摊铺机行走控制系统分析与研究

摊铺机行走控制系统分析与研究摘要：分析了摊铺机行驶系统的功能要求，针对摊铺机恒速摊铺的问题，提出采用变论域模糊控制算法，并应用到恒速行驶控制系统中，提高控制精度。

仿真实验表明，该控制系统具有良好的稳定性和可靠性，为道路摊铺质量的提高提供了重要的技术支持。

关键词：摊铺机：行驶系统；恒速控制；模糊控制0 引言沥青混凝土摊铺机是进行沥青摊铺作业的主要机械设备，其摊铺速度的恒定性及摊铺的直线性对摊铺路面的平整度、初始密实度、离析程度有着很大的影响[1]。

沥青混凝土摊铺机的性能要求越来越严格，如最高摊铺速度（无级调速）、各挡摊铺速度（有级调速）允许误差±2%，摊铺速度的变化应小于0.1m/min，速度变化恢复时间在1～2s内，履带式沥青混凝土摊铺机直线行走的跑偏量不得大于直线测量距离的2%，沥青混凝土摊铺机应能双向（前进、后退）通过坡度不小于15%的坡道等[2，3]，随着公路建设等级的提升，沥青混凝土摊铺机性能的提高已经成为必然[4]。

行走电控系统是摊铺机的重要组成部分，其性能直接影响摊铺机作业效率、铺层质量及工作可靠性，是衡量摊铺机技术水平的重要标志之一。

1 行走电控系统设计1.1 摊铺机行走电气控制行走电气控制主要实现下面功能：1）两种行走模式切换功能，能够根据实际工作需要，选择摊铺模式或行驶模式；2）平滑转向控制功能，能够根据方向电位计或原地转向开关状态和设定速度实现摊铺机的行驶方向控制。

3）恒速控制功能。

摊铺模式下，能够根据速度电位计设定值，控制摊铺机恒速行驶。

4）数据通讯功能，能够同电控系统中其他控制器或显示器进行数据通讯，实现数据共享。

不同的摊铺机行走电气系统的设计要求有所不同，但行走电气系统设计所确定的电控方案必须准确无误地实现上述要求[5]。

目前摊铺机行驶驱动方式普遍采用双泵-双马达系统，主要由发动机、分动箱、液压泵、液压马达、履带等部分组成，通过对左右两侧独立的泵和液压马达进行控制，实现摊铺机的前进/后退、左右转向及原地转向等动作控制。

发动机通过分动箱驱动两个独立的液压泵，左右行走履带由液压马达驱动使其前进[6]。

摊铺机一般由一台电比例控制变量柱塞双联泵和两台电气两点变量柱塞马达组成的相互独立的两套闭式系统，每个马达分别与行驶减速机相连，减速机带有湿式、多片、盘式制动器，用于机器的停车制动。

通过摊铺机的这些行驶组件，摊铺机可实现自由前进、后退、转向及停车制动。

履带行走的液压系统，它采用比例电磁铁控制液压泵和马达斜盘角度，控制器通过控制系统流量，实现行驶速度的控制，原理框图如图1所示。

摊铺机前进、倒退、停车制动功能的实现由操作手柄完成，操作手柄在前进位或倒退位时，整机实现前进或倒退；在中位时实现停车制动；摊铺机行驶速度由速度电位器来调节，转向则是通过操作台上转向电位器来实现。

1.2 行走控制系统恒速行驶控制设计摊铺机行走分高、低速2档，选择摊铺（工作状态，速度较慢）和转场2种工况。

（1）行驶档——开环控制变量泵为电动排量控制轴向柱塞泵，通过比例伺服阀改变变量泵斜盘倾角来控制供给液压马达的排量，以此来调节液压马达的转速。

这种控制方式为开环控制，如图2所示。

开环控制是针对摊铺机转场时使用的，对速度恒定要求不高，普通的开环控制即可满足要求（2）摊铺档—闭环控制常规闭环控制如图3所示，在开环速度控制的基础上，在马达输出轴上增加速度传感器，将液压马达转速进行反馈，构成闭环控制系统。

速度反馈信号与指令信号差值经控制器运算后加到变量伺服机构的输入端，液压泵的排量向减小速度误差的方向变化，保持速度恒定。

这种控制方式能大大提高速度调节的精确性，保证行驶速度恒定。

为保证路面摊铺质量，摊铺作业过程中摊铺机应以恒速平稳行驶。

因摊铺机行驶推进系统的负载变化，送料的不均匀性以及发动机降速等原因都会造成摊铺行驶过程中速度的波动。

在摊铺行驶状态下如何保持摊铺直线行走、速度恒定变的尤其重要。

目前摊铺机行走系统控制方法主要采用PID控制。

PID控制由于算法简单，在控制系统中得到了广泛的应用。

采用PID时，Kp用于提高系统响应速度，调节系统控制精度，过大则导致系统不稳定，过小则导致系统响应速度缓慢；Ki 用于消除系统稳态误差，过大则会导致积分饱和，超调量较大，过小则无法起到相应作用；Kd有助于于提高系统的动态性能。

但PID控制依赖被控对象的精确数学模型，由于摊铺机液压伺服系统多为非线性、时变复杂系统，参数变化大，PID参数确定困难。

若单纯采用固定参数的常规PID控制则不能满足在不同偏差下系统对PID参数自整定的要求，控制器对运行工况的适应性差，从而影响其控制效果。

模糊控制不依赖于被控制对象精确的数学模型，动态性能好、受系统参数变化的影响小，但稳态精度不高[7-8]。

本文将变论域的思想引入到模糊控制器中，该模糊控制器在摊铺机行走电液比例控制中，能够克服系统固有的非线性、参数不确定性及外界干扰的影响，具有响应快、精度高、自适应鲁棒性强的特点，提高了摊铺机的直线、恒速行走控制效果。

