摊铺机行走系统的智能控制技术研究

白代萍，丁静，何培英，张德海

(郑州轻工业学院机电工程学院，河南郑州450002)

目前，摊铺机行走系统多采用双泵双马达驱动履带的行走系统。该系统的控制系统硬件多采用PLC为核心的电子恒速控制系统。该控制系统包括:PLC控制器，安装在马达输出轴上的传感器，以及控制泵流量的电磁比例阀 (作为执行器)。如图1，控制方法是对左右轮分别进行控制，即将左右马达的转速与设定值进行比较，采用PID控制方案，消除偏差以达到恒速控制的目的［1］。PID控制算法简单可靠，鲁棒性好，可靠性高，不依赖被控对象的精确数学模型，可根据不同情况，利用比例、积分、微分环节的不同作用，采用恰当的PID控制算式［2－6］。但是在摊铺机出厂前，如果摊铺机行走控制系统的PID参数调整不当，以及电位器、左右轮的电磁阀的最小电流标定不合适，很容易发生摆头和跑偏的现象。要分别对电位器、左右轮的电磁阀的最小电流、PID的有关参数进行反复的调试标定，才能使摊铺机稳定地工作，符合出厂要求。

图1 摊铺机行走系统原控制方案

1 控制方案

为了能够有效解决摊铺机和摊铺机行走系统控制器的即插即用问题，避免繁琐的调试，提高摊铺机的生产效率及行走性能，提出一套新的摊铺机行走系统控制系统。该控制系统包括:硬件为PLC控制器;软件结构由左轮速度控制器、右轮速度控制器、右轮修正量控制器组成。外围器件涉及左右轮速度传感器、转向电位器、速度设定值输入电位器等。转向电位器、速度设定值输入电位器以及左右速度传感器将转向信号和速度设定值信号以及左右轮速度实际值输入到PLC控制器构成左右轮的闭环控制。

其控制方案如图2:左轮采用单闭环控制，实现左轮的恒速控制，同时保证摊铺机整机行走速度。右轮采用模糊PID控制方案。当摊铺机处于直线摊铺作业时，将左右轮的实际转速相减得到左右轮的速度差，同时通过积分环节得到摊铺机左右轮的行驶距离差值，模糊控制器根据左右轮的速度差和左右轮的距离差两个输入变量通过模糊规则确定右轮速度设定值修正量，该设定值修正量与右轮设定值输入端的设定值叠加，叠加量作为右轮闭环控制的设定值，通过PID控制器输出控制右轮液压系统的泵、马达工作。当摊铺机处在非直线摊铺作业 (如转弯摊铺)时，摊铺机沿预定的圆弧轨迹行驶，左右轮必须保证恒定的转速差。将左右轮的实际转速差和预定的差速值相减得到右轮的实际速度和预定速度的差值，同时通过积分环节得到摊铺机右轮的行驶实际距离和预定距离的差值，实际速度和预定速度的差值以及行驶实际距离和预定距离的差值作为模糊控制器的两个输入变量，右轮速度设定值修正量作为模糊控制器的输出。模糊控制器根据模糊规则确定右轮速度设定值修正量，该设定值修正量与右轮设定值输入端的设定值叠加，叠加量作为右轮闭环控制的设定值通过PID控制器输出控制右轮液压系统的泵、马达工作。通过右轮的实际速度和预定速度的差值以及右轮的行驶实际距离和预定距离的差值这两个控制变量，由模糊控制器微调右轮的行驶速度，实时保证摊铺机沿预定轨迹行走，消除因为不经标定和调试而引起的不利因素，实现控制器的即插即用功能。

图2 摊铺机行走系统新控制方案

2 试验

文中用试验的方法验证新的控制方案和原控制方案对摊铺机行走性能的影响，比较具有即插即用技术的控制器和经调试过的原控制器在直线跑偏量、行驶过程中有无超调摆头的现象等性能指标。试验中，新控制器不经调试，直接安装，原控制器已调试好。

2.1 试验方法

在试验跑道上取50 m为测量区间，划出横向始端线、终端线和纵向中心线。摊铺机从始端线进入，并使摊铺机中心线与跑道中心线尽量平行，摊铺机以作业速度行驶，在不调整转向操作装置的情况下通过试验区。将滴水装置固定在摊铺机上，在路面上水滴所形成的轨迹即为摊铺机的行走轨迹。每隔3 m将轨迹线与跑道中心线之间的距离测出。

