（车辆工程专业论文）高压隧道清洗车喷洗装置自动调距系统设计研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第工页 摘要 随着经济的快速发展、高速公路的大量建设，我国的高速公路隧道增长十 分迅速。到目前为止，我国已是世界上隧道最多、最长的国家。由于车流量的 增加，隧道的污染也已日趋严重，影响了隧道的美观及行车的安全，所以如何 对隧道进行快速、有效的清洗己成为摆在我们面前的迫切任务。现在的隧道清 洗主要采用滚刷式隧道清洗车和高压水隧道清洗车。滚刷式隧道清洗车是一种 传统的清洗方式，效率低下、污染环境等，已逐渐被淘汰；而高压水隧道清洗 车是一种新兴的清洗方式，由于其采用高压水射流技术，清洁环保、效率高， 近几年发展很快，应用前景也比较广阔。 在高压水隧道清洗车上，喷洗装置是最关键的部位，在清洗的过程中，它 与隧道墙面的距离，直接关系到清洗的效率和效果。但目前的高压水隧道清洗 车上的喷洗装置，主要是靠司机的眼光手动调整两者的距离。由于现场水射流 的雾化严重，观察性很差，加上司机劳动强度大，易疲劳，这种调距方法不可 靠，不但会影响清洗效果，还有可能导致喷洗装置与墙壁碰撞而损坏设备。所 以，针对这种情况，本文将微机技术与液压控制技术相结合，设计了一套自动 控制系统，采用超声波测距和数字电液比例控制等技术，来实现喷洗装置在清 洗过程中的自动调距，减轻了司机的劳动强度，大大提高了工作效率。 本文首先设计了总的控制方案，然后根据控制系统的组成及性能要求，对 一些关键的元器件进行了设计计算及选型，比如单片机、超声波传感器、液压 缸、电液比例方向阀等，接下来分析了p w m 控制技术及p i d 控制算法，设计了 系统总的硬件电路及软件，并对系统各个环节进行了数学建模，采用 m a t l a b s i m u l i n l ( 软件分析了系统的控制性能。在经过适当校正后，系统性能 完全满足了控制的要求。论文最后对系统的关键环节部分超声波测距系统 进行了实验研究。 关键词喷洗装置；电液比例；超声波；p w m ：p id ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i c ，c h i n a sh i g h w a yt u n n e lh a sg r o w n r a p i d l y s of a r ，c h i n ah a sb e c o m eo n eo ft h ec o u n t r i e sw h i c hw i t ht h e l a r g e s ta n d t h el o n g e s tt u n n e l s a st r a f f i cf l o wi n c r e a s e s ，t h et u n n e l sh a v eb e e ni n c r e a s i n g l y p o l l u t e d , w h i c hs e r i o u s l ya f f e c t st h ea e s t h e t i c so ft h et u n n e l sa n dv e h i c u l a rs a f e t y ， t h e r e f o rh o wt oc l e a n o u tt h et u n n e l sf a s ta n dr a p i d l yh a sb e c o m ea l lu r g e n tt a s ki n f r o n to fu s n o w a d a y st h et u n n e l sa r em a i n l yc l e a n e db yr o l l i n gb r u s ht u n n e lw a s h i n g c a r sa n dh i g hp r e s s u r ew a t e rr u n n e lw a s h i n gc a r s r o l l i n gb r u s ht u n n e lw a s h i n gc a r i sat r a d i t i o n a lc l e a n i n gm e t h o d ，w h i c hi si n e f f i c i e n t ，h a r m f u lt oe n v i r o n m e n t , a n di t w i l lb ee l i m i n a t e di nf u t u r e o nt h ec o n t r a r y ，h i g np r e s s u r ew a t e rm n n e lw a s h i n gc a r i san e wc l e a n i n gm e t h o d , b e c a u s eo ft h eh i g hp r e s s u r ew a t e rj e tt e c h n o l o g y ，i ti s c l e a na n de f f i c i e n t , a n dh a sb e e nr a p i d l yd e v e l o p e dr e c e n t l y ，t h ea p p l i c a t i o n p r o s e p e c ti sa l s oq u i t eb r o a