基于預(yù)應(yīng)力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)設(shè)計

孫建禹

(重慶交院和瑞工程檢測技術(shù)有限公司,重慶 402247)

0 引言

路面施工工藝水平作為影響我國公路使用壽命的主要因素，其施工過程中瀝青混凝土路面攤鋪機的可靠性與穩(wěn)定性對施工路面質(zhì)量有著很大影響[1]?，F(xiàn)有瀝青混凝土路面攤鋪機由于結(jié)構(gòu)參數(shù)不穩(wěn)定，導(dǎo)致攤鋪機攤鋪速度與供料速度受到影響，出現(xiàn)路面結(jié)構(gòu)服役表現(xiàn)較差的情況。攤鋪機整體力學(xué)性能不僅取決于各部分設(shè)施本身性能，也取決于各設(shè)施之間的整體協(xié)調(diào)性[2]。為提升攤鋪機工作性能，相關(guān)學(xué)者對瀝青混凝土路面攤鋪機的控制系統(tǒng)做出了研究。文獻[3]提出基于CAN總線的攤鋪控制系統(tǒng)設(shè)計。根據(jù)模糊PID控制及CAN總線技術(shù)控制攤鋪機速度，根據(jù)抗干擾技術(shù)實現(xiàn)脈沖群測試；文獻[4]提出基于模糊PID算法的攤鋪機控制器設(shè)計，利用距離差相關(guān)聯(lián)度控制攤鋪機速度，設(shè)計系統(tǒng)軟硬件并作出調(diào)試。上述研究均有一定的有效性，但在攤鋪機控制性能方面還有待提升。

針對上述問題，提出基于預(yù)應(yīng)力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)設(shè)計。分別設(shè)計了行駛控制器、輸分料控制器、中央控制器硬件部分；在此基礎(chǔ)上根據(jù)輸分料預(yù)應(yīng)力控制結(jié)構(gòu)得到預(yù)應(yīng)力損失模型，根據(jù)預(yù)應(yīng)力板底摩阻力控制結(jié)構(gòu)得到板底摩擦系數(shù)，通過結(jié)點形函數(shù)均勻分配攤鋪機運行過程中摩擦阻力，以此自動控制輸分料預(yù)應(yīng)力與控制板底摩阻力，提升整體路面結(jié)構(gòu)服役可靠度。

1 預(yù)應(yīng)力瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 行駛控制器硬件設(shè)計

行駛控制器是攤鋪機控制系統(tǒng)的基本部分，行駛控制器硬件部分主要包括CAN-BUS總線接口、電源、輸出與輸入端口以及處理器。行駛控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 行駛控制器硬件結(jié)構(gòu)

通過CAN-BUS總線接口接收行駛控制信號，根據(jù)輸入、輸出端口及處理器完成行駛控制，并通過驅(qū)動器將控制信號傳輸給攤鋪機控制系統(tǒng)。選擇ARM(advanced RISC machines)的RISC處理器作為控制核心，實現(xiàn)對瀝青混凝土路面攤鋪機工作狀態(tài)檢測控制。處理器采用32位嵌入式精簡指令，支持包括uClinux、RTLinux、vxWorks、μc/os-Ⅱ等操作系統(tǒng)，滿足整體系統(tǒng)多種控制需求。RISC處理器采用統(tǒng)一寄存器文件，數(shù)據(jù)處理僅對寄存器內(nèi)容進行，不直接對存儲器進行操作。處理器同時配備16位Thumb指令集，允許軟件編碼縮短，其處理與存儲部分可連續(xù)工作，支持在執(zhí)行一條指令時對譯碼下一條指令，并同時從存儲器中提取第3條指令，增加整體處理器指令處理速度。

行駛處理器輸入量分為轉(zhuǎn)向電位器、驅(qū)動手柄電位器以及速度預(yù)選電位器3部分模擬信號[5]。3部分模擬信號分別控制攤鋪機轉(zhuǎn)向功能、行駛速度無極調(diào)節(jié)以及攤鋪機恒速控制。3路模擬信號通過RISC處理器內(nèi)部自帶A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，同時在轉(zhuǎn)向電位器輸入電阻與驅(qū)動手柄電位器旁各并聯(lián)一個0.1μE電容作為低通濾波器，降低輸入端電壓尖峰干擾[6]。

