智能橡胶沥青洒布车控制系统设计

摘要：通过与传统沥青洒布车控制方案进行对比，提出了一种新的喷洒系统的驱动方式和控制方案，新方案克服了传统洒布车洒布精度受车辆速度、档位影响大的缺点，提高了洒布精度，并可方便地实现沥青洒布的智能控制。
关键词：智能橡胶沥青洒布车；驱动方式；洒布质量

0 引言
    沥青洒布车是公路，城市道路，机场和港口码头建设的重要设备，其工作原理是在洒布车行驶过程中，将加热至液态的橡胶沥青均匀地喷洒在基层上，从而形成粘合层或路面。传统沥青洒布车需要由人工调整喷洒压力，难以实现洒布量的精确控制。本文提出了一种新的沥青洒布车控制系统的控制算法，该方法由智能控制系统来对喷洒压力、洒布量进行精确控制，从而提高洒布质量。

1 控制系统结构设计
    整个控制系统按工作分工不同可分为喷洒控制部分和辅助部分，其系统框图如图1所示。其中喷洒控制部分包括车速测量系统、压力测量系统，可通过控制单元对采集的数据进行计算，再送到喷洒执行元件。喷洒执行元件的动作包括喷嘴的伸出与开启、喷洒杆的升降等。在洒布车进行洒布作业时，这部分是实现洒布量精确控制的关键所在，也是本文研究的重点。

    辅助部分包括人机界面、温度测量系统等。将温度数据和各种控制参数通过控制单元处理后，可驱动保温系统、沥青循环系统和清洗系统等辅助系统，从而保证洒布车进行正常的喷洒作业。

2 喷洒控制系统设计
    喷洒控制系统设计如图2所示，其中车速测量部分采用24齿接近开关作为计数装置，以获得实时车速信息，同时利用车速信息计算得到喷洒压力控制信号，再通过喷洒压力控制信号来调整电动阀，从而改变喷洒压力，以达到控制洒布量的目的。最后，在喷洒杆中安装的压力传感器，可将喷洒系统实际压力作为反馈信号，以形成喷洒压力的单闭环控制，对喷洒压力进行精确控制。

2．1 压力控制系统模型的建立
    根据Veejet系列喷嘴的产品样本，喷嘴的喷洒压力与流量之间有以下关系：
   
    式中：g- 喷嘴流量，L／min。
          P- 喷嘴处的压力，BAR。
          0．5是Veejet系列喷嘴的特征值。
     由于本系统采用的沥青泵是定量泵，流量、转速都是固定的，所以有以下式子成立：
    
    式中：Q-沥青泵的输出流量，L／s。
          λ-设定的洒布量，L／m2。
          v-车速，m／s。
          B-洒布宽度，m。

    图3所示为沥青循环管路示意图，其中阀门2用于粗调系统压力，是气动阀；阀门3用于在喷洒时调节喷洒压力，是电动阀；沥青Q从沥青泵流出后，再减去回到沥青罐中的部分Q’，才是从洒布管喷出的沥青。即：

   
    式中：N- 喷嘴的个数。
          q- 单个喷嘴的流量，L／s。
    由于
   
    式中：b- 喷嘴间距，m。
    将式(3)、(4)带入式(1)可得
   
    取一定的喷洒压力作为参考压力，记作P0，参考压力下的喷嘴流量记作q0，作为换算的基准，则有：
   
    从中可以看出：只有车速v和喷洒压力P是变量，而车速可以通过测量得到，从而使得控制系统对喷洒压力的控制成为可能，所以有下面式子成立：
   
    式(7)就是控制器对喷洒压力控制的理论依据，也是控制算法的核心。
2．2 对计算公式的修正
    用Veejet喷嘴进行喷洒实验时，对于规格不同的喷嘴，可得出一系列洒布量与车速之间关系的对应曲线图(为叙述方便，以下简称v-λ图)。图4所示为喷嘴规格为20时的v-λ图，其中喷嘴间隔b就是洒布宽度B。

    v-λ图的横坐标的刻度均按实际值进行标注，长度则按实际坐标值取以10为底的对数值来计算，均以150mm为一个单位，就有如下公式：
   
    对应到v-λ图中，将lgλ作为横坐标，lgv作为纵坐标，对于特定规格的喷嘴在一定喷洒压力P下的工作情况(8)式可化为：
   
    C代表常量，对于同规格的喷嘴，其参考压力下的参考流量相同，该值仅仅随喷洒压力的变化而变化；而对于不同规格的喷嘴，该值会由于参考流量和喷洒压力的变化而变化。
    另外从式(6)不难推导出车速相同时能达到的洒布量有如下关系：
   