d a m o n ga l lt h ee q u i p m e n t so fah i g hp r e s s u r ew a t e rt u n n e lc a r ，j e tw a s h i n g d e v i c ei st h em o s tc r i t i c a lp a r t ，w h i c hc a nd i r e c t l yi n f l u e n c ew a s h i n ge f f i c i e n ta n d a f f e c t h o w e v e r , r e s e a r c hs h o w st h a tt h ej e tw a s h i n gd e v i c eo ft o d a y sh i g hp r e s s u r e w a t e rw a s h i n gc a rr e l i e sm a i n l yo nv i s i o no ft h ed r i v e rt om a n u a l l ya d j u s tt h e d i s t a n c eb e t w e e nt h et w o s b e c a u s eo ft h ep u l v e r i z a t i o no fw a s h i n gs p r a y ， o b s e r v a t i o n a lp o o r , c o u p l e dw i t ht h ei n t e n s el a b o ra n df a t i g u r e ，t h i sm e t h o di sn o t r e l i a b l e ，w h i c hc a nn o to n l yi n f l u e n c et h ew a s h i n ge f f e c t ，b u tp r o b a b l yd a m a g et h e d e v i c e t h e r e f o r e ，t h i sa r t i c l ei n t e g r a t e dm i c r o c m o p u t e rt e c h n o l o g ya n dh y d r a u l i c c o n t r o lt e c h n o l o g y ，d e s i g n e das e to fa u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mt h a tu s e su l t r a s o n i c r a n g i n ga n dd i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yt o a c h i e c et h e a u t o - d i s t a n c ei n w a s h i n gp r o c e s s ，r e d u c i n g t h ed r i v e r sl a b o r i n t e n s i t y a n d i n c r e a s i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y i nt h i sp a p e r ，t h eo v e r a l lc o n t r o ls c h e m ew a sd e s i g n e d ，a n dt h e ns o m ek e y c o m p o n e n t sw e r ed e s i g n e da n ds e l e c t e da c c o r d i n gt ot h ec o n t r o ls y s t e mc o m p o s i t i o n a n dp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t s ，s u c ha ss c m ，u l t r a s o n i cs e n s o r s ，h y d r a u l i cc y l i n d e r s ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 e l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a ld i r e c t i o n a lc o n t r o lv a l v ea n ds oo n t h e np w m c o n t r o lt e c h n i q u e sa n dp i dc o n t r o la l g o r i t h mw e r ei n t r o d u c e d , t h eo v e r a l lh a r d w r e c i r c u i t sa n ds o f t w a r eo ft h es y s t e mw e r ed e s i g n e d ，a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e l so f a l la s p e c t sw e r er e s e a r c