压路机集成式液压系统控制策略研究

曹 晨， 王 尼， 曹 瑞

（1.芝罘公路建设养护中心， 山东 烟台 264000；2.山东省海洋仪器仪表科技中心有限公司， 山东 青岛 266001）

0 引言

压路机是道路建设中常用的设备之一，用于压实土壤、沥青和混凝土等路面材料，以提高路面的稳定性和承载能力。随着科技的进步和工程要求的提高，压路机的性能和控制需求也在不断提升。在传统的液压系统中，液压控制单元独立布置，控制策略相对简单，已经无法满足高效、精确的压路操作要求。对压路机集成式液压系统控制策略的研究，成为提高压路机工作效率和压实质量的重要途径[1]。

1 压路机集成式液压控制系统组成

1.1 压路机集成式液压系统的结构

压路机集成式液压系统是一种以液压为动力源，集成电气、操作、传感、液压元件等多种功能于一体的液压控制系统（见图1）。

图1 压路机集成式液压控制系统框架

压路机集成式液压控制系统结构主要包括液压传动系统、电控系统、油箱、散热器等部分。其中液压传动系统是整个集成式液压系统的核心部分，通过控制各种液压元件的工作状态来实现压路机的运动控制[2-3]。

1.2 压路机集成式液压系统的工作原理

压路机集成式液压系统的工作原理是利用高压油液驱动液压缸或液压马达，实现压路机的运动控制。在实际工作中，当操作手动控制液压阀门使液压泵输出高压油液进入液压缸或液压马达时，就可以实现对压路机的加压、振动、转向、行进等功能的控制[4]。

1.3 压路机集成式液压系统的特点

压路机集成式液压控制系统的特点主要包括结构紧凑、重量轻、使用寿命长、维护方便等。相比于传统的液压控制系统，集成式液压控制系统具有占用空间小、重量轻、功率大、工作效率高等优点，同时由于其结构紧凑，维护起来也相对简单方便，使用寿命长，因此在压路机中得到了广泛应用。

2 压路机集成式液压控制系统技术难点

2.1 集成式设计方案的制定

压路机集成式液压控制系统的设计方案涉及如何合理地将各个液压元件进行集成，确保系统结构紧凑、功能完备，并满足特定的工作需求。在制定设计方案时，需要考虑液压元件的布局、管路的连接方式、集成模块的选择以及系统的可扩展性等因素，以实现高效、可靠和可维护的集成式液压控制系统[5]。

2.2 高效低能耗的液压传动技术

在设计液压传动技术时，需要考虑如何减少能量损失、提高液压系统的效率，并确保所需的动力和控制能力得到有效传递。液压泵、阀门和缸的选型，液压流体的特性以及控制策略的优化都是实现高效低能耗液压传动技术的关键因素。

2.3 复杂环境下的稳定性和安全性问题

在压路机的工作环境中，存在复杂的振动、冲击和恶劣气候等因素，对集成式液压控制系统的稳定性和安全性提出了挑战。液压系统的稳定性是指在各种工况下系统的动态响应和稳定性能，而安全性则涉及系统的故障检测和保护机制。因此，如何设计合适的减震措施、优化系统的动态性能以及提供可靠的故障检测和保护装置，都是解决复杂环境下稳定性和安全性问题的关键技术难点。

3 压路机集成式液压控制系统控制策略

3.1 压路机液压系统控制策略的功能需求分析

在压路机液压系统的控制策略设计中，需要进行功能需求分析，明确系统需要实现的功能和性能要求。这包括压路机运动的控制、压实质量的调节、驱动力的控制、动态响应特性等方面的需求。通过分析功能需求，可以指导后续的控制策略设计和参数设置。设计压路机液压系统的控制策略时，需要进行功能需求分析，明确系统需要实现的功能和性能要求[6-7]。

1）压路机运动控制：控制策略需要能够实现压路机的前进、后退、转弯等基本运动控制，以适应不同工况下的作业需求。

2）压实质量调节：系统应具备调节压路机的压实质量的能力，通过控制液压系统的工作参数，实现对压路机压实力的调节和控制。

3）驱动力控制：液压系统控制策略需要能够实现对压路机驱动力的精确控制，以适应不同地面材料的特性和作业要求。

4）动态响应特性：控制策略应具备快速响应和良好的动态特性，以实现对压路机运动和压实过程的实时控制与调节。

5）能耗优化：控制策略应考虑降低能耗的优化目标，通过合理的控制方式和参数设置，提高液压系统的能源利用效率，降低能耗。

6）系统安全性：控制策略需要考虑压路机在复杂环境下的稳定性和安全性问题，通过控制算法和安全保护机制，保障系统的安全运行。

3.2 压路机液压系统控制策略分类及特点

3.2.1 开环控制策略

开环控制策略是一种控制系统的策略，其中控制指令是基于预先设定的输入信号，而无须实时的反馈或修正。在压路机液压系统中，开环控制策略通过设置预定的输入信号，直接控制液压系统的工作状态和输出。这种控制策略的特点是简单直接，适用于相对简单的工作场景，对系统的实时响应能力较弱。

