楊文剛

（山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030031）

0 引言

某公司瀝青混凝土攤鋪機(jī)在施工過(guò)程中由于事故原因?qū)е抡?chē)行走、轉(zhuǎn)向、攪拌及發(fā)動(dòng)機(jī)高低速控制等動(dòng)作均無(wú)響應(yīng)。停機(jī)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)整機(jī)主控電路板有明顯的燒灼痕跡，需要更換。由于該攤鋪機(jī)購(gòu)買(mǎi)時(shí)間較早，原廠配件已經(jīng)停產(chǎn)，需要重新設(shè)計(jì)電控系統(tǒng)。

1 攤鋪機(jī)行駛控制系統(tǒng)

瀝青混凝土攤鋪機(jī)電控系統(tǒng)中，最為重要的是行駛系統(tǒng)控制器，它主要負(fù)責(zé)對(duì)攤鋪機(jī)車(chē)體的方向與速度的自動(dòng)控制。在攤鋪機(jī)的工作過(guò)程中，保持前進(jìn)速度的恒定至關(guān)重要，由于速度的偏差直接影響著路面施工的平整度，是衡量攤鋪工程質(zhì)量最為重要的指標(biāo)。

攤鋪機(jī)的速度變化主要受發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、液壓系統(tǒng)壓力、液壓系統(tǒng)容積變化和履帶滑轉(zhuǎn)率等因素的影響，為了克服這些因素引起的速度變化，行走控制系統(tǒng)均采用速度閉環(huán)控制來(lái)達(dá)到恒速攤鋪［1］。原車(chē)行駛控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，通過(guò)左、右兩組馬達(dá)實(shí)現(xiàn)前進(jìn)／后退、原地轉(zhuǎn)向以及左右轉(zhuǎn)向等行駛動(dòng)作。

圖1 原車(chē)行駛控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

原車(chē)行走控制器的主要執(zhí)行元件為控制變量泵的4個(gè)比例電磁閥，如圖2所示。通過(guò)給定4個(gè)比例電磁閥不同的電流來(lái)控制泵的流量大??；通過(guò)4個(gè)比例閥的不同組合實(shí)現(xiàn)直線行走以及轉(zhuǎn)向等動(dòng)作；通過(guò)控制左、右兩側(cè)的兩個(gè)馬達(dá)換向閥X5、X6來(lái)完成液壓馬達(dá)的高速／低速轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)行走／攤鋪兩種不同工況；3個(gè)電位器RS、RT、RD分別用來(lái)作為最大行駛速度、驅(qū)動(dòng)手柄位置、左右轉(zhuǎn)向的輸入元件；另外STR為原地轉(zhuǎn)向輸入，SP為行走／攤鋪狀態(tài)開(kāi)關(guān)，當(dāng)處于“攤鋪”工況時(shí)，利用左右兩個(gè)速度傳感器將行駛速度vL、vR作為反饋信號(hào)反饋給控制器，由控制器中的算法計(jì)算得出X1～X4的給定值，實(shí)現(xiàn)恒速行駛和直線／轉(zhuǎn)彎控制。

2 行駛控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了匹配原車(chē)中的液壓系統(tǒng)同時(shí)提供更高的安全系數(shù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)中采用了工控系統(tǒng)常用的西門(mén)子S7－300系列PLC作為控制主CPU，主要考慮到需要4路的PWM 輸出信號(hào)分別為比例電磁閥X1～X4提供控制電流，另外要求有兩路高速計(jì)數(shù)輸入分別檢測(cè)左、右兩側(cè)的行駛速度，故選擇型號(hào)為6ES7 314C－2DP，另外該CPU 集成24DI／16DO、4AI／2AO，為控制系統(tǒng)提供了豐富的輸入輸出接口。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示［2］。

圖2 行駛控制器

圖3 改進(jìn)后的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 行駛控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前用于攤鋪機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)恒速控制的方法主要采用PID 控制策略，這種策略對(duì)行駛在穩(wěn)速區(qū)域有較好的控制效果；而當(dāng)攤鋪機(jī)運(yùn)行在變速區(qū)域時(shí)，一旦速度變化范圍較大，采用固定參數(shù)的PID 控制策略就難以滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求；而Fuzzy控制策略引入邏輯推理，不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，其自適應(yīng)能力較強(qiáng)、響應(yīng)快，對(duì)攤鋪機(jī)變速運(yùn)行工況有較好的控制效果。故在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中將Fuzzy控制和PID 控制策略結(jié)合起來(lái)，當(dāng)行駛的設(shè)定速度和實(shí)際速度差值在較小的范圍內(nèi)變化時(shí)，采用CPU 內(nèi)集成的PID 控制策略，保證控制的連續(xù)性和精確性；當(dāng)差值超出這個(gè)范圍時(shí)，則采用自編的Fuzzy控制策略，加速系統(tǒng)的收斂性能，從而使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能都可以得到保障。