h e d , t h es y s t e mc o n t r o lp e r f o r m a n c ew a sa n a l y z e dw i t ht h e s o f t w a r eo fm a t l a b s i m u l i n k a f t e rp r o p e r c a l i b r a t i o n ，t h es y s t e mc a n c o m p l e t e l ys a t i s f yt h ec o n t r o lr e q u i r e m e n t s a tt h ee n d ，t h et h e s i s g i v e a n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ht ot h eu l t r a s o n i cd i s t a n c em e t e rs y s t e m ，w h i c hi st h eb e s t i m p o r t a n c e k e y w o r d s ：w a t e rs p r a y i n gw a s h i n gd e v i c e ，e l e c t r o h y d r a u l i c p r o p o r t i o n ， u l t r a s o n i c ，p w m ，p i d 西南交通大学凹阐父迥大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密留，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：呷智 指导老师签名： 醐：1 p - 叩 醐： 绷 & o 咬jto i 协 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 我国是世界上公路隧道最多、最长的国家，隧道污染也日趋严重。在利用 高压水隧道清洗车进行隧道清洗的时候，喷洗装置与隧道墙壁的距离( 称为靶 距) 的大小对清洗效果来说十分关键和重要。而在目前的高压水隧道清洗车上， 喷洗装置与墙壁的距离都是依靠司机的眼光和经验采用手动的方式进行调整， 由于现场水压高，水射流的雾化现象严重，观察性很差，所以这种调距方法十 分不可靠，它不但大大增加了司机的劳动强度，而且使清洗效果大打折扣。针 对这种情况，本文将微机技术与液压控制技术相结合，设计了一套自动控制系 统，采用超声波测距和数字电液比例控制等技术，来实现喷洗装置在清洗过程 中的自动调距，减轻了司机的劳动强度，大大提高了工作效率。 独n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题的提出 第一章绪论 我国是一个高山、丘陵、高原众多( 面积约占国土总面积的7 0 ) 的国 家。改革开放以前，由于受资金严重短缺的影响，公路建设中很少考虑隧道 方案，多以盘山公路为主。但现在，随着我国经济的迅速发展，公路建设规 模日益扩大，相应的隧道建设也已引起重视，并得到了很大发展。5 0 年代， 我国仅有3 0 多座总长约2 5 k m 的公路隧道。在六七十年代，我国干线公路上 曾修建了一些百米以上的公路隧道。进入八十年代，我国公路隧道发展的速 度加快，具有代表性的工程有深圳梧桐山隧道和珠海板樟山隧道，福建鼓山 隧道，甘肃七道梁隧道等。而到了现在，我国已修建了不少长隧道、特长隧 道以及隧道群。其中，主要有：1 9 9 5 年开通的成渝高速公路上的中梁山隧道， 全长3 公里多；1 9 9 9 年通车的四川省川藏公路上二郎山隧道，全长4 公里多， 是连接西藏与内地的重点工程：1 9 9 9 年通车的四川广安地区华蓥山公路隧 道，右线长4 6 3 公里，左线长4 7 公里，是我国目前已通车的最长公路隧道。 按照交通部规划，我国1 0 年内将新建成4 0 万公里新路，“五纵七横”国道 主干线将贯通，新建设的公路隧道总长将达到1 5 5 公里以上。正在建设的终 南山隧道全长1 8 4 公里，长度居亚洲第一，世界第二：湖南雪峰山隧道长7 公里多；西安汉中高速公路上穿越秦岭的三座特长隧道群总长3 4 公里，全线 隧道总长1 0 0 公里1 1 】【2 】。据了解，我国公路隧道总数已接近2 0 0 0 来座，总长 度7 0 0 多公里，是改革开放之初的1 3 5 倍，是世界上公路隧道最多、最长、 最复杂的国家【3 】。 随着我国经济的发展和老百姓生活水平的不断提高，行驶在道路上的车 辆也越来越多。车流量的增加，车辆排放的有害气体以及扬起的灰尘对隧道 造成的污染极其严重，比如台州高速公路大溪岭一湖雾岭隧道，长约4 0 0 0 多 米，为重丘区高速公路特长隧道，自从1 9 9 8 年1 2 月建成通车以来，车流量增 长十分迅速。2 0 0 5 年总车流量为5 0 8 3 8 9 7 辆，2 0 0 6 年总车流量为5 7 7 9 5 9 7 辆；2 0 0 7 年一至三月就达到1 5 2 2 1 6 9 辆，比往年一至三月都大【4 1 。车流量的 增加，导致车辆排放了大量的尾气，而由于隧道较长，尾气扩散困难，因而 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 对隧道造成了极其严重的污染，使得隧道墙壁变黑变脏，照明设备蒙上厚厚一 层灰，光线变暗，特别是一些机电设备受污染后容易老化，易出故障。