基于模糊PID算法的公路沥青混凝土摊铺机行驶速度控制

田砚军

摘要：当前混凝土摊铺机行驶速度控制模型多采用单向控制模式，如果操作控制偏差较大，容易导致静差率增加，既对机器造成了损坏，也大幅降低了对路面混凝土的摊铺质量。为此，根据公路实际测定需求及采取标准，建立智能恒速程序设定行驶控制逻辑，通过综合模糊PID算法构建行驶速度自适应控制模型，最后采用区域转换调整方式实现对摊铺机行驶速度的控制。通过5个路段的测定，获取的行驶速度控制率下降至30%以下，具有较好的实用价值。

关键词：沥青混凝土；模糊PID算法；摊铺机；行驶速度；控制方法

0   引言

在瀝青路面施工中，需要根据路面承压值，利用混凝土摊铺机对路面进行摊铺施工，确保路面平整度及密实度符合标准。在对沥青混凝土路面进行摊铺作业中，摊铺机行驶速度的控制是影响摊铺压实效果的关键因素。在摊铺作业过程中，摊铺机会依靠机器自身的浮动性，通过自找平原理，保障路面摊铺压实的稳定性和平整性。

高海波等[1]开展了基于3D机械控制沥青路面智能摊铺施工技术应用研究，杨刘虎[2]开展了3D数字化摊铺机控制系统的应用研究。这类控制模型虽然可以完成公路预期的摊铺压实目标，但针对性不强，在实际作业中对于速度的控制仍然不够精准，常常因受到外部环境的影响而导致摊铺机失控，对施工区域沥青路面造成较大破坏及损伤。为此，文章提出一种基于模糊PID算法的公路沥青混凝土摊铺机行驶速度控制技术。

1   构建摊铺机行驶速度模糊PID核算控制方法

公路沥青混凝土摊铺机的行驶性能，会直接影响路面施工的平整度、初始密实度以及摊铺的离析程度。作为混凝土摊铺机的核心控制部件，行驶系统控制器不仅用于实现对摊铺机行走的有效控制，还可以起到提高摊铺机行驶性能、自动化控制程度，以及提高工作效率和改善沥青混凝土路面施工质量等作用。

模糊PID算法是一种动态化的推算方法，它主要是以误差值和误差变化作为输入值，采用模糊测算规则对某一时段的数据进行结果推算，并将该算法融入到公路沥青混凝土摊铺机行驶速度的控制程序中，从而实现对机械行驶速度误差控制的目的[3]。

1.1  构建智能恒速控制程序

恒速程序是早期对摊铺机进行处理的一种动态化控制结构，它多被应用于沥青混凝土摊铺施工作业中[4]。近年来，随着我国公路修建数量的逐年增加，传统的定向恒速控制程序已经无法满足工程建设的需求，需要结合智能化的计算机技术，对恒速控制程序进行优化提升及完善。

首先需要根据处理道路的宽度和厚度，对摊铺机的技术指标和参数进行修正调整。摊铺机不安装自动找平装置，虽然能够完成预期的摊铺作业，但无法更好地确保路面施工的平整度，缺乏针对性[5]，为解决这一问题，需要在发动机控制程序中增设一个自适应调整装置。根据实际状态，在油门总控开关位置设定刻度参数，以保证其输出转速的稳定性。再将恒速程序与主控程序进行搭接关联，形成更为稳定的控制系统，便于后期对摊铺机功能的调整。

1.2   设计摊铺机行驶控制逻辑

摊铺机的行驶控制逻辑，主要是指对摊铺机的施工作业控制流程的全要素设计与控制。其自动行驶控制方法主要包括：确定摊铺机行驶的目标路径，获取摊铺机的姿态信息和位置信息：将姿态信息和位置信息与施工作业目标路径进行比较，从而得到摊铺机自动航向偏差值和横向偏差值：根据航向偏差值和横向偏差值，设定并控制摊铺机进行相应的施工动作，使摊铺机能按照所设定的目标路径自动行驶并作业。

通常情况下，摊铺机接收到操作指令后会依据既定的流程开展施工作业。但指令是由技术人员设计并下达，在施工过程中难免会存在一定的误差。而行驶控制逻辑的设计则能够加强对误差的控制，形成修正比照程序，从而提高对摊铺机行驶速度的控制[6]。

在常规的道路摊铺施工中，需要提前接通摊铺机不同位置的电磁阀线圈，输入操作指令后即形成闭环行驶速度控制逻辑。摊铺机行驶速度闭环控制逻辑如图1所示。

根据图1所示，完成对摊铺机行驶速度闭环控制逻辑结构的设计，配置设定高挡位和低挡位，使其形成自适应的控制逻辑。其中，摊铺机行驶控制逻辑的设定，需要与主控程序进行实时关联，以便当摊铺机处于闭环状态时可以开展等距控制，降低行驶过程中发生事故的概率。最后，在主控程序的设定中还要增设PID模块和PWM模块，对摊铺机行驶速度预设不同速度等级，便于实际工程施工作业需求。

1.3   构建模糊PID核算行驶速度自适应控制模型

模糊PID算法可以实现对摊铺机行驶速度误差率进行精准控制的目的，它通过提前对输入参数值和具体施工环境开展测算分析，强化了摊铺机自适应模型的能力。

先设置固定的行驶速度标准，并测算出实际速度控制的隶属函数，对摊铺机控制逻辑进行模糊调整并计算出行驶的匀速值，如公式（1）所示：

式中：P（h-1）表示摊铺机行驶匀速值，α1和α2分别表示预设摊铺面积和实际摊铺面积，E表示控制偏差，u表示控制频率，k表示移位距离。

根据上述测定，完成对摊铺机行驶匀速值的测算。综合实际测定值调整摊铺机行驶速度，在摊铺机内控程序中增设电液随动阀，达到在控制速度的同时，也能够加强对发动机油电控制的目的。

