攤鋪機行走系統的智能控制技術研究

白代萍，丁靜，何培英，張德海

(鄭州輕工業學院機電工程學院，河南鄭州450002)

目前，攤鋪機行走系統多采用雙泵雙馬達驅動履帶的行走系統。該系統的控制系統硬件多采用PLC為核心的電子恒速控制系統。該控制系統包括:PLC控制器，安裝在馬達輸出軸上的傳感器，以及控制泵流量的電磁比例閥 (作為執行器)。如圖1，控制方法是對左右輪分別進行控制，即將左右馬達的轉速與設定值進行比較，采用PID控制方案，消除偏差以達到恒速控制的目的［1］。PID控制算法簡單可靠，魯棒性好，可靠性高，不依賴被控對象的精確數學模型，可根據不同情況，利用比例、積分、微分環節的不同作用，采用恰當的PID控制算式［2－6］。但是在攤鋪機出廠前，如果攤鋪機行走控制系統的PID參數調整不當，以及電位器、左右輪的電磁閥的最小電流標定不合適，很容易發生擺頭和跑偏的現象。要分別對電位器、左右輪的電磁閥的最小電流、PID的有關參數進行反復的調試標定，才能使攤鋪機穩定地工作，符合出廠要求。

圖1 攤鋪機行走系統原控制方案

1 控制方案

為了能夠有效解決攤鋪機和攤鋪機行走系統控制器的即插即用問題，避免繁瑣的調試，提高攤鋪機的生產效率及行走性能，提出一套新的攤鋪機行走系統控制系統。該控制系統包括:硬件為PLC控制器;軟件結構由左輪速度控制器、右輪速度控制器、右輪修正量控制器組成。外圍器件涉及左右輪速度傳感器、轉向電位器、速度設定值輸入電位器等。轉向電位器、速度設定值輸入電位器以及左右速度傳感器將轉向信號和速度設定值信號以及左右輪速度實際值輸入到PLC控制器構成左右輪的閉環控制。

其控制方案如圖2:左輪采用單閉環控制，實現左輪的恒速控制，同時保證攤鋪機整機行走速度。右輪采用模糊PID控制方案。當攤鋪機處于直線攤鋪作業時，將左右輪的實際轉速相減得到左右輪的速度差，同時通過積分環節得到攤鋪機左右輪的行駛距離差值，模糊控制器根據左右輪的速度差和左右輪的距離差兩個輸入變量通過模糊規則確定右輪速度設定值修正量，該設定值修正量與右輪設定值輸入端的設定值疊加，疊加量作為右輪閉環控制的設定值，通過PID控制器輸出控制右輪液壓系統的泵、馬達工作。當攤鋪機處在非直線攤鋪作業 (如轉彎攤鋪)時，攤鋪機沿預定的圓弧軌跡行駛，左右輪必須保證恒定的轉速差。將左右輪的實際轉速差和預定的差速值相減得到右輪的實際速度和預定速度的差值，同時通過積分環節得到攤鋪機右輪的行駛實際距離和預定距離的差值，實際速度和預定速度的差值以及行駛實際距離和預定距離的差值作為模糊控制器的兩個輸入變量，右輪速度設定值修正量作為模糊控制器的輸出。模糊控制器根據模糊規則確定右輪速度設定值修正量，該設定值修正量與右輪設定值輸入端的設定值疊加，疊加量作為右輪閉環控制的設定值通過PID控制器輸出控制右輪液壓系統的泵、馬達工作。通過右輪的實際速度和預定速度的差值以及右輪的行駛實際距離和預定距離的差值這兩個控制變量，由模糊控制器微調右輪的行駛速度，實時保證攤鋪機沿預定軌跡行走，消除因為不經標定和調試而引起的不利因素，實現控制器的即插即用功能。

圖2 攤鋪機行走系統新控制方案

2 試驗

文中用試驗的方法驗證新的控制方案和原控制方案對攤鋪機行走性能的影響，比較具有即插即用技術的控制器和經調試過的原控制器在直線跑偏量、行駛過程中有無超調擺頭的現象等性能指標。試驗中，新控制器不經調試，直接安裝，原控制器已調試好。

2.1 試驗方法

在試驗跑道上取50 m為測量區間，劃出橫向始端線、終端線和縱向中心線。攤鋪機從始端線進入，并使攤鋪機中心線與跑道中心線盡量平行，攤鋪機以作業速度行駛，在不調整轉向操作裝置的情況下通過試驗區。將滴水裝置固定在攤鋪機上，在路面上水滴所形成的軌跡即為攤鋪機的行走軌跡。每隔3 m將軌跡線與跑道中心線之間的距離測出。