以上 这些都会给隧道通行带来极大的安全隐患。又如重庆是有名的山城，由于其 特殊的地理条件，城市公路隧道居全国之冠，据重庆市环境科研监测所对重 庆境内部分隧道调查发现，几乎所有的隧道都存在着不同程度的污染，特别 是一些隧道由于通道长，车流量大，通风条件又较差，污染尤其严重，行人 一进入隧道就明显感觉到灰尘大、气味难闻、呼吸困难。经测量，隧道内的 主要污染是颗粒物浓度高，而颗粒物是由车辆行驶时所扬起的大量灰尘所致。 同时车辆排放的油烟混合着灰尘粘附在隧道墙壁上，不仅污染了环境，严重 影响人们的身心健康，而且还严重影响了隧道的美观【5 】。 由上可见，在我国对隧道进行清洁维护工作是一项势在必行而又十分艰 巨的任务。多年来，由于传统的清洗操作简单，清洗作为一项工业技术没有 得到应有的重视，我国清洗行业一直处于化学和手工为主的落后状态。所以 如何对隧道进行快速、安全、节能、环保、有效的清洗已成为摆在我们面前 的迫切任务。 高压水射流技术是从2 0 世纪7 0 年代迅速发展起来的一项新技术，它是 指通过高压水发生装置将水加压至数十个到上千个大气压以上，再通过具有 细小孔径的喷射装置转换为高速的微细水射流。这种水射流的速度一般都在 一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量。这种具有高能量、高速度的水流正 向或切向冲击物体表面时将产生强烈的作用，从而完成切割、清洗、破碎等 各种操作【6 1 。它具有工作效率高、成本费用低、对环境无污染等优点，因而 被广泛的应用到管道清洗、路面清洗、墙面清洗、钢板表面除锈、水刀切割 等领域。在本论文中，利用高压水射流清洗隧道墙面即为其应用的一个方面。 在高压隧道清洗过程中，喷洗装置到隧道墙面的距离( 称为靶距) 大小 对于清洗效果来说十分关键和重要，这是因为高压水射流技术具有一个非常 重要的参数最佳靶距。 在连续高压水射流中，射流对物体的作用力是随着喷嘴到物体的距离即 靶距是不断变化的，这是由于射流速度、射流结构是随靶距变化的。在射流 的刚开始阶段，随着靶距的增加，射流打击力逐渐加大，直至达到一个最大 值：其后，随着靶距的继续增加，射流打击力也迅速减小，如图卜1 所示【6 】。 孽悉薹要震熏曩予 孽孽瓣詈訾菩塞嚣篡蓑墨嘉圣喜套笔 罢矍耄冀竺原曼：尝茎考，耋嚣量耄霎詈宁三篡享釜了翥詈汤篡言；曼吴 竺耋戛耄：，龛墨娄姜荔袭斋券詈要? 套：k 茎塞篓辇翥? 嘉罢芝墨；墨茜 量液体反溅，会增大对物体的打击力；但随靶距殛轶增删训训“尬伏一” 低， 下： 打击力也就不断减小。 厂 、i 。 、 - - _ - z 风 厂不同靶距处的打击力；f 懈最大打击力； 卜一靶距； 岛喷嘴直径 图卜1 作用力随靶距的变化 根据参考文献 三j 知，靶距、射流打击力、与射流基本参数间的关系如 l o p , = 9 9 7 ( 1 0 志 9 f r o , , = 1 2 0 1 1 靠0 ) 。7 5 式中k 最佳靶距，衄； 最大射流打击力，n 。 p 射流压力，m p a ； o ， 、】k2 正上洗整 修车清狮 一 m 澈鞠核醑道洗种确麒黝睛 进水道挪嘶雎飚鼬 法高冰抖触 嚣脉嘣 的得高分蚴懈1 莲蒯 实 ， 。致破机募辑删腑馗黔 一蹶一一椭 旧 ，最才离 一晰一一 一 计高的和沪耐孺蚴删 靶由罐装雠鼬躺臌 最正耀膜 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 特别是车辆在清洗隧道弯道时，距离变化更是明显。为了使喷洗装置达到一 个最佳靶距，得到最好的清洗效果，现有车辆都是靠司机的眼光和经验来调 整两者的距离。但由于水压高，水射流的雾化现象严重，观察性很差，所以 这种调距方法显然是十分不可靠的，再加上在调距的过程中，司机注意力比 较集中，操作频率较高，工作强度增大，因而容易产生疲劳，对距离的调整 更易出现偏差，从而使清洗效果大打折扣。 同时，根据现有一些清洗公司的隧道清洗经验发现，采用上述人工的方 法调整距离，还极有可能会由于距离控制不当，使喷洗装置与隧道墙壁发生 碰撞，从而损坏喷嘴等部件，造成比较大的经济损失。 所以，对喷洗装置的调距方法进行改进具有十分重要的意义。 1 2 国内外隧道清洗车的发展 国内外8 0 年代至9 0 年代的滚刷式隧道清洗车，基本采用常规原理的滚刷 添加清洗剂的清洗技术，但其效率低、成本高、污染环境，已不能满足目前我 国隧道清洗的要求。近几年来，国外在高压水技术的应用领域取得了突飞猛进 的发展，用高压水进行除尘、除锈、除油污等作业已得到广泛应用，其技术和 配套件基础已相当成熟，例如意大利的“i t m 、“p r o t i l o n l ”、德国的 “k a r c h e r 、美国的“m y e r s 等【7 】。在国内，随着外国先进技术的引入， 高压水射流清洗在我国得到了极大的发展，其在工业清洗中的比重已超过百 分之十，且正在迅速增长。现在的隧道清洗，也已逐步发展采用高压水射流 进行清洗作业，国内一些相关企业也已设计制造了不少高压水隧道清洗车， 比如扬州盛达特种车有限公司、江苏江扬船舶集团有限公司特种车辆厂等制 造的多功能高压水隧道清洗车，投入使用后都取得了不错的效果。下面主要 介绍现有的两种隧道清洗车滚刷式隧道清洗车和高压水隧道清洗车。 1 2 1 滚刷式隧道清洗车 滚刷式清洗车是现在隧道清洗中最常用的一种清洗车，由于其生产厂家 的不同，型号样式也多种多样，但其基本原理和方法一样，就是将一圆柱形 滚筒安装于伸缩臂顶端，滚筒上布满刷毛，其上还装有喷枪和喷嘴。