由于攤鋪機只提供+24V直流電源，因此行駛控制器電源部分采用+12V與+5V供電電源，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器提供+3.3V參考電壓，為其他工作芯片提供+12V穩(wěn)定電壓。

由于行駛控制器對電壓要求較高，且運行過程中功耗較大，因此選擇SXP1117低功耗正向電壓轉(zhuǎn)換芯片，作為可調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換芯片，支持1.5V、1.8V、2.5V、2.85V以及5 V輸出電壓，保證整體行駛控制器穩(wěn)定運行。

1.2 輸分料控制器硬件設(shè)計

攤鋪機分為左、右兩個輸料與分料裝置，其中輸分料控制器分為料斗、輸送器、閘門、刮板以及螺旋分料器等部分[7]。輸分料控制根據(jù)厚度測量傳感器得到相應(yīng)輸出電流，控制分料器螺旋分料速度與刮板開度，并測試整體分料輸出與路面預(yù)應(yīng)力，測試實際攤鋪層厚度[8]?？刂破鞑捎肧D1624溫度傳感器、超聲波傳感器PWM輸出、CAN總線通信部分以及P87C591微控制器，其輸分料控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 輸分料控制器硬件結(jié)構(gòu)

輸分料控制器中P87C591主控芯片除控制超聲波測距與攤鋪機實時料位高度外，同樣會根據(jù)鋪料實時高度控制輸料電磁閥、左右刮板輸料速度與左、右螺旋分料器分料速度。P87C591主控芯片帶有3個16位定時計數(shù)器，支持2路脈寬調(diào)制輸出，同時帶有I2C總線與溫度傳感器DS1624，通過總線完成通信，對攤鋪機工作實施狀態(tài)監(jiān)測[9]。P87C591內(nèi)部具有16K字節(jié)程序存儲器，外部存儲可擴展到64K字節(jié)，帶有6路模擬輸入10為ADC，并支持8位快速ADC選擇，8位結(jié)果保存在ADCH寄存器中。帶有標(biāo)準(zhǔn)801C51引腳的32個I/O口，加速周期指令500ns@12MHz。同時包含兩路脈沖寬調(diào)制輸出通道，產(chǎn)生編程寬度與間隔脈沖[10]。整體控制器包含15個中斷源，5個與80C51相同的終端電源分為串口中斷、定時器0與1中斷以及外部中斷。每個中斷源通過清零終端或位置終端使IEN0與IEN1寄存器實現(xiàn)單獨使用與停止。

整體輸分料控制器各組成部分電源需求不同，因此設(shè)計一個供電電源模塊，對各部分控制器組成提供不同電源[11]。主電源為攤鋪機提供的+24V電源，主要供應(yīng)超聲波傳感器+15V直流電源、CAN通訊電路隔離5V直流電源以及工作芯片+5V電源。

輸分料控制器采用POWER電瓶提供整體+24V直流電壓，直接為電磁閥控制電路提供電壓。同時將POWER直流電壓與ADS10H-4858相連，轉(zhuǎn)換為+5V直流電壓，為溫度補償電路與超聲波處理電路工作芯片供電。

1.3 中央控制器硬件設(shè)計

中央控制器主要為操作面板與顯示界面，其主要分為CAN總線通信、專用PVC鍵盤模塊以及LCD液晶顯示模塊3部分[12]。其中CAN總線通信模塊與各下位機負責(zé)數(shù)據(jù)通信，PVC鍵盤負責(zé)將控制指令下發(fā)至各個設(shè)施，而LCD液晶顯示模塊則根據(jù)鍵盤下發(fā)指令，實時顯示攤鋪機工作狀態(tài)。其中央控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 中央控制器硬件結(jié)構(gòu)

