基于預應力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統設計

孫建禹

(重慶交院和瑞工程檢測技術有限公司,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定性對施工路面質量有著很大影響[1]。現有瀝青混凝土路面攤鋪機由于結構參數不穩定，導致攤鋪機攤鋪速度與供料速度受到影響，出現路面結構服役表現較差的情況。攤鋪機整體力學性能不僅取決于各部分設施本身性能，也取決于各設施之間的整體協調性[2]。為提升攤鋪機工作性能，相關學者對瀝青混凝土路面攤鋪機的控制系統做出了研究。文獻[3]提出基于CAN總線的攤鋪控制系統設計。根據模糊PID控制及CAN總線技術控制攤鋪機速度，根據抗干擾技術實現脈沖群測試；文獻[4]提出基于模糊PID算法的攤鋪機控制器設計，利用距離差相關聯度控制攤鋪機速度，設計系統軟硬件并作出調試。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，提出基于預應力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統設計。分別設計了行駛控制器、輸分料控制器、中央控制器硬件部分；在此基礎上根據輸分料預應力控制結構得到預應力損失模型，根據預應力板底摩阻力控制結構得到板底摩擦系數，通過結點形函數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應力與控制板底摩阻力，提升整體路面結構服役可靠度。

1 預應力瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統硬件設計

1.1 行駛控制器硬件設計

行駛控制器是攤鋪機控制系統的基本部分，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。行駛控制器硬件結構如圖1所示。

圖1 行駛控制器硬件結構

通過CAN-BUS總線接口接收行駛控制信號，根據輸入、輸出端口及處理器完成行駛控制，并通過驅動器將控制信號傳輸給攤鋪機控制系統。選擇ARM(advanced RISC machines)的RISC處理器作為控制核心，實現對瀝青混凝土路面攤鋪機工作狀態檢測控制。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，滿足整體系統多種控制需求。RISC處理器采用統一寄存器文件，數據處理僅對寄存器內容進行，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工作，支持在執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向電位器、驅動手柄電位器以及速度預選電位器3部分模擬信號[5]。3部分模擬信號分別控制攤鋪機轉向功能、行駛速度無極調節以及攤鋪機恒速控制。3路模擬信號通過RISC處理器內部自帶A/D轉換器進行轉換，同時在轉向電位器輸入電阻與驅動手柄電位器旁各并聯一個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，為數據轉換器提供+3.3V參考電壓，為其他工作芯片提供+12V穩定電壓。

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低功耗正向電壓轉換芯片，作為可調節電壓轉換芯片，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定運行。

1.2 輸分料控制器硬件設計

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]。輸分料控制根據厚度測量傳感器得到相應輸出電流，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應力，測試實際攤鋪層厚度[8]。控制器采用SD1624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構如圖2所示。

圖2 輸分料控制器硬件結構

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位定時計數器，支持2路脈寬調制輸出，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監測[9]。P87C591內部具有16K字節程序存儲器，外部存儲可擴展到64K字節，帶有6路模擬輸入10為ADC，并支持8位快速ADC選擇，8位結果保存在ADCH寄存器中。帶有標準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制輸出通道，產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數據通信，PVC鍵盤負責將控制指令下發至各個設施，而LCD液晶顯示模塊則根據鍵盤下發指令，實時顯示攤鋪機工作狀態。其中央控制器硬件結構如圖3所示。

圖3 中央控制器硬件結構

中央控制器是處理各種信號并傳達指令的模塊，根據LCD顯示接受待處理任務，通過PVC鍵盤完成控制攤鋪機制動、速度與方向控制、參數設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內部字符發生器，可管理64K顯示緩沖區以及CGRAM字符發生器，并允許MPU隨時訪問顯示緩沖區。其指令操作主要集中于實現功能設置，每條指令可帶有1條、2條參數或無參數[14]。操作指令先送入參數后，再送入指令代碼，實現與行、列驅動器以及顯示緩沖區接口連接，同時利用已有硬件設備設置數據傳輸方式與窗口顯示長寬度。

PVC鍵盤采用標準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、參數設定以及分料控制等功能。

CAN總線通信采用多種方式，實現任意節點可自動向其他節點發送信息。通信協議主要受SJA1000控制器操作，采用PeliCAN方式與BasicCAN兼容方式實現軟件兼容[15]。整體分為光電偶合器、CAN總線收發器以及微控制器幾部分，通過SJA1000實現數據接收與發送等通信任務。

