 系列多功能摊铺机和y t 系列沥青混凝土摊铺机进行 整机智能化嵌入式电脑控制系统设计。w t 系列摊铺机侧重于功能实现，y t 系列 摊铺机侧重于性能提高，其基本控制点完全相同，即控制摊铺机两条履带与行 走液压泵、马达及轮边减速器组成的行驶系统。从控制系统而言，两者之间最 主要的区别是液压驱动系统，w t 系列摊铺机采用s a u e r 闭式静液压装置，比例 控制阀控制电流为2 0 m a 8 0 m a ，y t 系列摊铺机采用r e x r o t h 闭式静液压装置， 比例控制阀控制电流为2 0 0 m a 6 0 0 m a 。其微控制器的控制参数和控制形式必须 有较大变化，才能适应不同系统的控制要求。本文主要以w t 系列摊铺机智能化 控制系统进行讨论。 3 2 1 w t 系列摊铺机智能化控制系统 在整机电控方案中，常规控制( 包括启动与充电系统、发动机及整机仪表 监测系统、照明与警示系统、工作装置直接控制系统等) 采用开关与继电器组 成的逻辑控制线路：熨平板自动调平系统采用德国m o b a 公司成熟的摊铺机调平 控制器，独立控制：螺旋分料器自动控制、刮板输送器的自动控制，分别采用 超声波控制器、开关式料位控制器独立控制。而以中央微嵌入式电脑控制器组 成的控制系统主要控制摊铺机行驶系统，实现摊铺机的恒速摊铺、直线行驶、 自如的平滑转向及整机运行参数监测等。这样的选择对于系统的可靠性、摊铺 机控制系统的系列化、标准化以及摊铺机大规模生产的组织管理等都是有利的。 图2 是w t 系列摊铺机智能控制系统框图，其基本控制及其功能可以简述如 下： 第3 章摊铺梳智能控制系统设诗 圈2 耵系翔摊铺机智能控制系统框图 系统采用了芬兰e p e c 公司生产的2 0 2 3 微嵌入式电脑控制器和德国g r a f 公 司豹a t 3 0 0 0 黧文显承嚣。e p e c 控测器逶弱予器秘恶劣坯境如毫强动渥度变位捌 烈和湿度较大簿条件下可靠的工干挈，是一种集可编程邋辑控制器、比例放大器、 模拟爨输入a d 模块和继电器输出功能于一身的高性能工程机械专用控制器： 丽g r a f 豹图文显示器氇黼样具有挠振动与；诤击髓力，篡有c a n b u s r s 2 3 2 逶谲 接i ：3 ，其较高的照度与对比度使冀在户外具有良好的w 视性，邋于摊铺机环境 使雳；越岁 ，该显示器憝踺文漫缡的，可以数图片形式处理汉字、基形，逶应 汉字界面编辑，从而满足用户的遗切需要。 如图2 所示，在e p e c 嵌入式电脑控制器的左边，是所有输入信号和嗽源， 第3 章摊铺机智能控制系统设计 包括速度电位器、手柄电位器、转向电位器、中位开关、摊铺行驶档位开关、 履带行驶速度反馈信号以及发动机和整机运行参数信号等。而在e p e c 嵌入式电 脑控制器的右边，是控制器的各种输出信号，如控制行驶变量泵电控阀( 左履 带前进、左履带后退、右履带前进、右履带后退) 的4 个p w m 输出、控制报警 的开关量输出、c a n b u s 通讯总线。其中行驶变量泵电控阀的控制为双路控制， 除微嵌入式电脑控制器可以自动控制，还可以经开关切换实现手动控制，为摊 铺机冗余控制设计。 摊铺机的各种控制指令信号( 包括电位器信号、开关量信号) 和各种监测、 反馈信号作为微控制器输入量，通过软件的识别、判断、逻辑运算，确定摊铺 机行驶模式，进入( 或不进入) 数字p i d 的闭环控制运算程序。在不同情况下， 控制器调制输出p w m 控制信号，通过i o 端子输出到相应的行驶泵电控阀，实 现摊铺机的实时行驶控制。 在摊铺作业时，根据设定速度、反馈速度及转向设定信号，微控制器进行 p i d 闭环控制运算，经过调制的p w m 输出信号控制行驶泵电动阀。在摊铺机顶推 自卸料车、外负荷变化或左右履带受力不均的情况下，履带速度会随时发生变 化，此时微控制器将实时跟踪这种变化，数字p i d 闭环程序将作出快速响应， 输出p w m 信号进行调控，确保摊铺机的恒速直线行驶要求。 