Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的控制設(shè)計(jì)及穩(wěn)壓控制策略研究

羅家浩　邵秋萍　徐逸飛　盧正新　孫旭杰

摘要：論文針對(duì)Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀設(shè)備，進(jìn)行了控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計(jì)。為了更好地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的穩(wěn)壓控制，論文主要介紹了模糊控制的方法。通過研究分析，可知模糊控制的響應(yīng)速度較快并且精度更高。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀;壓力控制;Superpave;模糊控制

中圖分類號(hào)：TH112 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）06-0012-02

0 引言

為了能在實(shí)驗(yàn)室中模擬瀝青路面所受作用力的實(shí)際情況，通過結(jié)合SHRP研究成果，誕生了Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀（Superpave Gyratory Compactor，SGC），使用這種設(shè)備成型出來的試件符合實(shí)際工程中的瀝青混合料成型方式。通常情況下，SGC一般由旋擺機(jī)構(gòu)和壓實(shí)機(jī)構(gòu)兩部分組成。在壓實(shí)的過程中，旋擺機(jī)構(gòu)做勻速運(yùn)動(dòng)，較為簡(jiǎn)單;壓實(shí)機(jī)構(gòu)的速度需要根據(jù)實(shí)際情況發(fā)生變化，是一種非線性的復(fù)雜系統(tǒng)。

1 旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的控制方案

根據(jù)旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的控制要求可知，該設(shè)備的控制對(duì)象應(yīng)涵蓋旋擺機(jī)構(gòu)的搓揉運(yùn)動(dòng)、壓力信號(hào)的采集、壓力機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)、鍵盤輸入、角度檢測(cè)以及顯示部分。根據(jù)這些內(nèi)容，可以將控制系統(tǒng)分為控制中心部分、信息輸入部分、信息輸出部分和信息反饋部分。

控制中心部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，主要功能是對(duì)信息輸入部分的信號(hào)進(jìn)行處理，并將控制信號(hào)輸出到信號(hào)輸出部分;信息輸入部分主要由壓力輸入和鍵盤輸入兩個(gè)獨(dú)立部分組成;信息輸出部分主要由顯示部分、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出部分、蜂鳴器部分和提示燈組成;信息反饋部分主要由傳感器組成。

對(duì)于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的控制系統(tǒng)，最重要的就是實(shí)現(xiàn)利用壓力傳感器對(duì)壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量、監(jiān)測(cè)和反饋控制。

2 壓實(shí)儀壓力控制原理

在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀設(shè)備運(yùn)行的過程中，壓力的產(chǎn)生是一個(gè)復(fù)雜的過程。如圖1所示，步進(jìn)電機(jī)7在接收到控制中心的脈沖信號(hào)之后，產(chǎn)生角位移。根據(jù)脈沖信號(hào)的時(shí)間變化，齒形帶8的速度也將發(fā)生改變。齒形帶產(chǎn)生的圓周速度會(huì)經(jīng)過滾珠絲杠6轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€位移變化。最后，由變化的模具高度對(duì)試樣的產(chǎn)生壓力進(jìn)行壓實(shí)。為了使速度變化更加趨于平穩(wěn)，可以在滾珠絲杠末端增加壓簧器件9。

在壓實(shí)過程中，試樣所受到的壓力主要取決于步進(jìn)電機(jī)的速度。步進(jìn)電機(jī)的速度是由控制中心發(fā)出的脈沖信號(hào)頻率決定的，脈沖信號(hào)頻率越高，則壓實(shí)速度越快，試樣所受到的壓力也就越大。當(dāng)壓力過大時(shí)，電機(jī)應(yīng)當(dāng)停轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)從而減小壓力。但是，由于電機(jī)具有慣性，無法完成立即停止的操作。

3 壓實(shí)儀穩(wěn)壓控制策略

在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的運(yùn)行中，壓力大小不僅僅取決于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出，還與旋擺角有關(guān)。在設(shè)備運(yùn)行初期，旋擺角發(fā)生變化較大，壓實(shí)力的大小也會(huì)受到影響，我們可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)過程中試樣高度的變化值來判斷壓力的波動(dòng)大小。

在設(shè)備運(yùn)行的前10圈中，壓力變化幅度較大;在設(shè)備運(yùn)行的前30圈中，壓力變化幅度仍然較高。因此在設(shè)備運(yùn)行前期，旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀所做的壓實(shí)運(yùn)動(dòng)是無效的，并不符合Superpave瀝青路面技術(shù)規(guī)范，所以必須控制好設(shè)備前30圈中的壓力電機(jī)的運(yùn)動(dòng)幅度。

在有豐富的壓實(shí)儀控制經(jīng)驗(yàn)的條件下，可以采用模糊控制的方法使壓實(shí)儀的動(dòng)態(tài)控制性能更佳，響應(yīng)速度也更加快速。在旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀中，為了達(dá)到一定的控制精度并且防止控制算法過于復(fù)雜，我們選擇二維模糊控制器。

由于旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀壓實(shí)的壓強(qiáng)要求為600±10 kPa，所以可知系統(tǒng)誤差論域應(yīng)該為-10～+10。將誤差E和誤差變化率均分為8個(gè)等級(jí)，則系統(tǒng)的模糊詞集為負(fù)大（NB）、負(fù)中（NM）、負(fù)?。∟S）、負(fù)零（NZ）、正零（PZ）、正?。≒S）、正中（PM）、正大（PB）。旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀的輸入為脈沖信號(hào)的頻率f，輸出量為壓強(qiáng)P，建立模糊控制表如表1所示。

根據(jù)模糊控制表則可以很好的預(yù)判發(fā)生壓力的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的穩(wěn)定控制。

4 結(jié)語

Superpave旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀最重要的控制對(duì)象就是對(duì)壓力進(jìn)行控制，所以只要壓力能夠穩(wěn)定在600kPa，試樣成型之后所得到的參數(shù)就能更加符合實(shí)際。雖然目前旋轉(zhuǎn)壓實(shí)儀最廣泛使用的控制方法仍然是PID控制，但更加先進(jìn)的控制方法則是模糊控制。一般情況下，采用模糊控制的壓實(shí)儀實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)壓力更加穩(wěn)定，響應(yīng)速度也更快。

參考文獻(xiàn)

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Control Design of Superpave Gyratory Compactor and Study of Pressure Stabilization Control Strategy

LUO Jia-hao，SHAO Qiu-ping，XU Yi-fei，LU Zheng-xin，SUN Xu-jie

（Nanjing Institute of Technology，Nanjing Jiangsu? 211167）

Abstract：The control system of Superpave gyratory compactor is developed and designed in this paper. In order to realize the stabilization control of gyratory compactor better， this paper mainly introduces the method of fuzzy control. Through research and analysis， it can be seen that the response speed of the fuzzy control is faster and the precision is higher.

Key words：gyratory compactor; pressure control; Superpave; fuzzy control