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。沥青混凝土摊铺机行驶系统控制器作为摊铺机的核心控制部件,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、改善路面施工质量异常关键。国外在20世纪90年代研制出以数字技术为基础的控制器,在大型高性能摊铺机上数字控制器已经成为主流方向,国内这方面几乎处于空白,高性能沥青摊铺机采用的数字控制器全部依赖于进口,因此研究开发沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制器具有特别重要的现实意义。
1 数字控制器硬件电路设计
该数字控制器实际上是一个单片机模块系统,主要包括单片机基本系统、电源、通讯接口、驱动电路、显示模块等部分,图1为系统结构图。
1·1 单片机基本系统
该控制器中,我们选用PIC系列中的PIC16F877嵌入式芯片,它能简便地实现脉宽调制控制,为了能满足系统良好的实时性要求,晶振频率选择20MHz,微调电容选用20pF。
图1 数字控制器系统结构图
在数字控制器中,单片机是主要的智能元件,控制方案通过控制软件来实现,利用单片机内部的程序存储器和数据存储器存储程序和有关参数。为了实现与上位机通讯,便于现场调试摊铺机,数字控制器配备了RS485串行接口,选用单片集成电路SN75276差分总线收发器进行双向数据通信。摊铺机行驶速度和预设速度各用两位共阴极的七段LED静态显示方式显示,采用软件译码法,利用两根普通I/O口线采用软件合成串行口工作方式并配以移位寄存器CD4094作为驱动接口。另外考虑到施工现场环境恶劣,系统输入输出部分采用光电隔离元件4N25,防止信号受到强烈干扰。
1·2 模拟量输入通道设计
在摊铺机行驶系统数字控制器上设置了三个模拟量输入电位器:速度预选电位器、驱动手柄电位器和转向电位器。速度预选电位器用来选定摊铺机的行驶速度最大允许值,驱动手柄电位器偏离中位角度越大,行驶速度越高。设定好速度预选值后,摊铺机在作业过程中,一般不再改变速度预选值。速度预选值的稳定对推铺机恒速控制极为重要,该控制器中选择了X9511数字电位器作为速度预选电位器,图2是X9511与PIC16F877单片机连接图。
图2 X9511与PIC16F877连接图
驱动手柄电位器用于对行驶速度进行无级调节,另外为了保证摊铺机转向行驶时得到较好的转向圆滑性,转向电位器和驱动手柄电位器都选择机械式电位器。
图3是驱动手柄电位器和转向电位器与单片机连接图。在驱动手柄电位器和转向电位器的输入电阻旁边各并联一个0·1μF的电容,输入端电阻和电容形成低通滤波器,该低通滤波作用可以防止输入端的电压尖峰干扰。
图3 驱动手柄电位器和转向电位器连接图
1·3 开关量输入通道设计
在摊铺机数字控制器上,设置了中位开关、刹车状态开关、行驶/摊铺开关、校准开关作为开关量输入,主要是为了控制摊铺机工作模式和反应摊铺机所处的工作状态,也便于软件设计中确定程序的走向,实现合理的控制算法。该数字控制器中利用PIC16F877单片机A口、B口的四位引脚作为开关量输入端,图4为开关量输入接口电路图。另外利用PIC16F877单片机的外部中断引脚INT设置原地转向按钮,调用中断处理子程序实现原地转向。
图4 开关量输入接口电路图
1·4 模拟量输出通道的设计
该控制器中确定采用脉宽调制的控制方式,利用PIC16F877的CCP模块产生两路脉宽调制方波信号驱动变量泵电磁阀, PWM信号的调制频率选为200Hz,比例阀的中位死区按额定电流的10%确定。
基于变量泵比例伺服阀的工作特性,为控制器设计了“H”桥形驱动电路,如图5所示。
图5 驱动电路
图5中利用四个三极管V1~V4及电磁线圈VR组成“H”桥形驱动电路,为了防止干扰,系
统驱动电路中采用了光电耦合器4N25进行隔离。在某一时刻,只有一路PWM起作用。当左侧光电耦合器在PWM作用下导通时,三级管V1将导通,其发射极电压又使三极管V4导通,这样电磁线圈VR上得到从左向右的激励电流;同理,当右侧光电耦合器在PWM作用下导通时,三级管V2和V3将导通,电磁线圈VR上得到从右向左的激励电流。电阻R1~R6起限流作用,取值为10K。利用三端固定稳压器7805得到了+5V的稳压电源,再选择可调电压式稳压器LM317K为驱动电路提供2·5V电源。
单片机引脚PWM1和PWM2产生的脉宽调制波分别用于驱动变量泵左右电磁阀,对于每一路脉宽调制波又分成两路,分别给驱动电路的左右光电耦合器4N25提供PWM信号,并利用四个电子开关4066进行通断控制,电子开关的不同状态组合确定了摊铺机前进/后退、左转/右转。
1·5 开关量输出通道设计
