攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)的智能控制技術(shù)研究

白代萍，丁靜，何培英，張德海

(鄭州輕工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002)

目前，攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)多采用雙泵雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)履帶的行走系統(tǒng)。該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)硬件多采用PLC為核心的電子恒速控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括:PLC控制器，安裝在馬達(dá)輸出軸上的傳感器，以及控制泵流量的電磁比例閥 (作為執(zhí)行器)。如圖1，控制方法是對(duì)左右輪分別進(jìn)行控制，即將左右馬達(dá)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定值進(jìn)行比較，采用PID控制方案，消除偏差以達(dá)到恒速控制的目的［1］。PID控制算法簡(jiǎn)單可靠，魯棒性好，可靠性高，不依賴(lài)被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，可根據(jù)不同情況，利用比例、積分、微分環(huán)節(jié)的不同作用，采用恰當(dāng)?shù)腜ID控制算式［2－6］。但是在攤鋪機(jī)出廠前，如果攤鋪機(jī)行走控制系統(tǒng)的PID參數(shù)調(diào)整不當(dāng)，以及電位器、左右輪的電磁閥的最小電流標(biāo)定不合適，很容易發(fā)生擺頭和跑偏的現(xiàn)象。要分別對(duì)電位器、左右輪的電磁閥的最小電流、PID的有關(guān)參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的調(diào)試標(biāo)定，才能使攤鋪機(jī)穩(wěn)定地工作，符合出廠要求。

圖1 攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)原控制方案

1 控制方案

為了能夠有效解決攤鋪機(jī)和攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)控制器的即插即用問(wèn)題，避免繁瑣的調(diào)試，提高攤鋪機(jī)的生產(chǎn)效率及行走性能，提出一套新的攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括:硬件為PLC控制器;軟件結(jié)構(gòu)由左輪速度控制器、右輪速度控制器、右輪修正量控制器組成。外圍器件涉及左右輪速度傳感器、轉(zhuǎn)向電位器、速度設(shè)定值輸入電位器等。轉(zhuǎn)向電位器、速度設(shè)定值輸入電位器以及左右速度傳感器將轉(zhuǎn)向信號(hào)和速度設(shè)定值信號(hào)以及左右輪速度實(shí)際值輸入到PLC控制器構(gòu)成左右輪的閉環(huán)控制。

其控制方案如圖2:左輪采用單閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)左輪的恒速控制，同時(shí)保證攤鋪機(jī)整機(jī)行走速度。右輪采用模糊PID控制方案。當(dāng)攤鋪機(jī)處于直線(xiàn)攤鋪?zhàn)鳂I(yè)時(shí)，將左右輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速相減得到左右輪的速度差，同時(shí)通過(guò)積分環(huán)節(jié)得到攤鋪機(jī)左右輪的行駛距離差值，模糊控制器根據(jù)左右輪的速度差和左右輪的距離差兩個(gè)輸入變量通過(guò)模糊規(guī)則確定右輪速度設(shè)定值修正量，該設(shè)定值修正量與右輪設(shè)定值輸入端的設(shè)定值疊加，疊加量作為右輪閉環(huán)控制的設(shè)定值，通過(guò)PID控制器輸出控制右輪液壓系統(tǒng)的泵、馬達(dá)工作。當(dāng)攤鋪機(jī)處在非直線(xiàn)攤鋪?zhàn)鳂I(yè) (如轉(zhuǎn)彎攤鋪)時(shí)，攤鋪機(jī)沿預(yù)定的圓弧軌跡行駛，左右輪必須保證恒定的轉(zhuǎn)速差。將左右輪的實(shí)際轉(zhuǎn)速差和預(yù)定的差速值相減得到右輪的實(shí)際速度和預(yù)定速度的差值，同時(shí)通過(guò)積分環(huán)節(jié)得到攤鋪機(jī)右輪的行駛實(shí)際距離和預(yù)定距離的差值，實(shí)際速度和預(yù)定速度的差值以及行駛實(shí)際距離和預(yù)定距離的差值作為模糊控制器的兩個(gè)輸入變量，右輪速度設(shè)定值修正量作為模糊控制器的輸出。模糊控制器根據(jù)模糊規(guī)則確定右輪速度設(shè)定值修正量，該設(shè)定值修正量與右輪設(shè)定值輸入端的設(shè)定值疊加，疊加量作為右輪閉環(huán)控制的設(shè)定值通過(guò)PID控制器輸出控制右輪液壓系統(tǒng)的泵、馬達(dá)工作。通過(guò)右輪的實(shí)際速度和預(yù)定速度的差值以及右輪的行駛實(shí)際距離和預(yù)定距離的差值這兩個(gè)控制變量，由模糊控制器微調(diào)右輪的行駛速度，實(shí)時(shí)保證攤鋪機(jī)沿預(yù)定軌跡行走，消除因?yàn)椴唤?jīng)標(biāo)定和調(diào)試而引起的不利因素，實(shí)現(xiàn)控制器的即插即用功能。

