基于參數(shù)自整定的瀝青灑布量控制

陳中孝，陳星雨，李艷芳

（1.西安工業(yè)大學(xué) 陜西 西安 710032；2.西安交通大學(xué) 陜西 西安 710049）

在公路、城市道路、機(jī)場(chǎng)和港口碼頭建設(shè)中廣泛使用瀝青路面，瀝青灑布車在其施工和保養(yǎng)中起著很重要的作用。瀝青灑布車在各個(gè)方面已經(jīng)做了很大改進(jìn)，如采用導(dǎo)熱油加熱、灑布桿折疊或伸縮改變?yōu)⒉紝挾?、灑布量連續(xù)可調(diào)、噴灑高度自動(dòng)調(diào)節(jié)、自動(dòng)調(diào)整噴灑壓力等[1]，同時(shí)也向著智能化方向發(fā)展。瀝青灑布車是邊行走邊施工的機(jī)械，灑布量是最重要的指標(biāo)，影響的因素較多，灑布量又無法實(shí)時(shí)測(cè)量。所以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定的智能瀝青撒布控系統(tǒng)尤為重要。

1 瀝青灑布控制原理

瀝青灑布車的循環(huán)管路如圖1所示，本系統(tǒng)采用的瀝青泵是定量泵，流量、轉(zhuǎn)速都是固定的。用1#氣動(dòng)閥控制瀝青流出的壓力，1#壓力變送器監(jiān)測(cè)瀝青流出壓力；2#氣動(dòng)閥粗調(diào)系統(tǒng)的噴灑壓力；電動(dòng)閥在噴灑時(shí)調(diào)節(jié)噴灑壓力，用2#壓力變送器監(jiān)測(cè)噴灑壓力。

圖1 瀝青管路示意圖Fig.1 Schematic drawing of asphalt pipeline

1.1 噴嘴壓力計(jì)算

針對(duì)上述循環(huán)管路，則有：

灑布管噴出的瀝青量為Nq=Q-Q′=λνB

式中：Q—從罐流出瀝青量（L/s），Q′—回流到罐中瀝青量（L/s），N—噴嘴的個(gè)數(shù)，q—單個(gè)噴嘴的流量（L/s），λ—設(shè)定的灑布量（L/m2），ν—車速（m/s），B—灑布寬度（m）。

噴嘴處壓力的修正公式[1]為

式中：P—噴嘴處的壓力 （BAR），b—噴嘴間距（m），P0—參考?jí)毫Γ˙AR），q0—參考?jí)毫ο碌膰娮炝髁浚˙AR）。

1.2 灑布量控制原理

首先實(shí)際的噴灑量是無法比較準(zhǔn)確地測(cè)量，所以可以借助噴嘴處壓力修正公式，對(duì)噴灑壓力進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)噴灑量的調(diào)節(jié)和控制，公式中的λ為設(shè)定的灑布量，噴嘴間距b為常數(shù)，車速v可以測(cè)得。其次影響灑布質(zhì)量的因素較多，除了修正公式所含的參數(shù)外，還有灑布桿的高度、搭接層數(shù)、瀝青的黏度、罐內(nèi)瀝青料的量、環(huán)境溫度等[2-6]，但可以根據(jù)要求的噴灑量依據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定灑布桿高度和搭接層數(shù)為固定值，結(jié)合瀝青的黏度、罐內(nèi)瀝青料的數(shù)量、環(huán)境溫度選取適宜的PO、QO值并設(shè)定噴灑量，即把復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，噴灑時(shí)主要控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)噴灑壓力的恒定控制。

2 參數(shù)自整定算法

因?yàn)橛绊憺⒉假|(zhì)量的因素較多，必須保證噴嘴處穩(wěn)定的壓力，僅憑實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)建立的控制規(guī)則表是很難達(dá)到滿意的效果，故在基本模糊控制的基礎(chǔ)上，依據(jù)比例因子對(duì)控制性能的影響再調(diào)整比例因子的大小，相當(dāng)于在模糊控制算法內(nèi)部引入一個(gè)軟反饋，在出現(xiàn)擾動(dòng)或被控對(duì)象特性變化時(shí)使得系統(tǒng)達(dá)到滿意的效果，即實(shí)現(xiàn)參數(shù)自整定模糊控制，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 參數(shù)自整定模糊控制框圖Fig.2 Diagram of parameter self-setting fuzzy control

2.1 比例因子與系統(tǒng)性能的關(guān)系

對(duì)上述結(jié)構(gòu)圖，比例因子Ke和Kec是比例作用和微分作用的系數(shù)，Ku是總的放大倍數(shù)，通過理論分析和實(shí)踐數(shù)據(jù)已經(jīng)證明[3]：

1）Ke對(duì)系統(tǒng)性能的影響 Ke越大系統(tǒng)上升速率越快，調(diào)節(jié)惰性越??；Ke過大系統(tǒng)超調(diào)量大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)，乃至振蕩或不穩(wěn)定；Ke過小系統(tǒng)上升速率慢，調(diào)節(jié)惰性大，穩(wěn)態(tài)精度降低。

2）Kec對(duì)系統(tǒng)性能的影響 Kec越大系統(tǒng)穩(wěn)定性越好；Kec過大系統(tǒng)上上速率小，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)；Kec過小系統(tǒng)上升速率大，超調(diào)量大，乃至振蕩或不穩(wěn)定。

3）Ku對(duì)系統(tǒng)性能的影響 Ku越大系統(tǒng)響應(yīng)速度快；Ku過大系統(tǒng)超調(diào)量大，乃至振蕩或不穩(wěn)定；Ku過小系統(tǒng)快速性差，穩(wěn)態(tài)精度差。

2.2 參數(shù)自整定算法

1）整定原則 首先既要保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度，又必須確定壓力允許的最大穩(wěn)態(tài)誤差，并根據(jù)壓力允許的最大穩(wěn)態(tài)誤差選取足夠大的Ke[4]。其次根據(jù)以上關(guān)系確定比例因子整定規(guī)則表的原則，以此來建立和修改整定規(guī)則表[3]。原則如下：存在穩(wěn)態(tài)誤差時(shí)，根據(jù)其穩(wěn)態(tài)誤差和要求的標(biāo)準(zhǔn)偏差大小適當(dāng)增大Ku，較小幅度增加Kec；過渡過程時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，較小幅度減小Kec；超調(diào)量過大時(shí)，根據(jù)其大小適當(dāng)增大Kec；盡可能降低整定參數(shù)的頻繁次數(shù)。

2）整定規(guī)則表 首先給出 e、ec的定義論域：{-3，-2，-1，0，1， 2，3，} 和調(diào)整量 Ke、Kec、Ku的定義論域：{-3，-2， -1，0，1， 2，3，}， 為了降低整定頻率和整定規(guī)則的簡(jiǎn)單化，一般定義論域中的元素較少。其次依據(jù)整定原則，建立如表1、表2、表3的整定規(guī)則表（實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中已修改）。

表1 整定規(guī)則表Tab.1 KeSetting rule table

表2 整定規(guī)則表Tab.2 Setting rule table

表2 整定規(guī)則表Tab.2 Setting rule table

?

表3 整定規(guī)則表Tab.3 KuSetting rule table

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)為核心處理器[4]，考慮到瀝青的特點(diǎn)，主要管路和控制閥按照比標(biāo)定流量大一個(gè)規(guī)格選取，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差、超調(diào)量、過渡過程時(shí)間等參數(shù)達(dá)到滿意的效果，灑布質(zhì)量滿足了實(shí)際施工要求。

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