SPR260壓路機變頻恒壓灑水控制系統設計

門延會，程艷奎，沈 濤，門新延

(1.四川宜賓職業技術學院 現代制造工程系，四川 宜賓 644003； 2.陜西建設機械股份有限公司，陜西 西安 710032)

0 引 言

壓路機是公路施工機械中的重要設備之一，為保證良好的壓實效果，防止在壓實過程中瀝青粘結鋼輪(輪胎)表面，壓路機鋼輪或輪胎的灑水系統性能的好壞至關重要[1]。鑒于傳統壓路機灑水系統存在噴灑不均勻、灑水量無法合理控制、可靠性低等缺點，近幾年很多學者在這方面展開了研究。胡剛毅等[2-3]提出了間歇灑水的控制方式，依據壓路機輪子的運動特征對間歇灑水時間參數計算模型進行探索，并從灑水系統失效角度對提高灑水系統可靠性進行了論述。王世旺等[4-5]主要分析了灑水系統失效的原因，對兩個知名品牌的壓路機灑水系統的壓力和流量關系、升溫對比、間歇灑水試驗等方面進行了對比測試。姜右良[6]采用微處理器和傳感器技術等設計了一種智能灑水系統控制系統，使灑水量可隨壓路機行駛速度的變化而變化。李和清、呂枝恩[7-8]以PLC為核心控制器，速度傳感器檢測行走馬達轉速及行走方向，從而計算出水泵流量及水量控制的大小。以上可以看出，灑水系統智能化已經成為壓路機灑水系統的發展趨勢。

但是以上方法中，壓路機噴水量的大小僅僅只考慮到了壓路機行駛的速度，并沒有考慮噴水壓力，導致灑水系統噴灑不均、瀝青粘連未能徹底解決，而恒壓灑水控制方式是彌補該缺陷的有效途徑。PID控制技術一般都會被用來實現水泵噴灑壓力的恒定，但是噴灑供水管路的水壓是一個過程變量，存在著滯后性，所以采用PID控制技術的準確度較低，超調量較大，系統不穩定，會造成水資源的浪費，難以達到預定的控制效果。

近些年，模糊控制技術被眾多學者采用，設計了多種恒壓控制方案，并獲得了令人滿意的效果。如陳蕾等人的恒壓供水系統模糊PID控制策略研究[9]，丘漢標等人采用模糊PID控制對恒壓供水系統進行控制和Matlab仿真[10]，岳麗芳等人研究了基于模糊PID控制的變頻恒壓供水系統[11]等。受此啟發，本文在常規PID控制的基礎上，提出一種基于模糊PID的壓路機變頻恒壓灑水控制系統。仿真結果表明，該PID閉環控制模型運算響應時間短，穩態誤差小，自適應能力強，可實現對壓路機灑水的恒壓控制，且定時設置靈活方便，故障率低。

1 灑水系統的總體結構設計

以SRP260輪胎式壓路機為例來分析，SRP260輪胎式壓路機前排有4個輪胎，后排有5個輪胎，前后胎交錯布置，具有更高的單胎載荷與壓實能力。為防止前后輪胎在壓實過程中粘結瀝青，所以前后輪胎都要設置噴灑裝置。前后輪胎各用1個水泵，每個灑水管均有8個噴嘴。前后水泵共用1個800 L的大容量水箱，持續工作1個工作日，即6～8 h。通過對國內外不同類型的智能壓路機控制系統設計方案的分析，本文結合SRP260輪胎式壓路機的實際情況，設計了該灑水系統的總體結構框圖，如圖1所示。

圖1 灑水系統總體結構框圖

2 灑水裝置控制系統設計

灑水控制系統的作用是防止壓路機輪胎表面粘連瀝青，而輪胎表面水膜的均勻性和水量控制的合理性就成為了決定灑水系統性能的兩個關鍵因素。水膜均勻性除了與噴頭類型、口徑及布置匹配外，還與水泵的排量及壓力有關，噴水量也會影響鋪路的效果。噴水量的大小除了由開關電磁閥的開度大小決定外，還與水泵的噴灑壓力相關。在電磁閥門開度一定的情況下，水泵壓力大，噴灑量就大，壓力小，噴灑量就小。因此設計控制系統的目標就為了讓壓路機在行走噴灑的過程中，無論何時灑水，無論壓路機行走速度是否恒定，系統自動使水泵的噴灑壓力與設定的噴灑壓力基本保持一致，通過定時打開關閉電磁閥門來控制噴水，保證噴灑水霧的均勻、輪子表面水膜的均勻性和水量控制的合理性。

控制系統采用STC12系列單片機作為控制核心器件，控制系統實時采集壓力傳感器信號，經過A/D轉換后，傳給單片機進行處理，計算得出實際噴水壓力，與設定噴水壓力相比較，計算出偏差控制量，經過轉換驅動后控制電液比例閥的開度和開關電磁閥的開閉，從而控制噴灑壓力和噴頭的開閉。鍵盤用于設定噴灑壓力等參數，顯示屏用于顯示行車速度、噴灑壓力及各類參數等信息。控制系統硬件組成結構及系統控制原理，如圖2～3所示。

圖2 控制系統硬件組成結構

圖3 系統控制原理

3 恒壓控制模型建立及控制算法

由圖3可知，壓路機恒壓供水系統由三相籠型異步電動機驅動水泵進行工作，其整個供水系統具有一定的延遲性，參數也會隨時間的變化而變化，呈非線性。根據電動機的動態工作特性，忽略其電磁慣性，只考慮其同軸旋轉體的機電慣性，可將異步電動機近似等效成為一個線性的一階慣性環節，其他環節可忽略不計，等效為比例環節。所以交流轉速與給定電壓之間的傳遞函數為：