工作时 伸缩臂将滚刷靠在要洗刷的隧道墙壁上，车辆发动机或副发动机通过传动装 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 图1 _ 2 壤刷式隧道清洗车 图卜3 滚刷式隧道清洗车清洗装置简图 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 置带动滚刷旋转，同时水泵开启，水流从安装于滚刷上的喷嘴喷出，将刷洗 产生的污渍冲走，达到清洗墙壁的目的。如图i - 2 为中联重科生产的一款滚 刷式隧道清洗车。 图卜3 为滚刷式隧道清洗车清洗装置简图”。7 】，它的控制方法为：采用 p l c 控制，在滚刷的上下两端分别装有上接触式感应装置和下接触式感应装 置，当滚刷上下两端还没有接触墙面时，在伸缩油缸的作用下滚刷继续前伸： 当滚刷两端压得过紧，超过设定值时，滚刷缩回：当滚刷上端压得过紧而下 端没接触时，滚刷上端在摆动油缸的作用下后倾：当滚刷下端压得过紧而上 端没接触时，滚刷下端在摆动油缸的作用下后倾。通过以上的方法从而实现 滚刷与墙壁的合理接触m j 。 滚刷式隧道清洗是一种传统的清洗方式，由于在清洗的过程当中要添加 清洗剂，因而对环境造成了一定的污染，同时其清洗效率还是相对较低，已 不能满足目前日益增长的清洗任务。 1 2 2 高压水隧道清洗车 高压水射流技术是近年来发展十分迅猛的一门新兴技术，近些年也逐渐 应用到隧道清洗上。如图卜4 为现有的一款高压水隧道清洗车。笔者也曾在 导师的指导下设计了一种新型高压水隧道清洗车其结构简图如卜5 所示。 图i - 4 高压水隧道清洗车 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 卜控制室2 一蓄水罐3 一高压水泵4 一柴油发电机组 5 一喷架6 一车载平台7 一液压泵 图1 - 5 高压水隧道清洗车构成示意图 6 卜车架平台2 一升降油缸3 一上支架4 一伸缩油缸5 、6 、7 一旋转油缸 8 一喷嘴9 一上喷架1 0 一中喷架 11 - 下喷架 1 2 一支撑杆 1 3 一隧道墙面 图1 6 喷洗装置简图 在高压水隧道清洗车的喷架上，- - n 喷嘴相互之间以一定的间距和角度 安装其上，喷架的形状与隧道墙面弧线大致一致，经高压水泵泵出来的高压 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 水射流由此在隧道墙面上形成一幅力度均匀的高压水帘，随着车辆的向前行 驶，实现对隧道墙面的连续清洗。图1 - 6 为笔者曾设计的一种喷洗装置示意 图。 这种喷架由三段相互之间可以转动、以销连接的管架组成，清洗面积有 了大幅提高。其结构原理是：油缸2 安装在车架平台1 上，可支撑喷架上部 上下运动，伸缩油缸4 和旋转油缸5 均通过销与上支架3 连接在一起，旋转 油缸5 可使伸缩油缸4 围绕上支架转动。所以通过这三个油缸的联合运动从 而调节喷嘴与隧道墙面之间的距离，实现不同位置的清洗。喷架9 、1 1 不工 作时和喷架1 0 折叠在一起，当需要清洗时，则分别在旋转油缸6 、7 的动作 下扩展开来，和喷架1 0 一起进入工作状态。 高压水隧道清洗车上喷洗装置的距离调整目前基本上还是采用手工的方 法，因而工人劳动强度大，清洗效果不理想。 与传统的滚刷式清洗车相比，高压水隧道清洗车具有以下几大优势【7 】： ( 1 ) 环保无污染。滚刷式清洗车在清洗隧道墙壁的时候，会在清洗液中增添 一些化学清洗剂，这些化学清洗剂随着水流进入下水道，会形成水污染。而 高压清洗车由于完全使用普通的自来水，因而清洁环保。 ( 2 ) 清洗效率高。高压清洗车的清洗宽度较大，车体行走速度也较高，因而 其效率是滚刷式清洗车无法比拟的。 ( 3 ) 清洁度高。由于高压清洗车的喷架形状和隧道面一致，故其清洗过程不 会存在死角，清洗更彻底。而滚刷式清洗车则易存在死角。 ( 4 ) 另外，高压清洗车还有使用费用低，性价比高，可靠性高等优点。 目前高压水隧道清洗车在我国还处于发展的初级阶段，是一种新型的隧 道清洗产品，在实际的投入使用中还不是很普遍，也只有极少数厂家进行了 研制生产，而在国外，利用高压水射流进行清洗已相当普遍。所以高压水隧 道清洗车在我国的发展前景还是非常广阔的。 1 3 本系统采用的调距方法 现在，随着计算机技术、电子技术、人工智能、液力液压及多传感器融 合技术、信息技术以及机器人技术的发展，工程机械也迈向了一个新的发展时 期，其作业性能、可靠性、操纵舒适性、环保性能等方面都有了更大的提升【3 l 】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 因此，本文针对高压水隧道清洗车喷洗装置落后的控制方式，为了减轻工人 劳动强度，保持喷洗装置与隧道墙面之间的距离不变，使喷洗装置始终处于 最佳靶距之处，达到最好的清洗效果，将微机技术与液压控制技术相结合， 设计了一套自动控制系统。系统主要是采用超声波测距技术和数字电液比例 控制技术，来实现喷洗装置的自动调距，从而提高了清洗车的自动化程度， 促进了工作效率的提高。 超声波指向性强，能量衰减缓慢，传播距离远，受外界干扰的影响较小， 反射、折射等性质与光波相似。