圖2 攤鋪機(jī)行走系統(tǒng)新控制方案

2 試驗(yàn)

文中用試驗(yàn)的方法驗(yàn)證新的控制方案和原控制方案對(duì)攤鋪機(jī)行走性能的影響，比較具有即插即用技術(shù)的控制器和經(jīng)調(diào)試過(guò)的原控制器在直線(xiàn)跑偏量、行駛過(guò)程中有無(wú)超調(diào)擺頭的現(xiàn)象等性能指標(biāo)。試驗(yàn)中，新控制器不經(jīng)調(diào)試，直接安裝，原控制器已調(diào)試好。

2.1 試驗(yàn)方法

在試驗(yàn)跑道上取50 m為測(cè)量區(qū)間，劃出橫向始端線(xiàn)、終端線(xiàn)和縱向中心線(xiàn)。攤鋪機(jī)從始端線(xiàn)進(jìn)入，并使攤鋪機(jī)中心線(xiàn)與跑道中心線(xiàn)盡量平行，攤鋪機(jī)以作業(yè)速度行駛，在不調(diào)整轉(zhuǎn)向操作裝置的情況下通過(guò)試驗(yàn)區(qū)。將滴水裝置固定在攤鋪機(jī)上，在路面上水滴所形成的軌跡即為攤鋪機(jī)的行走軌跡。每隔3 m將軌跡線(xiàn)與跑道中心線(xiàn)之間的距離測(cè)出。

2.2 試驗(yàn)步驟

(1)將帶有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951攤鋪機(jī)上按第2.1節(jié)的方法進(jìn)行試驗(yàn)，觀察有無(wú)擺頭振蕩的現(xiàn)象;

(2)每隔3 m將攤鋪機(jī)行走的軌跡線(xiàn)與跑道中心線(xiàn)的距離測(cè)出、記錄;

(3)在Excel中將所測(cè)數(shù)據(jù)畫(huà)成曲線(xiàn)，同時(shí)做出行駛軌跡線(xiàn)的初始軌跡切線(xiàn)，以初始履帶軌跡切線(xiàn)延長(zhǎng)線(xiàn)為準(zhǔn)，測(cè)量在末端端線(xiàn)處履帶跑偏量;

