（廣東省路橋建設發(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

（廣東省路橋建設發(fā)展有限公司，廣東 廣州 510623）

本文結(jié)合具體應用，在對智能型瀝青灑布車的工作原理深入分析的基礎(chǔ)上，進行了電氣控制系統(tǒng)硬件以及軟件的設計研究，重點對液壓系統(tǒng)控制策略進行了構(gòu)建，采用神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂品绞綄刂葡到y(tǒng)進行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上，對智能型灑布車的控制進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逐漸步入養(yǎng)護及大修時期，智能化控制灑布車應運而生，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)是整車的動力來源，需合理選配底盤發(fā)動機功率，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，為降低灑布車行進時液態(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)的帶動作用下，發(fā)動機動力傳輸至齒輪使其旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)瀝青的上吸下排，工作時發(fā)動機轉(zhuǎn)速需保證中速運行，并利用瀝青的自行流入實現(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熱油再由導熱油傳熱給瀝青的方式。

導熱油加熱方式應用較廣泛，其流程是：燃燒器先給導熱油加熱，導熱油經(jīng)過瀝青罐內(nèi)油管再把熱量傳遞給瀝青，直至瀝青達到理想的噴灑狀態(tài)；噴灑裝置通常采用自動噴灑管路開展路面工程施工，在自動控制系統(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)的動力源，包括液壓泵、比例調(diào)速閥、換向閥、液壓馬達等部件，傳動系統(tǒng)由全功率取力器通過傳動軸直接帶動液壓泵工作；管道系統(tǒng)由罐內(nèi)管路、后部管路、操作臺下管路及導熱油管路組成。

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)控實現(xiàn)智能化控制，主控器常選用單片機或PLC，可實現(xiàn)灑布工作的高精度計量，同時測速雷達的配置也實現(xiàn)了瀝青泵轉(zhuǎn)速可隨車速自動調(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)的模塊化設計也導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)已相對成熟，在滿足瀝青灑布車控制要求的同時降低成本。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集成到芯片內(nèi)部，更容易實現(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)的設計。

控制系統(tǒng)方案流程：首先對系統(tǒng)輸入側(cè)雷達脈沖量信號需進行隔離操作，確保信號的穩(wěn)定性以保證CPU的高效運轉(zhuǎn)；然后對于信號進行整定轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定信號送入CPU進行處理；溫度信號通過PT100鎧裝熱電偶進行采集及檢測，得到的電阻信號經(jīng)由電路轉(zhuǎn)換輸出為模擬信號，閥門開關(guān)產(chǎn)生的開關(guān)量信號需經(jīng)隔離處理CPU輸出端對應的是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信號方式，對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行控制。

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

現(xiàn)代化瀝青灑布車涵蓋的流體系統(tǒng)包括液壓傳動系統(tǒng)、導熱油加熱系統(tǒng)、瀝青循環(huán)系統(tǒng)和氣壓系統(tǒng)。其中，液壓傳動系統(tǒng)作為瀝青灑布車智能化實現(xiàn)的必備系統(tǒng)，是瀝青循環(huán)及導油熱循環(huán)系統(tǒng)的動力源，通過灑布量的不同調(diào)節(jié)方式，可實現(xiàn)灑布量的大范圍精確調(diào)節(jié)，因此液壓控制系統(tǒng)的設計性能直接關(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)動機獲取動力，依靠閉式液壓回路驅(qū)動瀝青泵運轉(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)動系統(tǒng)（多采用閉式系統(tǒng)）和導熱油泵驅(qū)動系統(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)絡內(nèi)模控制方法應運而生，神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂苹窘Y(jié)構(gòu)框圖見圖1所示，利用被控對象的輸入及輸出信息逐漸逼近被控對象的數(shù)學模型，是內(nèi)?？刂频耐茝V，可取得較好的控制效果。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂苹窘Y(jié)構(gòu)框圖

神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)模控制器引入了內(nèi)部模型，控制系統(tǒng)的反饋量為被控對象與系統(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）。擾動量干擾所產(chǎn)生的誤差通過設計濾波器來補償，引入內(nèi)部模型后系統(tǒng)建模誤差及工作點的變化充分體現(xiàn)于控制器設計及擾動量反饋中。系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡逆控制器的設計是內(nèi)?？刂破髟O計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過建立合適的數(shù)學模型保證液壓系統(tǒng)的精確運行控制，為簡化模型影響因素，特作出如下假設。

（1）忽略系統(tǒng)運行中各種阻力及湍流擾動的影響；

（2）忽略受壓縮機外界溫度的變化對液壓油性能的影響；

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

（4）假設液壓油流量系數(shù)恒定。

首先，液壓系統(tǒng)數(shù)學模型的輸入及輸出形式，并對其離散：

利用3層動態(tài)BP神經(jīng)網(wǎng)絡進行系統(tǒng)的辨識，獲得系統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡模型：

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。上式進行Taylor展開，并忽略高階項及不確定性因素的影響，得到神經(jīng)網(wǎng)絡近似模型：

式中控制增量Du(k )分解，并進一步簡化得到系統(tǒng)標稱神經(jīng)網(wǎng)絡逆控器模型：

4 可行性分析

在控制模型的基礎(chǔ)上，進行控制系統(tǒng)仿真。

（1）當系統(tǒng)無干擾情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時PID控制器仿真控制結(jié)果對比如圖2所示。

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時PID控制器仿真控制結(jié)果對比

當系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定時，二者控制效果均較優(yōu)，只是PID存在一定的超調(diào)量會給系統(tǒng)帶來一定的沖擊波動，且神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)模控制器較PID控制器較容易達到穩(wěn)定。

（2）當外部干擾存在時，神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時PID控制器仿真控制結(jié)果對比如下圖3所示。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂破髋c參數(shù)恒定時PID控制器仿真控制結(jié)果對比

0.15s時刻給系統(tǒng)一定量的液壓沖擊，維持其他參數(shù)恒定，神經(jīng)網(wǎng)絡近似內(nèi)?？刂破骺奢^快補償沖擊量，較快達到收斂，因此神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)模控制無論是在初始狀態(tài)的響應，還是在有外部干擾影響的情況下都能夠較快的達到控制效果，其魯棒性、抗干擾能力均較強，證實了神經(jīng)網(wǎng)絡內(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，對于控制方式的優(yōu)劣特性進行討論，建立神經(jīng)網(wǎng)絡內(nèi)?？刂七M行液壓系統(tǒng)的控制，仿真結(jié)果證實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)護機械與施工技術(shù).2004，1 2：28—30

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U418.3

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