使用超声波来进行检测往往比较方便、计算 简单、易于实时控制，成本低且测量精度完全能达到工业一般应用的要求， 再加上其具有的无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，目前 已经广泛的应用在机械制造、电子冶金、材料、医学、生活等各社会生活生 产领域。其用于测量的方面有厚度测量、流速和流量的测量及距离的测量等。 电液比例控制技术是在以开环传动为主要特征的传统液压传动技术和以 闭环控制为特征的电液伺服控制技术基础上，为适应一般工程系统对传动与 控制特性提出的更高要求，从上个世纪六七年代开始逐步发展起来的流体传 动与控制领域中一个具有旺盛生命力的新分支。随着现代工业的飞速发展， 电液比例技术己广泛应用于精度要求较高的机械加工、冶金等行业【9 】。电液 比例位置控制系统是电液比例控制众多应用领域中的一种。在电液比例位置 控制系统中，要求被控量能平稳、快速、准确地到达指定的位置处，并且超 调量小，可靠性高，抗干扰能力强。电液比例位置控制系统如采用微机与数 字控制策略相结合的方法，则相比于传统的控制方法，其系统结构大大简化， 成本低，而且在定位精度、动态品质与抗扰动等方面都具有良好的控制效果。 1 4 论文的主要工作 本论文的主要工作有： 1 、首先分析并确定了系统总的控制方案，然后对系统中关键元器件进 行了设计选型。 2 、对系统中用到的p w m 控制技术及p i d 控制算法进行了简单研究分析。 3 、建立了系统的数学模型，采用计算及仿真的方法对系统的各种性能 进行了分析，以验证系统的可行性，并采用p i d 控制算法对系统的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 性能进行校正。 4 、对系统的硬件电路及软件进行了设计。 5 、对系统的超声波测距环节进行了实验研究。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 第二章系统总体方案设计及主要元器件计算选型 系统总体设计将其分为电控系统总体设计和液压系统总体设计，下面分 别进行介绍。 2 1 电控系统总体方案设计 2 1 1 电控系统结构构成 电控系统的方案如图2 - 1 所示，其具体的控制过程为：超声波传感器安 装于喷洗装置上，在清洗车行走、清洗的过程中，超声波测距系统以一定的 采样频率对喷嘴与隧道墙面之间的距离进行测量，其所测得的距离值入在单 片机内与预先所设定的基准值( 即最佳靶距) 进行比较，得出一个偏差值 6 ，单片机根据6 的大小发出相应的具有一定占空比的p w m 控制信号，通过 功率驱动电路，使比例方向阀中的电磁铁线圈流过相应的电流值，其产生的 电磁力驱动阀芯向相应方向移动一定的距离，阀口打开，液压油源的油液通 过方向阀进入油缸，从而促使液压油缸伸缩，带动喷洗装置前进或后退，使 之与墙面距离调整到设定值。以上介绍的喷洗装置自动调距控制过程示意 图如图2 - 2 。 在系统中，p w m 信号的占空比、阀芯位移值( 阀口开度) 均与偏差值6 的大小成一定的比例关系，后者的改变，将使前两者的值产生相应的成比例 的改变。当偏差值6 逐渐减小时，p w m 信号的占空比与方向阀的电流值逐渐 减小，阀口开度及通过阀口的流量也逐渐减小，直至喷洗装置以比较平稳的 动态性能比较精确的达到设定距离值时，阀口才关闭。其各参数的关系如图 2 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 e ( t ) n t ) 1 、喷洗装置2 、超声波安装横梁3 、超声波发射器 4 、超声波接收器5 、电液比例方向阀 图2 - 1 电控系统原理图 e ( t ) 设定的基准值( 最佳靶距) ；入( t ) 超声波测距系统所测的实际距离值； 6 ( t ) 基准值与测量值之差；u 单片机执行完算法程序后输出的增量值； i 比例放大器放大倍数；卜进油量；卜液压缸位移量 图2 - 2 控制过程示意图 图2 - 3系统各参数变化关系图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 1 2 超声波测距系统 1 、超声波简介 超声波是人耳听不见的一种机械波，其频率在2 0 k h z 以上，波长较短， 绕射小，能够成为射线而定向传播。超声波的频率越高，就越与光波的某些 特性如反射、扩射等相似。与同类测距方法相比，超声波方法在以下几方面具 有明显的优势【1 0 1 ： ( 1 ) 相对于声波，超声波具有指向性强，能量衰减缓慢、在介质中传播的 距离较远、反射能力较强等优势，因而超声波经常用于距离的测量，如测距 仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现 ( 2 ) 相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离， 纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，适应范围广及环境恶劣的 场所，特别是在海洋勘测方面具有独特的优点； ( 3 ) 超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小 型化与集成化，利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到 实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 由于超声波测距方法具有如上优点，因而在社会各领域中得到了广泛的 应用。 