沥青洒布车的智能控制
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第２４卷第５期 ２００７年ｌ０月 邢台职业技术学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆＸｉｎｇｔａｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ Ｖ＿ｏ１．２４ ＮＯ．５ ０ｃｔ．２００７ 沥青洒布车的智能控制
陈超 （邢台职业技术学院汽车系，河北邢台０５４０３５） 摘要：沥青洒布车智能控制，即沥青洒布车能根据洒布车的工作环境的变化，如速度波动、 负载的变化等，进行逻辑判断、智能决策，保证其喷洒恒定，满足工程施工的要求。利用人工 智能的自适应性、模糊推理、经验推理等优点，结合神经网络的自学习、分布式信息处理等， 采用人工智能和专家系统对沥青洒布车进行控制 关键词：沥青洒布车；人工智能；智能控制 中图分类号：Ｕ４６９．６ 文献标识码： Ａ 文章编号：１００８－－６１２９（２００７）０５—ｏ０５０—ｏ４
沥青洒布车是一种同时行驶同时作业的机械，一般这类施工机械（非牵引型机械）都是以恒速为前 提的，从而保证作业质量，例如摊铺机、压路机作业过程中要进行恒速控制。但由于底盘动力分配，地 面条件和车本身负荷等因素的影响，恒速控制对于智能型沥青洒布车来说比较困难，因为它们大多采用 机械式底盘，所以现在的智能型沥青洒布车都是根据车速的适时变化对沥青的供应量进行控制，来保持 洒布过程中洒布量恒定。司机在驾驶室用专用微型工控机可完成全部的设定和操作。通过雷达测速系统， 比例控制洒布量，洒布均匀，显示屏可显示必要的动态参数如车速、沥青泵流量、转速、沥青温度、液 位等，以便司机随时了解设备运行情况。 沥青洒布车是同时行走同时作业的路面养护施工机械，首要的控制指标是作业质量：即洒布质量（这 里包括洒布厚度和宽度两个指标），其次才是作业效率。在实际施工当中对于沥青洒布车的作业质量主要 是从两方面来衡量：洒布量（这里专指洒布厚度）横向均匀性和纵向均匀性。而实现这些目标最终都是 洒布车行驶速度和洒布管动作的精确控制为前提的，在这里洒布车的行驶速度方案应包括两个阶段，一 是以洒布前，根据施工要求输入的洒布量和洒布宽度值，洒布车控制器自动推荐一个合适的行驶速度（挡 位）；二是自动洒布过程中，速度只作为被检测量，用来作为保持洒布量恒定的依据。洒布车在洒布过程 中，处于较高的行驶速度（一般在５—２５ｋｍ／ｈ范围内），因此沥青泵转速随车速的实时随动调节是一个相 当短暂的过程，为保证洒布量，就要求液压系统动态响应迅速，很快进入稳态即沥青泵速很快达到控制 系统理论计算值，为此在传统的控制的基础上进行智能控制，从而达到洒布量的精确控制，即为沥青洒 布车智能控制提出了基础。目前已开发的沥青洒布车的智能控制只是实时调节，而未达到真正利用人工 智能技术进行智能控制，提高沥青洒布车的智能性，满足工程需要和提高工作效率以及质量，尤其是快 捷性、实时性和智能性。 一、智能控制 为解决传统洒布车的操作烦琐、节省人力、实现洒布量的精确喷洒，这个控制系统主要应完成如下 功能：第一，工作状态监测功能，为驾驶员提供必要的工作数据，便于驾驶员的正确操作和及时发现故 障；第二，自动喷洒功能，自动根据洒布宽度和厚度自动推荐挡位，并在喷洒过程中适时根据行驶速度 的变化来调节沥青供应量，从而保证洒布量的偏差在沥青路面施工要求的允许范围内。第三，导热油自 动加热和保温功能：为了使沥青处于最佳的流动状态，必须根据检测来的沥青温度和沥青材料的洒布时 要求的温度比较的结果来决定是否加热和保温。 二、应用 沥青洒布车智能控制，即沥青洒布车能根据洒布车的工作环境的变化，如速度波动、负载的变化等， 进行逻辑判断、智能决策，保证其喷洒恒定，满足工程施工的要求。利用人工智能的自适应性、自组织 性、自律能力、模糊推理、经验推理、解释推理过程等优点，结合神经网络的自学习、分布式信息处理、 联想记忆以及遗传算法的随机搜索法、解析性等，采用人工智能和专家系统等对沥青洒布车进行控制， 有以下层次： １．根据驾驶人员的操作经验以及专家的知识、处理方法，建立知识库和有关规则组成的推理机，同 时建立知识获取模块，不断提取驾驶人员的新的操作经验以及专家的知识，不断扩充知识库。同时具有
