智能橡膠瀝青灑布車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：通過(guò)與傳統(tǒng)瀝青灑布車控制方案進(jìn)行對(duì)比，提出了一種新的噴灑系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式和控制方案，新方案克服了傳統(tǒng)灑布車灑布精度受車輛速度、檔位影響大的缺點(diǎn)，提高了灑布精度，并可方便地實(shí)現(xiàn)瀝青灑布的智能控制。
關(guān)鍵詞：智能橡膠瀝青灑布車；驅(qū)動(dòng)方式；灑布質(zhì)量

0 引言
    瀝青灑布車是公路，城市道路，機(jī)場(chǎng)和港口碼頭建設(shè)的重要設(shè)備，其工作原理是在灑布車行駛過(guò)程中，將加熱至液態(tài)的橡膠瀝青均勻地噴灑在基層上，從而形成粘合層或路面。傳統(tǒng)瀝青灑布車需要由人工調(diào)整噴灑壓力，難以實(shí)現(xiàn)灑布量的精確控制。本文提出了一種新的瀝青灑布車控制系統(tǒng)的控制算法，該方法由智能控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)噴灑壓力、灑布量進(jìn)行精確控制，從而提高灑布質(zhì)量。

1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    整個(gè)控制系統(tǒng)按工作分工不同可分為噴灑控制部分和輔助部分，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中噴灑控制部分包括車速測(cè)量系統(tǒng)、壓力測(cè)量系統(tǒng)，可通過(guò)控制單元對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，再送到噴灑執(zhí)行元件。噴灑執(zhí)行元件的動(dòng)作包括噴嘴的伸出與開(kāi)啟、噴灑桿的升降等。在灑布車進(jìn)行灑布作業(yè)時(shí)，這部分是實(shí)現(xiàn)灑布量精確控制的關(guān)鍵所在，也是本文研究的重點(diǎn)。

    輔助部分包括人機(jī)界面、溫度測(cè)量系統(tǒng)等。將溫度數(shù)據(jù)和各種控制參數(shù)通過(guò)控制單元處理后，可驅(qū)動(dòng)保溫系統(tǒng)、瀝青循環(huán)系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，從而保證灑布車進(jìn)行正常的噴灑作業(yè)。

2 噴灑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    噴灑控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示，其中車速測(cè)量部分采用24齒接近開(kāi)關(guān)作為計(jì)數(shù)裝置，以獲得實(shí)時(shí)車速信息，同時(shí)利用車速信息計(jì)算得到噴灑壓力控制信號(hào)，再通過(guò)噴灑壓力控制信號(hào)來(lái)調(diào)整電動(dòng)閥，從而改變噴灑壓力，以達(dá)到控制灑布量的目的。最后，在噴灑桿中安裝的壓力傳感器，可將噴灑系統(tǒng)實(shí)際壓力作為反饋信號(hào)，以形成噴灑壓力的單閉環(huán)控制，對(duì)噴灑壓力進(jìn)行精確控制。

2．1 壓力控制系統(tǒng)模型的建立
    根據(jù)Veejet系列噴嘴的產(chǎn)品樣本，噴嘴的噴灑壓力與流量之間有以下關(guān)系：
   
    式中：g- 噴嘴流量，L／min。
          P- 噴嘴處的壓力，BAR。
          0．5是Veejet系列噴嘴的特征值。
     由于本系統(tǒng)采用的瀝青泵是定量泵，流量、轉(zhuǎn)速都是固定的，所以有以下式子成立：
    
    式中：Q-瀝青泵的輸出流量，L／s。
          λ-設(shè)定的灑布量，L／m2。
          v-車速，m／s。
          B-灑布寬度，m。

    圖3所示為瀝青循環(huán)管路示意圖，其中閥門(mén)2用于粗調(diào)系統(tǒng)壓力，是氣動(dòng)閥；閥門(mén)3用于在噴灑時(shí)調(diào)節(jié)噴灑壓力，是電動(dòng)閥；瀝青Q從瀝青泵流出后，再減去回到瀝青罐中的部分Q’，才是從灑布管噴出的瀝青。即：

   
    式中：N- 噴嘴的個(gè)數(shù)。
          q- 單個(gè)噴嘴的流量，L／s。
    由于
   
    式中：b- 噴嘴間距，m。
    將式(3)、(4)帶入式(1)可得
   
    取一定的噴灑壓力作為參考?jí)毫?，記作P0，參考?jí)毫ο碌膰娮炝髁坑涀鱭0，作為換算的基準(zhǔn)，則有：
   
    從中可以看出：只有車速v和噴灑壓力P是變量，而車速可以通過(guò)測(cè)量得到，從而使得控制系統(tǒng)對(duì)噴灑壓力的控制成為可能，所以有下面式子成立：
   
    式(7)就是控制器對(duì)噴灑壓力控制的理論依據(jù)，也是控制算法的核心。
2．2 對(duì)計(jì)算公式的修正
    用Veejet噴嘴進(jìn)行噴灑實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)于規(guī)格不同的噴嘴，可得出一系列灑布量與車速之間關(guān)系的對(duì)應(yīng)曲線圖(為敘述方便，以下簡(jiǎn)稱v-λ圖)。圖4所示為噴嘴規(guī)格為20時(shí)的v-λ圖，其中噴嘴間隔b就是灑布寬度B。

    v-λ圖的橫坐標(biāo)的刻度均按實(shí)際值進(jìn)行標(biāo)注，長(zhǎng)度則按實(shí)際坐標(biāo)值取以10為底的對(duì)數(shù)值來(lái)計(jì)算，均以150mm為一個(gè)單位，就有如下公式：
   