2 、超声波测距原理 超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。本系统使用脉冲反 射式。超声波测距是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超 声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中 传播，途中碰到障碍物就寞即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断 停止计时。通过不断检测终生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出 发射超声波和接收到回波的时间差出，然后求出距离s 。基本的测距公式为： s ：笪c 2 式中s 要测的距离，m ； 出发射波和反射波之间的时间间隔，s ； c 超声波在空气中的声速，o 。c 时为3 3l m s ，2 5 。c 时为3 4 7 m s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得s 。 在超声波测距中，超声波的传播速度c 是一个很重要的参数，它与环境 温度有密切关系，如下式： c = 3 3 1 4 + 0 6 1 x t 式中t 环境温度，。 2 1 3 电液比例控制技术 l 、电液比例技术的概念 一般说来，把使用比例阀、比例泵及比例放大器等比例控制元件的液压 系统称为电液比例控制系统，它能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流 量或压力的大小随输入量的变化而连续成比例变化。从广义上讲，在应用液 压传动与控制和气压传动与控制的工程系统中，凡是系统的输出量，如压力、 流量、位移、转速、速度、加速度、力、力矩等，能随输入控制信号连续成 比例地得到控制的，都可称为比例控制系统【l 。 实现输入量与输出量的线性关系，是线性控制理论的要求，因此，从控 制原理的角度看，电液比例控制系统与电液伺服控制系统没有区别，但由于 两者产生的历史背景不同，采用的技术手段不一样，使得人们习惯于将比例 技术与伺服技术区分开来【9 l 。 与比例控制和伺服控制相对应的还有开关控制。开关控制中控制元件只 有两种状态，即开启或关闭。开关控制通常简单可靠不存在系统不稳定的情 况。 2 、比例控制与伺服控制、开关控制的比较 ( 1 ) 比例控制与伺服控制一般来说，比例技术与伺服技术的区别主要是 液压控制系统中采用的控制元件不同。电液比例控制系统采用的控制元件主 要为比例阀或比例泵等，液压伺服控制系统采用的控制元件则主要为伺服阀 等。虽然比例控制与伺服控制都可以用于开环和闭环系统，但就目前来说， 前者主要用于开环控制，而后者主要用于闭环控制。伺服控制装置总是带有 内反馈，只要检测到误差，系统状态就会随之发生改变，强迫误差变为零。 误差为零时伺服系统处于平衡状态，直到新的误差被检测出来。比例控制装 置是一种有确定增益的转换器，它可以把一个线性运动转换成比例的油流量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 或压力，转换常数取决于阀的几何尺寸及它的制造精度。在伺服控制系统中， 平衡状态控制信号误差理论上为零，而比例控制系统却永远不会为零【1 1 1 。与 电液伺服控制相比较，电液比例控制系统成本低、功率损失小、抗污染能力 强；在控制特性上，除控制精度及响应快速性方面不如伺服阀外，其它方面 的性能和控制水平与伺服阀相当，其静、动态特性足以满足大多数工业的应 用要求。下表2 - 1 为比例阀与伺服阀的性能比较1 9 j 。 表2 - 1 比例阀与伺服阀的比较 比例阀 心o 伺服阀 无电反馈比例阀带电反馈比例阀 滞环( )o 1 0 53 7o 3 1 中位死区( )理论上为零5 2 0 频宽( h z ) 1 0 0 一- , 5 0 01 0 5 01 0 - 7 0 过滤精度1 3 9 1 5 1 11 6 1 3 1 8 1 41 6 1 3 1 8 1 4 应用场合闭环控制系统开环或闭环控制系统 由表可以看出，普通比例阀( 含电反馈和无电反馈) 的死区大，滞环大， 动态响应低。由于这一原因，对含有普通比例阀的系统进行分析和仿真时， 不能像对伺服阀那样，采用在零位附近简单的进行线性化处理的原则，而应 充分考虑大死区及滞环等非线性因素的影响。 ( 2 ) 比例控制与开关控制【1 2 】在比例控制系统中，主控制元件可以有无限 种状态，分别对应于受控对象的无限种运动。而由于开关控制中控制元件只 有开、关两种状态，因此在比较复杂且控制要求较高的系统中，开关控n 贝, s j 需要有大量的元件，才能实现受控对象按预定的顺序和要求动作。所以与开 关控制相比，电液比例控制不仅可以改善系统的控制性能，而且大大简化了 液压系统结构，降低了费用，提高了可靠性。比例控制和开关控制的区别， 可由下面两图反应出来。图2 - 4 为采用传统开关控制的调速系统，图2 - 5 为 采用比例控制的闭环调速系统。 图2 - 4 是一个常见的节流调速系统。为了达到三级调速和换向的目的， 图中采用了一个三位四通电磁阀和三个两位两通的调速阀。调速阀的开口面 积决定了速度的大小。调速阀的选通由是否通电来决定。