收稿日期：２ＯＯ７一Ｏ４—２１ 作者简介：陈超（１９７７一），陕西成阳人，河北工业大学在读研究生，邢台职业技术学院汽车系，助教。
５０ 维普资讯 http://www.cqvip.com 邢台职业技术学院学报 ２００７年 第５期 过程解释机构，对处理过程及处理规则进行解释，便于设计人员理解与接受处理结果。 ２．在以上基础之上，对采集的信号进行数学处理，如函数拟合、二次插值等，得到信号的性质与规 律，建立数学模型，根据数学模型的规律及一定的精度要求，结合生物遗传算法、模糊推理法、神经网 络法、模拟退火法等智能控制方法以及优化设计的方法进行信号处理与控制。将数学模型与处理方法录 入知识库中。㈨ ３．在以上基础之上，对采集的信号进行数学处理如函数拟合、二次插值等，与建立的知识库中的数 学模型进行匹配。如果一致则直接按照以前这种数学模型的处理方法进行处理，从而节省信号控制算法 计算的时间。如不匹配，利用生物遗传算法、模糊推理法、神经网络法、模拟退火法等智能控制方法以 及优化设计的方法进行信号处理与控制计算，控制信号处理，同时将新的处理方法以及数学模型录入知 识库中，已备下次的匹配。从而能保证对喷洒实时控制，达到工程施工的要求，提高施工效率。 ４．在以上基础之上，对经常出现的数学模型以及算法、处理方法进行统计，以出现的频率进行排序， 经常使用的放置于知识库较先位置，依此类推。同时增加信号反馈环节，将输出的信号与知识库中的处 理方法的信号模型进行匹配，如果一致则保证系统继续工作。如不一致，则对输入信号进行重新计算， 利用生物遗传算法、模糊推理法、神经网络法、模拟退火法等智能控制方法以及优化设计的方法进行信 号处理与控制计算。保证系统工作的准确性要求，达到工程施工的要求，提高施工质量。 三、对于沥青洒布车的具体控制要求 １．操作者根据需要手动设定沥青温度，控制器根据传感器监测到的温度，打开或关闭燃烧器，同时 在沥青温度尚未达到最佳值时，锁定喷洒动作，如果沥青液位过低储量过少，则及时报警，转入保温状 态，以免高温老化。 ２．沥青的流向控制主要由操作者根据需要选定工作模式，控制器自动根据内置的程序通过气动或液 压执行机构开启或切换各点的阀门，实现各种流动动作。 ３．操作者将单位面积的洒布量输入控制器后，根据采集的泵流量、行进速度、洒布宽度等信号参数 与多项设定值相比较，并加以运算处理来控制沥青泵的转速。 ４．流量信号由脉冲式转速表采集，以液压马达带动齿轮式沥青泵的转速来计量沥青流量。洒布车行 驶速度信号由电磁式速度传感器在车传动轴处采集，用检测的实际速度修正沥青泵的转速，使其达到预 设的单位面积喷洒量。每次喷洒开始或结束时，控制器会自动检测喷嘴温度、选定清洗介质以合适的方 法清洗沥青管路。与洒布量计算控制有关的参数有：流量修正系数、速度修正系数、主液压泵控制特性、 沥青泵的流量系数（脉冲数／升）、洒布杆转阀的控制方式（按定长控制或按杆长控制）。与系统初始状态 或操作控制有关的参数有：起步循环流量、洒布延时（四通阀开启与喷嘴转阀组开启的延时量） 以上设 定均储存在控制器中，同时记录和显示洒布宽度（喷洒杆长度）、速度、泵转速、洒布量等各种工作信号 参数。㈨ ５．电控系统采用数字控制技术，能准确显示、给定基本参数，同时具有故障诊断功能，及时报告各 环节工作情况，防止意外发生。整个智能型沥青洒布车的电气控制系统由置于驾驶室内的液晶显示单元 作为人机界面，分布在各个监测点的传感器、电磁阀等作为监测和执行元件。控制的核心是一个数字控 制单元，温度、速度、压力等参数，送入控制器后，通过专门的软件处理，一路送往液晶显示屏或报警 灯显示，另一路送出作为控制信号。操作者的指令由按键开关和旋钮直接送入控制器。因此智能型沥青 洒布车的控制，主要是对发动机、传动系统及工作装置进行控制，合理分配功率，使其处于最佳工况： 减轻驾驶员劳动强度，改善操纵性能：实现精确喷洒；得到合适的喷洒温度；改善人机交互方式；提高 安全性；进行运行状态监控；故障自报警等。 对于闭式系统中液压泵的控制，目前存在多种方式如ＨＷ、ＨＤ、ＥＬ、ＤＡ等，而对于目前绝大数工程 机械的液压系统几乎都采用了ＥＬ（电液控制），电液控制中由于比例阀比伺服阀更适合于工业场合，电液 比例控制系统，它是联系电子技术与工程功率系统的接口，就其本质而言，乃是电子一液压一机械（Ｅ／Ｈ／ Ｍ）放大转换系统。