洒水车定量喷洒控制系统

陈增志

摘要：针对洒水车喷洒量、喷洒范围无法控制定量喷洒的问题，提出采用车载控制器闭环控制柱塞变量泵的比例阀，结合PID算法实现洒水车的定量喷洒控制。该技术方法有效结合CAN总线控制技术、电液控制技术及PID控制算法，控制系统具有工作稳定性高、控制精度高、扩展性能强、操作与维护方便等特点，通过CAN总线实现洒水车专用作业装置与底盘的信息交互，为环卫车电气控制系统的集成化、人性化、智能化等工程的研究与应用打下坚实基础，充分体现了洒水车的绿色、环保化。

关键词：洒水车 定量喷洒 CAN总线 控制器 PID算法 变量泵

中图分类号：U469.6+91 文献标识码：A 文章编号：1004-0226（2019）02-0092-04

l前言

随着人们生活水平的不断提高，社会各界对环境保护及市容市貌也提出了更高的要求。为适应城市环境卫生建设的需要，及时清理城市路面沙土灰尘，改善空气质量，需要各种洒水车来满足改善城市空气质量的需要，因此，对洒水车电气控制系统的智能化程度提出了更高的要求。

2洒水车作业现状

洒水车是城市清洁广泛使用的一种工程车辆。作业时，用喷嘴将路面上的垃圾冲洗至路缘，污水沿路缘的排水孔流走，垃圾则由人工或机械收集。在作业过程中，如果水冲得过远，在无绿化带的路面上，垃圾和污水四处飞溅，会对人行道上的行人干扰较大;而在有绿化带的路面上，垃圾会被喷进绿化带内，不便于收集，且对环境造成污染。如果水冲得过近，会导致路面清洗不彻底。因此，喷洒量及喷洒范围是洒水车控制系统需要控制的关键参数。

日前，行业内洒水车作业喷洒量直接由底盘发动机转速控制，即通过底盘发动机的侧取力器直接驱动洒水泵，属于非定量喷洒控制模式。这样，在同一种洒水作业模式时，底盘发动机转速高时水的喷洒量大，底盘发动机转速低时水的喷洒量小。另外，在同一行车速度下，车辆的发动机转速会随着档位的升高面降低，而在同一行车档位下，车辆的发动机转速会随着车速升高而升高。因此，对于实际作业中的洒水车来说，要想按洒水量大小需求精确控制底盘的发动机转速几乎是不可能的，其转速会随着洒水的行车速度与行车档位的变化而变化。因此，这种洒水车作业喷洒量控制模式在实际工况工作时会受到很大的限制。例如在有些路段需低速大喷洒量运行时，会因车速过慢，导致发动机转速低，喷洒量严重不足，作业效果不理想;而有些干净路段需快速通过，小喷洒量降尘工作运行时，会因车速过高，导致喷洒量太多，浪费水资源，增加能耗。现有的成熟控制技术中，暂缺少可根据道路实际状态有效调节喷洒量和喷洒范围的控制方法及设备，而不理想的喷洒量调节方法势必会导致水资源及其他资源的浪费，达不到预期的清洁、环保效果。本文提出洒水车的定量喷洒自动控制系统及其技术，可有效地解决上述喷洒量、喷洒范围无法有效调节的问题，突破洒水车的现有控制技术瓶颈，可产生较大的经济社会效益。

3系绕总体框图及各部件连接关系

如图l所示，洒水车定量喷洒智能控制系统主要包括控制器、显示屏、底盘取力器、柱塞变量泵、液压马达、洒水泵、转速传感器、电位计等。系统各部件间的连接关系如下：控制器、显示屏、底盘三者之间通过CAN总线连接实现相互间实时信息的通讯与共享;控制器控制电比例阀比例电流的大小以控制柱塞变量泵排量的大小;底盘取力器作为洒水车专用作业装置的原始动力源经联轴器直接驱动柱塞变量泵;柱塞变量泵则通过自身液压油排量的变化经液压管路驱动控制液压，5达，液压马达再经联轴器直接驱动洒水泵;霍尔转速传感器则利用霍尔感应原理，感应安装于图1联轴器中的齿轮盘的齿数变化频率，以测量洒水泵的实时工作转速，作为闭环控制系统的负反馈信号源;控制器的输出则直接连接到各动作阀组，以根据其输入信号实现各动作状态的逻辑控制。其液压系统原理如图2所示。

4洒水车定量喷洒控制技术

4.1定量喷洒控制过程原理

首先，在图1所示的控制系统框图中，计算出在底盘发动机怠速情况下驱动洒水泵在额定状态转速下工作所需的增速比，进而匹配好柱塞变量泵与液压，马达的排量、功率参数，液压，马达与洒水泵之间的功率参数，确保洒水车在各种行驶作业状态下足以控制洒水泵在额定转速内正常工作。

