灑水車定量噴灑控制系統(tǒng)

陳增志

摘要：針對灑水車噴灑量、噴灑范圍無法控制定量噴灑的問題，提出采用車載控制器閉環(huán)控制柱塞變量泵的比例閥，結(jié)合PID算法實現(xiàn)灑水車的定量噴灑控制。該技術(shù)方法有效結(jié)合CAN總線控制技術(shù)、電液控制技術(shù)及PID控制算法，控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定性高、控制精度高、擴展性能強、操作與維護方便等特點，通過CAN總線實現(xiàn)灑水車專用作業(yè)裝置與底盤的信息交互，為環(huán)衛(wèi)車電氣控制系統(tǒng)的集成化、人性化、智能化等工程的研究與應用打下堅實基礎，充分體現(xiàn)了灑水車的綠色、環(huán)保化。

關(guān)鍵詞：灑水車 定量噴灑 CAN總線 控制器 PID算法 變量泵

中圖分類號：U469.6+91 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2019）02-0092-04

l前言

隨著人們生活水平的不斷提高，社會各界對環(huán)境保護及市容市貌也提出了更高的要求。為適應城市環(huán)境衛(wèi)生建設的需要，及時清理城市路面沙土灰塵，改善空氣質(zhì)量，需要各種灑水車來滿足改善城市空氣質(zhì)量的需要，因此，對灑水車電氣控制系統(tǒng)的智能化程度提出了更高的要求。

2灑水車作業(yè)現(xiàn)狀

灑水車是城市清潔廣泛使用的一種工程車輛。作業(yè)時，用噴嘴將路面上的垃圾沖洗至路緣，污水沿路緣的排水孔流走，垃圾則由人工或機械收集。在作業(yè)過程中，如果水沖得過遠，在無綠化帶的路面上，垃圾和污水四處飛濺，會對人行道上的行人干擾較大;而在有綠化帶的路面上，垃圾會被噴進綠化帶內(nèi)，不便于收集，且對環(huán)境造成污染。如果水沖得過近，會導致路面清洗不徹底。因此，噴灑量及噴灑范圍是灑水車控制系統(tǒng)需要控制的關(guān)鍵參數(shù)。

日前，行業(yè)內(nèi)灑水車作業(yè)噴灑量直接由底盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速控制，即通過底盤發(fā)動機的側(cè)取力器直接驅(qū)動灑水泵，屬于非定量噴灑控制模式。這樣，在同一種灑水作業(yè)模式時，底盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速高時水的噴灑量大，底盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速低時水的噴灑量小。另外，在同一行車速度下，車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速會隨著檔位的升高面降低，而在同一行車檔位下，車輛的發(fā)動機轉(zhuǎn)速會隨著車速升高而升高。因此，對于實際作業(yè)中的灑水車來說，要想按灑水量大小需求精確控制底盤的發(fā)動機轉(zhuǎn)速幾乎是不可能的，其轉(zhuǎn)速會隨著灑水的行車速度與行車檔位的變化而變化。因此，這種灑水車作業(yè)噴灑量控制模式在實際工況工作時會受到很大的限制。例如在有些路段需低速大噴灑量運行時，會因車速過慢，導致發(fā)動機轉(zhuǎn)速低，噴灑量嚴重不足，作業(yè)效果不理想;而有些干凈路段需快速通過，小噴灑量降塵工作運行時，會因車速過高，導致噴灑量太多，浪費水資源，增加能耗?，F(xiàn)有的成熟控制技術(shù)中，暫缺少可根據(jù)道路實際狀態(tài)有效調(diào)節(jié)噴灑量和噴灑范圍的控制方法及設備，而不理想的噴灑量調(diào)節(jié)方法勢必會導致水資源及其他資源的浪費，達不到預期的清潔、環(huán)保效果。本文提出灑水車的定量噴灑自動控制系統(tǒng)及其技術(shù)，可有效地解決上述噴灑量、噴灑范圍無法有效調(diào)節(jié)的問題，突破灑水車的現(xiàn)有控制技術(shù)瓶頸，可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟社會效益。

