基于PLC的攤鋪機電控系統改造設計

楊文剛

（山西交通職業技術學院，山西 太原 030031）

0 引言

某公司瀝青混凝土攤鋪機在施工過程中由于事故原因導致整車行走、轉向、攪拌及發動機高低速控制等動作均無響應。停機檢測發現整機主控電路板有明顯的燒灼痕跡，需要更換。由于該攤鋪機購買時間較早，原廠配件已經停產，需要重新設計電控系統。

1 攤鋪機行駛控制系統

瀝青混凝土攤鋪機電控系統中，最為重要的是行駛系統控制器，它主要負責對攤鋪機車體的方向與速度的自動控制。在攤鋪機的工作過程中，保持前進速度的恒定至關重要，由于速度的偏差直接影響著路面施工的平整度，是衡量攤鋪工程質量最為重要的指標。

攤鋪機的速度變化主要受發動機轉速、液壓系統壓力、液壓系統容積變化和履帶滑轉率等因素的影響，為了克服這些因素引起的速度變化，行走控制系統均采用速度閉環控制來達到恒速攤鋪［1］。原車行駛控制系統的結構框圖如圖1所示，通過左、右兩組馬達實現前進／后退、原地轉向以及左右轉向等行駛動作。

圖1 原車行駛控制系統的結構框圖

原車行走控制器的主要執行元件為控制變量泵的4個比例電磁閥，如圖2所示。通過給定4個比例電磁閥不同的電流來控制泵的流量大小；通過4個比例閥的不同組合實現直線行走以及轉向等動作；通過控制左、右兩側的兩個馬達換向閥X5、X6來完成液壓馬達的高速／低速轉換，實現行走／攤鋪兩種不同工況；3個電位器RS、RT、RD分別用來作為最大行駛速度、驅動手柄位置、左右轉向的輸入元件；另外STR為原地轉向輸入，SP為行走／攤鋪狀態開關，當處于“攤鋪”工況時，利用左右兩個速度傳感器將行駛速度vL、vR作為反饋信號反饋給控制器，由控制器中的算法計算得出X1～X4的給定值，實現恒速行駛和直線／轉彎控制。

2 行駛控制系統硬件設計

為了匹配原車中的液壓系統同時提供更高的安全系數，改進設計中采用了工控系統常用的西門子S7－300系列PLC作為控制主CPU，主要考慮到需要4路的PWM 輸出信號分別為比例電磁閥X1～X4提供控制電流，另外要求有兩路高速計數輸入分別檢測左、右兩側的行駛速度，故選擇型號為6ES7 314C－2DP，另外該CPU 集成24DI／16DO、4AI／2AO，為控制系統提供了豐富的輸入輸出接口。改進后的控制系統結構圖如圖3所示［2］。

圖2 行駛控制器

圖3 改進后的控制系統結構圖

3 行駛控制系統軟件設計

目前用于攤鋪機行駛驅動系統恒速控制的方法主要采用PID 控制策略，這種策略對行駛在穩速區域有較好的控制效果；而當攤鋪機運行在變速區域時，一旦速度變化范圍較大，采用固定參數的PID 控制策略就難以滿足系統的動態性能要求；而Fuzzy控制策略引入邏輯推理，不依賴被控對象的精確數學模型，其自適應能力較強、響應快，對攤鋪機變速運行工況有較好的控制效果。故在系統的設計中將Fuzzy控制和PID 控制策略結合起來，當行駛的設定速度和實際速度差值在較小的范圍內變化時，采用CPU 內集成的PID 控制策略，保證控制的連續性和精確性；當差值超出這個范圍時，則采用自編的Fuzzy控制策略，加速系統的收斂性能，從而使系統的穩態和動態性能都可以得到保障。

由于CPU 內部已經集成了PID 控制策略，故只對Fuzzy控制策略進行設計［3］。考慮到系統的準確性要求和CPU 的運行速度，選擇了二位模糊控制器。以控制左側履帶行走的比例閥給定值的計算方法為例，將速度傳感器反饋的數值（實際速度值）與履帶的設定速度值之間的差值作為行駛速度偏差e，速度偏差變化率為ec，模糊化后的變量E 與EC作為Fuzzy控制器的輸入變量，輸出語言變量選擇U，解模糊后得到比例閥給定電流參數u。由于原車攤鋪速度小于等于6m／s，此處確定速度偏差的基本論域為（－6，6），將e、ec分為7種狀態：負大、負中、負小、零、正小、正中、正大，分別表示為NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，其模糊集合 為：e，ec＝｛NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB｝。設計過程中，誤差的量化因子Ke和誤差變化的量化因子Kc 對控制器的性能影響很大，反復仿真后，將Ke取值為1.5，Kc取值為0.84，隸屬函數選擇高靈敏度的三角函數，得到輸入變量E 和EC的離散形式的隸屬度賦值表，以及輸出變量U 的隸屬度賦值表。在選取控制量的過程中要注意防止超調，以系統的穩定性為出發點設計，模糊規則采用Mamdani規則，可以總結出模糊控制規則。在解模糊過程中，盡可能滿足系統較高的實時性要求，采用最大隸屬度平均值法進行模糊決策，通過計算可得u的取值。

4 控制系統仿真實驗

利用攤鋪機行駛驅動系統的數學模型［4］，在MATLAB／Simulink中對系統進行動態仿真分析，其仿真系統結構如圖4所示。

圖4 系統仿真結構圖

行駛控制系統仿真結果如圖5所示，控制算法在階躍響應作為擾動的情況下快速穩定，其實時性與穩定性均滿足行走控制系統的要求，保證了行駛速度的恒定。

實際運行投入前，主要進行了直線行駛實驗和恒速行駛實驗［5］。當攤鋪機行駛速度達到設定值5min后才開始記錄行駛速度、行駛距離，直線行駛實驗結果見表1。恒速行駛結果見表2。

圖5 行駛控制系統仿真結果

表1 直線行駛實驗結果

測試結果表明，改造后的行駛控制系統具有較好的精度和穩定性，滿足了現場的施工要求。

5 結論

在原有機械、液壓系統保持不變的基礎上，重新設計了攤鋪機行走電氣控制系統，采用了高可靠性的PLC作為主控制器，通過輸出PWM 信號給4個比例電磁閥來實現攤鋪機的各種行走動作，通過系統集成的PID控制策略和自編的Fuzzy控制策略來保障系統運行的穩定性和施工精度，仿真結果和運行結果均表明系統的正確性和有效性。該方法的難點是PLC 控制程序編寫復雜，要求有較高的電氣基礎和編程能力，但同時也為類似的工程機械電控系統改造提供了一種解決方案，有一定的參考價值、實用性和經濟意義。

表2 恒速行駛實驗結果

［1］ 焦生杰.瀝青混凝土攤鋪機行駛系統模糊參數自整定PID 控制［J］.長安大學學報，2003，23（2）：91－94.

［2］ 歐青立.瀝青混凝土攤鋪機Fuzzy－PID恒速控制［J］.電子測量與儀器學報，2007（4）：99－103.

［3］ 石辛民.模糊控制及其Matlab仿真［M］.北京：清華大學出版社，2008.

［4］ 呂其惠.模糊控制在瀝青混凝土攤鋪機行駛系統智能控制中的應用［J］.建筑機械，2007（3）：55－57.

［5］ 耿麗清.基于DSP的攤鋪機行走數字控制系統設計［J］.液壓與氣動，2009（4）：25－27.