（机械电子工程专业论文）基于dsp的摊铺机自动找平控制系统研究.pdf

摘要 摊铺机找平系统自动化控制是摊铺机技术水平提升的重要环节之一。本文对 摊铺机找平液压系统的控制方式以及当前国内外各种自动找平控制器的工作原 理进行了分析，提出了基于d s p 的控制方案，用d s p 作为数字控制器的核心器件， 以p 8 7 c 5 9 l 单片机为处理器的智能传感器节点完成了控制器的软硬件设计。在实 现摊铺机的自动找平基本功能的基础上，重点讨论了摊铺机自动找平控制系统的 抗干扰问题。针对摊铺机液压系统的“滞后性”问题，参考嵌入式操作系统设计 理论，提出了“时间片轮换控制”的设计方法；采用软硬件结合多重滤波的方法 进行控制，解决了摊铺机自动找平系统易受外界干扰严重的问题。对控制器进行 了稳定性、抗干扰等试验，表明该控制器达到了实际施工使用的要求。基于d s p 的自动找平控制系统的研究，为进一步开发多探头超声波自动找平控制系统奠定 了基础。 关键词：摊铺机自动找平数字控制器t m s 3 2 0 if 2 4 0 7 ac a n _ b u s抗干扰 滤波器时间片 a b s t r a c t s t h ea u t o1 e v e li n gs y s t e mo ft h ep a v e rp l a y so n eo ft h em o s ti m p o r t a n t r o l e si nt h ep a v e r st e e h n i ci m p r o v i n g t h r o u g ht h ea n a l y s eo ft h e c o n t r o lm o d eo ft h ep a v e r sl e v e li n gh y d r a u li es y s t e ma n dt h ew o r kt h e o r y o fa u t ol e v e l i n gc o n t r o l l e r a n ds oo n ，as p e c if i ca n dr e a s o n a b l es t r a t e g y h a sb e e np u to u t t h ep a p e ra c c o m p li s h e st h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n o ft h em a i nc o n t r o l l e ru t i l i z i n gt h ed s pa n dt h e i r i t e l l i g e n ts e n s o r u t i l i z i n gt h em i c r o c h i pc o m p u t e rp 8 7 c 5 9 1 i nt h eb a s eo fr e a l i z i n gt h e b a s i cf u n c t i o no fa u t ol e v e l i n g ，t h ep a p e ra i ma ts o l v i n gt h ep r o b l e mo f t h ec a p a b i l i t yf o rr e s i s t i n gt h ei n t e r f e r e f e r i n gs i g n a l 。i no r d e rt os o l v e t h ep r o b l e mo ft h el a gd o m i n oo f f e c to ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，t h ep a p e r s e tu pt h ec o n t r o lm e t h o d “t i m ep i e c ec o n t r o l ”t h a tisc o n s u l tt h et h e o r y o fr e a l t i m ek e r n e l ：c o m b i n et h eh a s d w a r ef i1t e ra n dt h es o f t w a r ef i lt e r e li m i n a t et h ee f f e c to fi n t e r f e r e f e r i n gs i g n a l t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ， v a l i d a t et h ef u n c t i o na n dt h ec o n t r o l c a p a b i l i t yo ft h ec o n t r o l i e r t h r o u g ht h es t u d yo fa u t ol e v e l i n gd s pc o n t r o ls y s t e m ，l a yt h ef o u n d a t i o n o ft h eu l t r a s o n i ca u t ol e v e li n gc o n t r o ls y s t e ms t u d y k e y w o r d s ：a s p h a l tp a v e r ；d i g i t a lc o n t r o l l e r ；t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ；c a n _ b u s ； r e s i s ti n t e r f e r e f e r i n gs i g n a l ；f i l e t ：t i m ep i e c e 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 摊铺机自动找平控制系统的选题背景1 m i 1 3 1 1 0 3 现代科学技术向传统产业部门( 农业、工业、运输业、建筑业等) 的渗透和 应用是当代新技术革命的重要特征和组成部分。机电液一体化技术的发展正是反 映当代新技术革命这种大趋势的典型代表，它集中体现了现代科学技术对传统机 械产品的渗透和改造。先进的筑养路机械集机、电、液等当代高新技术于一体， 液压传动元件和技术是工程机械的主要特点，电子控制是工程机械技术创新的主 流，它在很大程度上体现和决定了车辆的整机性能( 舒适性、经济性、作业质量、 行驶性能等) 。 沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，用来将拌制好的混 合料，按照路面的形状和厚度均匀地摊铺在已经整好的路基或路面基层上，并给 以初步的捣实和整平，形成满足一定宽度、厚度、平整度和密实度要求的路面基 层或面层。在机械化施工中，沥青混凝土摊铺机是不可缺少的机种之一，广泛应 用于公路、城市道路、码头、大型停车场的沥青摊铺作业中。 沥青混凝土摊铺机是边行走边作业的施工机械，自动找平控制系统性能的好 坏是决定摊铺机所摊铺出来的路面平整与否的关键因素。随着公路建设的迅猛发 展，对路面平整度的要求也随之不断提升。因此，对沥青混凝土摊铺机自动找平 控制系统具有重要的现实意义。 发展智能化工程机械是响应江泽民总书记的“在完成工业化的过程中注意运 用信息技术提高工业化水准，在推进信息化过程中注意运用信息技术改造传统产 业，以信息化带动工业化，发挥后发优势，努力实现技术的跨越式发展”的战略 号召。其目的是促进我国工程机械向机、电、液一体化方向发展，带领我国工程 机械行业跳出低水平、低价格的恶性循环模式，提高工程机械国际竞争能力，实 现可持续发展。发展智能化工程机械的重要意义在于利用高新技术提升工程机械 工业水平和困家重点项目建设施工水平，提高我国工程机械产业的市场竞争力和 工程施工国产设备的装备水平。这个提升过程也就是以信息化带动工业化战略在 工程机械领域的具体表现。它对于提高综合国力，增强国际地位具有重要而深远 的影响。 由于国内高速公路建设的迅猛发展，而国内在8 0 年代末期、9 0 年代切期纷 纷引进生产了一批国外同类型设各，如徐工集团的v 6 e l e 型摊铺机，陕建集团的 a b g 4 2 2 、4 2 3 摊铺机，西安筑路机械有限公司生产的l t l 2 0 0 摊铺机以及国内其 它一些厂家生产的摊铺机，但由于静液压传动的电控技术掌握在外企手中，国内 长安大学硕士学位论文 在这方面的研究才刚刚起步，这些引进生产的机型以及自生产的机型液压系统和 电控系统，甘前均选自国外，采取整套完全进口的模式。 随着知识经济的到来，高技术己成为各国争夺的焦点，面对国外先进智能化 工程机械的严峻冲击，国家“工程机械“f 五”发展规划”中把提高9 m 宽以下 沥青混凝土摊铺机技术水平作为十五期间科技投资开发的重点产品之一。2 0 0 2 年2 月，国家正式启动的8 6 3 计划项目中将智能摊铺机作为第一重点产品进行开 发和技术提升，自动找平控制系统是摊铺机控制系统中的重要组成部分。因此， 该项目的研究具有十分显著的社会效益和经济效益。 1 2 摊铺机自动找平控制系统在国内外的发展状况h i l 5 1 2 7 l 1 2 1 自动找平控制系统的发展状况 2 0 世纪5 0 年代末期，美国d k a n s a s 州高速公路委员会的一名工程师发明了 第一套手动找平装置。它结构简单，靠手动操作完成纵坡和横坡的调节。纵坡是 靠基准线和一个指示器来标志；横坡是靠安装在横梁上的较重传感器和一个指示 器来指明。纵坡调节就是基准线挂在摊铺机一侧，指示器装在牵引梁枢铰点附近 并作为参考点搭在基准线上。当摊铺机行走在高低不平的基层上时，指示器随着 上下移动，此时，操作人员通过旋转手动厚度调节螺钉即可保证摊铺出较平整的 面层。横坡调节就是将一个横梁跨装在摊铺机两侧，并连接在两侧参考点上。带 有指示尺的传感器被装在横梁的中间，指示点可沿相应的指示器移动。当拱形确 定之后，相应的指示点就被初定在某一参考点位置处。当指示点随着路面形状上 下移动时，此时另一边的操作人员通过调节手调螺杆来阻止指示点的移动，从而 保证摊铺出合乎设计要求的路面。 随着公路建设的发展，对路面平整度的要求也在不断提升，上述厚度调节机 构其工作性能已经不能满足现代公路施工的要求，且劳动强度较大。于是，在此 工作原理的基础上，通过应用闭环自动控制系统，很多摊铺机生产厂家于2 0 世纪 7 0 年代初期己开发出自动熨平板控制装置。它是靠移动牵引梁铰点来改变熨平 板的倾斜位置的。由于这段时期摊铺机的工作宽度较小，所以都采用纵坡和横坡 控制器来进行找平作业。