数字控制器的开关量输出通道包括两路,一路控制双速马达电磁换向阀,另一路控制制动油缸电磁换向阀,左右马达电磁换向阀利用同一路开关量输出通道控制,这样确保摊铺机左右马达同时处于高速或低速状态,图6为开关量输出通道电路图。
图6 开关量输出通道电路图
由于左右马达电磁换向阀ML、MR和制动油缸电磁换向阀SC的工作电压都为+12V,利用三
极管V1和V2组成功放电路,分别由单片机引脚SDA、RC5进行控制。当行驶/摊铺开关处于“行驶”位时,引脚SDA应输出高电平,马达电磁换向阀导通,马达处于最小排量。需要制动时引脚RC5必须延时输出低电平使电磁阀SC断电产生制动,QS为紧急制动按钮。考虑到电磁线圈为电感元件,在工作时会产生较大的尖峰电压,输出通道中采用光电耦合器4N25进行隔离以防止干扰,电阻R1~R4起限流作用,取值为10K。
1·6 反馈通道模块设计
摊铺机在摊铺状态时采用闭环控制。利用霍尔集成速度传感器将实际速度相应的电压值反馈至单片机作为输入信号,不断校正摊铺机行驶速度。摊铺机马达每转一圈,霍尔传感器产生49个脉冲,脉冲电压为+5V。通过摊铺机驱动轮半径和减速机传动比可以计算出摊铺机行驶速度与马达转速、脉冲频率之间的对比关系,本文采用WP20频率/电压转换器将频率转换为电压值,经PIC16F887的引脚AN0和AN1引入A/D转换器进行A/D转换。
1·7 电源模块设计
沥青混凝土摊铺机上只提供+24V直流电源,在设计系统所需要的+12V和+5V直流供电电压源时,选用7800系列的三端固定稳压器7812和7805组成供电电路,为了提高A/D转换精度,利用TL431Ⅰ为模数转换器设计4·8V的正基准输入电压。
2 软件设计
在系统软件设计过程中采用模块化结构设计,将系统应用程序分为若干功能模块,先调试各功能模块,再进行总的调试,这样可以减少调试时间。
为了确保运算精度,采用三字节浮点数运算,其中8位是带符号的阶码, 16位是带符号的尾数。采用浮点数运算,主要注意阶码调整,可以选择现成的浮点子程序库。
系统应用程序设计主要用在MPLAB集成开发环境下完成。该系统软件主要有主程序模块、自检子程序模块、数据采集子程序模块、滤波子程序模块、中断子程序模块、前后速度光柱转换处理模块、左右转向指示光柱处理模块、预置速度显示处理模块、模糊自整定PID模块以及浮点数运算子程序库。下面简要介绍一下主程序模块和模糊自整定PID模块功能。
(1)主程序模块主要完成脉宽调制、模数转换、端口输入输出等各种初始化设置,调用自检模块、数据采集模块、滤波子程序模块、中断子程序模块、数据处理以及显示等模块完成相应功能。
(2)模糊自整定PID模块是核心的数据处理模块,实现闭环状态下模糊自整定PID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, PID控制具有原理简单、易于实现等优点。但在实际应用中,由于液压伺服系统多为非线性、时变的复杂系统,其参数变化较大,对象的特征难以准确描述,如果单纯采用固定参数的常规PID控制则不能满足在不同速度偏差下系统对PID参数自整定的要求,控制器对运行工况的适应性差,从而影响控制效果进一步提高。由于模糊控制不依赖被控对象精确的数学模型,其响应快、鲁棒性好,本文研究了将模糊参数自整定PID控制算法应用于摊铺机行驶系统的控制中,在程序中调用
3 仿真与实验研究
本文选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7所示。
3·1 动态特性仿真分析
仿真分以下两种情况进行:
图7 行驶电液控制系统仿真模型
(1)突加16m/min的速度阶跃信号,相应马达转速为94rad/s,响应曲线为图8中曲线2。
(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8中曲线1。
图8 阶跃响应对比曲线
3·2 仿真结果分析
从仿真结果上看,系统的动态性能稳定。从图8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,控制系统选用算法合理。
3·3 实验研究
实验过程中主要完成了行驶系统数字控制器的速度特性实验和控制功能实验。通过实验证明所设计的数字控制器输出电压完全满足液压行驶系统的需要,验证了数字控制器所能实现摊铺机的前进/后退,右左转向和原地转向等控制功能。
该数字控制器以PIC16F877单片机为控制核心,具有可靠性高、控制性能优良、使用方便等优点。通过仿真与实验,结果表明,采用模糊自整定PID复合控制策略比单纯PID控制系统控制性能有明显的改善。该数字控制器在控制性能和功能上都达到了设计要求,经过进一步改进和完善,可以为国内中高档摊铺机提供行驶系统数字控制器产品。