由于CPU 內(nèi)部已經(jīng)集成了PID 控制策略，故只對(duì)Fuzzy控制策略進(jìn)行設(shè)計(jì)［3］?？紤]到系統(tǒng)的準(zhǔn)確性要求和CPU 的運(yùn)行速度，選擇了二位模糊控制器。以控制左側(cè)履帶行走的比例閥給定值的計(jì)算方法為例，將速度傳感器反饋的數(shù)值（實(shí)際速度值）與履帶的設(shè)定速度值之間的差值作為行駛速度偏差e，速度偏差變化率為ec，模糊化后的變量E 與EC作為Fuzzy控制器的輸入變量，輸出語(yǔ)言變量選擇U，解模糊后得到比例閥給定電流參數(shù)u。由于原車(chē)攤鋪速度小于等于6m／s，此處確定速度偏差的基本論域?yàn)椋ǎ?，6），將e、ec分為7種狀態(tài)：負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大，分別表示為NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，其模糊集合 為：e，ec＝｛NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB｝。設(shè)計(jì)過(guò)程中，誤差的量化因子Ke和誤差變化的量化因子Kc 對(duì)控制器的性能影響很大，反復(fù)仿真后，將Ke取值為1.5，Kc取值為0.84，隸屬函數(shù)選擇高靈敏度的三角函數(shù)，得到輸入變量E 和EC的離散形式的隸屬度賦值表，以及輸出變量U 的隸屬度賦值表。在選取控制量的過(guò)程中要注意防止超調(diào)，以系統(tǒng)的穩(wěn)定性為出發(fā)點(diǎn)設(shè)計(jì)，模糊規(guī)則采用Mamdani規(guī)則，可以總結(jié)出模糊控制規(guī)則。在解模糊過(guò)程中，盡可能滿足系統(tǒng)較高的實(shí)時(shí)性要求，采用最大隸屬度平均值法進(jìn)行模糊決策，通過(guò)計(jì)算可得u的取值。

4 控制系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)

利用攤鋪機(jī)行駛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型［4］，在MATLAB／Simulink中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析，其仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

行駛控制系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖5所示，控制算法在階躍響應(yīng)作為擾動(dòng)的情況下快速穩(wěn)定，其實(shí)時(shí)性與穩(wěn)定性均滿足行走控制系統(tǒng)的要求，保證了行駛速度的恒定。

實(shí)際運(yùn)行投入前，主要進(jìn)行了直線行駛實(shí)驗(yàn)和恒速行駛實(shí)驗(yàn)［5］。當(dāng)攤鋪機(jī)行駛速度達(dá)到設(shè)定值5min后才開(kāi)始記錄行駛速度、行駛距離，直線行駛實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。恒速行駛結(jié)果見(jiàn)表2。

圖5 行駛控制系統(tǒng)仿真結(jié)果

表1 直線行駛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，改造后的行駛控制系統(tǒng)具有較好的精度和穩(wěn)定性，滿足了現(xiàn)場(chǎng)的施工要求。

5 結(jié)論

在原有機(jī)械、液壓系統(tǒng)保持不變的基礎(chǔ)上，重新設(shè)計(jì)了攤鋪機(jī)行走電氣控制系統(tǒng)，采用了高可靠性的PLC作為主控制器，通過(guò)輸出PWM 信號(hào)給4個(gè)比例電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)攤鋪機(jī)的各種行走動(dòng)作，通過(guò)系統(tǒng)集成的PID控制策略和自編的Fuzzy控制策略來(lái)保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和施工精度，仿真結(jié)果和運(yùn)行結(jié)果均表明系統(tǒng)的正確性和有效性。該方法的難點(diǎn)是PLC 控制程序編寫(xiě)復(fù)雜，要求有較高的電氣基礎(chǔ)和編程能力，但同時(shí)也為類(lèi)似的工程機(jī)械電控系統(tǒng)改造提供了一種解決方案，有一定的參考價(jià)值、實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)意義。

表2 恒速行駛實(shí)驗(yàn)結(jié)果

［1］ 焦生杰.瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)模糊參數(shù)自整定PID 控制［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，23（2）：91－94.

［2］ 歐青立.瀝青混凝土攤鋪機(jī)Fuzzy－PID恒速控制［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2007（4）：99－103.

［3］ 石辛民.模糊控制及其Matlab仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

［4］ 呂其惠.模糊控制在瀝青混凝土攤鋪機(jī)行駛系統(tǒng)智能控制中的應(yīng)用［J］.建筑機(jī)械，2007（3）：55－57.

［5］ 耿麗清.基于DSP的攤鋪機(jī)行走數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.液壓與氣動(dòng)，2009（4）：25－27.