早期是半自动调平系统，该系统横坡采用自动调节，纵坡 采用原来的手调装置来控制：后期手动横坡调节机构也被自动装置取代，出现了 全自动熨平控制系统，该系统工作特性相对较完善，且找平效果好。在摊铺之前， 首先设定所需要的摊铺厚度，工作时，控制面板、纵坡和横坡传感器产生电脉冲信 号并传给控制箱，控制箱发出电信号使马达或油缸作出相应的动作来改变熨平板 的倾斜位置，这样即达到了自动补偿道路基层的不平整度。 长安大学硕士学位论文 1 2 2 自动找平控制系统控制形式的发展状况 自动找平控制系统的控制形式经历了一个由开关式自控系统到比例式自控 系统最后到目前自动找平控制系统常用的比例脉冲式自动控制系统的发展过程。 1 开关式自控系统是以“开关”的方式进行调节，不管检测到的偏差大小， 均以恒速进行断续控制。这种系统存在着反应误差，因此必须设置一个调节“死 区”( 或称为起阻尼作用的“零区”) ，传感器越过死区后才有信号输出。为了提 高系统的反应精确性，“死区”应尽量减小；但是系统是恒速调节的，如果“死 区”范围过窄，调节容易冲出“死区”而出现误差，即产生所谓的超调。超调需 要反方向的修正，这样在不断的超调和修正之间，系统就在“死区”附近来回的 搜索零点，使系统发生振荡，由此而影响到路面的平整度。为了消除振荡所引起 的系统不稳定的缺陷，“死区”要足够宽，让系统在反向修正时可由最高值趋向 于零速，不会再冲向另一边。但是“死区”过宽又降低了系统的精确度。所以要 想在这种系统上获得理想的找平效果，必须合理的确定“死区”的大小，正确解 决“死区”大小和控制精度之间的矛盾，才能保证精确的找平特性。 2 比例式自控系统是根据偏差信号的大小，以相应的快慢速度进行连续的 调节。当系统偏差为零时，相应的调节速度也趋于零，因此在这种调节方式下， 基本上消除了系统因为超调而引起的振荡现象。该系统可使得摊铺出来的路面十 分平整。但是它对系统结构精度的要求高、造价也相对较高。 3 比例脉冲式自动控制系统是在开关式自控系统的“叵速调节区”和“死 区”之间设置一个“脉冲区”。脉冲信号根据偏差的大小成一定比例变化。其变 化方式主要有改变脉冲宽度和频率两种。传感器检测出偏差信号进入脉冲区后， 调节器根据信号的大小，以不同宽度或频率的脉冲信号推动电磁阀动作，使得油 缸工作。这种系统兼备了前两种系统的优点，大大缩小了“死区”的范围。可以 使系统的精度达到很高的标准，而且价格低廉、经久耐用，是目前摊铺机中主要 使用的自动找平控制方式。 1 2 3 自动找平控制系统传感器的发展状况 在自动找平控制系统的发展过程中，前期的多数摊铺机采用开关控制方式， 其传感器多为液压随动器( 即转阀) ，以开、关和死区三种工作方式响应基层不 平整度信号；随着电子传感技术的发展和广泛应用，逐渐出现了电位器式角度传 感器、超声波传感器和激光传感器等类型的传感器，同时配合相应的脉冲调节方 式实现了比例一脉冲控制方式。这几类传感器各有各的优缺点，目前在国内外的 摊铺机中均有使用。 电位器式角度传感器线性度好，工作温度范围宽，工作寿命长。但在旌工中由 长安大学硕士学位论文 于传感器为接触式测量高度，必须要用以钢丝绳搭接起来的基准线，传感器在基 准线上滑动时容易引起其在基准线上振动；超声波传感器和激光式传感器均属于 非接触式传感器，不需要人工为其搭建基准，但是超声波传感器由于传输介质的 特性的影响( 如温度，密度等) 容易产生较大的误差，往往需要进行补偿，而且 对于路表情况不好的路面，其控制精度往往比不上接触式控制器。所以，超声波 自动找平控制器一般应用于路面施工中；激光传感器的找平控制器就其精度来说 要高于超声波找平控制器，但是其昂贵的价格也就使得它只能在较高档的摊铺机 中才能出现。 1 2 4 目前国内外主要自动找平控制系统介绍 目前，国外自动找平控制器的生产厂家主要有德国的m o b a 、美国的 s a u e rs u n d s t r u n d 和赛摩拉姆齐、日本的t o p c o n 以及丹麦的t f - t r a d i n g 等， 国内的自动找平控制系统的研发和生产只有孙祖望路桥技术研究有限公司研制 的多点超声波自动找平控制器等为数不多的几个厂商。 德国的m o b a 公司生产的一系列自动找平控制器在国内的摊铺机自动找平控 制器市场占有相当的份额，其主要的产品有m o b a m a t i c 数字控制器、s o n i c s k i 超声波传感器、数字式旋转传感器。 m o b a _ 眦t i c 数字控制器采用数字化控制技术，控制精度高，安装方便，操 作简单方便。它具有通用性强的特点，可以和多种传感器配合使用；s o n i c - - s k i 超声波传感器是世界上第一部并联式多超声波束装置，共有6 个超声波传感器， 其中5 个超声波传感器组成一个滑动靴，以确保较大范围地测量宽度和工作精 度；第6 只传感器则起着温度补偿的作用，它能不断的补偿和消除由于温度变化 m o b a - - m a t ic 数字控制器 s o n i c s k i 超卢波传感器 数字式旋转传感器 数字式横披传感器 图1 1德国m o b a 主要产品图 4 长安大学硕士学位论文 对超声波传感器的影响，从而提高控制精度；数字式旋转传感器是利用钢丝、路 肩等基准，通过检测旋转角度变化的数据，与m o b a - - 1 1 1 a t i c 数字控制器起使 用起到控制摊铺机自动找平的作用，配套设备包括传感器臂、传感器杆、传感器 靴。 