    例如，对于20规格的喷嘴，车速最低(33m／min)时，其在不同喷洒压力下能达到的洒布量与参考压力(1bar=100000Pa)时洒布量(约为
0．8L／m2)的比值分别为、换算结果分别为0．98L／m2、1．23L／m2、1．27L／m2、1．39L／m2，与图4情况吻合。
    除此之外，仔细研究v-λ图，不难发现其中隐含的一些信息。取最低车速(33m／min)且喷洒压力为1 bar时的洒布量作为研究对象，喷嘴规格为15时，洒布量为0．6L／m2。

    而其他规格的喷嘴的情形也与此相同。观察以上数据，可以做以下的判断：由于喷洒杆上单个喷嘴喷洒压力的不一致，按照理论公式(6)计算出的结果并不与实际情况吻合，为了解决这个问题，需要在控制系统中引入一个喷嘴流量修正系数，而这个系数可以根据以上实验数据统计出来，约为1．7。
    由此，可修正式(6)为
  
    至此，可得出校正后的控制系统核心算法为：
   

3 喷洒杆高度的控制
    喷洒杆作为沥青洒布车的工作装置，所要实现的动作主要包括喷嘴的开启和关闭、喷杆的升降以及两侧附加喷杆的伸出与收回。限于成本和技术问题，国内的沥青洒布车对喷洒杆的高度变化并没有实现实时控制，而其他动作已经实现。事实上，喷洒杆高度与喷洒角等参数的关系具有如下公式：
   
    式中：H-喷洒高度；b- 喷嘴间距；n- 搭接层数，一般为2或3即两重或三重洒布；β- 喷嘴开口中心线与喷洒杆轴线间的夹角(一般为20°--30°)；α-喷洒角(≥60°)。
    从上式可以看出，只有搭接层数是未知的，而其它参数都是固定值。但是，在开始喷洒之前，搭接层数就已经确定了，所以，在喷洒过程中，喷洒高度也应该是固定的。
    但是在实际喷洒过程中，随着沥青逐渐减少，车辆负荷也会减少，造成车尾越来越高，因而喷洒杆距地面的高度也越来越大。这样就会影响喷洒的效果。为了消除这种影响，提高洒布精度，最好的解决方法就是在车尾安装高度探测仪(例如超声波探测器)来对行驶过程中车辆高度进行实时检测，同时随沥青量的减少自动调整喷洒高度到设定值。

4 系统实验结果
    为了验证所提出的控制模型是否能够达到预想的控制效果，可对其在从静止到达最佳喷洒车速(3～4km／h)这一过程进行仿真分析，以得到图5所示的时间一压力一车速图。图5中的虚线为控制器可以控制的压力范围。但是，在沥青洒布车进行洒布作业的过程中，最好将车速控制在最佳洒布车速范围内。由图5中的数据分析可知，压力控制系统在车辆加速过程中，可以随时调整喷洒压力，保证洒布量随车速的增加而增大。在车速由上升到逐渐稳定的过程中，压力控制器会产生微量的超调，但是，误差范围应控制在国家标准规定的3％以内，以满足实际控制要求。

5 结束语
    本文对沥青洒布车行驶速度与洒布量之间的关系进行了分析，提出了新的设备驱动方式，保证了喷洒压力随车速快速、准确的变化。同时分析了喷洒杆高度与沥青量之间的关系，指出了采用高度闭环控制来消除喷洒杆高度变化对洒布质量的影响。事实上，由于车辆加速度的变化和各种干扰，对洒布车在加速过程中的压力控制均有不同的影响，其具体体现是车速由加速进入稳定时的小幅超调。