SPR260压路机变频恒压洒水控制系统设计

门延会，程艳奎，沈 涛，门新延

(1.四川宜宾职业技术学院 现代制造工程系，四川 宜宾 644003； 2.陕西建设机械股份有限公司，陕西 西安 710032)

0 引 言

压路机是公路施工机械中的重要设备之一，为保证良好的压实效果，防止在压实过程中沥青粘结钢轮(轮胎)表面，压路机钢轮或轮胎的洒水系统性能的好坏至关重要[1]。鉴于传统压路机洒水系统存在喷洒不均匀、洒水量无法合理控制、可靠性低等缺点，近几年很多学者在这方面展开了研究。胡刚毅等[2-3]提出了间歇洒水的控制方式，依据压路机轮子的运动特征对间歇洒水时间参数计算模型进行探索，并从洒水系统失效角度对提高洒水系统可靠性进行了论述。王世旺等[4-5]主要分析了洒水系统失效的原因，对两个知名品牌的压路机洒水系统的压力和流量关系、升温对比、间歇洒水试验等方面进行了对比测试。姜右良[6]采用微处理器和传感器技术等设计了一种智能洒水系统控制系统，使洒水量可随压路机行驶速度的变化而变化。李和清、吕枝恩[7-8]以PLC为核心控制器，速度传感器检测行走马达转速及行走方向，从而计算出水泵流量及水量控制的大小。以上可以看出，洒水系统智能化已经成为压路机洒水系统的发展趋势。

但是以上方法中，压路机喷水量的大小仅仅只考虑到了压路机行驶的速度，并没有考虑喷水压力，导致洒水系统喷洒不均、沥青粘连未能彻底解决，而恒压洒水控制方式是弥补该缺陷的有效途径。PID控制技术一般都会被用来实现水泵喷洒压力的恒定，但是喷洒供水管路的水压是一个过程变量，存在着滞后性，所以采用PID控制技术的准确度较低，超调量较大，系统不稳定，会造成水资源的浪费，难以达到预定的控制效果。

近些年，模糊控制技术被众多学者采用，设计了多种恒压控制方案，并获得了令人满意的效果。如陈蕾等人的恒压供水系统模糊PID控制策略研究[9]，丘汉标等人采用模糊PID控制对恒压供水系统进行控制和Matlab仿真[10]，岳丽芳等人研究了基于模糊PID控制的变频恒压供水系统[11]等。受此启发，本文在常规PID控制的基础上，提出一种基于模糊PID的压路机变频恒压洒水控制系统。仿真结果表明，该PID闭环控制模型运算响应时间短，稳态误差小，自适应能力强，可实现对压路机洒水的恒压控制，且定时设置灵活方便，故障率低。

1 洒水系统的总体结构设计

以SRP260轮胎式压路机为例来分析，SRP260轮胎式压路机前排有4个轮胎，后排有5个轮胎，前后胎交错布置，具有更高的单胎载荷与压实能力。为防止前后轮胎在压实过程中粘结沥青，所以前后轮胎都要设置喷洒装置。前后轮胎各用1个水泵，每个洒水管均有8个喷嘴。前后水泵共用1个800 L的大容量水箱，持续工作1个工作日，即6～8 h。通过对国内外不同类型的智能压路机控制系统设计方案的分析，本文结合SRP260轮胎式压路机的实际情况，设计了该洒水系统的总体结构框图，如图1所示。

图1 洒水系统总体结构框图

2 洒水装置控制系统设计

洒水控制系统的作用是防止压路机轮胎表面粘连沥青，而轮胎表面水膜的均匀性和水量控制的合理性就成为了决定洒水系统性能的两个关键因素。水膜均匀性除了与喷头类型、口径及布置匹配外，还与水泵的排量及压力有关，喷水量也会影响铺路的效果。喷水量的大小除了由开关电磁阀的开度大小决定外，还与水泵的喷洒压力相关。在电磁阀门开度一定的情况下，水泵压力大，喷洒量就大，压力小，喷洒量就小。因此设计控制系统的目标就为了让压路机在行走喷洒的过程中，无论何时洒水，无论压路机行走速度是否恒定，系统自动使水泵的喷洒压力与设定的喷洒压力基本保持一致，通过定时打开关闭电磁阀门来控制喷水，保证喷洒水雾的均匀、轮子表面水膜的均匀性和水量控制的合理性。

控制系统采用STC12系列单片机作为控制核心器件，控制系统实时采集压力传感器信号，经过A/D转换后，传给单片机进行处理，计算得出实际喷水压力，与设定喷水压力相比较，计算出偏差控制量，经过转换驱动后控制电液比例阀的开度和开关电磁阀的开闭，从而控制喷洒压力和喷头的开闭。键盘用于设定喷洒压力等参数，显示屏用于显示行车速度、喷洒压力及各类参数等信息。控制系统硬件组成结构及系统控制原理，如图2～3所示。

图2 控制系统硬件组成结构

图3 系统控制原理

3 恒压控制模型建立及控制算法

由图3可知，压路机恒压供水系统由三相笼型异步电动机驱动水泵进行工作，其整个供水系统具有一定的延迟性，参数也会随时间的变化而变化，呈非线性。根据电动机的动态工作特性，忽略其电磁惯性，只考虑其同轴旋转体的机电惯性，可将异步电动机近似等效成为一个线性的一阶惯性环节，其他环节可忽略不计，等效为比例环节。所以交流转速与给定电压之间的传递函数为：