为了提高系统的控制精度，丹麦的t f t r a d i n g 公司推出了高性能、高精度 摊铺机找平系统m i n i l i n e 非接触找平控制器。它将摊铺机找平系统与可大幅 度提高摊铺平整度的平衡粱有机地结合为一体，采用发射频率高达2 0 0 k h z ( 是 同类系统的五倍) 超声波传感器，使系统的精度更高。该系统不仅可以大幅度提 高摊铺平整度指标，而且可以准确控制铺层厚度以保证路面强度的均匀性，减少 材料浪费。 m i n i - - l i n e 数字控制器m i n i l i n e 超声波探头 图l 一2 丹麦t f - t r a d i n g 公司产品图 美国a g l 公司生产的激光找平控制装置可以选用多种形式的激光传感器，可 根据不同路面平整度的施工要求，选用a g l 激光找平控制装置中所配备的单坡向 激光发射器、双坡向激光发射器、水平激光发射器。从而满足不同的施工需求。 3 1 2 型控制器 0 m n i 一7 型激光接收器 水平激光发射器 图1 3美国a l g 公司产晶| 璺i 随着公路建设的迅猛发展，对于路面平整度的要求也随之不断提高。在公路 施工中，摊铺机自动找平系统性能的好坏是决定路面平整度的主要因素之一，而 摊铺机自动找平控制系统中的控制器又是决定找平系统性能的主要部分，它的结 构形式与工作原理一方面决定于相关技术发展水平，另一方面也决定于系统的执 行机构和其它环节的结构形式。国际半导体事业的不断发展，实现对路面平整度 长安大学硕士学位论文 的高精度控制，以直观、友好的人机界面为操作人员提供一个良好的操作环境， 及时了解系统的运行状态根据施工需求随时更改系统参数，利用微电脑控制技 术，采用先进的算法，研制出高性能的自动找平控制器必然成为今后自动找平控 制系统的研究方向。 1 3 论文研究的内容 与国外相比，国内在沥青混凝土摊铺机在自动找平控制系统的研制方面几乎 处于空白，导致国内引进生产或自生产的摊铺机在自动找平控制系统的关键技术 方面全部依赖于进口或仿造，这就导致了在技术上我们和国外在自动化上的差距 越来越大。本课题的主要目的是根据国内摊铺机自动找平控制系统研制的普遍情 况，立足于国内技术水平，追踪国外先进技术，开发适合于中国国情的摊铺机数 字式自动找平控制系统，根据目前沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统在国内外 的发展状况，结合目前工程机械智能化的发展趋势，确定本课题的研究内容如下： 1 、收集、研究国内外沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统的研究现状，工 作原理与控制形式。 2 、熟悉国内外先进的找平系统数学模型，确定摊铺机自动找平控制系统的 基本控制方案与研究目标。 3 、沥青混凝土摊铺机找平系统关键控制参数研究，确定基于d s p 的具体控 制方案。 4 、动找平控制系统的硬件设计与研究。 5 、自动找平控制系统的软件设计与研究。 6 、相关的实验研究。 长安大学硕士学位论文 第二章找平系统分析及系统控制方案研究 2 1找平系统的浮动找平原理及动力学分析【5 】【6 】【3 0 l 2 1 1 找平系统的浮动找平原理 沥青混凝土摊铺机浮动式熨平装置是由两侧的牵引臂、熨平板及厚度调节器 组成。( 如图2 - 1 所示) 蝶旋一镧器帮口i 衬 ， 弗引船饺 弛錾 图2 - 1沥青混凝土摊铺机浮动式熨平装置 摊铺机上的熨平板是通过两侧的大臂( 牵引臂) 绞接在摊铺机的机身上，摊 铺机工作时熨平板在摊铺层上呈浮动状态。熨平板一起随着摊铺机向前移动的过 程中，在其自身的力学特性的作用下使路基波趋于平缓，对路基的不平整度起到 了一定的“滤波”作用。在摊铺机工作过程中，如果所摊铺的路基面层是完全平 整的，并且作用在熨平板上的外力不会发生变化，在这种情况下，摊铺机摊铺出 来的路面也将是平整的。但是路基表面的不平整度是不可避免的，所以摊铺机在 作业的过程中牵引的枢绞点也将随着路基的波动而上下扰动，使熨平板上的外力 发生变化，从而导致摊铺层也上下波动，而且这种现象是滞后的，这就是熨平板 的“滞后效应”。摊铺机熨平板的这种对路基的不平整度起到一定的滤波作用就 称为熨平板的浮动找平原理。 2 1 2浮动熨平板动力学分析 图2 2 为浮动式熨平板自找平工作原理示意图，图中： d 牵引臂与牵引架的交点为熨平板的牵引点 4 支点( 熨平板与摊铺层混合料的接触点) 长安大学硕士学位论文 三牵引点到支点的水 平距离 n 一一熨平板的工作角 ( 熨平板底面和摊铺层平面 的夹角) 在实际工作中n 角的 变化范围为0 0 1 5 到0 0 4 0 ，则 可认为三为常数 s 作用在牵引点d 上的牵引力 尸作用在牵引点d 上的支反力 q 作用在支点a 上 熨平装置的重力 图2 2熨平板自找平工作原理示意图 0 一牵引点1 一牵引臂2 一厚度调节装置3 一熨平板 j v 混合料对熨平板的垂直反力 丁混合料对熨平板工作面上的摩擦力 假设摊铺机在工作时均以恒定的速度行驶，在摊铺机匀速前进的过程中熨平 装黄必须保持力平衡状态，即作用在熨平装置上的力组合应是一个封闭的多边 形。