当电磁换向阀线圈 2 d t 通电时液压油经换向阀右位进入液压缸的无杆腔，其速度取决于被选通 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 电磁 3 图2 4传统开关控制的调速系统 给定值 信号 1 图2 - 5采用比例控制的闭环调速系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 的电磁调速阀。电磁换向阀左侧线圈1 d t 通电时，工作过程相反。整个系统 只能实现有限的有级调速。 图2 - 5 则是一个典型的电液比例闭环控制系统，由图我们可以看出，相 对于开关控制系统，它的结构大大简化，其仅仅采用了一个三位四通的电液 比例换向阀即可实现速度的换向和调速，并且速度还是无级调速，这在很大 程度上增强了系统的功能和调速性能。在此系统中，液压缸的实际速度由速 度传感器测出后与给定值进行比较，产生的偏差值经功率放大后去控制电液 比例阀的两边的电磁铁1 d t 和2 d t ，阀口的开度也即流量的大小由偏差值信 号的大小决定，这样不仅实现了调速的目的，而且还可以通过速度传感器的 反馈将被控对象的速度比较方便和精确的控制在想要实现的速度值上。 3 、电液比例控制系统的基本组成及分类 一个完整的比例控制系统的基本组成单元如图2 - 6 所示。 比较元件 图2 - 6电液比例控制系统的基本组成 ( 1 ) 指令元件它是给定控制信号产生的元件，可以是信号发生装置或程序 控制器。 ( 2 ) 比较元件它是将给定信号与反馈信号进行比较，得出的偏差信号作为 比例放大器的输入。 ( 3 ) 比例放大器由于驱动比例阀内的电磁铁需要较大的电流，而偏差控制 电流较小，所以要对控制电流信号进行功率放大，使之达到驱动电磁铁工作 的要求。 ( 4 ) 比例阀比例阀内部又可分为两大部分，即电一机械转换器及液压放大 元件。电一机械转换器是电液接口元件。它把经过放大后的电信号转换成与 其电量成比例的力或位移。这个输出力或位移改变了液压放大级的控制液阻， 经液压放大作用，把不大的电气控制信号放大到足以驱动系统负载。这是整 个系统的功率放大部分【”】。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 ( 5 ) 液压执行元件通常指液压缸或液压马达，它是系统的输出装置，用于 驱动负载。 ( 6 ) 检测元件它主要用于闭环控制系统中，是将被控对象的实际值检测出 来，并反馈给系统，作为比较元件的输入信号。检测元件有压力传感器、位 移传感器、温度传感器等。 电液比例控制系统可以按很多种方式，从不同角度来进行分类，如图2 7 所示。 电液比例控制系统 按控制信号形式叫 数字式电液比例控制 厂一模拟式电液比例控制 按啪觥烛_ 黧嚣渊 按被控量是否反馈叫 闭环控制系统 ，一开环控制系统 按被控制对象 量或参数的不同 例流量控制系统 例压力控制系统 例速度控制系统 例位置控制系统 例力控制系统 例同步控制系统 图2 - 7电液比例控制系统的分类 2 2 液压系统总体设计 在高压隧道清洗车喷洗装置自动调距过程中，液压系统的主要职责是按 照控制部分的指令去给工作装置提供动力，以驱动工作装置完成相应的动作。 它是系统中最后一道环节，其合理设计直接影响着系统能否最终实现精确快 速自动调距的工作，因而作用是十分重要的。如图2 8 所示为其液压系统示 意图。 它主要由过滤器、液压泵、溢流阀、电液比例方向阀、液压缸等组成， 电液比例方向阀接收来自电控装置的指令而产生相应的动作，通过改变流过 其阀口的液压油的流量和方向，从而控制液压缸的运动方向和速度，调节喷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 喷洗装置 图2 - 8 液压系统组成示意图 洗装置与隧道墙壁的距离。下面对主要组成元件进行简单介绍。 1 、液压泵 液压油泵是将原动机输给的机械能转换为液压能的能量转换元件，它向 液压系统提供具有压力和流量的流体，即液压能。液压泵主要分为齿轮泵、 叶片泵、柱塞泵、螺杆泵等。 2 、溢流阀 溢流阀的主要作用是控制执行机构输出力和输出转矩的大小，并确定液 压泵及整个液压系统的工作负载，在过载时起保护系统的作用。 3 、液压缸 液压缸是液压系统的执行元件，它将液压泵提供的液压能转换为机械能 输出，广泛应用于需要直线往复运动和大扭矩、低转速来回摆动的工作机上， 传动无间隙、运动平稳。液压缸主要分为活塞式、柱塞式和摆动式三类。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 4 、电液比例方向阀f 1 2 1 在液压系统中，电液比例方向阀是一个非常关键的元器件，下面对其进 行简单分析介绍。 ( 1 )电液比例方向阀的特点 电液比例方向阀能够根据输入信号的正负和大小，通过控制液压系统液 流流量和方向，从而实现对执行器运动方向和速度的控制。它具有以下几个 特点： 为了降低阀的制造成本，比例方向阀有较大的零位( 中位) 死区( 可达额 定控制电流的1 0 、3 0 ) ，因而控制精度相比伺服阀要低，这是比例阀一 个非常重要的特点。 比例方向阀对液压油的过滤精度的要求跟开关型方向阀差不多。 电机械转换器的输入功率较大通常要比伺服阀大- - n 两个数量级。 静态、动态特性低于伺服阀，但能满足多数对静、动态性能指标要求不高 的场合。 ( 2 )电液比例方向阀的分类 电液比例方向阀