沥青混凝土摊铺机是一种集机、电、液一体化的公路工程机械施工设备,已普遍采用全液压驱动。随着电液控制技术的发展,电气和电子技术在信号检测、放大、计算处理和传输等方面具有明显的优势;在功率转换、放大单元、执行部件方面液压元件又具有更多优越性。因此,作为体现最先进控制技术,实现产品技术升级换代的智能化控制技术得到各国工程机械行业的重视。
目前,一些进口的摊铺机(如ABG TITAN525、DY-NAPAC F30等)已经实现行走系统的智能化控制,但我国工程机械智能化控制技术研究尚在起步阶段。本文将通过引入模糊控制理论对沥青混凝土摊铺机的行走液压系统控制进行研究,实现沥青混凝土摊铺机液压行走系统速度控制的智能化。
2沥青混凝土摊铺机工作过程及行走液压系统的功能结构
(1)沥青混凝土摊铺机的工作过程
沥青混凝土摊铺机在摊铺作业时,高温沥青混合料送入摊铺机料斗后,刮板输送器将热料送入摊铺料槽,再由螺旋布料器将混合料均匀地摊铺在路面基层上;经熨平板振动、振捣器运转、压实即可形成沥青混凝土摊铺层。
沥青混凝土摊铺机理想的工作状态是:实行恒速摊铺作业;物料质量不变。但因摊铺机行驶推进系统的负载变化、送料的不均匀性、发动机降速、油温升高等诸多因素都会造成行驶速度的变化进而使摊铺速度改变,影响公路路面摊铺质量。因此,如何保持沥青混凝土摊铺机在施工作业过程中的速度稳定是摊铺机的核心控制。因此,实现沥青混凝土摊铺机液压行走系统的智能化控制是提高摊铺机技术性能的必然选择。
(2)沥青混凝土摊铺机行走液压系统组成及主要元件的作用
沥青混凝土摊铺机行走液压系统是由电的信号处理部分和液压的功率部分组成。该系统以履带台车架总成为基础,采用双泵-双电机系统,液压系统左右两侧为独立的行驶驱动液压回路(原理简图如图2所示),由泵带动电机、电机带动减速机及驱动链轮、驱动链轮驱动轨链及履带,使摊铺机实现行走[2]。在作业过程中要求采用速度闭环控制系统,在转移非作业时采用开环控制系统。系统控制(如速度、方向、恒速等)由计算机、传感器和执行元件组成各个子系统来完成,可实现摊铺机行走速度的变化、前进、后退、转向、停止等控制。由于恒速控制是摊铺机最重要的部分,本文以行驶系统的恒速控制为例进行探讨。沥青混凝土摊铺机行走液压系统采用电液速度伺服系统,各部件的功能如下。
①行走液压泵:作为系统的动力源,将发动机产生的动能转化为压力能,向液压系统提供压力油;变量泵由电液伺服控制阀控制变量。
②行走液压电机:是两挡变量电机,用来将液压能变为输出轴转动的机械能,产生行驶动作加于驱动链轮上,实现行驶驱动。
③电液伺服阀:是该控制系统的关键元件,在负载压差一定时,阀的输出流量与输入电流成正比,输入电流反向,输出流量亦反向;液压电机的转速与转动方向由伺服阀的输出流量大小和方向来决定。
④电磁溢流阀:是系统安劝阀,用来保证出口压力恒定或限制系统压力的最大值;
⑤控制电路:通过传感器检测电机反馈信号,输入指令信号,并通过计算机对信号进行分析、处理后,输出控制信号。
(3)沥青混凝土摊铺机行走系统液压系统的工作原理
在沥青混凝土摊铺机行走系统液压电机输出轴上装有速度传感器,液压电机的输出转速通过传感器检测,并转换成反馈电压信号经数据采集卡送给计算机,计算机将反馈速度信号与输入速度指令信号相比较,得出偏差电压信号作为变量控制机构的输入信号;输出相应的误差信号,经D/A转换后加在放大电路的输入端,然后放大电路输出电流信号以驱动电液伺服阀。通过调节电液伺服阀的开口来控制进、出电机的流量,从而控制电机的转速。
当速度指令一定而摊铺机驱动轮以某个给定的旋转速度工作时,传感器输出反馈电压信号为一定,则计算机计算出偏差电压一定,通过电液伺服阀控制使马达的流量一定,驱动电机的转速保持稳定;在工作过程中,如果负载、摩擦力、温度或其他原因引起速度变化时,传感器输出反馈电压信号发生变化,则计算机输出电流信号以驱动电液伺服阀改变泵的排量,使其排量缩小或变大,进、出电机的流量发生变化,从而使电机输出转速向减小速度误差的方向变化,维持速度恒定。