如图2 2 所示，作用在牵引点上的力s ，p 的合力s 的延长线必须通过支 点以，且相对于0 点的力矩之和为0 ，由此可得到： q l c o s y t ls i n ( r 一口) 一n l c o s ( r a ) m 0 ( 2 1 1 ) 式中：y a = 卢熨平板工作面与直线o a 的夹角 设p 为沥青混合料对熨平板的摩擦角，则tmn t g p ，代入上式可得： n - q c o s p 而c o s y ( 2 l 一2 ) 在式( 2 卜2 ) 中，q 和c o s p 都是常数，y 是由熨平板的结构决定的，当熨平板 不动时它的值是不会变化的。在摊铺机工作过程中，如果手动调节摊铺厚度时， 即熨平板的工作角口由口，增, o n ) u a ：，则卢角将从卢。随之减小到卢：，这将导致n 值将从，上升到：，这时熨平板的受力平衡被破坏，导致了熨平板向上抬升， 摊铺层的厚度也随之增加，此时必须增加牵引力。当熨平板抬升时y 角也相应减 长安大学硕士学位论文 小，这样一束a 角亦减小，熨平板在新的位置下达到了新的平衡。 摊铺机的熨平装置就是在这样一个平衡一不平衡一平衡不断调整的状态中 初步实现对路基的不平整度的消除( 即滤波作用) ，是摊铺出来的路面具有一定 的平整度。 通过以上分析，我们可以得出下结论： ( 1 ) 、当y ac p 时，工作角口的增大使得混合料对熨平板的垂直反力增 加，将引起摊铺层厚度的增加：反之，摊铺层的厚度随之减小。 ( 2 ) 、y 一口c p 是熨平板自调平功能实现的必要条件。 ( 3 ) 、牵引点d 在机架上的结构位置越低( 即y 越小) ，y a 的值小于摩擦 角的可能性越大，摊铺层厚度调整也就越灵敏。因而在结构设计时，应尽量把牵 引点的位置布置得低一些。 ( 4 ) 、改变牵引点的高度可以实现对摊锚层厚度的控制。 由上面的分析可以看出浮动熨平板滤波作用的强弱与牵引臂的长度由很大 的关系，即牵引臂越长，滤波作用越强。另外，外界干扰因素对熨平板的滤波作 用也有一定的影响。在摊铺机工作在理想状态下时( 即速度恒定，混合料均匀给 定等) ，路基波是主要的干扰因素，路基波越短，浮动熨平板的滤波作用越显著； 反之，路基波越长，浮动熨平板的滤波作用越弱。当波长达到一定值时，将可能 导致熨平板的滤波作用消失。 2 2 自动找平电液系统分析酬6 1 幽2 3自动找平液压系统原理图 9 长安大学硕士学位论文 在目前的摊铀机中，自动找平液压系统一般采用的是两个电磁换向阀来控制 左右工作油缸的上下两个腔的油路通断( 如图2 3 所示) 。 系统采用定量泵供油，通过节流阀来控制系统的流量，同时使用液压锁来防 止油缸的滑移。左右两个功能相同的找平液压系统以电控方式对工作油缸供油， 通过控制左右两个电磁阀的工作状态就可以独立的调节两个工作油缸的升降，从 而达到对摊铺层高度的精确把握。 电液调节的丌关式自动调平装置如图2 - 4 所示。 它由检测装置( 参考基 准件1 ；纵坡传感器和固定 机架3 、4 和触臂2 ：横坡传 感器及其底座5 、6 ；电源与 电器系统) ；和执行机构( 工 作油缸1 0 和电磁换向阀1 1 ) 两大部分组成。 在工作过程中，参考基 准l 是一条按规定张紧的钢 丝，将它作为纵坡基准，纵 坡传感器的触臂2 紧靠在钢 丝上随着摊锚机的移动而 移动。 当牵引点因路表的起伏 而上下移动时，它会带着熨 平板一起升降；另外，当混 图2 4 电一液调节的开关式自动调平装置布置图 1 一基准线2 一触臂3 、4 一纵坡传惑器及机架 5 、6 一横坡传感器及可调底座7 一横粱8 一横粱支应 9 一哇三气系统1 0 - 工作油缸1 l 一电磁阀 合料的配比、温度、料堆高度和行驶速度等发生变化时，熨平板的受力平衡遭到 破坏，这样也会导致熨平板的自动升降。熨平板升降直接带动了固定在熨平板上 的纵坡传感器的共同升降。由于传感器下面的触臂是以一定的角度搭在基准线上 的因此，它的角度也随着熨平板的升降而改变，这就导致了传感器内部的旋转 臂的转动产生了偏差信号，这个偏差信号由控制器采集后，通过一定的分析和处 理，发出控制信号通过功率驱动电路给电磁阀供电。电磁阀接到信号后，根据信 号的不同作出不同的响应，使得牵引点的工作油缸上腔或下腔进油，让牵引点回 到原来的高度( 即传感器的触臂与基准线的夹角恢复到设定的角度) ，于是，熨 平板的工作仰角也就相应的回到的原来的工作仰角。至此，偏差信号消失，控制 器切断电磁阎的控制信号，油缸停止运动。这样就保证了摊铺层仍维持在原来的 厚度，达到了自动找平的目的。 长安大学硕士学位论文 2 3 影响自动找平控制系统精度的几个因素1 0 1 1 6 1 2 5 】 沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统就是根据路面的平整度情况来控制熨 平板的仰角，从而使摊铺出来的路面能够达到规定的平整度要求。在摊铺机的工 作过程中，恶劣的工作环境对摊铺机自身状态的影响和某些手工操作的误差( 如 基准线的布置) 决定了影响摊铺机自动找平系统精度除了系统本身带来的因素之 外，外界所带来的客观和主观的影响也是不可避免的。在利用熨平板自动调平特 性进行摊铺路面时，客观因素成了影响摊铺路面平整度的主体： 1 基层路面的不平整，使摊铺机在行驶过程中机身上下移动，导致熨平板 的上下扰动。虽然基层路面的铺设是按照一定的标准的，但是在有些路段难免会 出现较大的偏差，产生了一个很大的偏差量。