3系繞總體框圖及各部件連接關(guān)系

如圖l所示，灑水車定量噴灑智能控制系統(tǒng)主要包括控制器、顯示屏、底盤取力器、柱塞變量泵、液壓馬達、灑水泵、轉(zhuǎn)速傳感器、電位計等。系統(tǒng)各部件間的連接關(guān)系如下：控制器、顯示屏、底盤三者之間通過CAN總線連接實現(xiàn)相互間實時信息的通訊與共享;控制器控制電比例閥比例電流的大小以控制柱塞變量泵排量的大小;底盤取力器作為灑水車專用作業(yè)裝置的原始動力源經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動柱塞變量泵;柱塞變量泵則通過自身液壓油排量的變化經(jīng)液壓管路驅(qū)動控制液壓，5達，液壓馬達再經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動灑水泵;霍爾轉(zhuǎn)速傳感器則利用霍爾感應原理，感應安裝于圖1聯(lián)軸器中的齒輪盤的齒數(shù)變化頻率，以測量灑水泵的實時工作轉(zhuǎn)速，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的負反饋信號源;控制器的輸出則直接連接到各動作閥組，以根據(jù)其輸入信號實現(xiàn)各動作狀態(tài)的邏輯控制。其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

4灑水車定量噴灑控制技術(shù)

4.1定量噴灑控制過程原理

首先，在圖1所示的控制系統(tǒng)框圖中，計算出在底盤發(fā)動機怠速情況下驅(qū)動灑水泵在額定狀態(tài)轉(zhuǎn)速下工作所需的增速比，進而匹配好柱塞變量泵與液壓，馬達的排量、功率參數(shù)，液壓，馬達與灑水泵之間的功率參數(shù)，確保灑水車在各種行駛作業(yè)狀態(tài)下足以控制灑水泵在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)正常工作。

在同樣的灑水泵轉(zhuǎn)速下，因不同的作業(yè)狀態(tài)（如前灑水與左右側(cè)沖）灑水泵負荷特性不同，灑水泵的壓力、排量也不同，灑水泵的每轉(zhuǎn)抽水排量就會不同。在實際工程應用中.其每轉(zhuǎn)排量的具體值可通過直接給定灑水泵固定轉(zhuǎn)速、作業(yè)模式的方式試驗得出。經(jīng)過試驗，筆者選用的灑水泵在不同的作業(yè)狀態(tài)下每轉(zhuǎn)抽水排量如下：前灑為0.84 L/轉(zhuǎn)，單個側(cè)沖為0.27 L/轉(zhuǎn)，左右雙側(cè)沖為0.52L/轉(zhuǎn)，后灑為0.68L/轉(zhuǎn)。因而得出，灑水車的噴灑量只與其當前的水泵轉(zhuǎn)速及作業(yè)模式有關(guān)。這樣，灑水車定量噴灑控制系統(tǒng)的核心部件控制器只需根據(jù)設定的噴灑量及作業(yè)模式，計算出當前狀態(tài)所需的灑水泵轉(zhuǎn)速，通過PWM比例輸出控制柱塞變量泵的比例閥開度以控制柱塞變量泵的排量，經(jīng)液壓，馬達后最終將灑水泵轉(zhuǎn)速控制在給定的日標轉(zhuǎn)速值范圍內(nèi)，即可實現(xiàn)灑水車噴灑量及噴灑的定量噴灑控制。

4.2定量噴灑控制的核心控制

灑水車定量噴灑控制系統(tǒng)的核心控制部件主要有顯示屏、控制器、電位計、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等控制硬件，顯示屏及控制器采用車載專用型。根據(jù)實際控制需求，對控制系統(tǒng)的控制器、顯示屏進行各控制邏輯、人機界面的軟件編程。灑水車主要有前灑、后灑、左側(cè)沖、右側(cè)沖等四種作業(yè)模式，如圖3所示為所設計的顯示屏主界面，主要顯示有實時水泵轉(zhuǎn)速、車輛行駛速度和設定的噴灑量3個參數(shù)。其中，假設需設定的噴灑量為P，噴灑量調(diào)節(jié)電位計實時電阻值為x，噴灑量調(diào)節(jié)電位計實時值最大電阻值為K，最大設定噴灑量為M，則設定噴灑量的值為：