(1)

式中：k1為變頻器、電動機等環節的增益；T1為異步電動機的機電時間常數。

壓路機水泵在供水過程中存在壓力由小到大，再到恒定不變的過程，該過程可近似為一個帶時間常數的一階慣性環節，其他的傳感器等環節可看成比例環節，傳遞函數可描述為：

(2)

式中：k2為供水過程的增益；τ為供水過程的延遲時間常數；T2為系統的慣性時間常數。

因此SRP260輪胎式壓路機中總的變頻恒壓供水系統的數學模型可近似等效為2個一階慣性環節的串聯，其總的傳遞函數為：

(3)

式中：k為系統的總增益，k=k1k2。

3.1 傳統PID 控制算法

PID控制是自動控制領域中最常用的控制方法，壓路機上水泵噴水壓力的控制若采用PID控制法，其噴水壓力控制模型框圖可如圖4所示。

圖4 傳統PID壓力控制模型

P1為系統設定的壓力，P2為系統實際壓力，e為設定壓力與實際測量壓力的差，U(t)為輸出電壓控制量。將e作為輸入量，通過PID運算產生電液比例閥的控制電壓量，從而實現對噴水壓力的控制。

為達到更好的控制效果，若采用數字增量式PID控制算法進行控制[12]，其控制規律為：

(4)

式中：u(t)為第t個采樣時刻系統的輸出量(控制電壓量)；e(t)為第t個采樣時刻系統的輸入量( 壓力偏差量)；KP為比例系數；Ki為積分系數；Kd為微分系數。在整個調整的過程中，因為KP、Ki、Kd值始終保持不變，導致系統跟蹤實時情況的能力較差，存在穩態誤差，效果不理想。

3.2 模糊PID控制算法

模糊 PID控制既有模糊控制的優點,又引入了PID控制穩態性好、 無靜差的優點 ,因此獲得了廣泛應用。以水壓力誤差信號e(t)和壓力誤差變化信號ec(t)作為模糊PID控制器的輸入，通過模糊規則推理，輸出ΔKP，ΔKi，ΔKd，同時又作為PID控制器的輸入，實時對PID控制器的3個參數進行修正，以滿足不同誤差e(t)和誤差變化ec(t)對控制參數的自適應調整，從而使得控制系統的動態性與穩態性能得到改善，控制精度得到提高，其結構如圖5所示。

圖5 模糊PID控制結構

從圖5中可得出，整個模糊PID控制器輸出具體值的整定關系式如下

(5)

式中：KPn、Kin、Kdn為整定前的值；ΔKP、ΔKi、ΔKd為經過模糊控制器輸出的修定調整值，它們一起作用于PID控制上，最終形成調整后的PID控制器的輸出值Kp(n+1)、Ki(n+1)、Kd(n+1)。

模糊控制器采用2輸入3輸出的控制結構，2輸入指：e(t)，ec(t) ；而ΔKP，ΔKi，ΔKd為3輸出量。它們的模糊論域取值均可定義為：負大[NB]，負中[NM]，負小[NS]，零[NO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]。系統誤差e(t)的線性變換范圍取值為[-0.6，+0.6]。2次采樣值的變化量為ec(t)，即ec(t)=e2(t)-e1(t)，論域取為[-0.06，+0.06]。通過對e(t)和ec(t)的實時檢測，在線修訂PID的每個參數，以達到不同e(t)和ec(t)下系統良好的控制要求。

三角形函數經常被作為各輸入輸出量的模糊化隸屬度函數，e(t)的隸屬函數如圖6所示。

圖6 e(t)的隸屬函數

3.3 確定模糊控制規則

根據SRP260輪胎式壓路機控制對象的特性，采用“IF E and EC THEN 輸出量”作為模糊控制的規則，其設計原則為：當誤差較大時，首要任務是盡可能快地調整使誤差迅速減小；當誤差較小時，應當在消除誤差的同時，使系統的穩定性得到保證，盡量避免產生超調和振蕩。具體的模糊控制規則見表1。

表1 模糊控制規則表

4 恒壓PID控制系統模型仿真結果與分析

在實際仿真時，參數k,T1,T2,τ可采用離線開環階躍響應辨識來確定，在開環狀態下，以階躍信號作為輸入信號，經大量試驗采集變頻調速系統的輸入輸出值，得到變頻調速系統的近似數學模型開環傳遞函數為：

(6)

為了檢驗系統的控制效果，通過調整系統傳遞函數參數的方法，采用Matlab軟件的Simulink和Fuzzy工具箱，搭建SRP260輪胎式壓路機灑水系統傳統PID 壓力控制仿真模型和模糊PID 控制系統的仿真模型。

在實際仿真時，以式(6)的數學模型作為控制對象，輸入單位幅值為1 MPa的階躍信號，仿真時間為100 ms，取PID的參數為KP=2，Ki=0.2，Kd=0.02，分別對傳統PID控制器和模糊PID控制器進行系統仿真，獲取階躍信號響應仿真曲線如圖7所示。

圖7 PID 控制的響應仿真曲線

由圖7可以看出，傳統PID控制曲線的上升時間為30 s，調整約為40 s，超調量為20%；模糊PID控制曲線的上升時間為28 s，調整為12 s。所以對于恒壓灑水控制系統而言，模糊PID控制比傳統PID控制的響應速度快，超調量小，振蕩幅度較小，控制效果較傳統PID更能滿足系統的控制要求。

5 結 語

本文設計了一種SPR260壓路機變頻恒壓灑水控制系統，并分別通過采用傳統PID閉環控制和模糊PID控制運算，實現對噴水壓力的恒壓控制，經仿真證明采用模糊PID控制技術實現恒壓的效果較傳統PID控制良好。