灑水車定量噴灑控制系統

陳增志

摘要：針對灑水車噴灑量、噴灑范圍無法控制定量噴灑的問題，提出采用車載控制器閉環控制柱塞變量泵的比例閥，結合PID算法實現灑水車的定量噴灑控制。該技術方法有效結合CAN總線控制技術、電液控制技術及PID控制算法，控制系統具有工作穩定性高、控制精度高、擴展性能強、操作與維護方便等特點，通過CAN總線實現灑水車專用作業裝置與底盤的信息交互，為環衛車電氣控制系統的集成化、人性化、智能化等工程的研究與應用打下堅實基礎，充分體現了灑水車的綠色、環保化。

關鍵詞：灑水車 定量噴灑 CAN總線 控制器 PID算法 變量泵

中圖分類號：U469.6+91 文獻標識碼：A 文章編號：1004-0226（2019）02-0092-04

l前言

隨著人們生活水平的不斷提高，社會各界對環境保護及市容市貌也提出了更高的要求。為適應城市環境衛生建設的需要，及時清理城市路面沙土灰塵，改善空氣質量，需要各種灑水車來滿足改善城市空氣質量的需要，因此，對灑水車電氣控制系統的智能化程度提出了更高的要求。

2灑水車作業現狀

灑水車是城市清潔廣泛使用的一種工程車輛。作業時，用噴嘴將路面上的垃圾沖洗至路緣，污水沿路緣的排水孔流走，垃圾則由人工或機械收集。在作業過程中，如果水沖得過遠，在無綠化帶的路面上，垃圾和污水四處飛濺，會對人行道上的行人干擾較大;而在有綠化帶的路面上，垃圾會被噴進綠化帶內，不便于收集，且對環境造成污染。如果水沖得過近，會導致路面清洗不徹底。因此，噴灑量及噴灑范圍是灑水車控制系統需要控制的關鍵參數。

日前，行業內灑水車作業噴灑量直接由底盤發動機轉速控制，即通過底盤發動機的側取力器直接驅動灑水泵，屬于非定量噴灑控制模式。這樣，在同一種灑水作業模式時，底盤發動機轉速高時水的噴灑量大，底盤發動機轉速低時水的噴灑量小。另外，在同一行車速度下，車輛的發動機轉速會隨著檔位的升高面降低，而在同一行車檔位下，車輛的發動機轉速會隨著車速升高而升高。因此，對于實際作業中的灑水車來說，要想按灑水量大小需求精確控制底盤的發動機轉速幾乎是不可能的，其轉速會隨著灑水的行車速度與行車檔位的變化而變化。因此，這種灑水車作業噴灑量控制模式在實際工況工作時會受到很大的限制。例如在有些路段需低速大噴灑量運行時，會因車速過慢，導致發動機轉速低，噴灑量嚴重不足，作業效果不理想;而有些干凈路段需快速通過，小噴灑量降塵工作運行時，會因車速過高，導致噴灑量太多，浪費水資源，增加能耗?，F有的成熟控制技術中，暫缺少可根據道路實際狀態有效調節噴灑量和噴灑范圍的控制方法及設備，而不理想的噴灑量調節方法勢必會導致水資源及其他資源的浪費，達不到預期的清潔、環保效果。本文提出灑水車的定量噴灑自動控制系統及其技術，可有效地解決上述噴灑量、噴灑范圍無法有效調節的問題，突破灑水車的現有控制技術瓶頸，可產生較大的經濟社會效益。

3系繞總體框圖及各部件連接關系

如圖l所示，灑水車定量噴灑智能控制系統主要包括控制器、顯示屏、底盤取力器、柱塞變量泵、液壓馬達、灑水泵、轉速傳感器、電位計等。系統各部件間的連接關系如下：控制器、顯示屏、底盤三者之間通過CAN總線連接實現相互間實時信息的通訊與共享;控制器控制電比例閥比例電流的大小以控制柱塞變量泵排量的大小;底盤取力器作為灑水車專用作業裝置的原始動力源經聯軸器直接驅動柱塞變量泵;柱塞變量泵則通過自身液壓油排量的變化經液壓管路驅動控制液壓，5達，液壓馬達再經聯軸器直接驅動灑水泵;霍爾轉速傳感器則利用霍爾感應原理，感應安裝于圖1聯軸器中的齒輪盤的齒數變化頻率，以測量灑水泵的實時工作轉速，作為閉環控制系統的負反饋信號源;控制器的輸出則直接連接到各動作閥組，以根據其輸入信號實現各動作狀態的邏輯控制。其液壓系統原理如圖2所示。

4灑水車定量噴灑控制技術

4.1定量噴灑控制過程原理

首先，在圖1所示的控制系統框圖中，計算出在底盤發動機怠速情況下驅動灑水泵在額定狀態轉速下工作所需的增速比，進而匹配好柱塞變量泵與液壓，馬達的排量、功率參數，液壓，馬達與灑水泵之間的功率參數，確保灑水車在各種行駛作業狀態下足以控制灑水泵在額定轉速內正常工作。

