智能型瀝青灑布車的控制與可行性研究

（廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623）

智能型瀝青灑布車的控制與可行性研究

曾洪雁

（廣東省路橋建設(shè)發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623）

本文結(jié)合具體應(yīng)用，在對(duì)智能型瀝青灑布車的工作原理深入分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了電氣控制系統(tǒng)硬件以及軟件的設(shè)計(jì)研究，重點(diǎn)對(duì)液壓系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了構(gòu)建，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂品绞綄?duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，對(duì)智能型灑布車的控制進(jìn)行了可行性分析及展望。

瀝青；灑布車；控制；可行性

瀝青灑布車的控制指標(biāo)包括灑布質(zhì)量（灑布厚度和寬度）以及作業(yè)效率兩類，在目前交通發(fā)展的大環(huán)境下，特別是我國公路建設(shè)逐漸步入養(yǎng)護(hù)及大修時(shí)期，智能化控制灑布車應(yīng)運(yùn)而生，灑布車中引入電、液、氣等多類控制技術(shù)，具有筑養(yǎng)路雙重作用，灑布車工作性能及效率提升顯著。

1 瀝青灑布車工作原理

智能型瀝青灑布車底盤系統(tǒng)是整車的動(dòng)力來源，需合理選配底盤發(fā)動(dòng)機(jī)功率，為保證灑布質(zhì)量奠定基礎(chǔ)；瀝青罐包括加油口、圓柱形保溫罐體等部件，為降低灑布車行進(jìn)時(shí)液態(tài)瀝青的沖擊力；瀝青泵包括嚙合齒輪及軸體等部件，在液壓系統(tǒng)及聯(lián)軸節(jié)的帶動(dòng)作用下，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸至齒輪使其旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)瀝青的上吸下排，工作時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速需保證中速運(yùn)行，并利用瀝青的自行流入實(shí)現(xiàn)軸體的潤滑；加熱裝置包括電源、燃燒器以及油箱等部件，加熱方式可選擇直接加熱瀝青方式或利用加熱導(dǎo)熱油再由導(dǎo)熱油傳熱給瀝青的方式。

導(dǎo)熱油加熱方式應(yīng)用較廣泛，其流程是：燃燒器先給導(dǎo)熱油加熱，導(dǎo)熱油經(jīng)過瀝青罐內(nèi)油管再把熱量傳遞給瀝青，直至瀝青達(dá)到理想的噴灑狀態(tài)；噴灑裝置通常采用自動(dòng)噴灑管路開展路面工程施工，在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下，通過調(diào)整工作噴嘴的數(shù)量來滿足噴灑寬度要求，調(diào)整噴嘴的開度和瀝青泵的轉(zhuǎn)速滿足噴灑量要求；液壓系統(tǒng)作為瀝青循環(huán)的動(dòng)力源，包括液壓泵、比例調(diào)速閥、換向閥、液壓馬達(dá)等部件，傳動(dòng)系統(tǒng)由全功率取力器通過傳動(dòng)軸直接帶動(dòng)液壓泵工作；管道系統(tǒng)由罐內(nèi)管路、后部管路、操作臺(tái)下管路及導(dǎo)熱油管路組成。

電氣控制系統(tǒng)的性能很大程度上決定了灑布車整體的智能化性能，目前智能型灑布車多采用微處理器、電腦閉環(huán)控制以及電液聯(lián)控實(shí)現(xiàn)智能化控制，主控器常選用單片機(jī)或PLC，可實(shí)現(xiàn)灑布工作的高精度計(jì)量，同時(shí)測(cè)速雷達(dá)的配置也實(shí)現(xiàn)了瀝青泵轉(zhuǎn)速可隨車速自動(dòng)調(diào)整。

2 控制系統(tǒng)方案

目前，國內(nèi)瀝青灑布車控制系統(tǒng)大多基于PLC技術(shù)開發(fā)而來，系統(tǒng)可靠性以及抗干擾性能均較高，但控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)也導(dǎo)致了其兼容性以及控制的靈活性能等方面還存在一定的弊端。

嵌入式系統(tǒng)目前技術(shù)已相對(duì)成熟，在滿足瀝青灑布車控制要求的同時(shí)降低成本。系統(tǒng)中各種類型的嵌入式處理器是控制系統(tǒng)的核心部件，它將通用CPU中許多由板卡完成的任務(wù)集成到芯片內(nèi)部，更容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的微型化、高效化。依據(jù)瀝青灑布車的性能需求，選用體積小功耗低的ARM處理器，具備16位132位雙指令集，在此基礎(chǔ)上，開展控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

控制系統(tǒng)方案流程：首先對(duì)系統(tǒng)輸入側(cè)雷達(dá)脈沖量信號(hào)需進(jìn)行隔離操作，確保信號(hào)的穩(wěn)定性以保證CPU的高效運(yùn)轉(zhuǎn)；然后對(duì)于信號(hào)進(jìn)行整定轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定信號(hào)送入CPU進(jìn)行處理；溫度信號(hào)通過PT100鎧裝熱電偶進(jìn)行采集及檢測(cè)，得到的電阻信號(hào)經(jīng)由電路轉(zhuǎn)換輸出為模擬信號(hào)，閥門開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)量信號(hào)需經(jīng)隔離處理CPU輸出端對(duì)應(yīng)的是4mA～20mA的模擬量，輸入端利用數(shù)字量控制，與觸摸屏間通信采用RS—485信號(hào)方式，對(duì)于帶有碎石同步封層功能的瀝青灑布車而言，閥門以及碎石料門均需采用控制量進(jìn)行控制。

