基于PLC的攤鋪機行走控制系統(tǒng)糾偏算法研究

摘要：對瀝青混凝土履帶式攤鋪機行駛系統(tǒng)糾偏控制進行了研究，提出了在模糊PID控制攤鋪機恒速性能的基礎上引入左右履帶里程關聯(lián)的方法來解決攤鋪機行走過程中跑偏的問題通過現(xiàn)場試驗，證明了模糊PID加左右履帶里程關聯(lián)的控制方法是可行的。
關鍵詞：瀝青混凝土攤鋪機；PID控制；模糊PID控制；里程關聯(lián)

    隨著我國公路建設事業(yè)的高速發(fā)展，工程建設對施工設備的質(zhì)量有了更高的要求。由于攤鋪機是邊走邊作業(yè)的施工機械，其行駛速度穩(wěn)定性和行駛的直線性對攤鋪路面的平整度、初始密實度、離析程度有著很大的影響，因此行走控制系統(tǒng)的性能是影響攤鋪機作業(yè)性能的重要因素，在很大程度上決定著攤鋪質(zhì)量的好壞。
    目前攤鋪機行走系統(tǒng)控制方法主要采用PID控制。PID控制由于算法簡單，魯棒性好，可靠性高，在控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用。但PID控制依賴被控對象的精確數(shù)學模型，由于攤鋪機液壓伺服系統(tǒng)多為非線性、時變復雜系統(tǒng)，參數(shù)變化大，PID參數(shù)確定困難。若單純采用固參數(shù)的常規(guī)PID控制則不能滿足在不同偏差下系統(tǒng)對PTD參數(shù)自整定的要求，控制器對運行工況的適應性差，從而影響其控制效果。模糊控制不依賴于被控制對象精確的數(shù)學模型，動態(tài)性能好、受系統(tǒng)參數(shù)變化的影響小，但穩(wěn)態(tài)精度不高。采用模糊PID控制器并引入左右履帶里程差關聯(lián)的方法，既有模糊控制靈活、適應性強的優(yōu)點，又有PID控制精度高的特點，同時引入左右履帶的里程差方法，提高了攤鋪機的行走控制效果。

1 攤鋪機行走控制系統(tǒng)
    瀝青混凝土攤鋪機普遍采用雙泵-雙馬達系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)左右兩側(cè)為獨立的行駛驅(qū)動液壓回路。通過對左右兩側(cè)獨立的泵和液壓馬達進行控制，實現(xiàn)攤鋪機的前進／后退、左右轉(zhuǎn)向及原地轉(zhuǎn)向等動作控制，實現(xiàn)無級變速，達到恒速控制的目的。圖1所示為攤鋪機行走系統(tǒng)的控制框圖?？刂破鞯暮诵氖强刂谱兞勘帽壤姶砰yY1、Y2、Y3、Y4，通過脈寬調(diào)制(PWM)調(diào)節(jié)比例電磁閥的電流控制泵的排量實現(xiàn)控制左右履帶的行駛速度。通過比例電磁閥不同的組合方式，可以實現(xiàn)攤鋪機的前進、后退及轉(zhuǎn)向動作。通過馬達換向閥控制Y5、Y6進行馬達高低速轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)攤鋪機行走／攤鋪兩種工作模式。

    圖1中Rs、Rh、Rt分別為最大行駛速度電位器、驅(qū)動手柄電位器和轉(zhuǎn)向電位器。Kt為原地轉(zhuǎn)向按鈕，Ks為緊急制動按鈕，Kp為行走／攤鋪二位開關，在“攤鋪”位時，為了實現(xiàn)恒速和直線控制，利用速度傳感器V1和V2將行駛速度反饋至輸入端，行駛控制采用閉環(huán)模式。
    攤鋪機行駛系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖如圖2。

     

2 控制器設計
    從上面分析知道，攤鋪機行走系統(tǒng)的控制都歸結(jié)到對變量泵比例電磁閥控制。本文采用脈寬調(diào)制的方式，PWM頻率定為100Hz，為了在糾偏的同時提高恒速控制的性能，本文采用模糊PID控制。
2．1 常規(guī)PID控制
    PID控制算法是利用偏差信號，采用比例、積分、微分三個基本環(huán)節(jié)對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。為了在單片機上實現(xiàn)PID控制算法。PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?br />     常規(guī)PID控制的差分方程：

    式中：u(k)為第k個采樣時刻控制器的輸出：e (k)為第k個采樣時刻的偏差值，Kp、Ki、Kd分別為為比例增益、積分系數(shù)和微分系數(shù)。
其增量式控制算法為：

    本文采用增量式PID控制算法以提高控制性能。在進行軟件編程前，必須對Kp、Ki、Kd進行初始化，因此應對PID參數(shù)進行預整定。PID參數(shù)的整定比較成熟的方法有臨界靈敏度法、擴充響應曲線法、Z-N法等等。本文利用Z-N法確定了一組PID參數(shù)Kp、Ki、Kd分別為0．4、0．0 3、0．2。實際應用中可結(jié)合具體情況反復整定并進行實驗，確定一組較滿意的控制參數(shù)。
2．2 自適應模糊PID控制
2．2．1 模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)
    自適應模糊PID控制器是以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻誤差e和誤差變化率ec對PID參數(shù)整定的要求。利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行整定，便構(gòu)成了自適應模糊PID控制器。自適應模糊PID控制器的原理圖見圖3。

    PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個參數(shù)與誤差e(k)和誤差變化率ec(k)之間的模糊關系，在運行中通過不斷檢測，根據(jù)模糊控制原理來對3個參數(shù)進行在線修改，以滿足不同e(k)和ec(k)對控制參數(shù)的不同要求，從而使被控對象有良好的動態(tài)、靜態(tài)性能。PID參數(shù)的整定必須考慮到在不同時刻三個參數(shù)的作用及相互之間的關系。
2．2．2 模糊控制規(guī)則設計
    選擇E與EC作為攤鋪機行駛速度偏差e及速度偏差變化率ec的輸入語青變量，輸出語言變量選擇KP、KI、KD，也就是參數(shù)Kp、Ki、Kd相應的語言變量。利用{負大、負小、零、正小、正大}={NB、NS、ZE、PS、PB}五個模糊狀態(tài)描述語言變量E、EC、KP、KI、KD。
    我國瀝青混凝土攤鋪機作業(yè)攤鋪速度一般情況下≤6m／min，此處確定速度偏差e的基本域為[-0．6，0．6]，利用擴充響應曲線法求出的PID整定參數(shù)可以確定Kp、Ki、Kd的大致變化范圍，Kp變化范圍為[0．2，0．8]，Ki變化范圍為[0．01，0．07]，Kd變化范圍為[0．2，0．6](根據(jù)控制周期的不同，PID控制參數(shù)的取值范圍就會不同)。語言變量的隸屬度賦值表如表1，2。

    模糊自整定PID是在PID算法的基礎上，通過計算當前系統(tǒng)誤差e和誤差變化率ec，利用模糊規(guī)則進行模糊推理，查詢模糊矩陣表進行參數(shù)調(diào)整。
    模糊控制設計的核心是總結(jié)工程設計人員的技術知識和實際操作經(jīng)驗，并根據(jù)參數(shù)自整定規(guī)律，建立合適的模糊推理規(guī)則表，得到針對Kp、Ki、Kd三個參數(shù)分別整定的模糊控制表如表3-5。

    根據(jù)上述模糊控制規(guī)則，應用模糊推理的合成規(guī)則離線計算出模糊控制器的輸出，也就是PID參數(shù)Kp、Ki和Kd的校正量△Kp、△Ki和△Kd，得到△Kp、△Ki和△Kd的查詢表。實時控制時，首先根據(jù)e和ec的量化值直接從離線獲得的查詢表中查出校正量△Kp、△Ki和△Kd的量化值，再通過解模糊處理，得到△Kp、△Ki和△Kd的精確值，最后把它們和PID參數(shù)的基值Kp0、Ki0和Kd0按式(5)分別相加，得到在該狀態(tài)下對電磁閥實施控制所對應的最優(yōu)參數(shù)Kp、Ki和Kd，然后按PID控制算法繼續(xù)進行運算及控制。
    Kp=Kp0+△Kp
    Ki=Ki0+△Ki       (5)
    Kd=Kd0+△Kd
    在運行過程中，控制系統(tǒng)通過對模糊邏輯規(guī)則的結(jié)果處理、查表和運算，完成對PID參數(shù)的自校正。

3 左右履帶里程差控制策略
    本文采用模糊PID控制，同時引入左有履帶里程差糾偏環(huán)。將左馬達的速度作為反饋值與左馬達的設定速度值進行比較，同時將右馬達的速度值作為反饋值與有馬達的設定速度值進行比較，分別通過模糊PID調(diào)節(jié)器獨立控制左右馬達的轉(zhuǎn)速，使其與設定值相同，這是控制的核心部分。再將左、右履帶行駛里程的差值作為反饋值并以追蹤零為目標通過比例調(diào)節(jié)器形成控制量，對其中一個馬達的速度設定做調(diào)整，形成糾偏環(huán)，這是控制的輔助部分。控制框架結(jié)構(gòu)示意圖如圖4。

4 現(xiàn)場測試
4．1 現(xiàn)場測試
    將此糾偏控制算法應用于新筑公司MT12000型攤鋪機的行走系統(tǒng)控制中，將發(fā)動機轉(zhuǎn)速設定為2200r／min進行控制效果測試。

    測試方法：每項測試距離為履帶長度的2-5倍(即17米-42．5米)，發(fā)動機工作在額定轉(zhuǎn)速，在攤鋪機兩側(cè)的機架及相鄰履帶設定試驗的起始基準，啟動發(fā)動機，轉(zhuǎn)向控制器置于零位，使攤鋪機按某一作業(yè)速度向前直線行駛，到達終點后停機，分別測量左右距離差的絕對值，來計算相對的跑偏量。
    攤鋪機試驗過程軌跡圖如圖6：

    采用糾偏算法在不同的速度設定值下得到的結(jié)果如表6：

    不采用糾偏算法在不同的速度設定值下得到的結(jié)果如表7。
    從以上表6、表7的對比測試結(jié)果可以看出，利用此糾偏控制算法使MT12000型攤鋪機的直線度跑偏量控制在0．4％以內(nèi)，大大提高了攤鋪機的行駛直線度性能，改善了攤鋪機的整體控制效果。

5 結(jié)束語
    瀝青混凝土攤鋪機行駛系統(tǒng)的直線度性能的提升是改善路面施工質(zhì)量的重要途徑之一，單純依靠模糊PID控制可以提高機器的行駛恒速性能，但難以保證左右履帶行程的一致性，從而無法確保機器的行駛直線度。本文探討了在模糊PID控制的基礎上加上左右里程關聯(lián)的方法，并將其應用在攤鋪機的行駛系統(tǒng)控制中，用以提高攤鋪機的直線行駛效果。對比測試結(jié)果表明，用此糾偏控制算法獲取的直線行走效果在原有控制效果的基礎上提高了0．5％左右，在很大程度上提升了攤鋪機的直線行駛性能。