3系统的智能控制
沥青混凝土摊铺机的行走液压系统是典型的机-电-液耦合系统,具有动态响应速度快、精度高等优点;但因电液伺服系统的非线性(如伺服阀流量—压力非线性、伺服零偏、增益非线性、滞环非线性)和参数的不确定性等因素的影响,系统普遍存在参数时变、外界干扰范围大和非线性等问题,建立描述系统的数学模型非常困难,这样应用模型和参数确定的控制方法就有很大的局限性[1]。经典的PID控制很难满足控制性能的要求,沥青混凝土摊铺机难以适应现代高质量的高等级公路路面机械化施工的要求。作为智能控制之一的模糊控制具有控制非线性系统能力。模糊控制系统的鲁棒性强,干扰和参数变化对控制效果的影响被大大减弱,尤其适合于非线性、时变及纯滞后系统的控制。本智能控制方案通过引入模糊控制规则,实现沥青混凝土摊铺机行驶系统速度控制的智能化。
(1)沥青混凝土摊铺机液压行走系统的模糊控制
模糊控制系统的核心是模糊控制器,模糊控制器主要包含三个功能环节:用于输入信号处理的模糊量化和模糊化环节;模糊控制算法功能单元;以及用于输出解模糊化的模糊判决环节。模糊控制系统的方框图如图3所示,图中s为系统的设定值,y为系统输出,e和ec分别是速度偏差和速度偏差的微分信号,也就是模糊控制器的输入,E、Ec为模糊化的偏差及偏差变化率、u为相应的模糊量。
在构建模糊控制器的三个部分中,最为重要的部分是模糊控制算法的建立。而在模糊控制理论中最常用的模糊控制算法就是制定模糊规则表。模糊控制器的模糊规则采用Mamdani规则,如表1所示,有49条规则,2个输入,即m=49,n=2。e、ec分七档:负大、负中、负小、零、正小、正中、正大,分别表示为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB,其中心值分别取-6、-3、-1、0、1、3、6,所有的宽度为2。
在选取控制量的过程中要注意防止超调,以系统的稳定性为出发点。如果令某一时刻系统采样得到的实际误差量为e,误差变化率为ec,由e和上述的模糊控制语言规则R(模糊关系),根据推理的合成规则进行模糊决策得到模糊控制量u为:
u=e&R
利用上述的合成规则,就可以得到系统在不同控制量下的隶属度:
u1=eB[(NBE+NME)·PBu]·ecB[(NBEc+NMEc)·PBu]
表1模糊控制总表
同理,可分别求出控制量u2……u21,则控制量为模糊集合u,表示为:
u=u1+u2+……+u21即可得如表1所示的模糊控制总表。
4系统智能控制的计算机仿真分析
沥青混凝土摊铺机行走液压系统智能控制需经计算机传感器及控制元件组成控制系统来完成,由前面系统结构及原理图(如图2所示)可以看出,系统的被控对象仅包括电液伺服阀和液压电机。电液伺服动态响应对系统特性的影响一般可忽略,可以将其看成线性环节。
液压电机是二阶非线性,所以被控对象可看成线性环节与非线性环节串联。本文采用专用数值计算软件Matlab进行动态仿真分析,根据沥青混凝土摊铺机速度控制系统和模糊控制系统,在Simulink模型窗口建立行驶电液控制系统仿真模型(如图4所示)。
在仿真分析过程中,设沥青混凝土摊铺机作业时的行驶速度为8m/min,输入的速度信号是阶跃信号。由仿真结果(如图5所示)可知,通过智能控制器后沥青混凝土摊铺机速度变化率在90%～96%之间,表明沥青混凝土摊铺机的速度控制性能得到明显提高,智能控制系统可根据工况来调整行驶速度,维持速度恒定。
5结束语
智能控制是未来工程机械发展趋势,将智能控制技术应用到沥青混凝土摊铺机行驶液压系统中,可以克服传统PID控制的控制性能较差,运行过程中产生超调、不稳定,不能快速、可靠地跟踪输入等缺点。从一些应用智能控制技术的进口沥青混凝土摊铺机来看,该摊铺机提高了施工路面的平整度和压实的均匀度、密实度,实现了操作和控制的智能化,减轻了操作机手的劳动强度,很好地满足高等级公路机械化施工的要求。但由于我国智能化控制技术在工程机械上的应用仍处于起步阶段,系统存在一些不确定或非线性因素,实际控制效果仍需进一步验证。
