计算机模拟沥青摊铺机自动调平系统的分析

作者：王笑风 陈勇

欢迎访问e展厅 展厅 4 路面机械展厅 沥青摊铺机, 压路机, 平地机, 稀浆封层机, 铣刨机, ... 摘要：利用计算机模拟沥青摊铺机自动调平控制系统的工作状况，进行控制器调节方式的优化，分析调平系统中传感器位置的变化对系统性能的影响，从而指导在实际工作中提高沥青路面的平整度。 关键词：PID调节；沥青摊铺机；复合闭环控制系统；自动调平系统 在路面平整度的控制过程中，沥青摊铺机的自动调平控制系统起着举足轻重的作用。沥青摊铺机自动调平系统采用的是复合控制系统。单纯的开环控制系统具有结构简单、成本低、工作稳定等优点，当误差可以预见时，能取得较好的效果。但是该种控制方式不能自动修正被控制量的偏差，未知的扰动对控制精度有很大的影响。单纯的闭环控制系统具有自动修正被控量偏移的能力，控制精度高，但是由于存在着反馈，当控制系统参数设置不当时会产生被控量的振荡，或调节不足等现象。复合控制系统是在闭环控制的基础上加上一个顺馈通路（开环系统）。引入顺馈通路非但对闭环回路的性能影响不大，反而可以大大提高系统的控制精度。地面不平度的影响尚未到达熨平板底面时，就由机身传至误差检测器，系统开始预调，当熨平板运动到这个误差区时，由于预调的作用相对误差已大大减小，通过熨平板反馈到检测器的误差变得很小，这样再调节的范围大大变小。利用计算机技术模拟其实际工况，无论从研究角度还是从指导实际摊铺工作都具有重大意义。 1 系统数学模型的建立 根据现有的研究结果，忽略牵引点和熨平板处的扰动，沥青摊铺机纵向调平系统可简化为图1。调节器代表自动调平控制器，其作用是对信号的调节放大。在数字式控制器的研究中，采用比例（P）、积分（I）、微分（D）/种调节的适当组合来代替。 传感器可认为是一个比例环节 G1(s)=k 式中k为传感器比例常数。 执行机构由伺服阀和双作用油缸组成，比例伺服阀的传递函数可用一阶环节表示 式中kq为伺服阀流量增益；τ1为伺服阀时间常数。 液压缸传递函数为 式中ωv为阀控缸的液压固有频率；Mt为单个油缸所承载的熨平板质量；V为等效液压缸容积；β为等效容积弹性模数；ξV为阀控缸的液压阻尼比；#为液压缸的有效面积。 熨平板可作为一阶惯性环节来建立其数学模型，得传递函数如下 式中τ2为熨平板时间常数τ2=L/v；L为牵引臂有效长度；v为摊铺速度。 两反馈环节为 式中c为传感器位置到牵引点之间的距离。 2 计算机仿真及结果分析 根据现有机型确定系统参数：供油压力为17Mpa；油缸活塞直径为D=100mm，活塞杆直径为d=50mm，活塞行程为L=800mm；油液弹性模量β为700MPa；熨平板质量为16000kg；其它相关参数根据实际确定。首先画出控制系统的Bode图，如图2所示。 构成路面不平度的真实信号是白噪声信号，但根据摊铺机的摊铺工况和熨平板的滤波作用，只有路面的误差信息为低频信号时才对系统有所作用，而高频误差信号将被熨平板滤掉。路面误差信号频率的确定决定于摊铺速度和熨平板宽度两个因素。根据目前摊铺机推荐的摊铺速度和熨平板宽度，只有0.5Hz以下的路面误差信号才被认为是有效信号。根据系统Bode图显示频率特性，可知该系统基本与实际的自动调平工况相符，这说明所构造的仿真系统模型是有效的。 2.1 调节器调节方式的优化分析 本文是在传统PID调节的基础上进行优化的。传统PID算法适用于一般工业过程的控制系统，其控制强度和精度高于经验规则算法。比例P、积分I、微分D 3个单元可组合成PD（比例微分），PI（比例积分）及PID（比例积分微分）3种调节器。考虑到熨平板装置是一个比较大的一阶惯性环节，有较大的滞后，所以要进行滞后校正。图3中a曲线代表采用P调节的系统阶跃响应曲线，b曲线代表采用PD调节的系统阶跃响应曲线；图4为两种调节方式下系统对相同频率的正弦信号的响应曲线，c曲线表示采用P调节的系统正弦信号的响应曲线，d曲线表示采用PD调节的系统正弦信号的响应曲线。从图3中a曲线可以得出单纯的比例调节系统超调量大，稳定时间长，而b曲线表示采用PD调节以后其阶跃响应状态正是系统所追求的理想状况。图4显示系统在不同的调节方式下，对同一种正弦信号的时域响应存在着较大的差别。d曲线表示采用比例微分（PD）调节时，系统稳定性好，输出滞后小。 2.2 传感器位置对系统的影响 传感器所检测的偏差是由牵引点和熨平板垂直方向的运动产生的。图5所示曲线是系统阶跃响应随C值（传感器至牵引点位置之间的距离）变化而变化的情况。随着C值的增加，超调量变大，系统难于稳定。实际工况中相当于传感器位置靠后时，尽管能够准确地感觉到刚刚对铺层所施加的作用，但不能预测出下一步的外干扰产生的结果，同时由于系统的滞后作用，系统将趋于振荡，稳定性差。但如果将传感器设置在邻近牵引点的地方，虽然能够提供牵引点垂直方向的最大敏感度，却不能检测出摊铺速度、混合料密实度、混合料温度等引起的熨平板的垂直运动。而曲线说明：传感器的位置设置在牵引点与熨平板之间时，系统响应趋于理想状态。根据仿真结果和实验结果，一般传感器设置在熨平板前相当于大臂长度的1/3处左右。此时，系统的性能将得到充分发挥。 3 结语 根据建立的摊铺机自动调平控制系统数学模型，利用计算机对沥青摊铺机自动调平控制系统控制器调节方式进行优化，对于数字式调平控制器的开发有一定的价值。摊铺机自动调平系统中传感器位置的变化对系统性能影响至关重要，所以本文的分析对于摊铺机的工程实际应用，提高路面的平整度有重要的现实指导意义。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/4/2007)