摊铺机功率自适应控制系统研究

刘广达，杨寅威，李翔

(1. 辽东学院机电工程学院，辽宁丹东118001;2. 中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116)

摊铺机是用于路面摊铺的专业设备，具有摊铺速度稳定、精度高等特点，广泛运用在各种高等级路面的施工中，是决定路面质量的关键所在［1］。

现代摊铺机的发展面临诸多问题，主要有路面精度控制和节能方面的问题［2］。首先，摊铺机找平系统受到路基平整度、螺旋分料器速度稳定性以及振捣器、熨平板的振动频率和摊铺机工作速度稳定性等因素的影响;另外，为了保证发动机不发生熄火，摊铺机操作员不得不将发动机油门置于最大位置处，这就导致大多数情况下的阻力矩都将低于发动机的额定转矩，发动机效率较低，资源浪费严重［3］。

针对摊铺机作业过程中存在的问题，结合有关功率自适应的理论，提出摊铺机功率自适应电液控制系统的研究，以期提高发动机在工作过程中的效率。首先，基于功率自适应原理，对摊铺机各主要组成部分进行了功率分析;然后在此基础上，建立摊铺机功率自适应控制系统的模型，对该系统的功率分配等进行了分析;最后，借助AMESim 软件，对建立的模型进行仿真，得到相应的仿真参数和性能曲线。仿真结果表明:摊铺机功率自适应控制系统能很好地解决发动机工作效率低下的问题。

1 摊铺机功率自适应控制系统分析及方案

对于一段已经拟定施工方案的公路，摊铺机在工作时的摊铺厚度和宽度都是确定的，因此生产率也是确定的，所以工作时刮板输料的速度、螺旋转速都应当与生产率保持匹配。要保证路面质量，摊铺速度也应该始终稳定在设定速度，振捣和振动频率也随摊铺速度而确定［4］。

由于摊铺机在工作时的载荷与摊铺宽度密切相关，所以有必要依据摊铺宽度的不同对油门进行分负载控制，以提高发动机工作效率;同时在不同的油门开度情况下对负载功率进行合理分配，促使发动机输出的功率与负载需求相匹配。

在摊铺机工作过程中，摊铺路面的平整度和初始密实度直接和摊铺速度相关，所以在摊铺参数(生产率、摊铺厚度等)一定的情况下，摊铺机行驶速度应该保持不变。因此，摊铺机功率自适应控制系统不能像其他连续作业的路面机械一样靠调节作业速度来使负载功率与发动机功率匹配［5－7］。

结合以上分析，针对摊铺机工作过程中发动机效率低下提出的解决方案是:根据作业时的不同宽度，对发动机油门进行划分，一个油门位置对应一个摊铺宽度;同时对行走变量泵的排量进行实时调节，以保证摊铺速度不变;对发动机速度进行检测，当速度出现波动时，调节螺旋分料器的分料转速以减小其波动。

根据前面的分析，文中对于每个油门位置所对应的功率自适应控制方案如图1 所示。

图1 摊铺机功率自适应控制方案

该控制方案的作用原理是:开始工作时，根据摊铺宽度的不同将发动机油门置于适当位置，通过速度电位器设定摊铺速度、螺旋电位器设定螺旋转速，此时各变量机构按照输入电压大小把泵排量设定在对应的大小。当摊铺机作业时，通过检测行走马达转速的变化进而调整行走液压泵的排量，使机器的作业速度保持不变;通过检测发动机转速进而控制螺旋分料液压泵的排量，使发动机速度稳定。如果发动机的转速升高，说明功率富余，此时升高螺旋转速，使螺旋部分消耗的功率上升;如果发动机转速降低，说明整机消耗的功率升高，此时控制液压泵降低螺旋转速，减小螺旋部分消耗的功率。

2 摊铺机功率自适应控制系统建模

要对摊铺机的功率自适应系统稳态及动态性能进行研究，必须建立在一个已有的正确的数学模型的基础上。结合摊铺机已有研究成果，充分利用各种理论依据，对该控制系统的发动机、行走部、螺旋等主要组成部分进行了数学建模。

理论和实验研究表明，发动机的输出转矩是油门位置和转速的函数。根据电枢回路的电压平衡方程、电机的磁转方程和电机的转矩平衡方程得到油门开度与输入电压方块图［8］(见图2)。

图2 油门开度与输入电压方块图

对比例电磁铁和泵控马达建立数学模型，分别得到其传递函数方块图［9］，如图3、图4 所示。

图3 比例电磁铁输入电压与衔铁位移方块图

图4 马达转速与控制阀芯位移方块图

另得到行走马达转速与发动机输出转矩方块图(图5)和速度传感器传递函数框图［10］(图6)。

图5 行走马达转速与发动机输出转矩方块图

图6 速度传感器传递函数框图

根据以上建立的模型，连接可得到行走部分的总模型，如图7 所示。

图7 行走系统总模型

与行走系统一样，螺旋分料系统也是采用比例阀控液压缸来调节变量泵的变量机构，从而达到调速的目的。根据前文的泵控马达系统的模型，这里假设两马达其他参数都一样，只是马达排量不一样，因此可根据前文的计算结果得到螺旋系统泵控马达模型的传递函数框图见图8。

