基于PLC的摊铺机电控系统改造设计

2013-12-23杨文刚

机械工程与自动化 2013年2期

关键词：恒速原车摊铺机

杨文刚

（山西交通职业技术学院，山西太原 030031）

0 引言

某公司沥青混凝土摊铺机在施工过程中由于事故原因导致整车行走、转向、搅拌及发动机高低速控制等动作均无响应。停机检测发现整机主控电路板有明显的烧灼痕迹，需要更换。由于该摊铺机购买时间较早，原厂配件已经停产，需要重新设计电控系统。

1 摊铺机行驶控制系统

沥青混凝土摊铺机电控系统中，最为重要的是行驶系统控制器，它主要负责对摊铺机车体的方向与速度的自动控制。在摊铺机的工作过程中，保持前进速度的恒定至关重要，由于速度的偏差直接影响着路面施工的平整度，是衡量摊铺工程质量最为重要的指标。

摊铺机的速度变化主要受发动机转速、液压系统压力、液压系统容积变化和履带滑转率等因素的影响，为了克服这些因素引起的速度变化，行走控制系统均采用速度闭环控制来达到恒速摊铺［1］。原车行驶控制系统的结构框图如图1所示，通过左、右两组马达实现前进／后退、原地转向以及左右转向等行驶动作。

图1 原车行驶控制系统的结构框图

原车行走控制器的主要执行元件为控制变量泵的4个比例电磁阀，如图2所示。通过给定4个比例电磁阀不同的电流来控制泵的流量大小；通过4个比例阀的不同组合实现直线行走以及转向等动作；通过控制左、右两侧的两个马达换向阀X5、X6来完成液压马达的高速／低速转换，实现行走／摊铺两种不同工况；3个电位器RS、RT、RD分别用来作为最大行驶速度、驱动手柄位置、左右转向的输入元件；另外STR为原地转向输入，SP为行走／摊铺状态开关，当处于“摊铺”工况时，利用左右两个速度传感器将行驶速度vL、vR作为反馈信号反馈给控制器，由控制器中的算法计算得出X1～X4的给定值，实现恒速行驶和直线／转弯控制。

2 行驶控制系统硬件设计

为了匹配原车中的液压系统同时提供更高的安全系数，改进设计中采用了工控系统常用的西门子S7－300系列PLC作为控制主CPU，主要考虑到需要4路的PWM 输出信号分别为比例电磁阀X1～X4提供控制电流，另外要求有两路高速计数输入分别检测左、右两侧的行驶速度，故选择型号为6ES7 314C－2DP，另外该CPU 集成24DI／16DO、4AI／2AO，为控制系统提供了丰富的输入输出接口。改进后的控制系统结构图如图3所示［2］。

图2 行驶控制器

图3 改进后的控制系统结构图

3 行驶控制系统软件设计

目前用于摊铺机行驶驱动系统恒速控制的方法主要采用PID 控制策略，这种策略对行驶在稳速区域有较好的控制效果；而当摊铺机运行在变速区域时，一旦速度变化范围较大，采用固定参数的PID 控制策略就难以满足系统的动态性能要求；而Fuzzy控制策略引入逻辑推理，不依赖被控对象的精确数学模型，其自适应能力较强、响应快，对摊铺机变速运行工况有较好的控制效果。故在系统的设计中将Fuzzy控制和PID 控制策略结合起来，当行驶的设定速度和实际速度差值在较小的范围内变化时，采用CPU 内集成的PID 控制策略，保证控制的连续性和精确性；当差值超出这个范围时，则采用自编的Fuzzy控制策略，加速系统的收敛性能，从而使系统的稳态和动态性能都可以得到保障。

由于CPU 内部已经集成了PID 控制策略，故只对Fuzzy控制策略进行设计［3］。考虑到系统的准确性要求和CPU 的运行速度，选择了二位模糊控制器。以控制左侧履带行走的比例阀给定值的计算方法为例，将速度传感器反馈的数值（实际速度值）与履带的设定速度值之间的差值作为行驶速度偏差e，速度偏差变化率为ec，模糊化后的变量E 与EC作为Fuzzy控制器的输入变量，输出语言变量选择U，解模糊后得到比例阀给定电流参数u。由于原车摊铺速度小于等于6m／s，此处确定速度偏差的基本论域为（－6，6），将e、ec分为7种状态：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，分别表示为NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB，其模糊集合为：e，ec＝｛NB、NM、NS、ZE、PS、PM、PB｝。设计过程中，误差的量化因子Ke和误差变化的量化因子Kc 对控制器的性能影响很大，反复仿真后，将Ke取值为1.5，Kc取值为0.84，隶属函数选择高灵敏度的三角函数，得到输入变量E 和EC的离散形式的隶属度赋值表，以及输出变量U 的隶属度赋值表。在选取控制量的过程中要注意防止超调，以系统的稳定性为出发点设计，模糊规则采用Mamdani规则，可以总结出模糊控制规则。在解模糊过程中，尽可能满足系统较高的实时性要求，采用最大隶属度平均值法进行模糊决策，通过计算可得u的取值。

4 控制系统仿真实验

利用摊铺机行驶驱动系统的数学模型［4］，在MATLAB／Simulink中对系统进行动态仿真分析，其仿真系统结构如图4所示。

图4 系统仿真结构图

行驶控制系统仿真结果如图5所示，控制算法在阶跃响应作为扰动的情况下快速稳定，其实时性与稳定性均满足行走控制系统的要求，保证了行驶速度的恒定。

实际运行投入前，主要进行了直线行驶实验和恒速行驶实验［5］。当摊铺机行驶速度达到设定值5min后才开始记录行驶速度、行驶距离，直线行驶实验结果见表1。恒速行驶结果见表2。

图5 行驶控制系统仿真结果

表1 直线行驶实验结果

测试结果表明，改造后的行驶控制系统具有较好的精度和稳定性，满足了现场的施工要求。

5 结论

在原有机械、液压系统保持不变的基础上，重新设计了摊铺机行走电气控制系统，采用了高可靠性的PLC作为主控制器，通过输出PWM 信号给4个比例电磁阀来实现摊铺机的各种行走动作，通过系统集成的PID控制策略和自编的Fuzzy控制策略来保障系统运行的稳定性和施工精度，仿真结果和运行结果均表明系统的正确性和有效性。该方法的难点是PLC 控制程序编写复杂，要求有较高的电气基础和编程能力，但同时也为类似的工程机械电控系统改造提供了一种解决方案，有一定的参考价值、实用性和经济意义。