3 液壓系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂?/h2>

現(xiàn)代化瀝青灑布車涵蓋的流體系統(tǒng)包括液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)熱油加熱系統(tǒng)、瀝青循環(huán)系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)。其中，液壓傳動(dòng)系統(tǒng)作為瀝青灑布車智能化實(shí)現(xiàn)的必備系統(tǒng)，是瀝青循環(huán)及導(dǎo)油熱循環(huán)系統(tǒng)的動(dòng)力源，通過灑布量的不同調(diào)節(jié)方式，可實(shí)現(xiàn)灑布量的大范圍精確調(diào)節(jié)，因此液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)性能直接關(guān)乎灑布量的控制優(yōu)劣。

液壓系統(tǒng)的控制方面，目前均采用裝配底盤灑布車由汽車發(fā)動(dòng)機(jī)獲取動(dòng)力，依靠閉式液壓回路驅(qū)動(dòng)瀝青泵運(yùn)轉(zhuǎn)，依靠液壓變量泵的排量調(diào)節(jié)控制泵的轉(zhuǎn)速，可實(shí)現(xiàn)較高的數(shù)字化控制水平。其中，液壓回路分為瀝青泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（多采用閉式系統(tǒng)）和導(dǎo)熱油泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。瀝青泵泵速的調(diào)節(jié)可根據(jù)噴灑量的要求通過比例閥連續(xù)調(diào)節(jié)液壓泵排量來實(shí)現(xiàn)，在此情況下PID控制將難以很好地滿足要求，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制方法應(yīng)運(yùn)而生，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂苹窘Y(jié)構(gòu)框圖見圖1所示，利用被控對(duì)象的輸入及輸出信息逐漸逼近被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，是內(nèi)模控制的推廣，可取得較好的控制效果。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制基本結(jié)構(gòu)框圖

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破饕肓藘?nèi)部模型，控制系統(tǒng)的反饋量為被控對(duì)象與系統(tǒng)內(nèi)部模型輸出的誤差e（包含建模誤差以及不確定性干擾）。擾動(dòng)量干擾所產(chǎn)生的誤差通過設(shè)計(jì)濾波器來補(bǔ)償，引入內(nèi)部模型后系統(tǒng)建模誤差及工作點(diǎn)的變化充分體現(xiàn)于控制器設(shè)計(jì)及擾動(dòng)量反饋中。系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制器的設(shè)計(jì)是內(nèi)?？刂破髟O(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過建立合適的數(shù)學(xué)模型保證液壓系統(tǒng)的精確運(yùn)行控制，為簡化模型影響因素，特作出如下假設(shè)。

（1）忽略系統(tǒng)運(yùn)行中各種阻力及湍流擾動(dòng)的影響；

（2）忽略受壓縮機(jī)外界溫度的變化對(duì)液壓油性能的影響；

（3）忽略管道及馬達(dá)內(nèi)的飽和或空穴現(xiàn)象及遲滯效應(yīng)的影響；

（4）假設(shè)液壓油流量系數(shù)恒定。

首先，液壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的輸入及輸出形式，并對(duì)其離散：

利用3層動(dòng)態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)的辨識(shí)，獲得系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：

考慮系統(tǒng)建模誤差及外部不確定性干擾因素，簡化模型：

υk為系統(tǒng)建模誤差及外部不確定性干擾因素。上式進(jìn)行Taylor展開，并忽略高階項(xiàng)及不確定性因素的影響，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型：

式中控制增量Du(k )分解，并進(jìn)一步簡化得到系統(tǒng)標(biāo)稱神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控器模型：

4 可行性分析

在控制模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)仿真。

（1）當(dāng)系統(tǒng)無干擾情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時(shí)PID控制器仿真控制結(jié)果對(duì)比如圖2所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時(shí)PID控制器仿真控制結(jié)果對(duì)比

當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定時(shí)，二者控制效果均較優(yōu)，只是PID存在一定的超調(diào)量會(huì)給系統(tǒng)帶來一定的沖擊波動(dòng)，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破鬏^PID控制器較容易達(dá)到穩(wěn)定。

（2）當(dāng)外部干擾存在時(shí)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時(shí)PID控制器仿真控制結(jié)果對(duì)比如下圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時(shí)PID控制器仿真控制結(jié)果對(duì)比

0.15s時(shí)刻給系統(tǒng)一定量的液壓沖擊，維持其他參數(shù)恒定，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似內(nèi)?？刂破骺奢^快補(bǔ)償沖擊量，較快達(dá)到收斂，因此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)模控制無論是在初始狀態(tài)的響應(yīng)，還是在有外部干擾影響的情況下都能夠較快的達(dá)到控制效果，其魯棒性、抗干擾能力均較強(qiáng)，證實(shí)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂品绞降目尚行?。

5 結(jié)語

瀝青灑布車的智能化控制精度以及質(zhì)量是影響其工作性能的主要方面，上文在控制系統(tǒng)方案辨證分析的基礎(chǔ)上，對(duì)于控制方式的優(yōu)劣特性進(jìn)行討論，建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)?？刂七M(jìn)行液壓系統(tǒng)的控制，仿真結(jié)果證實(shí)該方案的可靠性及控制精度較高。

[1]李士濤，劉志敏．智能型瀝青灑布車的可行性研究[J]．養(yǎng)護(hù)機(jī)械與施工技術(shù).2004，1 2：28—30

[2]焦生杰，顧海榮．瀝青灑布車及其控制技術(shù)現(xiàn)狀[J]．養(yǎng)護(hù)機(jī)械與施工技術(shù).2007，1：1-4

U418.3

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