在初始控制模型中增加识别装置，通过模糊PID算法的测算值设定出允许出现的最大行驶速度差值，如下公式2所示：

式中：△T表示允许出现的最大行驶速度差值，k1和k2分别表示最大行驶速度和最小行驶速度，λ表示输出量，μ表示控制范围， 表示单元控制区域，i表示控制次数。

根据上述测算，完成对摊铺机允许最大行驶速度差值的计算。根据实际施工路况和速度控制需求，综合行驶速度自适应控制模型的标准，逐步扩大速度控制范围，实现对模型的进一步优化。模糊PID控制系统结构流程如图2所示。

1.4   区域转换调整实现速度控制

区域转换调整，是对摊铺机进行的一种多方向控制的修正程序。摊铺机行驶区域转换调整，主要是对行驶速度控制指令和标准进行参照对比，并自动修正偏差参数，从而确保摊铺机对路面施工的摊铺平整度。针对摊铺机作业行驶区域，完成对控制转换参数的调整校对，需要划分成3个阶段，具体如表1所示。

根据表1完成对区域阶段转换参数调整的设定。为加强对摊铺机行驶速度更好控制，通過模糊PID算法，精准测算出摊铺机行驶速度的具体参数值。区域转换调整的设定主要是针对施工作业的固定区域，如果存在动态化摊铺施工需求，则要提前制定具体的摊铺范围，以最大程度保证公路路面摊铺作业的平整度和稳定性。

2   实验分析

为了检测最终测试结果的真实性，选择山东省潍坊市某公路的5个路段进行实验测试。先根据实际测试需求及标准，对最终获取的测试结果进行比照分析，再对摊铺路面的基础测试环境进行搭建。

2.1   实验准备

首先，完成对具体施工路面测试环境的搭建。在5个路段中各自设定对应数量的测定节点，并与主控制程序形成搭接，构建可调节大范围摊铺施工作业控制体系。

其次，利用对5个路段中提前所设置每一个节点进行信息采集，再将所测定的参数转换成数据包，传输至摊铺机的内控系统。

最后，分别在5个路段中各自标出摊铺机的行驶范围，同时完成设定对应的摊铺机行驶单元。为确保最终测定结果的真实性，需要提前设定摊铺机行驶速度控制指标，具体如表2所示。

根据表2所示，完成对摊铺机速度控制指标的设定。结合实际测定标准，调整摊铺机行驶速度的控制程序，再重新设置所需要的行驶速度参数，开始对公路5个路段的具体测验分析。

2.2   实验过程及结果分析

根据上述搭建的测试环境，应用模糊PID算法对摊铺机行驶速度实际控制情况进行验证。利用布设的测定节点，获取公路路面摊铺施工数据信息，并将其转换为数据包，再传输至摊铺机的主控系统之中，制定出初始行驶速度的控制标准。

在第一阶段的路面摊铺施工中，对摊铺施工后的路面平整度和稳定度进行测定。在第二阶段的路面摊铺施工中，要根据摊铺施工后的路面下沉状态，适时调整摊铺机恒定驱动转速，对路面凹凸区域进行多方向的来回摊铺作业，以增强路面平整度。

摊铺机在恒定驱动功率环境下，综合模糊PID算法测算出行驶速度控制的精差率，如公式3所示：

式中：M表示行驶速度控制精差率， 表示控制范围，

表示控制单元，Y表示控制次数，τ表示预估偏差。

综合上述测算完成对测试结果分析。测试结果对比如图3所示。对5个路段的测试结果进行测定分析，分析结果证实，摊铺机行驶速度控制精差率得到了较好控制，其误差控制率下降至30%以下，对摊铺机行驶速度控制效果明显。

3   结束语

当前混凝土摊铺机行驶速度控制模型多采用单向控制模式，如果操作控制偏差较大，容易导致静差率增加，既对机器造成了损坏，也大幅降低了对路面混凝土的摊铺质量。本文基于模糊PID算法，对公路沥青混凝土摊铺机行驶速度的控制效果进行了验证分析。

与传统的行驶速度控制方法对比，融合了模糊PID算法的摊铺机行驶速度控制模式更为精准稳定，能够在复杂的公路路面施工环境中，更好地控制摊铺机的行驶速度误差，对公路路面的摊铺成型起到了关键作用。基于模糊PID算法的摊铺机行驶速度控制技术，有利于提高路面摊铺平整度，保障路面施工质量。

参考文献

[1] 高海波，刘欣超，王彤.基于3D机械控制沥青路面智能摊铺施工技术应用研究[J].江苏建筑，2022（S1）：52-55.

[2] 杨刘虎.3D数字化摊铺机控制系统在高速公路建设中的应用[J].交通世界，2022（22）：105-107.

[3] 王志刚.解析高速公路施工中摊铺机的应用[J].四川建材，2021，47（11）：116-117.

[4] 姚艳鹏，王四虎，陈贞红.大型摊铺机水稳全幅施工技术[J].中国建材科技，2021，30（5）：179-180+54.

[5] 黄忠.高速公路路缘石施工中滑模摊铺机的应用研究[J].工程建设与设计，2021（18）：148-150.

[6] 索伟.摊铺机在路面施工中对平整度的影响及控制措施[J].设备管理与维修，2021（2）：149-151.

[7] 李悦.基于模糊矩阵的数据关联算法应用综述[J].数字技术与应用，2020，38（10）：92-94.