中央控制器是處理各種信號并傳達指令的模塊，根據(jù)LCD顯示接受待處理任務(wù)，通過PVC鍵盤完成控制攤鋪機制動、速度與方向控制、參數(shù)設(shè)定以及分料控制等功能，通過CAN總線保證實時通訊，將中央控制信號傳輸至攤鋪機控制系統(tǒng)各個模塊。中央控制器采用ARM微控制器LPC2294微控制器，支持實時仿真與跟蹤32位CPU，并嵌入256K字節(jié)高速存儲器[13]。LPC2294微控制器有著多個I/O接口與4路驗收濾波器CAN接口，CAN接口具有9個外部中斷，便于處理多個中斷信號。

中央控制器使用T6963C液晶控制顯示器，支持圖形、文本及圖形與文本合成方式顯示以及圖形拷貝操作，采用CGROM內(nèi)部字符發(fā)生器，可管理64K顯示緩沖區(qū)以及CGRAM字符發(fā)生器，并允許MPU隨時訪問顯示緩沖區(qū)。其指令操作主要集中于實現(xiàn)功能設(shè)置，每條指令可帶有1條、2條參數(shù)或無參數(shù)[14]。操作指令先送入?yún)?shù)后，再送入指令代碼，實現(xiàn)與行、列驅(qū)動器以及顯示緩沖區(qū)接口連接，同時利用已有硬件設(shè)備設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸方式與窗口顯示長寬度。

PVC鍵盤采用標(biāo)準(zhǔn)化兼容通用鍵盤接口分別用于控制攤鋪機制動、速度與方向控制、參數(shù)設(shè)定以及分料控制等功能。

CAN總線通信采用多種方式，實現(xiàn)任意節(jié)點可自動向其他節(jié)點發(fā)送信息。通信協(xié)議主要受SJA1000控制器操作，采用PeliCAN方式與BasicCAN兼容方式實現(xiàn)軟件兼容[15]。整體分為光電偶合器、CAN總線收發(fā)器以及微控制器幾部分，通過SJA1000實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送等通信任務(wù)。

2 預(yù)應(yīng)力瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 輸分料預(yù)應(yīng)力損失模型

輸分料預(yù)應(yīng)力控制主要包括DS1624初始化工作、I2C初始化以及CAN總線初始化等多個工作部分，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輸分料預(yù)應(yīng)力控制結(jié)構(gòu)

輸分料預(yù)應(yīng)力控制由DS1624測量得到當(dāng)前工作環(huán)境溫度，調(diào)整超聲波測距程序根據(jù)溫度補償公式得到更加精準(zhǔn)輸分料距離值。通過PID算法得到控制值，控制電磁閥開度。測距料位控制器作為一個子程序，在微控制器P87C591產(chǎn)生出發(fā)脈沖數(shù)據(jù)后，啟動DS1624，計算環(huán)境溫度對測距值帶來的誤差，得到精確物料厚度。輸分料過程中，預(yù)應(yīng)力筋與周圍混凝土之間摩阻損失σ為：

σ=σk[1-e-(μθ+kx)]

(1)

其中：σk為預(yù)應(yīng)力張拉控制力；μ為預(yù)應(yīng)力摩擦系數(shù)；θ為張拉端與計算點間預(yù)應(yīng)力角度變化絕對值；k為路面局部偏差摩擦系數(shù)；x為張拉端與計算點水平距離。

當(dāng)μθ+kx≤0.2時，摩阻損失σ為：

σ=σk(μθ+kx)

(2)

根據(jù)摩阻損失，分析出在輸分料錨具與預(yù)應(yīng)力筋滑動過程中損失為：

(3)

其中：Es為預(yù)應(yīng)力筋彈性模量；α為張拉端錨具鋼筋變形值；l為輸分料過程中張拉端至錨固端距離。

輸分料過程中受到滑動損失影響，預(yù)應(yīng)力筋出現(xiàn)松弛引起預(yù)應(yīng)力損失σ3：

(4)

(5)

其中：Es為混凝土彈性模量；Pi為張拉過程中第i根預(yù)應(yīng)力筋扣除摩阻損失；ei為第i根筋偏心距離；e為所計算預(yù)應(yīng)力筋偏心距離。

在偏心距ek處第k根預(yù)應(yīng)力筋用張拉力時，偏心距ej處的第j根預(yù)應(yīng)力筋張拉力下降值為：

(6)