2 預應力瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統軟件設計

2.1 輸分料預應力損失模型

輸分料預應力控制主要包括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，其結構如圖4所示。

圖4 輸分料預應力控制結構

輸分料預應力控制由DS1624測量得到當前工作環境溫度，調整超聲波測距程序根據溫度補償公式得到更加精準輸分料距離值。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產生出發脈沖數據后，啟動DS1624，計算環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，預應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為預應力張拉控制力；μ為預應力摩擦系數；θ為張拉端與計算點間預應力角度變化絕對值；k為路面局部偏差摩擦系數；x為張拉端與計算點水平距離。

當μθ+kx≤0.2時，摩阻損失σ為：

σ=σk(μθ+kx)

(2)

根據摩阻損失，分析出在輸分料錨具與預應力筋滑動過程中損失為：

(3)

其中：Es為預應力筋彈性模量；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，預應力筋出現松弛引起預應力損失σ3：

(4)

(5)

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

在偏心距ek處第k根預應力筋用張拉力時，偏心距ej處的第j根預應力筋張拉力下降值為：

(6)

其中：Ap為預應力筋截面面積；Pk為偏心距第k根預應力筋張拉力。

在預應力筋張拉力下降過程中，后張法構件損失為：

(7)

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

在輸分料過程中各預應力損失不會同時發生，根據預應力損失出現的先后與全部完成時間在預適應力階段與使用階段其預應力損失模型為：

(8)

輸分料預應力控制根據實際施工時所測得預應力實際損失值，調整整體輸分料預應力情況。

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，得到整體返回數據后，在路面無粘結情況下，路面無粘結筋在錨固定端與混凝土結合，但混凝土與無粘結筋之間不存在變協調關系。因此路面施加預應力，將其作為一種施加預應力損失，考慮預應力沿板長變化，完成輸分料預應力調整。

2.2 預應力板底摩阻力控制結構

瀝青混凝土攤鋪機需要完成任務較為復雜，整體控制通過多任務操作，完成建立任務、改變任務狀態與任務切換。使用μc/os-Ⅱ操作系統，其結構如圖5所示。

圖5 預應力板底摩阻力控制結構

在接收到中央控制任務后，根據任務需求計算行駛過程中地板摩阻力，實時調整攤鋪機運行情況。該控制結構的目的是控制預應力板底摩阻力，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，實現攤鋪機平穩運行。在預適應力、車輛載荷以及溫度等條件影響下，通過任務指令數據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μ不是常數，其數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砂層，在沿板長某個斷面上，假設板底摩阻力均勻分布，在不考慮摩阻力影響情況下，通過AD轉換數據模塊求出各斷面水平向最大位移并確定出摩阻系數為：

τ=μγw

(9)

其中：γ為摩擦阻抗值；w為板底位移距離。

當w≥0.6mm時，摩擦系數μ=fr為給定值；當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值，通過PID調節設置摩擦系數值，自動生成各結點形函數，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

設計仿真實驗，對基于預應力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統有效性進行分析，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組系統各項參數相同情況下進行。

3.1 實驗準備

根據瀝青路面三層結構，其路基厚度變化范圍較大，且道路各層材料介電常數存在差異，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參數與異常體參數。在實驗過程中，現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。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 實驗結果

根據實驗條件，觀察3組系統控制下攤鋪機服役可靠性參數。攤鋪機服役可靠性參數是衡量攤鋪機服役可靠性的關鍵因素，在保證外界其他條件下，攤鋪機服役可靠性參數越高，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變化程度如圖6所示。

圖6 文獻[3]所提系統實驗結果

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發生了函數性質的規律變化。極限值超過0.009，說明此系統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，控制效果明顯出現偏差，不能保證攤鋪機平穩地運行。

如圖7所示，攤鋪機服役可靠性參數隨著承載力的增加，變化規律較亂。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偏差，不能保證攤鋪機的平穩運行。

圖7 文獻[4]所提系統實驗結果

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發生了間歇式的循環，并且循環幅度不大，最高峰值平穩在0.006。所設計系統在硬件設計的基礎上，構建了輸分料預應力損失模型，根據該模型計算環境溫度對測距值帶來誤差，得到精確的物料厚度。分析預應力板底摩阻力并設計了預應力板底摩阻力控制結構，通過該控制結構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。與上述控制系統相比較，此系統隨著承載力變化也能夠穩定控制攤鋪機，并且不會出現控制斷代，有效地保證了攤鋪機的運行。

圖8 預應力控制系統實驗結果

4 結語

基于預應力計算的瀝青混凝土路面攤鋪機控制系統設計是一種新型智能化控制系統，其中包括鋪路機輸分料控制器與中央控制器。本系統在工作過程中自動計算路面預應力，提高了整體路面服役結構可靠度和整體瀝青混凝土路面攤鋪機管理水平。實驗結果表明，在承載力不斷增加過程中攤鋪機服役可靠性參數發生了間歇式的循環，且最高峰值平穩在0.006，能夠有效保證攤鋪機穩定、可靠地運行。