在这种情况下，液压系统的反应速 度不一定能够跟上熨平板的移动速度使得摊铺出来的路面出现局部的下凹或凸 起。 2 摊铺机一切系统正常运行的前提是摊铺机的恒速行驶，但是要保证摊铺 机行驶速度的绝对恒速是不可能的，摊铺机在工作过程中，系统内部、外部的影 响，或多或少的影响其恒速性。摊铺机工作速度的改变，将引起振捣梁对混合料 的重叠冲击次数改变，造成了熨平板前混合料的初始密实度的变化。由前面的熨 平板动力学分析可知，这将引起铺层表而平整度的下降。假如，当摊铺速度降低 时初密实度将增加，这时应减小仰角a ，若摊铺速度增加时，则要相应的增加仰 角a ，以消除初密实度增大的影响。 3 在摊铺机摊铺路面的过程中，螺旋分料器送料的速度稳定性也将在一定 程度上影响着自动找平系统的控制精度。螺旋分料器在布料时，其作用力通过物 料传到熨平板，螺旋分料器在布料时，作用力通过物料传至熨平板。当螺旋分料 器开机、停机或速度改变时，这种作用力将改变。而且，料堆对熨平板运行的附 力也随着料堆高度的不同而改变。所有这些作用力的变化都将破坏熨平板原有的 力平衡，引起熨平板上下波动。 4 熨平板前混合料堆高度的变化以及混合料的不均匀，除了影响料堆推移 阻力外，还将引起熨平板前混合料的初密实度变化，进而影响混合料结构的内应 力，而内内力的变化又影响混合料对熨平板的合反力。摊铺机在工作过程中，不 可能保持混合料堆高度的恒定不变，这样，在混合料自身的不均匀和料堆的高度 变化的情况下，熨平板的受力情况在不断变化，这就导致了熨平板不断的上下移 动，熨平板自身的自调平特性在这种情况下并不能完全弥补其带来的影响，从而 使得摊铺出来的路面产生了一定的不平整度。 5 通过对自动找平电一液系统分析可知，控制器发出的信号并不是直接 长安大学硕士学位论文 控制牵引臂的e 卜，移动，控制器和牵引臂之问通过了一个液压系统进行控制信号 的传递( 如图2 5 所示) 。就液压系统来说，控制器控制信号的发出到电磁换向 阀的响应在到油缸的运动直至达到要 求的位置需要一个响应时间( 图2 5 中的f ) ，而这段时间内，控制器对熨 平板的状态也同时在不停的检测，在油t 一 缸还没达到要求位置时，a d 所采集的 移动 停止 i 四位 信号并没有真实的反映控制信号的控 一= i 一一_ 制效果，如果这时候控制器对这段时间 内采集的信号进行处理，结果将导致熨 图2 - - 5油缸动作函数图 平板始终在不停的上下移动，不断在凋 t 卜滞后时闻。卜油缸运动位移 整自身的状态。显而易见，这样很难达 到理想的控制效果。所以，液压系统的滞后时间长短，控制器何时才能对控制信 号进行进行响应是保证控制精度的主要问题。 6 自动找平系统的基准线是一条以一定的张紧力由桩固定在路边的钢丝 绳，钢丝绳属于弹性材料，传感器的触臂是固定在摊铺机机架上的，摊铺机在工 作过程中，机身的振动将导致传感器的触臂随着一起以一定频率振动，这种情况 下靠在钢丝绳上的触臂的振动就导致了钢丝绳发生弹性变形跟着触臂起振动， 由于钢丝绳产生的这种振动没有一定的规律( 即属于随机信号) ，硬件滤波电路 很难将其完全消除。所以对来自钢丝绳扰动的消除程度的大小也就成了衡量控制 器控制精度的一个重要指标。 2 4 自动找平控制方案的确定阴f 1 0 】【l l 】【1 2 】 2 4 1自动找平控制系统的基本要求 保证摊铺出来的路面平整度达到规定的要求是摊铺机自动找平系统的一项 基本功能。要实现对熨平板的升降的精确控制就要求系统必须采用闭环控制，通 过反馈来判断和调整控制信号的准确性。然而，对于自动找平系统来说，以往的 模拟式控制系统已经基本上能够实现对熨平板升降的控制，在数字式自动找平控 制系统中不仅仅只是要将控制精度提高，还应该考虑到让操作人员能在工作中随 时可以了解到机器的运行状态，根据不同的路况和路面平整度要求对控制系统进 行参数设置，使控制器在能够满足不同等级路面旌工的需求。综合各方面考虑， 摊铺机自动找平控制系统应该要求具备以下功能： 1 、具备两种工作模式：手动模式和自动模式，在摊铺机工作时应能在这两 种工作模式之间相互切换。 长安大学硕士学位论文 2 、要具有灵敏度设置功能，是摊铺机在不同的施工环境和摊铺不同等级的 路面时能对灵敏度进行调整，通过合理设置很好的协调好保证路面平整度要求和 减小自动找平系统振荡两者之间的矛盾。 3 、系统应该具有控制窗口设置功能，摊铺机自动找平系统的基准是拉在路 边的钢丝绳，传感器的触臂搭在其上随着摊铺机的移动在钢丝绳上滑动，恶劣的 工作环境难免会使得传感器的触臂从钢丝绳上掉下来，假设不采取任何措施检测 触臂掉落的发生，这时传感器检测出来的高度信号迅速下降，于是引起了控制器 的强烈反应，控制器只能通过迅速提升熨平板来阻止触臂的下降，这样就造成了 路面出现一个很明显的凸起。为了防止这种情况的发生，系统应该设有一个窗口 值，当触臂的角度偏差在一定范围内时，系统处于正常工作状态。若触臂的角度 偏差超出设定的窗口值范围则表明触臂可能发生掉落，这是系统的控制信号立即 停止输出，同时以一定的方式通知操作人员，让他知道系统发生了故障，保证系 统能在正常状态下运行。 4 、在自动模式下，系统应能在任何时候选择该时刻熨平板的高度为本段路 面的高度标准。 5 、系统应该具有故障诊断功能，在摊铺机工作或待料时，若系统发生短路 故障，应能及时的通知操作人员。