(4)將帶有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951攤鋪機(jī)上按第2.1節(jié)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。在攤鋪機(jī)啟動(dòng)前，在左履帶前方約3 m左右有一叉車(chē)載重3 t鐵塊加上自重3 t，共6 t。鐵塊放置地面以增加摩擦力，踩剎車(chē)，從而增加左履帶的行駛阻力，攤鋪機(jī)推動(dòng)叉車(chē)行使1 m的距離，叉車(chē)退后，攤鋪機(jī)不停頓繼續(xù)行使。觀察新舊控制器在攤鋪機(jī)左履帶行駛阻力發(fā)生改變時(shí)的控制能力，重復(fù)步驟(2)、(3)。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在原來(lái)的控制方案中，攤鋪機(jī)直線(xiàn)跑偏量發(fā)生在兩個(gè)階段:(1)起步階段。主要因素有左右輪電磁閥最小電流不同，左右輪的泵、馬達(dá)在小流量下容積效率低且差異大，左右履帶的外負(fù)載不同，左右輪的輪滑率不同等;(2)恒速行駛階段。主要是左右輪的泵、馬達(dá)在恒速行駛下，左右履帶的外負(fù)載、容積效率、液壓系統(tǒng)的制造誤差、左右履帶的輪滑率不同等導(dǎo)致跑偏，特別在起步階段一旦形成偏轉(zhuǎn)，行走一定距離后誤差將被放大。在新方案中除左右兩側(cè)的輪滑率不同這一影響因素外，其他因素所形成的偏轉(zhuǎn)可以通過(guò)左右履帶轉(zhuǎn)過(guò)的距離差變量監(jiān)控，通過(guò)修正右輪履帶的行駛速度設(shè)定值最終消除。圖3中，帶有新控制方案的攤鋪機(jī)50 m的直線(xiàn)跑偏量約14 cm，帶有原控制方案的攤鋪機(jī)行駛50 m的直線(xiàn)跑偏量約89 cm。另外，從圖3的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看:對(duì)于RP951攤鋪機(jī)而言，在50 m的距離內(nèi)上述各因素引起的直線(xiàn)跑偏量約89 cm，由輪滑率不同而引起的跑偏量約14 cm，約占15.7%。因此，采用新控制方案將RP951攤鋪機(jī)50 m的直線(xiàn)跑偏量提高了約84.3%。必須注意，如果攤鋪機(jī)重心偏移越大，由于輪滑率不同而引起的跑偏量也有增大的趨勢(shì)。

圖4中，攤鋪機(jī)在新舊控制器的控制下，其中左履帶碰到叉車(chē)后行走1 m的距離，叉車(chē)撤掉。在新控制器的控制下，攤鋪機(jī)行走50 m的直線(xiàn)跑偏量約9.16 cm;經(jīng)過(guò)調(diào)試的原控制器，攤鋪機(jī)行走50 m的直線(xiàn)跑偏量約141 cm。因?yàn)樵谛碌目刂品桨赶?，能夠消除除輪滑率不同以外的因素所引起的跑偏，因此在此試?yàn)中9.16 cm主要是由于左右履帶的輪滑率不同所引起的。此次試驗(yàn)在行駛最初階段，改變了左輪的行駛外阻力，發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)，在原控制方案中由于得不到糾正，跑過(guò)50 m后，經(jīng)過(guò)誤差放大，最后達(dá)到141 cm。由于各種試驗(yàn)條件相同，141 cm中包含了輪滑率引起的9.16 cm的偏轉(zhuǎn)量。試驗(yàn)也說(shuō)明新控制方案的抗干擾能力大大提高。

圖3 新、舊控制器跑直線(xiàn)試驗(yàn)

圖4 新、舊控制器越障試驗(yàn)

3 結(jié)論

通過(guò)采用新的控制方案即左輪進(jìn)行單閉環(huán)恒速控制，以保證攤鋪機(jī)整機(jī)行走速度，右輪采用模糊算法根據(jù)左右輪的距離差和速度差微調(diào)右輪的速度設(shè)定值，實(shí)時(shí)保證攤鋪機(jī)沿預(yù)定軌跡行走，而不是單純地保證右輪的恒速，一旦攤鋪機(jī)偏離預(yù)定軌跡能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)糾偏。試驗(yàn)證明:該方案允許控制系統(tǒng)中電磁閥的參數(shù)和軟件中參數(shù)存在偏差，能夠有效解決攤鋪機(jī)行走跑偏量，實(shí)現(xiàn)了控制器的即插即用功能;有效防止了攤鋪機(jī)擺頭和振蕩的現(xiàn)象，優(yōu)化了控制裝置的控制性能，提高了攤鋪機(jī)的生產(chǎn)率;將攤鋪機(jī)出廠的直線(xiàn)跑偏量指標(biāo)由2%提升到了0.5%以?xún)?nèi)，其抗干擾能力也大大提高。

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