这种转换既可以是电模拟量转换为机械模拟量（ＢＡ／姒），也可以是电数字量转换为机 械权批量（ＥＤ／姒），还可以是电数字量转换为机械数字量（ＥＤ／∞）。构成不同形式转换时，系统的具体 构成有所差别，但仍是微电子技术与工程功率系统之间的接口。电液比例系统，介于电液伺服系统与开 关控制系统之间。从控制特性看，更接近于伺服系统，从抗污染性、可靠性和经济性看，更接近于开关 系统。就系统本身而言，既可以是开环的，也可以是闭环的。人们往往对其动态特性提出要求。因而， 比例控制系统的设计，与开关控制液压系统有所差别，但也不能完全按伺服系统进行，应根据具体要求 有所侧重。这其中应注意组成比例控制系统的电液比例控制元件的某些特点；例如，比例元件一般存在 零位死区，比例阀在系统中不仅要像伺服阀那样，在小信号下工作，而且往往也要在大信号下工作。 在设计智能型沥青洒布车液压变量泵——马达调速系统中，选用的变量泵就是带有电磁比例阀作为 电液转换元件的集成泵。一般电液比例控制系统主要是通过电比例变量泵与电比例变量马达实现液压系 ５１
维普资讯 http://www.cqvip.com 邢台职业技术学院学报 ２００７年 第５期 统流量控制。在控制器中预先写有车辆需要达到的控制状态（目标值参数或目标值方程），工作时控制器 就将实时状态参数与目标值参数进行比较，根据其插值输出相应的控制参数，使发动机、泵、马达和沥 青泵等车辆机构实时工作状态接近目标值状态。所以在洒布之前将机器的工作状态参数输入控制器，洒 布过程中控制器就会通过测速传感器检测洒布车行驶速度，来改变比例电磁铁的控制电流进行其排量控 制。发动机转速等参数显示在控制面板上。其液压系统控制原理如图ｌ所示。 智能型沥青洒布车与机械式洒布车相比就是可以根据洒布量的要求，在洒布过程中动态的测量车辆 行驶速度和作业参数，自动调节沥青供应量，保证洒布量恒定在预制值上不变和稳定的输出。
图１智能型沥青洒布车液压系统控制原理图 闭环控制系统一般应用在控制精度较高的场合，强调稳定性，即具有良好的动态响应特性，而开环 控制系统精度较低，但由于控制环节简单，操作方便，所以在精度要求不高的场合有很大的应用前景。 图２为泵一马达及沥青泵的转速系统传递框图。
图２泵一马达及沥青泵的转速系统传递框图 比例十积分十微分调节（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－－Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｖｅ－－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ即ＰＩＤ）是工业控制中很常用 的ＤＤＣ调节方法，无论是速度、位置等快速过程，还是温度、化工合成等慢过程，都能达到满意的控制 效果。比例调节可以对偏差做出及时的响应；积分调节可以用来消除静差，提高精度，改善系统的静态 特性；微分调节可以用来减少超调，克服振荡，使系统趋向稳定，加快系统的动作速度，较少超调时间， 以改善系统的动态特性。 四、结论 人工智能的应用，使沥青洒布车的功能得以跨越式发展，主要表现在： １．洒布量、洒布宽度以及沥青比重等参数根据路面施工要求人工设定，键盘输入，计算机除设定参 数外，并为司机提供参考车速甚至变速箱应挂挡位。参考车速是以上各参数的函数，并与车辆系统有关。 从设计角度给出的参数是一种优化的结果，它可保证机械在广泛的洒布参数范围内，使发动机，沥青泵 尽可能在良好的工况下工作。严格按照参考车速驾驶车辆，实际上是做不到的，该系统允许车速有较大 的偏差而不影响洒布精度。 ２．适时控制，利用已有模型与规则，节省判断时间，可满足沥青流量与行车速度关系、路面情况、 操作变化等因素的匹配。保证工作过程中喷洒速度即喷洒量恒定，同时及时反馈调节，提高效率，减少 能源消耗，提高机器燃油效率。 ． ３．可以解释推理过程以及推理结果，同时可以具备自适应性、自组织性、自律能力、模糊推理、经 验推理、解释推理过程等优点，结合神经网络的自学习、分布式信息处理、联想记忆以及遗传算法的随 机搜索法、解析性等，使系统能够优化组合，提高整体效益。 ４．同时操作经验以及专家知识可以不断的扩充，适合操作水平不高的工作人员使用，并达到较高水