2.2 试验步骤

(1)将带有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951摊铺机上按第2.1节的方法进行试验，观察有无摆头振荡的现象;

(2)每隔3 m将摊铺机行走的轨迹线与跑道中心线的距离测出、记录;

(3)在Excel中将所测数据画成曲线，同时做出行驶轨迹线的初始轨迹切线，以初始履带轨迹切线延长线为准，测量在末端端线处履带跑偏量;

(4)将带有新控制方案的控制器和原控制方案的控制器在徐工RP951摊铺机上按第2.1节的方法进行试验。在摊铺机启动前，在左履带前方约3 m左右有一叉车载重3 t铁块加上自重3 t，共6 t。铁块放置地面以增加摩擦力，踩刹车，从而增加左履带的行驶阻力，摊铺机推动叉车行使1 m的距离，叉车退后，摊铺机不停顿继续行使。观察新旧控制器在摊铺机左履带行驶阻力发生改变时的控制能力，重复步骤(2)、(3)。

2.3 试验结果分析

在原来的控制方案中，摊铺机直线跑偏量发生在两个阶段:(1)起步阶段。主要因素有左右轮电磁阀最小电流不同，左右轮的泵、马达在小流量下容积效率低且差异大，左右履带的外负载不同，左右轮的轮滑率不同等;(2)恒速行驶阶段。主要是左右轮的泵、马达在恒速行驶下，左右履带的外负载、容积效率、液压系统的制造误差、左右履带的轮滑率不同等导致跑偏，特别在起步阶段一旦形成偏转，行走一定距离后误差将被放大。在新方案中除左右两侧的轮滑率不同这一影响因素外，其他因素所形成的偏转可以通过左右履带转过的距离差变量监控，通过修正右轮履带的行驶速度设定值最终消除。图3中，带有新控制方案的摊铺机50 m的直线跑偏量约14 cm，带有原控制方案的摊铺机行驶50 m的直线跑偏量约89 cm。另外，从图3的试验结果来看:对于RP951摊铺机而言，在50 m的距离内上述各因素引起的直线跑偏量约89 cm，由轮滑率不同而引起的跑偏量约14 cm，约占15.7%。因此，采用新控制方案将RP951摊铺机50 m的直线跑偏量提高了约84.3%。必须注意，如果摊铺机重心偏移越大，由于轮滑率不同而引起的跑偏量也有增大的趋势。

图4中，摊铺机在新旧控制器的控制下，其中左履带碰到叉车后行走1 m的距离，叉车撤掉。在新控制器的控制下，摊铺机行走50 m的直线跑偏量约9.16 cm;经过调试的原控制器，摊铺机行走50 m的直线跑偏量约141 cm。因为在新的控制方案下，能够消除除轮滑率不同以外的因素所引起的跑偏，因此在此试验中9.16 cm主要是由于左右履带的轮滑率不同所引起的。此次试验在行驶最初阶段，改变了左轮的行驶外阻力，发生了明显的偏转，在原控制方案中由于得不到纠正，跑过50 m后，经过误差放大，最后达到141 cm。由于各种试验条件相同，141 cm中包含了轮滑率引起的9.16 cm的偏转量。试验也说明新控制方案的抗干扰能力大大提高。

图3 新、旧控制器跑直线试验

图4 新、旧控制器越障试验

3 结论

通过采用新的控制方案即左轮进行单闭环恒速控制，以保证摊铺机整机行走速度，右轮采用模糊算法根据左右轮的距离差和速度差微调右轮的速度设定值，实时保证摊铺机沿预定轨迹行走，而不是单纯地保证右轮的恒速，一旦摊铺机偏离预定轨迹能够实时自动纠偏。试验证明:该方案允许控制系统中电磁阀的参数和软件中参数存在偏差，能够有效解决摊铺机行走跑偏量，实现了控制器的即插即用功能;有效防止了摊铺机摆头和振荡的现象，优化了控制装置的控制性能，提高了摊铺机的生产率;将摊铺机出厂的直线跑偏量指标由2%提升到了0.5%以内，其抗干扰能力也大大提高。

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