在施工中如果后向通道发生脱离( 即发生断路 故障) ，在有p w m 信号输出时，系统应能检测到是否有断路故障发生，并及时 通知操作人员，保证系统运行的稳定性。 6 、在手动模式下，应屏蔽灵敏度和窗口设置功能。这时，系统保持高度误 差显示和故障诊断功能，同时通过“增”和“减”两个按键来控制熨平板的升降。 7 、在自动模式下，应能随时对灵敏度和窗口值进行设置，通过系统各项参 数的设置，根据不同的高度误差对熨平板采用不同的调整方式。实现对熨平板的 精确控制。 8 、考虑到摊铺机在工作中有时由于混合料的供应速度跟不上摊铺速度，使 得摊铺机处于停机待料的状态，系统处于一种怠速或停机状态。此时自动找平控 制器不应对熨平板进行控制，所以控制器必须有一个接口用于接收摊铺机主控制 器发出的停机待料信号，使控制系统也处于待料的状态( 即只显示高度误差和进 行故障诊断，屏蔽其他所有功能) ，直到摊铺机恢复正常工作。 9 、摊铺机在停机待料时可能会将摊铺机熄火，这样也就是将控制器的电源 切断，若系统的各项参数设置没有保存，那么等到摊铺机再次开机时，系统只能 使用默认数据，这样就可能使得当前系统参数设置和停机前的参数不一致，使得 控制变得混乱。所以，在系统参数的每一次改变时必须将当前的最新参数值保存， 这样即使是断电也可将数据再次导出，保证断电前后系统的完全一致性。 长安大学硕士学位论文 在控制系统设计中，应该力求在实现所有功能的前提下，尽量使操作变得简 便( 即必须把控制面板设计得简单明了) ，通过硬件和软件的结合，不仅能实现 对熨平板高度的精确控制，还要使的控制界面更人性化，操作更简便。 2 4 2自动找平系统控制方案 根据摊铺机自动找平电液系统的特性，下面通过具体的控制方案，说明如何 控制 器电 源v c c ， ，77 牵引臂 图2 6自动找平控制方案图 y i 一右电磁铁y 2 - - 左电磁铁k 1 一灵敏度设置键k 2 一窗1 3 设置键 k 3 一控制点设置键l “一“增”键k 5 一“减”键r 1 一断路故障1 采样电阻 r 2 一断路故障2 采样电阻r 3 - - 短路故障1 采样电阻r 4 一短路故障2 采样电阻 实现对摊铺机自动找平系统的整体设计。 图2 6 为自动我平控制系统方案图，根据上文所述可知，自动找平控制系 统的核心任务就是通过控制电磁换向阀的左右电磁铁y 1 、y 2 实现油路的通断和 方向控制，最终达到控制工作油缸的动作的目的。通过控制电磁阀实现油缸的前 进、后退从而使熨平板的仰角随着油缸的升降而发生变化。 图2 - 6 中的r 1 、r 2 、r 3 、r 4 分别为系统中断路和短路故障检测的采样电阻， 通过检测采样电阻上的电压是否满足要求来判断系统是否发生故障。因为摊铺机 属于低速行驶车辆，在控制上对时间的要求相对不是很高，系统运行时除了一部 分时间用于熨平板高程控制外，其余时间的绝大部分都用于故障诊断，这样就能 够确保系统在故障发生时能第一时间作出反应，同时通过显示故障代码和声 光报警等方式，通知操作人员及时对系统中相应的部位进行检查，从而大大提高 了系统的可靠性。图2 - 6 中k 1 、k 2 、k 3 、k 4 、k 5 、k 6 六个开关量输入信号分 长安大学硕士学位论文 别为灵敏度设置键、控制点设置键、窗口值设置键、“增”键、“减”键、自动 手动切换键。通过这些按键对系统参数的设定，使得摊铺机作业在不同工况下或 同一工况下的不同路段上，根据路面施工的不同要求随时对系统的运行参数进行 调整。 图2 7 中的k 4 、k 5 ( “增”键、“减”键) 具有多种功能，在和不同按键 的组合使用下实现对系统的不同操作。当系统处于灵敏度、窗口值设置状态时， k 4 和k 5 的功能是分别对系统的灵敏度值和窗口值进行设定，同时在显示器中 显示出当前的设定值；当系统处于手动状念时，k 4 、k 5 的功能就成了直接控制 熨平板的升降，“增”键按下则熨平板的仰角增加，反之则减小。在k 4 、k 5 的 软件设计中，考虑到灵敏度或窗口值设置时，如果当前值为“o ”，现在要将它的 值设置为“2 0 ”，操作人员就必须将“增”键连续按2 0 下，给操作带来极大的不 方便。所以在软件设计时，如果k 4 、k 5 长时间按下，则系统能够自动识别，并 将当前值连续增加，直到按键松开为止( 详见第五章控制器软件设计) 。 2 4 3 自动找平系统主控制器的选择 行驶主控制器的选择是行驶控制方案的一个重要环节，它直接影响到行驶控 制系统的性能。满足摊铺机使用功能要求的主控制器的选择范围有工业机，高性 能单片机、可编程控制器( p l c ) 、e p e c 以及数字信号处理( d s p ) 等，这五种形 式各有优缺点。 1 可编程控制器( p l c ) ：顺序控制、运动控制、过程控制等。p l c 是专门 为顺序生产过程而设计的控制器，它替代传统的继电器，具有很强的时序性。抗 干扰能力强，因为p l c 是专门用于工业现场环境，在抗干扰能力方面优越于单片 机系统。与电磁阀连接容易，因为p l c 的输出形式为数字脉冲形式，可以通过开 关量输出组件输出电平信号省去了d a 转换，直接驱动电磁阀、电磁继电器和电 磁开关等；同时可以大量节省外围驱动电路。与此同时，因为p l c 是一种时序性 很台的步序式控制器，其计算能力不是很强，这就限制了一些控制方案的实现。 