在压路机液压系统中采用开环控制策略，操作人员根据工作需求设定控制参数，例如设定压路机的运动速度、转向角度等。控制指令被直接发送给液压系统的执行元件，驱动压路机实现相应的运动。开环控制策略不考虑实际输出与期望输出之间的误差，也不对系统进行实时调整和修正。

尽管开环控制策略在某些简单场景下仍然具有应用价值，但在更复杂和精确的控制要求下，通常需要采用闭环控制策略。闭环控制策略通过引入实时的反馈机制和误差校正，能够提高控制精度和系统的稳定性。因此，在选择控制策略时，需要根据具体的压路机液压系统要求和工作场景来综合考虑，并根据实际情况进行选择。

3.2.2 闭环控制策略

闭环控制策略是一种控制系统的策略，其中控制指令是基于实时的反馈信号和误差校正的结果。在压路机液压系统中，闭环控制策略通过实时监测液压系统的输出状态和反馈信号，与预期的输出进行比较，并根据比较结果进行误差修正，以实现更精确的控制。

闭环控制策略的特点是具有较强的适应性和鲁棒性，能够实时响应外部变化和干扰，提高系统的稳定性和控制精度。在压路机液压系统中，闭环控制策略可以应用于多个方面，如压实质量调节、驱动力控制和动态响应特性的优化。

通过闭环控制策略，系统可以实时获取液压系统的输出状态，例如压路机的压实力、运动速度等，并将其与预期的目标进行比较。如果存在误差，控制系统会对液压系统进行相应的调整和修正，以减小误差并接近期望输出。这种实时反馈和修正的机制使闭环控制策略能够适应不同工况和外部环境的变化，提高系统的稳定性和控制精度。

闭环控制策略常用于要求较高的控制场景，如压路机的压实质量调节，其通过实时监测地面压力反馈信号，并根据误差进行液压系统的控制，以达到所需的压实质量。此外，闭环控制策略还可以用于驱动力控制，通过实时测量压路机的阻力和地面材料特性，对液压系统进行控制，使驱动力保持在所需的范围内。闭环控制策略还可以优化压路机的动态响应特性，通过实时监测液压系统的输出状态和动态变化，及时调整控制参数，以实现对压路机运动过程的精确控制。

3.3 基于CAN 总线的压路机液压系统控制策略

3.3.1 CAN 总线技术

CAN（Controller Area Network）总线技术是一种用于实时控制和通信的串行通信协议。它具有高可靠性、抗干扰能力强和支持多节点等特点，广泛应用于汽车电子系统和工业自动化领域。在压路机液压系统中，CAN 总线技术可以实现液压系统各个组件之间的实时数据传输和通信，以及集成控制和监测，如图2所示。

图2 基于CAN 总线的压路机液压控制系统流程

3.3.2 压路机液压系统控制策略基于CAN 总线的实现

通过系统设计和硬件配置、控制算法选择及应用以及集成化功能优化，可以实现基于CAN 总线的压路机液压系统控制策略的高效、稳定和可靠运行。需要根据具体的应用需求进行定制化设计，并充分考虑压路机的特殊工作环境和要求。

3.3.2.1 系统设计和硬件配置

系统设计：首先需要进行详细的系统设计，包括确定系统的功能需求、通信协议、节点数量和布局等。考虑到压路机液压系统的复杂性，可能需要将系统划分为多个子系统，每个子系统包含特定的功能模块。

硬件配置：根据系统设计，选择适合的CAN 总线硬件设备，包括CAN 控制器、CAN 收发器、传感器、执行器等。确保硬件设备之间的兼容性和稳定性。

总线布线：进行合适的总线布线，包括选择适当的总线电缆、连接器和终端电阻。考虑到压路机的振动和恶劣环境条件，总线布线需要具备抗干扰和耐久性。

3.3.2.2 控制算法选择及应用

根据压路机液压系统的特点和控制需求，选择适当的控制算法。常见的算法包括PID 控制、模糊控制、自适应控制等。根据实际情况，可以选择单个算法或者结合多个算法进行综合控制。

根据选定的算法，设计控制策略并将其应用于液压系统控制中。包括确定控制参数、设定控制规则和逻辑，并将其转化为可执行的代码或算法模块。

3.3.2.3 集成化功能优化

针对压路机液压系统的特点和性能要求，进行集成化功能的优化设计。例如，引入状态监测和故障监测模块，实时监测系统状态并及时处理异常情况，以提高系统的可靠性和安全性。优化数据通信和传输效率，确保控制指令和反馈信号在CAN 总线上的稳定和高效传输。可以采用优化的通信协议和数据传输机制，减少通信时延和数据丢失的可能性。

进行集成化的用户界面设计，提供直观、易用的人机交互界面，使操作人员能够方便地监控和调节液压系统的工作状态。这可以包括显示实时数据、报警信息、操作参数设置等功能。

4 结论

通过对压路机集成式液压系统的控制策略进行研究和探索，取得了一定的成果和进展。通过系统设计和硬件配置的优化，以及控制算法的选择和应用，成功实现了基于CAN 总线的压路机液压系统控制策略的高效、稳定和可靠运行。同时通过集成化功能的优化，拓展了液压系统的应用范围和性能，将来可以进一步深入研究，探索更多的创新和应用，为压路机液压系统的发展作出更大的贡献。