沥青混凝土摊铺机行驶性能直接影响到路面的平整度、初始密实度、摊铺的离析程度。行驶系统控制器作为摊铺机的核心控制部件,不仅能实现摊铺机行走控制,对提高摊铺机行驶性能、提高施工自动化程度、改善路面施工质量非常关键。
现代大中型履带式沥青混凝土摊铺机普遍采用双泵-双马达系统,液压系统左右两侧为独立的行驶驱动液压回路,图1为典型履带式沥青混凝土摊铺机单边行驶液压驱动回路,通过对左右两侧独立的泵/马达系统进行控制,实现摊铺机的前进/后退、左右转向及原地转向等动作控制,以及实现无级变速,达到恒速控制的目的。
图1 履带式摊铺机单边行驶液压驱动回路
1 摊铺机行驶控制系统的功能与控制方案
在作业工况下为了保证路面具有足够的压实密度、路面平整度和均匀性,对摊铺机行驶速度的恒
速性提出了很高的要求,摊铺过程中系统控制必须采用速度闭环控制系统。除了行驶速度这一基本的
控制参数外,在行驶过程中还有一些其它的控制要求,包括直线行驶、起步、停车、前进/后退,以及左/右转向和原地转向控制等。
图2是为实现上述控制功能的行驶控制系统控制框图,控制器的核心是控制变量泵比例电磁阀Y11、Y12、Y21和Y22以及马达换向阀Y3、Y4和制动油缸电磁阀Y5,通过PWM调节Y11、Y12、Y21和Y22的电流控制泵的排量,达到控制左右履带行驶速度的目的。控制Y11、Y12、Y21和Y22四个电磁阀以不同组合方式工作,实现前进、后退及转向;通过控制Y3、Y4实现马达高低速转换,实现摊铺机行走/摊铺两种工作模式;控制Y5可以实现摊铺机的紧急制动。RS、RD、RT分别为最大行驶速度电位器、驱动手柄电位器和转向电位器。该控制器采用“C”形转向方式,转弯半径连续可调。KTR为原地转向按钮, KS为紧急制动按钮, KP为行走/摊铺二位开关,在“摊铺”位时,为了实现恒速和直线控制,利用速度传感器V1和V2将行驶速度反至输入端,行驶控制采用闭环模式。
图2 行驶控制系统控制框图
2 控制算法的设计
摊铺机在作业过程中主要包括起步、恒速行驶、停车三个过程。摊铺机在起步与停车过程中存
在着速度改变,易产生冲击,为了能够使其平稳的起步,需要对其起步过程进行控制。在摊铺机作业工况下,为了保证摊铺机行驶速度的恒速控制,利用速度传感器构成闭环控制模式,使摊铺机行驶速度与设定速度保持基本一致,达到恒速控制目的。
图3是一个比较理想的速度控制曲线,包括加速周期、恒速周期、减速周期,分别对应摊铺机的起步、恒速作业、停车三个过程。这是我们算法所希望达到比较理想的状态。
图3 理想速度控制曲线
2·1 起步过程中的控制算法的研究
在液压行驶系统中,机器从一种状态过渡到另一种状态,通过控制器使之实现逐渐变化的过程,通常按一定的斜坡时间来完成过渡的。斜坡时间是由斜坡函数确定的。斜坡时间过长,影响机器的作业效率;时间太短,系统产生严重冲击。
阀控马达负载系统最短斜坡时间计算公式:
Tmin(sec) =1·4V(cm3)·I(kgm2)D2(cm3/rev)
式中, V———管路加马达中的总油液体积(cm3);
I———马达及马达轴上的负载惯性矩(kgm2);
D———马达的排量(cm3/rev)。
对于泵控马达系统,式中V为管路、马达中的总油液体积+泵中的油液体积。摊铺机起步斜坡时间应为(0·5~0·7)×1·5s较为合适,变化范围因速度而定。
2·2 作业工况下的控制算法的研究
对摊铺机的行驶系统控制主要集中为对变量泵比例电磁阀控制。目前,用于摊铺机行驶驱动系统
控制的方法主要采用PID控制,如湖南三一集团生产的履带式摊铺机采用西门子PLC作为核心控制器,通过增加PID控制模块实现作业工况下的闭环控制。PID控制由于算法简单,鲁棒性好,可靠性高,不依赖被控对象的精确数学模型,在许多控制系统中得到了广泛的应用。
由于我们的研究对象是非线性比较突出的液压系统,系统在工作过程中受到环境的影响系统的部
分参数将发生变化,同时建立一个比较精确的数学模型又比较困难,所以必需采用改进的PID控制算
法。由于模糊PID控制系统可以针对偏差和偏差变化率进行控制,本文采用模糊参数自整定PID控制作为恒速控制的控制算法。
图4是控制系统原理图,控制器分为两大部分: PID控制算法和参数模糊自整定算法。模糊参数自整定PID控制器是在常规PID控制器基础上,应用模糊集合论建立参数KP, KI, KD同偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系,根据不同偏差e和偏差变化率ec在线自整定KP, KI, KD的一种模糊控制器。这种方法不仅能保证控制系统的稳定性,而且还可减小系统超调量。
图4 控制系统原理图
2·2·1 常规PID控制器原理
PID控制算法是利用偏差信号,采用比例、积分、微分三个基本环节对系统进行调节。
常规PID控制规律的差分方程:
u(k) = Kpe(k)+KI∑ki =0e(k)+KD[e(k)- e(k-1)]
式中, u (k)为第k个采样时刻控制器的输出量,e (k)为第k个采样时刻的偏差值, KP、KI、KD分别为为比例增益,积分系数和微分系数
其速度型控制算法为:
△u (k)=u (k)-u (k-1)
=kP[e (k)-e (k-1)]+KIe (k)
+KD[e (k)-2e (k-1)+e (k-2)]
为了进一步提高PID控制的效果,采用了积分分离措施和梯形积分对控制算法进行改进,以进一步提高控制性能。当摊铺机在小于最大摊铺速度的1/4状态下工作时,液压系统工作在低效率非稳定状态,受外负载影响比较明显,为了避免控制动作的过于频繁,消除由于频繁动作所引起的振荡,可采用带死区的PID控制,在进行软件编程前,对PID参数进行预整定。PID参数的整定比较成熟的方法有临界灵敏度法、扩充响应曲线法、Z-N法等等。本文利用扩充响应曲线法结合MATLAB仿真软件确定了一组PID参数KP、KI、KD分别为1·5、8、0·3,实际应用中可结合具体情况反复整定,并进行实验,确定一组较满意的参数。
2·2·2 参数模糊自整定算法设计
(1)模糊语言变量的确定
选择摊铺机行驶速度偏差e及速度偏差变化率ec的语言变量E与EC作为输入语言变量,输出语言变量选择KP、KI、KD,也就是参数KP, KI, KD相应的语言变量。考虑实际情况,利用{负大、负小、零、正小、正大} = {NL、NS、ZE、PS、PL}五个模糊状态描述语言变量E、EC、KP、KI、KD。
(2)语言值隶属函数的确定
表1以离散形式给出语言变量E的隶属度,语言变量EC采用与E相同的隶属函数,而语言变量KP、KI、KD三个则采用相同的隶属函数,见表2。
(3)模糊控制规则和模糊推理
ⅰ当速度偏差e较大,可以取较大的KP;同时为了避免系统响应出现较大的超调量, KD取中等,同时要对积分作用进行限制,通常去掉积分环节。
ⅱ当速度偏差e和偏差变化率ec处于中等大小时,为使系统响应具有较小的超调, KP应取小一些;此时KD的取值对系统响应的影响较大, KI取值要适当。
ⅲ当速度偏差e较小,为使系统稳定性能较好, KP和KI应该取得大一些,同时避免系统在设定值附近出现振荡现象, KD的取值相当重要。一般ec较小时, KD取大一些, ec较大时, KD取小一些。
根据以上分析和语言变量的设定,可以初步总结出KP, KI, KD的自整定规律,见表3、4、5。利用Mamdani法进行推理。
ⅳ清晰化。根据摊铺机泵控马达系统要求实时性好的特点,采用最大准则法进行模糊决策。
3 仿真研究
选择合理的PID参数及参数的变化范围有利于提高系统的性能。本文主要借助于MATLAB的非线性控制系统优化设计的工具箱NCD (NonlinearControl Design)实现系统参数的优化设计。
NCD是Simulink中的一个功能块,它可以根据系统的模型,通过PID控制器,按照设定好的参数进行PID参数的整定。在主菜单options的step re-sponse中设定阶跃响应的参数(上升时间,调整时间,超调量,响应时间,稳态输出等),在主菜单optimization的parameters选项中设定PID参数的变化范围,对PID参数进行整定,也可以确定KP,KI, KD的变化范围, KP变化范围为[0·9, 2·1],KI变化范围为[4, 10], KD变化范围为[0·2,0·6]。
NCD参数的设定如图6、图7所示。
图7 NCD的PID参数设定
用专用数值计算软件MATLAB对整个沥青混凝土摊铺机行驶电液控制系统进行动态仿真分析,在Simulink模型窗口中建立整个行驶电液控制系统仿真模型,如图8所示。
图8 行驶电液控制系统仿真模型
3·1 动态特性仿真分析
仿真分以下两种情况进行:
3·1·1 突加速度阶跃信号。将某一速度大小的阶跃信号加载到Simulink仿真模型中去,这种情况可以模拟摊铺机的突然加速或减速,此处给定16m/min的速度阶跃信号,相对应马达转速为94rad/s,响应曲线为图9中曲线2。
3·1·2 去掉参数模糊自整定调节模块,系统只采用PID (PD)调节,响应曲线为图9中曲线1。
图9 阶跃响应对比曲线
3·2 仿真结果分析
从图9可以看出,采用模糊自整定PID调节之后,马达输出角速度的动态性能明显提高,其效果要优于传统PID调节。从仿真结果上看,系统的动态性能稳定,控制系统选用算法合理。
4 结论
通过对沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制器的控制策略进行研究,将模糊参数自整定PID控制
引入行驶系统数字控制器的设计中,通过MATLAB仿真分析,证明了所选择的控制策略的可行性与合理性。