同时，对于实时获得的各种监测信号，微嵌入式电脑控制器可以即时运算 得到摊铺机运行数据，监控摊铺机的报警，并通过c a n 总线传递到g r a f 显示器 实时显示。由于采用汉字显示界面，使操作人员可以一目了然地随时掌握摊铺 机的运行状态，及时作出各种操作决策。 为了便于使用，智能化控制系统还编制了一些应用程序，如现场标定程序： 报警显示程序；保养提示程序以及安全程序( 密码程序) 等。 此外，系统还预留了一定数量的i o 扩展口，为增加控制功能留有余地： 采用c a n 总线技术，随时可以增加基于c a n 总线技术的应用传感器、控制元件 以及上位机等，为本系统的扩展升级打下良好的基础。 3 2 2 嵌入式微控制器主程序胆”。2 1 图3 为w t 系列摊铺机嵌入式微控制器主程序方案的流程图，即程序原理框 图。其运行步骤和过程如下： 1 控制器通电后系统的初始化，对包括输入、输出端口初始化，以及c a n 总线起动和初始化。 2 t o 数据断口扫描，控制器监测的各种模拟量、数字量和脉冲量采样与 第3 章摊铺机智能控制系统设计 数据预处理，包括行驶速度电位器、手柄电位器、转向电位器，各控制 状态开关量以及整机状态参数的检测传感器。 丌；：，。善 升始j 盅电 山 厂一、 系统初始化 iy e s i o 数据输入 山 速度电位计 位置标定 l、 设定速度程序悔 o ，摊铺桃右 转商，计算公式如上；r o ，箨铺税左转向，计算仍采掰上述公式，最后v l 、v r 同时乘以系数( 1 ) 即可。其考虑转向条件时，左右履带设定速度的计算程序 滤程可以簿要撼述磐下： ( p l c p r g ) a i s t e e r 一( j o y f ii t e r ) 一( t r a n s f e r ) - - s t e e r ； ( s p e e rw it h s t e e r ) s p e e d * ( s t e e r + d 2 ) s t e e r - 1 e f tb a s e ； s p e e d * ( sr e e f d 2 ) s t e e r 。r l g h t b a s e ； ( p r e p a r e s u m ) w o r k h z * c a l i s p e e d 6 5 5 3 5 一s 叽一h z ； w o r k h z * l e f t b a s e 6 5 5 3 5 一dl e f t h z ； w o r k h z * r ig h t b a s e 6 5 5 3 5 一d r i g h t h z 。 式中w o r k h z 是履带的设定最大脉冲值，s e t h z 怒设定速度对应的设定脉 冲值，d _ l e f t h z 和d _ r i g h t h z 划分别是左崧履带速魔对应的设定脉冲值。 在左侧或右侧履带计算速度超过最大速度时，以最大速度取代该侧履锵速 度，袄撂主述公式诗冀舅一爨霪繁迷疫；羞攀餐疆繁逮凌参予最小稳定露毅速 度，则以最小稳定行驶速度取代该侧履带速魔，再由上述公式计算另侧履带 速度。在这两种转向情况下，机器行驶速度与预设行驶速度有变化。但是，这 种情溅均属于特殊情况，屈完全不在杭器静正常摊铺 乍趣参数范阐，仅在摊铺 机转移工地( 高速) 或摊铺机低速调整就位时出现，此时对于机器转向速魔无 严格黉求，对攘镳规速度秘转自半经豹这耱篱纯处理可鞋满足实际控刳震鬟， 并可简化运算程序。 3 。3 。5 阈环行驶速度的控制 摊铺机的闭环行驶速废控制是憨个控制獠序的核心与关键。 综合稷关技零资糕分誊厅，影晌攘镳辊僵遴行装戆瓣索缀多，蕊孛爱关镳熬 环节脊： 第3 章摊铺机智能控制系统设计 夺发动机的飞轮速度稳定性； 夺微嵌入式电脑控制器的恒速控制功能； 夺行驶液压传动系统； 夺行驶控制电器系统； 审行驶机械部件。 