虽然最近也出现了一些具有较强计算能力的p l c ，但其本质并没有脱离原来的特 点，仍基于循环扫描和程序执行方式，往往影响计算速度。 2 单片机：在e l 前的应用研究中，较易于实现数字控制的方案是使用单片 机来实现其功能，尤其是新型的8 位，1 6 位单片机具有a o 、p w m 、e e p r o m 、比 较输出、捕捉输入、s p i 接口、异步串行通讯接口、f l a s h 程序存储器等功能。 单片机成本低，易开发，因为单片机价格不断下降，而其技术含量却不断提高。 另外，单片机的应用已相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用 程序。尺寸小，结构易布置，由于单片机及其外围接口电路可以紧凑地放在一块 印刷电路板上，这就为控制器的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一 长安大学硕士学位论文 定程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样，计算 速度将直接影响控制精度，一般用于下位机和小型控制。 3 工控机：相对于单片机和p l c 来说功能灵活，结构复杂，它集单片机与 p l c 优点于一体，具有很强的控制功能。工控机成本高，系统结构复杂，若和其 它控制系统联合使用，不仅会降低成本，而且会协调控制系统的工作，采用先进 的控制模式，实现整个摊铺机控制的智能化。编程容易，接口简单，可以采用高 级语言编程，设计友好的工作界面，利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软 件；另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工业控制 有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成网 络控制系统的上位机。 4 数字信号处理器( d s p ) ：具有典型的数字信号处理的能力d s p 芯片普遍 采用了数据总线和程序总线分离的哈佛结构及改进的哈佛结构，采用流水技术， 即每条指令都由片内多个功能单元分别完成取指、译码、取数和执行等多个步骤， 从而在不提高时钟频率的条件下减少了每条指令的执行时问；d s p 芯片内有多条 总线可以同时进行取指令和多个数据存取操作，并且有辅助寄存器用于寻址，它 们可以在寻址访问前或访问后自动修改内容，以指向下一个要访问的地址；d s p 芯片大多带有d m a 通道控制器和串行通信口等，配合片内总线结构，数据块传送 速度大大提高：d s p 芯片配有中断处理器和定时控制器，可以方便地构成一个小 规模系统；具有软、硬件等待功能，能与各种存取器接口；针对滤波、相关和矩 阵运算等需要大量乘法累加运算的特点，d s p 芯片大多配有独立的乘法器和加法 器，使得在同一时钟周期内可以完成乘、累加两个运算：低功耗，一般为0 5 4 w ，而采用低功耗技术的d s p 芯片只有0 i w ，可用电池供电，节能；驱动电流 小，驱动电磁阀需要外加外围电路。 工控机具有超过1 0 0 0 m h z 的工作频率，非常完善的开发手段，非常丰富的软 件支持，在这些方面，d s p 是无法与之相比的。但是，工控机并非针对实时信号 处理而设计，其数据输入输出能力相对于其处理能力要低得多，其响应速度或 者响应延迟不能满足实时处理要求。在相同的工作频率下，工控机进行乘积、f f t 、 编解码等常用数字信号处理的速度要比d s p 低得多。工控机本身结构复杂，功耗 多，价格较高。 d s p 比单片机的推出时间稍晚，而复杂度、性能要高的多。以简单的性能指 标m i p s 为例，单片机为l i o m i p s ，d s p 为3 0 2 0 0m i p s 。单片机只有单总线， 且片外地址、数据线复用；而d s p 片内有多总线，片外的地址、数据总线分开， 还有比异步串口速度高的多的同步串行或通信口，因此，数据输入输出能力很 强。d s p 数据位宽、乘加器位宽也比单片机大，进行数字信号处理时不仅速度快， 长安大学硕士学位论文 精度也高，但单片机控制接口种类比d s p 多，两者的软件设计比较类似。在成本 上，d s p 价格比单片机高。 通过以上比较和分析，选择价格适中，信号处理能相对较强的数字信号处理 器( d s p ) 作为主控制器。 长安大学硕士学位论文 第三章系统控制模式研究 3 1 系统具体控制模式 3 1 1 电磁阀控制模式1 0 l 2 9 1 作为系统的主要控制对象，电磁换向阀的控制方式是决定整个控制系统性能 的主要因素。对于电磁换向阀的控制，目前主要有两种控制方式，一是开关式控 制；二是比例脉冲式控制。基于系统的控制精度和稳定性考虑，本系统采用了 p w m 比例脉冲来对电磁换向阀进行控制。 p w m ( 脉宽调制) 是通过改变导通时间t 与工作周期t 的比值，即调节占 空比，使一个周期时间内输出的平均值与相应时刻采样得到的信号成正比。 p w m 脉冲信号经功率驱动电路放大，在电磁换向阀的电磁铁线圈两端产生 与之同向的脉冲电压，由于电磁铁线圈电感的滤波作用而变为同频率小幅度充电 的近似直流电流信号。当f z w u 远高于电磁铁线圈的截止频率时，阀对p w m 信 号的响应不