2.2 試驗步驟

(1)將帶有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951攤鋪機上按第2.1節的方法進行試驗，觀察有無擺頭振蕩的現象;

(2)每隔3 m將攤鋪機行走的軌跡線與跑道中心線的距離測出、記錄;

(3)在Excel中將所測數據畫成曲線，同時做出行駛軌跡線的初始軌跡切線，以初始履帶軌跡切線延長線為準，測量在末端端線處履帶跑偏量;

(4)將帶有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951攤鋪機上按第2.1節的方法進行試驗。在攤鋪機啟動前，在左履帶前方約3 m左右有一叉車載重3 t鐵塊加上自重3 t，共6 t。鐵塊放置地面以增加摩擦力，踩剎車，從而增加左履帶的行駛阻力，攤鋪機推動叉車行使1 m的距離，叉車退后，攤鋪機不停頓繼續行使。觀察新舊控制器在攤鋪機左履帶行駛阻力發生改變時的控制能力，重復步驟(2)、(3)。

2.3 試驗結果分析

在原來的控制方案中，攤鋪機直線跑偏量發生在兩個階段:(1)起步階段。主要因素有左右輪電磁閥最小電流不同，左右輪的泵、馬達在小流量下容積效率低且差異大，左右履帶的外負載不同，左右輪的輪滑率不同等;(2)恒速行駛階段。主要是左右輪的泵、馬達在恒速行駛下，左右履帶的外負載、容積效率、液壓系統的制造誤差、左右履帶的輪滑率不同等導致跑偏，特別在起步階段一旦形成偏轉，行走一定距離后誤差將被放大。在新方案中除左右兩側的輪滑率不同這一影響因素外，其他因素所形成的偏轉可以通過左右履帶轉過的距離差變量監控，通過修正右輪履帶的行駛速度設定值最終消除。圖3中，帶有新控制方案的攤鋪機50 m的直線跑偏量約14 cm，帶有原控制方案的攤鋪機行駛50 m的直線跑偏量約89 cm。另外，從圖3的試驗結果來看:對于RP951攤鋪機而言，在50 m的距離內上述各因素引起的直線跑偏量約89 cm，由輪滑率不同而引起的跑偏量約14 cm，約占15.7%。因此，采用新控制方案將RP951攤鋪機50 m的直線跑偏量提高了約84.3%。必須注意，如果攤鋪機重心偏移越大，由于輪滑率不同而引起的跑偏量也有增大的趨勢。

圖4中，攤鋪機在新舊控制器的控制下，其中左履帶碰到叉車后行走1 m的距離，叉車撤掉。在新控制器的控制下，攤鋪機行走50 m的直線跑偏量約9.16 cm;經過調試的原控制器，攤鋪機行走50 m的直線跑偏量約141 cm。因為在新的控制方案下，能夠消除除輪滑率不同以外的因素所引起的跑偏，因此在此試驗中9.16 cm主要是由于左右履帶的輪滑率不同所引起的。此次試驗在行駛最初階段，改變了左輪的行駛外阻力，發生了明顯的偏轉，在原控制方案中由于得不到糾正，跑過50 m后，經過誤差放大，最后達到141 cm。由于各種試驗條件相同，141 cm中包含了輪滑率引起的9.16 cm的偏轉量。試驗也說明新控制方案的抗干擾能力大大提高。

圖3 新、舊控制器跑直線試驗

圖4 新、舊控制器越障試驗

3 結論

通過采用新的控制方案即左輪進行單閉環恒速控制，以保證攤鋪機整機行走速度，右輪采用模糊算法根據左右輪的距離差和速度差微調右輪的速度設定值，實時保證攤鋪機沿預定軌跡行走，而不是單純地保證右輪的恒速，一旦攤鋪機偏離預定軌跡能夠實時自動糾偏。試驗證明:該方案允許控制系統中電磁閥的參數和軟件中參數存在偏差，能夠有效解決攤鋪機行走跑偏量，實現了控制器的即插即用功能;有效防止了攤鋪機擺頭和振蕩的現象，優化了控制裝置的控制性能，提高了攤鋪機的生產率;將攤鋪機出廠的直線跑偏量指標由2%提升到了0.5%以內，其抗干擾能力也大大提高。

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