其中：Ap為預(yù)應(yīng)力筋截面面積；Pk為偏心距第k根預(yù)應(yīng)力筋張拉力。

在預(yù)應(yīng)力筋張拉力下降過程中，后張法構(gòu)件損失為：

(7)

其中：σPC為預(yù)應(yīng)力筋合力點出混凝土法向應(yīng)力；Fcu為施加預(yù)應(yīng)力后混凝土抗壓強度；ρ為預(yù)應(yīng)力筋與非預(yù)應(yīng)力筋配筋率。

在輸分料過程中各預(yù)應(yīng)力損失不會同時發(fā)生，根據(jù)預(yù)應(yīng)力損失出現(xiàn)的先后與全部完成時間在預(yù)適應(yīng)力階段與使用階段其預(yù)應(yīng)力損失模型為：

(8)

輸分料預(yù)應(yīng)力控制根據(jù)實際施工時所測得預(yù)應(yīng)力實際損失值，調(diào)整整體輸分料預(yù)應(yīng)力情況。

在整體控制過程中UB2000-30GM-H3超聲波傳感器測量范圍在100mm～200mm內(nèi)，得到整體返回數(shù)據(jù)后，在路面無粘結(jié)情況下，路面無粘結(jié)筋在錨固定端與混凝土結(jié)合，但混凝土與無粘結(jié)筋之間不存在變協(xié)調(diào)關(guān)系。因此路面施加預(yù)應(yīng)力，將其作為一種施加預(yù)應(yīng)力損失，考慮預(yù)應(yīng)力沿板長變化，完成輸分料預(yù)應(yīng)力調(diào)整。

2.2 預(yù)應(yīng)力板底摩阻力控制結(jié)構(gòu)

瀝青混凝土攤鋪機需要完成任務(wù)較為復(fù)雜，整體控制通過多任務(wù)操作，完成建立任務(wù)、改變?nèi)蝿?wù)狀態(tài)與任務(wù)切換。使用μc/os-Ⅱ操作系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 預(yù)應(yīng)力板底摩阻力控制結(jié)構(gòu)

在接收到中央控制任務(wù)后，根據(jù)任務(wù)需求計算行駛過程中地板摩阻力，實時調(diào)整攤鋪機運行情況。該控制結(jié)構(gòu)的目的是控制預(yù)應(yīng)力板底摩阻力，最大程度消除攤鋪機運行過程中摩擦阻力并平均分配剩余的摩擦力，實現(xiàn)攤鋪機平穩(wěn)運行。在預(yù)適應(yīng)力、車輛載荷以及溫度等條件影響下，通過任務(wù)指令數(shù)據(jù)模塊得到摩擦阻力值，摩擦阻力并非沿板底非均勻分布，摩阻系數(shù)μ不是常數(shù)，其數(shù)值受到底板位移影響。為減少路面基層摩阻影響，混凝土路面板下均勻鋪設(shè)砂層，在沿板長某個斷面上，假設(shè)板底摩阻力均勻分布，在不考慮摩阻力影響情況下，通過AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)模塊求出各斷面水平向最大位移并確定出摩阻系數(shù)為：

τ=μγw

(9)

其中：γ為摩擦阻抗值；w為板底位移距離。

當(dāng)w≥0.6mm時，摩擦系數(shù)μ=fr為給定值；當(dāng)w≤0.6mm時，得到：

μ0=wfr/0.6

(10)

通過攤鋪機板底位移距離確定摩擦系數(shù)值，通過PID調(diào)節(jié)設(shè)置摩擦系數(shù)值，自動生成各結(jié)點形函數(shù)，均勻分配攤鋪機運行過程中摩擦阻力，消除整體控制過程中摩阻力對板底位移帶來的影響。

3 仿真實驗

設(shè)計仿真實驗，對基于預(yù)應(yīng)力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)有效性進行分析，并與文獻[3]、文獻[4]方法實施對比，針對攤鋪機服役可靠性展開實驗，實驗在3組系統(tǒng)各項參數(shù)相同情況下進行。