    對(duì)應(yīng)到v-λ圖中，將lgλ作為橫坐標(biāo)，lgv作為縱坐標(biāo)，對(duì)于特定規(guī)格的噴嘴在一定噴灑壓力P下的工作情況(8)式可化為：
   
    C代表常量，對(duì)于同規(guī)格的噴嘴，其參考?jí)毫ο碌膮⒖剂髁肯嗤?，該值僅僅隨噴灑壓力的變化而變化；而對(duì)于不同規(guī)格的噴嘴，該值會(huì)由于參考流量和噴灑壓力的變化而變化。
    另外從式(6)不難推導(dǎo)出車速相同時(shí)能達(dá)到的灑布量有如下關(guān)系：
   
    例如，對(duì)于20規(guī)格的噴嘴，車速最低(33m／min)時(shí)，其在不同噴灑壓力下能達(dá)到的灑布量與參考?jí)毫?1bar=100000Pa)時(shí)灑布量(約為
0．8L／m2)的比值分別為、換算結(jié)果分別為0．98L／m2、1．23L／m2、1．27L／m2、1．39L／m2，與圖4情況吻合。
    除此之外，仔細(xì)研究v-λ圖，不難發(fā)現(xiàn)其中隱含的一些信息。取最低車速(33m／min)且噴灑壓力為1 bar時(shí)的灑布量作為研究對(duì)象，噴嘴規(guī)格為15時(shí)，灑布量為0．6L／m2。

    而其他規(guī)格的噴嘴的情形也與此相同。觀察以上數(shù)據(jù)，可以做以下的判斷：由于噴灑桿上單個(gè)噴嘴噴灑壓力的不一致，按照理論公式(6)計(jì)算出的結(jié)果并不與實(shí)際情況吻合，為了解決這個(gè)問(wèn)題，需要在控制系統(tǒng)中引入一個(gè)噴嘴流量修正系數(shù)，而這個(gè)系數(shù)可以根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出來(lái)，約為1．7。
    由此，可修正式(6)為
  
    至此，可得出校正后的控制系統(tǒng)核心算法為：
   

3 噴灑桿高度的控制
    噴灑桿作為瀝青灑布車的工作裝置，所要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作主要包括噴嘴的開(kāi)啟和關(guān)閉、噴桿的升降以及兩側(cè)附加噴桿的伸出與收回。限于成本和技術(shù)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)的瀝青灑布車對(duì)噴灑桿的高度變化并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，而其他動(dòng)作已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，噴灑桿高度與噴灑角等參數(shù)的關(guān)系具有如下公式：
   
    式中：H-噴灑高度；b- 噴嘴間距；n- 搭接層數(shù)，一般為2或3即兩重或三重灑布；β- 噴嘴開(kāi)口中心線與噴灑桿軸線間的夾角(一般為20°--30°)；α-噴灑角(≥60°)。
    從上式可以看出，只有搭接層數(shù)是未知的，而其它參數(shù)都是固定值。但是，在開(kāi)始噴灑之前，搭接層數(shù)就已經(jīng)確定了，所以，在噴灑過(guò)程中，噴灑高度也應(yīng)該是固定的。
    但是在實(shí)際噴灑過(guò)程中，隨著瀝青逐漸減少，車輛負(fù)荷也會(huì)減少，造成車尾越來(lái)越高，因而噴灑桿距地面的高度也越來(lái)越大。這樣就會(huì)影響噴灑的效果。為了消除這種影響，提高灑布精度，最好的解決方法就是在車尾安裝高度探測(cè)儀(例如超聲波探測(cè)器)來(lái)對(duì)行駛過(guò)程中車輛高度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，同時(shí)隨瀝青量的減少自動(dòng)調(diào)整噴灑高度到設(shè)定值。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證所提出的控制模型是否能夠達(dá)到預(yù)想的控制效果，可對(duì)其在從靜止到達(dá)最佳噴灑車速(3～4km／h)這一過(guò)程進(jìn)行仿真分析，以得到圖5所示的時(shí)間一壓力一車速圖。圖5中的虛線為控制器可以控制的壓力范圍。但是，在瀝青灑布車進(jìn)行灑布作業(yè)的過(guò)程中，最好將車速控制在最佳灑布車速范圍內(nèi)。由圖5中的數(shù)據(jù)分析可知，壓力控制系統(tǒng)在車輛加速過(guò)程中，可以隨時(shí)調(diào)整噴灑壓力，保證灑布量隨車速的增加而增大。在車速由上升到逐漸穩(wěn)定的過(guò)程中，壓力控制器會(huì)產(chǎn)生微量的超調(diào)，但是，誤差范圍應(yīng)控制在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的3％以內(nèi)，以滿足實(shí)際控制要求。

5 結(jié)束語(yǔ)
    本文對(duì)瀝青灑布車行駛速度與灑布量之間的關(guān)系進(jìn)行了分析，提出了新的設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式，保證了噴灑壓力隨車速快速、準(zhǔn)確的變化。同時(shí)分析了噴灑桿高度與瀝青量之間的關(guān)系，指出了采用高度閉環(huán)控制來(lái)消除噴灑桿高度變化對(duì)灑布質(zhì)量的影響。事實(shí)上，由于車輛加速度的變化和各種干擾，對(duì)灑布車在加速過(guò)程中的壓力控制均有不同的影響，其具體體現(xiàn)是車速由加速進(jìn)入穩(wěn)定時(shí)的小幅超調(diào)。