在同樣的灑水泵轉速下，因不同的作業狀態（如前灑水與左右側沖）灑水泵負荷特性不同，灑水泵的壓力、排量也不同，灑水泵的每轉抽水排量就會不同。在實際工程應用中.其每轉排量的具體值可通過直接給定灑水泵固定轉速、作業模式的方式試驗得出。經過試驗，筆者選用的灑水泵在不同的作業狀態下每轉抽水排量如下：前灑為0.84 L/轉，單個側沖為0.27 L/轉，左右雙側沖為0.52L/轉，后灑為0.68L/轉。因而得出，灑水車的噴灑量只與其當前的水泵轉速及作業模式有關。這樣，灑水車定量噴灑控制系統的核心部件控制器只需根據設定的噴灑量及作業模式，計算出當前狀態所需的灑水泵轉速，通過PWM比例輸出控制柱塞變量泵的比例閥開度以控制柱塞變量泵的排量，經液壓，馬達后最終將灑水泵轉速控制在給定的日標轉速值范圍內，即可實現灑水車噴灑量及噴灑的定量噴灑控制。

4.2定量噴灑控制的核心控制

灑水車定量噴灑控制系統的核心控制部件主要有顯示屏、控制器、電位計、霍爾轉速傳感器等控制硬件，顯示屏及控制器采用車載專用型。根據實際控制需求，對控制系統的控制器、顯示屏進行各控制邏輯、人機界面的軟件編程。灑水車主要有前灑、后灑、左側沖、右側沖等四種作業模式，如圖3所示為所設計的顯示屏主界面，主要顯示有實時水泵轉速、車輛行駛速度和設定的噴灑量3個參數。其中，假設需設定的噴灑量為P，噴灑量調節電位計實時電阻值為x，噴灑量調節電位計實時值最大電阻值為K，最大設定噴灑量為M，則設定噴灑量的值為：

P=Mxx/K

（1）

在設置界面中設定好最大噴灑量后，只需通過調節噴灑調節電位計便能實現噴灑量從O到所設置的最大噴灑量。另外，作業模式的控制只需通過按壓顯示屏上“前灑”、“后灑”、“右側沖”和“右側沖”4個按鍵便可實現，這4個按鍵分別控制對應的4個作業模式電磁氣閥。當某個電磁閥工作時，對應的按鍵底色會由灰色變成綠色。

工作過程中，首先，控制器將讀取的電位計調節電阻值通過CAN總線發送給顯示屏，顯示屏根據公式（1）計算出當前所需的日標噴灑量并在主界面顯示：進而，日標噴灑量、駕駛員操作的作業模式通過CAN總線發送回給控制器作邏輯控制處理，而底盤行駛車速、發動機轉速等信息則按照標準J1939協議的方式通過CAN總線發送給控制器進行解析處理;另外，灑水泵轉速信號則通過霍爾轉速傳感器直接傳送給控制器。這樣，控制器便與整個控制系統建立了緊密連接關系，并形成以其為核心的閉環自動控制系統，即控制器根據設定噴灑量、作業模式計算出所需灑水泵日標轉速，同時讀取灑水泵的實際轉速值，然后將灑水泵日標轉速值減去轉速實際采樣值便是當前時刻的轉速偏差值。最后，根據上述所得的轉速偏差值，利用PID算法實時調整控制柱塞變量泵比例閥的比例電流，具體所使用的PID算法流程如圖4所示。

綜上，控制遞進關系如下：由PID算法得出的比例電流控制柱塞變量泵比例閥的開度→柱塞變量泵的比例閥開度控制柱塞變量泵自身的工作排量→柱塞變量泵的排量控制液壓，馬達的轉速→液壓，馬達的轉速控制灑水泵的轉速。因此，控制器只要根據PID閉環算法摔制其PWM輸出口的比例電流就可實現灑水泵轉速的控制，最終實現灑水車噴灑量、噴灑范圍的按需自動調節。

5定量噴灑控制系統試驗結果與分析

筆者應用上述定量噴灑自動控制系統研發了一臺智能定量灑水車，在采樣周期為200ms的條件下，通過不斷試驗整定，調定了一組PID參數，具體如下：：Kp=0.02，Ki=0.015，Kd=0.01。將上述參數寫入控制系統后，控制系統整體工作穩定性強，動態跟隨快，控制精度高，并在該參數下通過實車稱重、實車作業手段獲得了一組試驗結果數據，結果如表l所示。從試驗結果可以看出，采用本文提供的電氣控制系統或方法控制灑水車的噴灑量、噴灑范圍，控制精度非常高，基本可以將誤差控制在6%以下，完全能夠滿足噴灑量定量控制需求，優于工程應用預期效果。

6結語

通過試驗可知，本灑水車定量噴灑智能控制系統可實現噴灑量及噴灑范圍的定量調節，其噴灑量大小不再直接跟隨底盤發動機轉速的變化而變化，而是根據實際使用需求實現噴灑量單位時間定量噴灑或單位面積均勻灑布。該智能電氣控制系統具有控制精度高、工作穩定可靠、擴展性能強、總線接線簡單、操作維護方便等特點，優良的人機交互界面實現灑水車的智能定量噴灑。該定量灑水車將作為新一代智能化、高附加值灑水車進行廣泛推廣、使用。

參考文獻

[1]盛成偉多功能灑水車的上要結構及工作原理[J]，商用汽車，2012（10）：78-80

[2]張前城市灑水車智能化噴灑系統[J].裝備制造技術，2015（2）：215- 216

[3]董棟，楊忠州某型號灑水車取消副發動機可行性研究[J]湖北汽車工業學院學報，2014（2）：38-41