摊铺机左右履带驱动是独立的变量泵和两点变量马达组成的闭式液压驱动 回路，可以得到其传递函数为“”： ，= 鲁2 石氤”j ( 乓+ 兰丝+ 1 ) 嘶( - o n 其中， = ev d m 巧以 k ey j m 哦2 巧 闭环行驶速度控制的策略可以有多种选择。采用主动轮与随动轮的控制策 略时，将单侧履带速度确定为基准，而另一侧履带通过不断地调节，来修正与 基准履带的速度差值，从而使机器达到直线行驶的目的。分析认为，这种调节 策略在摊铺机直线行驶控制时，可以获得较好的控制效果，而在转向情形就不 容易获得同样控制效果；随动侧履带速度受主动侧履带速度的影响，主动侧速 度在波动或调整，从动侧速度也会随之波动，则整机速度稳定性变差。 闭环行驶速度控制的另一种策略是左右履带分别形成控制闭环，每一边均 以自己的预定速度为基准，进行独立的调节控制。如果两边闭环都有足够的控 制精度、动态响应速度和控制稳定性，则整机的速度就能得到很好的控制效果。 此时，单侧履带的速度变化和调整，不会通过控制系统对另一侧的履带速度产 生影响，有利于提高整机速度的稳定性。同时，由于两侧闭环控制系统相互独 立，也有利于各系统控制参数的测试、分析和优化组合，便于通过较少的试验 迅速获得更多的机器固有参数信息，从而节约系统开发时间和开发成本。 进入摊铺机闭环速度控制程序之后，必须将综合处理后得到的摊铺机预设 左右履带速度值进行再次处理，其目的是将它转换为与履带测速传感器反馈的 脉冲转速信号可以相比较的一个数值，称为预设履带的当量速度值，以h z 数值 计算。据此摊铺机内外履带的设定当量速度、履带实际反馈速度h z 值，以及数 第3 章摊铺机智能控制系统设计 值p i d 程序的输入参量p 、i 、d 等，进入速度闭环p i d 反馈与调节程序，使左 右履带实际速度分别按设定速度控制，实现摊铺机转向半径( 转向率) 的闭环 自动控制，达到按设定转向半径( 转向率) 转向的同时仍然保持恒速摊铺的功 能。 闭环行驶速度控制程序，以履带实际速度脉冲( p 1 一l e f t ) 、理论速度脉冲 ( d l e f t h z ) 、p i d 参数以及复位条件r 输入p i d 模块进行比例、积分和微分运 算，其输出量经过参量整理( p i d t o m o t i o n ) 获得当量控制值。这一控制值与比 例电控阀的标定电流( i _ m a x 、i _ m i n ) 等参数输入标准的运动控制模块，经过 运算调制输出控制行走泵比例阀的脉宽调制电流信号p w m 。程序的流程可以简要 描述如下： ( p i l e f t ，d l e f t h z ，p ，i ，d ，r ) 一( p l d _ m o d u l e ) 一( p i d t o m o t i o n ) 一 i l e f t ( p l r i g h t ，dr i g h t _ h z ，p ，i ，d ，r ) 一( p i d _ m o d u l e ) 一( p i d t o m o t i o n ) 一 i r i g h t ( i 一1e f t ，i _ m a x ，i _ m i n ) 一( m o t i o n c o n t r 0 1 ) 一a o _ f l e f t a o _ b _ l e f t ( i _ r i g h t ，i m a x ，i _ m i n ) 一( m o t i o n c o n t r 0 1 ) 一a o _ f _ r i g h t a o _ b _ r i g h t 其中，p i d 控制模块的模型函数是： y = k p * ( d + 1 t n ，d ( t ) d t + t vd d d t ) + y _ o f f s e t 程序中d 是期望值与实际值的偏差，y 为输出值，参数k p 为比例系数，t n 为积分时间常数，t v 为微分时间常数。p i d 模块的参数p 、i 、d 值”3 对于闭环 控制的效果是决定性的。p 比