在同样的洒水泵转速下，因不同的作业状态（如前洒水与左右侧冲）洒水泵负荷特性不同，洒水泵的压力、排量也不同，洒水泵的每转抽水排量就会不同。在实际工程应用中.其每转排量的具体值可通过直接给定洒水泵固定转速、作业模式的方式试验得出。经过试验，笔者选用的洒水泵在不同的作业状态下每转抽水排量如下：前洒为0.84 L/转，单个侧冲为0.27 L/转，左右双侧冲为0.52L/转，后洒为0.68L/转。因而得出，洒水车的喷洒量只与其当前的水泵转速及作业模式有关。这样，洒水车定量喷洒控制系统的核心部件控制器只需根据设定的喷洒量及作业模式，计算出当前状态所需的洒水泵转速，通过PWM比例输出控制柱塞变量泵的比例阀开度以控制柱塞变量泵的排量，经液压，马达后最终将洒水泵转速控制在给定的日标转速值范围内，即可实现洒水车喷洒量及喷洒的定量喷洒控制。

4.2定量喷洒控制的核心控制

洒水车定量喷洒控制系统的核心控制部件主要有显示屏、控制器、电位计、霍尔转速传感器等控制硬件，显示屏及控制器采用车载专用型。根据实际控制需求，对控制系统的控制器、显示屏进行各控制逻辑、人机界面的软件编程。洒水车主要有前洒、后洒、左侧冲、右侧冲等四种作业模式，如图3所示为所设计的显示屏主界面，主要显示有实时水泵转速、车辆行驶速度和设定的喷洒量3个参数。其中，假设需设定的喷洒量为P，喷洒量调节电位计实时电阻值为x，喷洒量调节电位计实时值最大电阻值为K，最大设定喷洒量为M，则设定喷洒量的值为：

P=Mxx/K

（1）

在设置界面中设定好最大喷洒量后，只需通过调节喷洒调節电位计便能实现喷洒量从O到所设置的最大喷洒量。另外，作业模式的控制只需通过按压显示屏上“前洒”、“后洒”、“右侧冲”和“右侧冲”4个按键便可实现，这4个按键分别控制对应的4个作业模式电磁气阀。当某个电磁阀工作时，对应的按键底色会由灰色变成绿色。

工作过程中，首先，控制器将读取的电位计调节电阻值通过CAN总线发送给显示屏，显示屏根据公式（1）计算出当前所需的日标喷洒量并在主界面显示：进而，日标喷洒量、驾驶员操作的作业模式通过CAN总线发送回给控制器作逻辑控制处理，而底盘行驶车速、发动机转速等信息则按照标准J1939协议的方式通过CAN总线发送给控制器进行解析处理;另外，洒水泵转速信号则通过霍尔转速传感器直接传送给控制器。这样，控制器便与整个控制系统建立了紧密连接关系，并形成以其为核心的闭环自动控制系统，即控制器根据设定喷洒量、作业模式计算出所需洒水泵日标转速，同时读取洒水泵的实际转速值，然后将洒水泵日标转速值减去转速实际采样值便是当前时刻的转速偏差值。最后，根据上述所得的转速偏差值，利用PID算法实时调整控制柱塞变量泵比例阀的比例电流，具体所使用的PID算法流程如图4所示。

综上，控制递进关系如下：由PID算法得出的比例电流控制柱塞变量泵比例阀的开度→柱塞变量泵的比例阀开度控制柱塞变量泵自身的工作排量→柱塞变量泵的排量控制液压，马达的转速→液压，马达的转速控制洒水泵的转速。因此，控制器只要根据PID闭环算法摔制其PWM输出口的比例电流就可实现洒水泵转速的控制，最终实现洒水车喷洒量、喷洒范围的按需自动调节。

5定量喷洒控制系统试验结果与分析

笔者应用上述定量喷洒自动控制系统研发了一台智能定量洒水车，在采样周期为200ms的条件下，通过不断试验整定，调定了一组PID参数，具体如下：：Kp=0.02，Ki=0.015，Kd=0.01。将上述参数写入控制系统后，控制系统整体工作稳定性强，动态跟随快，控制精度高，并在该参数下通过实车称重、实车作业手段获得了一组试验结果数据，结果如表l所示。从试验结果可以看出，采用本文提供的电气控制系统或方法控制洒水车的喷洒量、喷洒范围，控制精度非常高，基本可以将误差控制在6%以下，完全能够满足喷洒量定量控制需求，优于工程应用预期效果。

6结语

通过试验可知，本洒水车定量喷洒智能控制系统可实现喷洒量及喷洒范围的定量调节，其喷洒量大小不再直接跟随底盘发动机转速的变化而变化，而是根据实际使用需求实现喷洒量单位时间定量喷洒或单位面积均匀洒布。该智能电气控制系统具有控制精度高、工作稳定可靠、扩展性能强、总线接线简单、操作维护方便等特点，优良的人机交互界面实现洒水车的智能定量喷洒。该定量洒水车将作为新一代智能化、高附加值洒水车进行广泛推广、使用。

参考文献

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