2 变论域模糊PID控制1995年李洪兴等对模糊控制器的数学本质进行了分析，并于1997年提出“可变论域”的思想[11]。

在规则不变的前提下，论域随着误差变小而收缩（亦可随着误差增大而膨胀）。

以单输入单输出为例，设系统误差e的论域为[-E，E]，输出论域为U=[-U，U]，模糊划分形式为和（1≤i≤n），分别是输入论域E和输出论域U的模糊划分，模糊控制规则可以表示成为：If e is ，then u is ，（1≤i≤n）变论域是指输入论域E和输出论域U可以随着系统误差e和控制输出u的变化而自动变化，即：E（e）=[-α（e）E，α（e）E] ，U（u）= [-β（e）U，β（e）U] ；α（e）和β（e）分别为论域E和U的伸缩因子，相对于变论域，原来的论域E和U称为初始论域，论域伸缩了，其上的模糊语言值的隶属函数也随之伸缩。

见图4，输入论域E通过“伸缩”因子α（e）变换为[-α（e）E，α（e）E]，其中α（e）为误差变量e的连续函数，α。

伸缩因子为：通过伸缩因子α（e）的调节，模糊控制器能够根据输入系统误差e的不同，动态地确定输入、输出论域上的模糊语言值，以达到精确高效控制的目的。

这种可变论域的模糊控制器的控制效果大大改善，实时性好，精度高。

基于变论域的思想，可以设计变论域模糊PID控制器，如下图所示：设误差E、误差变化率EC的模糊子集为E=EC={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，子集中元素分别代表负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。

误差E的论域为E（e）=[-α1（e）E，α1（e）E]，误差变化率EC的论域为EC （e）=[-α2（e）E，α2（e）E]，其中α1（e），α2（e）分别为误差及误差变化率论域的伸缩因子。

基于变论域模糊推理的PID参数自整定，首先找出PID三个参数KP，KI，KD与偏差E和偏差变化率EC之间的模糊关系，在控制过程中不断检测E和EC，再根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同E和EC对控制器参数的不同要求，从而满足被控对象自适应要求。

KP，KI，KD可进行如下自适应校正：3 系统仿真设计建立摊铺机行驶驱动系统的数学模型，摊铺机行驶系统传递函数方框图如图所示：SRP95摊铺机采用的是24V（4-10bar），控制电流为225mA-410mA。

采用如图5所示的变论域模糊PID控制方案，其中：Kp，Ki，Kd采用式（3）（4）（5）的形，此处速度偏差e的基本域为[-0.6，0.6]，利用扩充响应曲线法求出的PID 整定参数可以确定Kp、Ki、Kd的大致变化范围，Kp变化范围为[0.2，0.8]，Ki 变化范围为[0.01，0.07]，Kd变化范围为[0.2，0.6]。

对于伸缩因子：确定模型的参数后，在MATLAB环境中对本文控制方案进行仿真，设摊铺状态行驶速度要求控制在18米/分即0.3米/秒，对比分析传统PID控制策略和本文的复合控制方案。

通过对比分析可以发现本文采用的控制方法在响应时间和超调方面明显优于传统PID控制方法。

综上所述，本文提出了摊铺机摊铺档下恒速摊铺中的变论域模糊控制方案，在设计过程中，根据变论域模糊控制的优点结合PID控制的优点构造了变论域模糊PID控制器，仿真实验表明利用这类变论域模糊PID控制器控制摊铺机摊铺状态下的恒速行驶效果较好，能够较快的达到稳定效果，对于该控制器的实际应用仍需要进一步的研究。

4 结语恒速控制是摊铺机行驶系统控制最为关键的技术之一，常规的PID闭环控制在普通的摊铺机中应用较广，然而随着经济发展，高等级的高速路对摊铺机提出了更高的要求，本文提出的方案可以有效的提高摊铺机直线恒速的性能，为道路摊铺质量的提高提供了重要的技术支持。

参考文献：[1] 段永灿，马广维.摊铺机恒速摊铺技术[J].筑路机械与施工机械化，2001，18（6）：30-32.[2] 焦生杰.沥青混凝土摊铺机液压驱动行驶与控制系统研究[D].西安：长安大学，2002.[3] 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.[4] 汪顺鹏，王晓钟.摊铺机行驶系统控制器的分析[J].路面机械与施工技术，2005，2：15-18.[5] 于槐三，郑成波等.摊铺机电气系统设计[J].路面机械与施工技术，2007，05：37-41.[6] 张永飞，于丽等.基于DSP的摊铺机行走控制器设计[J].机床与液压，2011，9（8）：125-127.[7] 张利，刘辉.基于PLC的摊铺机行走控制系统纠偏算法研究[J].电子元器件应用，2012，14（1）：46-50.[8] 吴涛.沥青混凝土摊铺机行驶系统速度特性分析[J].液压与气动，2004，（10）：54-56.[9] 朱涛，陈志等.基于嵌入式PLC的摊铺机行驶控制系统设计[J].建筑机械化，2011（05）：34-37.[10] 吴涛，颜呈昕等.摊铺机行走系统自动控制研究[J].j建筑机械化，2005，9：20-23.[11] 李洪兴.Fuzzy控制的本质与一类高精度Fuzzy控制的设计[J].控制理论与应用，1997，14（6）.[12] 杨昔阳. 变论域模糊控制器极其应用[J]. 泉州师范学院学报，2007，25（6）：10-14.。