图8 马达转速与控制阀芯位移方块图

螺旋马达转速与发动机输出扭矩方块图如图9 所示。

图9 螺旋马达转速与发动机输出扭矩方块图

由以上框图联立，可得螺旋系统的总模型，见图10。

依据前文建立的各个子模型，可以得到本文所研究的摊铺机功率自适应控制系统的数学模型，如图11 所示。

图10 螺旋系统模型

图11 摊铺机功率自适应控制系统数学模型

3 摊铺机功率自适应控制系统仿真

前面对摊铺机的功率自适应控制系统进行了详细的分析并提出了控制策略，建立了数学模型，接下来将在前面建立的模型的基础上，利用AMESim 软件对系统进行仿真分析。

发动机模型如图12 所示，图中模型共有7 个信号接口。

图12 发动机模型

其中，信号口1 输入的是发动机转速，同时向负载提供转矩;信号口2 返回系统的废气温度、流量以及尾气中各种成分的含量指标等;信号口3 返回的是发动机的平均有效压力(BMEP);信号口4 返回的是冷启动时系统的功率损失，通常用于起动时司机调整负载要求，在混合动力时该口不用;信号口5 是一个多路复用输入接口，共可同时接受4 个信号:负载需求、燃烧模式、以及燃烧热释放系数和怠速模式;信号口6 给出系统燃烧热功率损失并返回发动机缸内温度;信号口7 返回冷却液温度。

对于螺旋分料机构，在假设物料供应充足的情况下，螺旋工作的阻力应该保持不变，因此这里将工作阻力简化为一常值，并通过函数添加。摊铺机行走部分液压系统同螺旋部分液压系统相似，变量泵模型为PU003，定量马达模型为MO001。在马达输出端加上了速度传感器，用于检测行走速度，负载通过函数添加。其中，工作负载通过阶跃函数加载后经轮边减速器转化为扭矩进入系统。在AMESim 软件中对摊铺机功率自适应系统进行建模，得到该控制系统的模型如图13 所示。

图13 摊铺机功率自适应系统仿真模型

4 仿真结果

根据文中所研究的摊铺机型号和技术参数，控制系统的各项参数如表1 所示。需要对各仿真加载参数进行设置。根据国家标准《公路沥青路面施工技术规范》(JTG F40-2004)中的要求，结合文中所研究的摊铺机的具体参数，加载参数值如表2 所示。

为简化仿真过程，对摊铺机工作情况进行必要简化。为方便观察，施加的负载均为理想负载，摊铺各部分均有料，摊铺的路面质量假设良好，且纵坡、横坡坡度均为0。限于篇幅，文中仅给出摊铺宽度B =12.5 m 的仿真结果。

表1 各系统参数

表2 系统加载参数

如图14 所示，是阶跃负载下摊铺机的速度变化曲线。

图15 所示为阶跃负载时行走部分消耗的功率曲线。结果表明:系统未采用功率自适应控制时控制效果与已采用的有差别，但相差较小。

图14 行走速度曲线(B=12.5 m)

图15 行走功率曲线(B=12.5 m)

图16 所示为阶跃负载下螺旋分料器的转速变化曲线，可看出在:进行了功率自适应控制之后，螺旋能根据需要进行速度控制。

图17 为阶跃负载下螺旋分料器消耗的功率变化曲线。由曲线2 看出，进行了功率自适应控制后，在撞击自卸卡车时，螺旋功率减小并随着发动机转速的稳定而稳定。

图16 螺旋转速曲线(B=12.5 m)

图17 螺旋功率曲线(B=12.5 m)

图18 为发动机转速变化曲线。在进行了功率自适应控制之后，发动机波动变化明显小于原系统，这对稳定输出功率有好处，并且发动机始终工作在最少节能点附近有助于减少系统油耗。

图19 所示为发动机输出功率曲线。由曲线2 可以看出:在进行了功率自适应控制之后，发动机输出更加稳定，在顶推自卸卡车时的功率波动明显降低，自适应效果良好。

图18 发动机转速曲线(B=12.5 m)

图19 发动机功率曲线(B=12.5 m)

5 结论

通过对摊铺机进行功率自适应调节，在顶推自卸卡车前进时，行走速度受到的影响明显较原系统小，受影响路面距离也短;螺旋在检测到发动机转速波动时，能对自身转速自动进行调节，很好地抑制了发动机转速的波动，使发动机始终输出较稳定的转速和功率，这对发动机的节能控制有好处。据相关文献研究表明，对于搭载BF6M1013 型发动机的CLG509 摊铺机，当发动机工作在额定转速2 300 r/min，在对自卸卡车进行撞击的瞬间，发动机掉速达到了50 r/min以上，恢复原转速时间超过10 s，受影响路面距离达到0.73 m［11］。因此，摊铺机功率自适应控制系统具有较好的控制性能，在提高路面质量、控制发动机转速波动、匹配功率以及节能等几方面都有较大的好处。

［1］解睿．沥青混合料摊铺机“输－分料”系统粒料运行机理研究［D］．重庆:重庆交通大学，2008．

［2］于槐三．摊铺机设计(二)［J］．建筑机械，2004(8):89－93．

［3］唐相伟．摊铺机作业速度与DSP 行驶控制器研究［D］．西安:长安大学，2005．

［4］郝鹏．基于DSP 的沥青混凝土摊铺机行驶系统数字控制器的研究［D］．西安:长安大学，2003．

［5］于槐三．摊铺机设计(三)［J］．建筑机械，2004(9):83－89．

［6］于槐三．摊铺机设计(五)［J］．建筑机械，2004(11):106－109．

［7］于槐三．摊铺机设计(四)［J］．建筑机械，2004(10):86－88．

［8］姚怀新．工程机械发动机原理与性能［M］．北京:人民交通出版社，2007．

［9］王春行．液压控制系统［M］．北京:机械工业出版社，1999．

［10］马鹏宇．冷铣刨机功率自适应控制系统研究［D］．西安:长安大学，2008．

［11］莫德志．使用自卸车对沥青摊铺机施工的影响［J］．工程机械文摘，2007(2):7－8．