3.1 實驗準(zhǔn)備

根據(jù)瀝青路面三層結(jié)構(gòu)，其路基厚度變化范圍較大，且道路各層材料介電常數(shù)存在差異，因此采用探地雷達，分析路面瀝青混凝土路面切塊各項指標(biāo)參數(shù)與異常體參數(shù)。在實驗過程中，現(xiàn)場實驗路段中下層攤鋪機攤鋪厚度為15cm，考慮到各項客觀因素影響，允許誤差控制在10%以內(nèi)。整體路面利用兩種控制方法操作同一型號攤鋪機進行，攤鋪寬度為6m，前進速度為1.5～2m/min，整體路面攤鋪厚度施工倉面為6m×50m。在載荷作用下，路面邊角與邊界處更容易出現(xiàn)異常，因此實驗掃描選取邊角與邊界多個隨機點，每個測試點選取邊長為1m正方形區(qū)域，每個測試點都存在一定間隔，分析各測試點平均值。

3.2 實驗結(jié)果

根據(jù)實驗條件，觀察3組系統(tǒng)控制下攤鋪機服役可靠性參數(shù)。攤鋪機服役可靠性參數(shù)是衡量攤鋪機服役可靠性的關(guān)鍵因素，在保證外界其他條件下，攤鋪機服役可靠性參數(shù)越高，攤鋪機服役可靠性越低，同時與攤鋪機控制能力成反比。隨著載承載力的變化，攤鋪機服役可靠性參數(shù)變化程度如圖6所示。

圖6 文獻[3]所提系統(tǒng)實驗結(jié)果

由圖6可以看出，隨著攤鋪機的承載力不斷增加，攤鋪機服役可靠性參數(shù)發(fā)生了函數(shù)性質(zhì)的規(guī)律變化。極限值超過0.009，說明此系統(tǒng)控制下的攤鋪機能夠得到有效控制，但是隨著承載力的增加，控制效果明顯出現(xiàn)偏差，不能保證攤鋪機平穩(wěn)地運行。

如圖7所示，攤鋪機服役可靠性參數(shù)隨著承載力的增加，變化規(guī)律較亂。極限值為0.008，控制性較好，但在承載力超過15 000N后控制效果明顯出現(xiàn)偏差，不能保證攤鋪機的平穩(wěn)運行。

圖7 文獻[4]所提系統(tǒng)實驗結(jié)果

如圖8所示，承載力不斷增加過程中攤鋪機服役可靠性參數(shù)發(fā)生了間歇式的循環(huán)，并且循環(huán)幅度不大，最高峰值平穩(wěn)在0.006。所設(shè)計系統(tǒng)在硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了輸分料預(yù)應(yīng)力損失模型，根據(jù)該模型計算環(huán)境溫度對測距值帶來誤差，得到精確的物料厚度。分析預(yù)應(yīng)力板底摩阻力并設(shè)計了預(yù)應(yīng)力板底摩阻力控制結(jié)構(gòu)，通過該控制結(jié)構(gòu)均勻分配攤鋪機運行過程中摩擦阻力，消除整體控制過程中摩阻力對板底位移帶來影響。與上述控制系統(tǒng)相比較，此系統(tǒng)隨著承載力變化也能夠穩(wěn)定控制攤鋪機，并且不會出現(xiàn)控制斷代，有效地保證了攤鋪機的運行。

圖8 預(yù)應(yīng)力控制系統(tǒng)實驗結(jié)果

4 結(jié)語

基于預(yù)應(yīng)力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統(tǒng)設(shè)計是一種新型智能化控制系統(tǒng)，其中包括鋪路機輸分料控制器與中央控制器。本系統(tǒng)在工作過程中自動計算路面預(yù)應(yīng)力，提高了整體路面服役結(jié)構(gòu)可靠度和整體瀝青混凝土路面攤鋪機管理水平。實驗結(jié)果表明，在承載力不斷增加過程中攤鋪機服役可靠性參數(shù)發(fā)生了間歇式的循環(huán)，且最高峰值平穩(wěn)在0.006，能夠有效保證攤鋪機穩(wěn)定、可靠地運行。