(1)

式中：k1为变频器、电动机等环节的增益；T1为异步电动机的机电时间常数。

压路机水泵在供水过程中存在压力由小到大，再到恒定不变的过程，该过程可近似为一个带时间常数的一阶惯性环节，其他的传感器等环节可看成比例环节，传递函数可描述为：

(2)

式中：k2为供水过程的增益；τ为供水过程的延迟时间常数；T2为系统的惯性时间常数。

因此SRP260轮胎式压路机中总的变频恒压供水系统的数学模型可近似等效为2个一阶惯性环节的串联，其总的传递函数为：

(3)

式中：k为系统的总增益，k=k1k2。

3.1 传统PID 控制算法

PID控制是自动控制领域中最常用的控制方法，压路机上水泵喷水压力的控制若采用PID控制法，其喷水压力控制模型框图可如图4所示。

图4 传统PID压力控制模型

P1为系统设定的压力，P2为系统实际压力，e为设定压力与实际测量压力的差，U(t)为输出电压控制量。将e作为输入量，通过PID运算产生电液比例阀的控制电压量，从而实现对喷水压力的控制。

为达到更好的控制效果，若采用数字增量式PID控制算法进行控制[12]，其控制规律为：

(4)

式中：u(t)为第t个采样时刻系统的输出量(控制电压量)；e(t)为第t个采样时刻系统的输入量( 压力偏差量)；KP为比例系数；Ki为积分系数；Kd为微分系数。在整个调整的过程中，因为KP、Ki、Kd值始终保持不变，导致系统跟踪实时情况的能力较差，存在稳态误差，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优点,又引入了PID控制稳态性好、 无静差的优点 ,因此获得了广泛应用。以水压力误差信号e(t)和压力误差变化信号ec(t)作为模糊PID控制器的输入，通过模糊规则推理，输出ΔKP，ΔKi，ΔKd，同时又作为PID控制器的输入，实时对PID控制器的3个参数进行修正，以满足不同误差e(t)和误差变化ec(t)对控制参数的自适应调整，从而使得控制系统的动态性与稳态性能得到改善，控制精度得到提高，其结构如图5所示。

图5 模糊PID控制结构

从图5中可得出，整个模糊PID控制器输出具体值的整定关系式如下

(5)

式中：KPn、Kin、Kdn为整定前的值；ΔKP、ΔKi、ΔKd为经过模糊控制器输出的修定调整值，它们一起作用于PID控制上，最终形成调整后的PID控制器的输出值Kp(n+1)、Ki(n+1)、Kd(n+1)。

模糊控制器采用2输入3输出的控制结构，2输入指：e(t)，ec(t) ；而ΔKP，ΔKi，ΔKd为3输出量。它们的模糊论域取值均可定义为：负大[NB]，负中[NM]，负小[NS]，零[NO]，正小[PS]，正中[PM]，正大[PB]。系统误差e(t)的线性变换范围取值为[-0.6，+0.6]。2次采样值的变化量为ec(t)，即ec(t)=e2(t)-e1(t)，论域取为[-0.06，+0.06]。通过对e(t)和ec(t)的实时检测，在线修订PID的每个参数，以达到不同e(t)和ec(t)下系统良好的控制要求。

三角形函数经常被作为各输入输出量的模糊化隶属度函数，e(t)的隶属函数如图6所示。

图6 e(t)的隶属函数

3.3 确定模糊控制规则

根据SRP260轮胎式压路机控制对象的特性，采用“IF E and EC THEN 输出量”作为模糊控制的规则，其设计原则为：当误差较大时，首要任务是尽可能快地调整使误差迅速减小；当误差较小时，应当在消除误差的同时，使系统的稳定性得到保证，尽量避免产生超调和振荡。具体的模糊控制规则见表1。

表1 模糊控制规则表

4 恒压PID控制系统模型仿真结果与分析

在实际仿真时，参数k,T1,T2,τ可采用离线开环阶跃响应辨识来确定，在开环状态下，以阶跃信号作为输入信号，经大量试验采集变频调速系统的输入输出值，得到变频调速系统的近似数学模型开环传递函数为：

(6)

为了检验系统的控制效果，通过调整系统传递函数参数的方法，采用Matlab软件的Simulink和Fuzzy工具箱，搭建SRP260轮胎式压路机洒水系统传统PID 压力控制仿真模型和模糊PID 控制系统的仿真模型。

在实际仿真时，以式(6)的数学模型作为控制对象，输入单位幅值为1 MPa的阶跃信号，仿真时间为100 ms，取PID的参数为KP=2，Ki=0.2，Kd=0.02，分别对传统PID控制器和模糊PID控制器进行系统仿真，获取阶跃信号响应仿真曲线如图7所示。

图7 PID 控制的响应仿真曲线

由图7可以看出，传统PID控制曲线的上升时间为30 s，调整约为40 s，超调量为20%；模糊PID控制曲线的上升时间为28 s，调整为12 s。所以对于恒压洒水控制系统而言，模糊PID控制比传统PID控制的响应速度快，超调量小，振荡幅度较小，控制效果较传统PID更能满足系统的控制要求。

5 结 语

本文设计了一种SPR260压路机变频恒压洒水控制系统，并分别通过采用传统PID闭环控制和模糊PID控制运算，实现对喷水压力的恒压控制，经仿真证明采用模糊PID控制技术实现恒压的效果较传统PID控制良好。