P=Mxx/K

（1）

在設置界面中設定好最大噴灑量后，只需通過調(diào)節(jié)噴灑調(diào)節(jié)電位計便能實現(xiàn)噴灑量從O到所設置的最大噴灑量。另外，作業(yè)模式的控制只需通過按壓顯示屏上“前灑”、“后灑”、“右側(cè)沖”和“右側(cè)沖”4個按鍵便可實現(xiàn)，這4個按鍵分別控制對應的4個作業(yè)模式電磁氣閥。當某個電磁閥工作時，對應的按鍵底色會由灰色變成綠色。

工作過程中，首先，控制器將讀取的電位計調(diào)節(jié)電阻值通過CAN總線發(fā)送給顯示屏，顯示屏根據(jù)公式（1）計算出當前所需的日標噴灑量并在主界面顯示：進而，日標噴灑量、駕駛員操作的作業(yè)模式通過CAN總線發(fā)送回給控制器作邏輯控制處理，而底盤行駛車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等信息則按照標準J1939協(xié)議的方式通過CAN總線發(fā)送給控制器進行解析處理;另外，灑水泵轉(zhuǎn)速信號則通過霍爾轉(zhuǎn)速傳感器直接傳送給控制器。這樣，控制器便與整個控制系統(tǒng)建立了緊密連接關(guān)系，并形成以其為核心的閉環(huán)自動控制系統(tǒng)，即控制器根據(jù)設定噴灑量、作業(yè)模式計算出所需灑水泵日標轉(zhuǎn)速，同時讀取灑水泵的實際轉(zhuǎn)速值，然后將灑水泵日標轉(zhuǎn)速值減去轉(zhuǎn)速實際采樣值便是當前時刻的轉(zhuǎn)速偏差值。最后，根據(jù)上述所得的轉(zhuǎn)速偏差值，利用PID算法實時調(diào)整控制柱塞變量泵比例閥的比例電流，具體所使用的PID算法流程如圖4所示。

綜上，控制遞進關(guān)系如下：由PID算法得出的比例電流控制柱塞變量泵比例閥的開度→柱塞變量泵的比例閥開度控制柱塞變量泵自身的工作排量→柱塞變量泵的排量控制液壓，馬達的轉(zhuǎn)速→液壓，馬達的轉(zhuǎn)速控制灑水泵的轉(zhuǎn)速。因此，控制器只要根據(jù)PID閉環(huán)算法摔制其PWM輸出口的比例電流就可實現(xiàn)灑水泵轉(zhuǎn)速的控制，最終實現(xiàn)灑水車噴灑量、噴灑范圍的按需自動調(diào)節(jié)。

5定量噴灑控制系統(tǒng)試驗結(jié)果與分析

筆者應用上述定量噴灑自動控制系統(tǒng)研發(fā)了一臺智能定量灑水車，在采樣周期為200ms的條件下，通過不斷試驗整定，調(diào)定了一組PID參數(shù)，具體如下：：Kp=0.02，Ki=0.015，Kd=0.01。將上述參數(shù)寫入控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定性強，動態(tài)跟隨快，控制精度高，并在該參數(shù)下通過實車稱重、實車作業(yè)手段獲得了一組試驗結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)果如表l所示。從試驗結(jié)果可以看出，采用本文提供的電氣控制系統(tǒng)或方法控制灑水車的噴灑量、噴灑范圍，控制精度非常高，基本可以將誤差控制在6%以下，完全能夠滿足噴灑量定量控制需求，優(yōu)于工程應用預期效果。

6結(jié)語

通過試驗可知，本灑水車定量噴灑智能控制系統(tǒng)可實現(xiàn)噴灑量及噴灑范圍的定量調(diào)節(jié)，其噴灑量大小不再直接跟隨底盤發(fā)動機轉(zhuǎn)速的變化而變化，而是根據(jù)實際使用需求實現(xiàn)噴灑量單位時間定量噴灑或單位面積均勻灑布。該智能電氣控制系統(tǒng)具有控制精度高、工作穩(wěn)定可靠、擴展性能強、總線接線簡單、操作維護方便等特點，優(yōu)良的人機交互界面實現(xiàn)灑水車的智能定量噴灑。該定量灑水車將作為新一代智能化、高附加值灑水車進行廣泛推廣、使用。

參考文獻

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