摊铺机自动找平控制系统设计研究论文

摊铺机自动找平控制系统设计研究论文（精选2篇）

摊铺机自动找平控制系统设计研究论文 篇1

1.摊铺机自动找平控制系统设计

关键控制参数。摊铺机自动找平控制系统中有着较多的关键控制参数，其中对设备影响比较大的有灵敏度、恒速调节等。在应用摊铺机时，首先需要对地面进行清理，还要保证施工人员的技术能力，要对传感器进行优化，避免传感器掉落，还要避免超声波受到障碍物的干扰。在对自动找平控制器进行设计时，需要设置窗口值以及故障区，要避免操作人员出现失误问题。自动找平控制系统优化时，要划分不同的区域，对不同的区域要采用不同的设计方法，一定要具有针对性，只有控制好各个区域功能的正常发挥，保证设备恒速运动，才能保证路面摊铺的效果。在自动找平控制系统设计中，将控制摊铺层路面高度的误差分成死区、比例脉冲区、恒速调节区、故障区4个区域。这4个区域的设置决定了摊铺出来的路面平整度的好坏。操作人员可根据路面施工的要求设置相应的值，使得摊铺机白动找平系统在摊铺过程中确保路面平整度要求的前提下以最稳定的状态运行。在摊铺机工作时，空气温度、湿度的变化和风速的影响等多方面的干扰使传感器采集的高度信号必然会产生一定的误差。

（1）死区是指在理想摊铺高度附近，与理想的摊铺高度值相差很小的一小块区域。当熨平板的高度误差处在这块区域内时，系统不对熨平板进行任何调节。死区的大小决定了摊铺机在运行过程中熨平板振荡的剧烈程度。死区不能过大，其大小必须小于路面摊铺高度误差，否则摊铺机摊铺出来的路面必然达不到路面的平整度要求。但是在满足上述条件的前提下，死区也不能无限制地调小，死区太小则会引起系统的超调，使得熨平板发生振荡。所以，死区的调节必须在保证路面平整度的前提下尽可能地减少系统超调的发生。

（2）当系统检测到的高度误差大于死区设定的高度值，进入了比例脉冲区，此时控制系统对电磁阀采用比例式控制方式。这个区域的大小和路面对平整度的要求直接相关。如果路面对平整度要求较高，此时的比例脉冲区也相应要缩小，以确保熨平板对路面高度变化的快速反应。但是如果比例脉冲区太小，由于路面对平整度的要求较高，死区也相对较小，路况较差的情况下调整太快了容易产生超调，所以比例脉冲区的设置必须根据路表情况的好坏来合理设定。

（3）恒速调节区是指当路面高度误差超出系统设置的比例脉冲区时，电磁阀处于常开状态，工作油缸以最大速度移动，使得当路面的波动较大时熨平板能够在最短的时问内调整过来。

（4）故障区的设置是为了防止传感器触臂从基准钢丝绳上掉落或是超声波探头下面出现障碍物，通过设置一个窗口值避免系统产生误调。此区域的设置应能保证系统不会对路面高度误差信号产生错误的判断，必须根据实际的路况进行设置，当路面平整度较差时窗口值应设大一些。若系统检测到的高度误差进入故障区应立即切断控制信号的输出，保证系统不会发生误调。

2.结语

摊铺机的结构与性能比较特殊，这与其自动找平控制系统有着较大的关系，为了增强摊铺机的功能，必须对控制系统进行优化，要结合其工作的性质以及工作环境的特点，做好精度控制工作，要了解影响控制系统功能发挥的因素，还要做好不同区域的控制工作，避免传感器出现掉落等问题，要分析干扰信号的特点，还要设置出故障区，对系统关键技术进行优化。摊铺机还会受到外界环境因素的干扰，这会影响其控制功能的稳定发挥，只有制定系统设计目标，才能减低外界干扰，才能保证摊铺机功能的正常发挥。

摊铺机自动找平控制系统设计研究论文 篇2

1 找平系统工作过程分析

角位移传感器摊铺机找平电液控制系统(如图1所示)由液压泵、三位四通伺服阀、提升油缸、溢流阀、角位移纵坡传感器、控制单元(控制器及其接口电路)等组成。摊铺机摊铺作业时，在被摊铺面两侧架设基准钢丝绳，角位移传感器与基准绳保持接触。路基、路面平整度信息通过角位移传感器偏转角来检测，偏转角通过放大后传给控制器，控制器将采集到的角度信息与固化于存储器中的信息作比较得出偏差信号，根据偏差信号输出PWM控制信号控制电磁阀，进而实现对提升油缸(找平油缸)的控制，带动熨平板的仰角变化使摊铺层厚度产生相应的变化。角位移传感器属于接触式测量，依靠测得滑臂与基准线夹角的大小来换算出相应的熨平板高度。在实际施工中，路面振动压实对基桩造成影响及基准线张力难于达标，路面平整度难于达到现代高等级公路技术规范要求。

1-伺服阀;2-提升油缸;3-摆臂;4-牵引臂;5-厚度调节器;6-熨平板;7-纵坡传感器;8-基桩;9-基准线;10-旋臂;11-泵;12-滤油器;13-油箱;14-溢流阀15-控制器

2 自动找平系统设计

2.1 摊铺机液压系统结构和工作原理

激光传感器的摊铺机自动找平系统(工作原理如图2所示)包括熨平装置、液压系统、电控系统三部分。液压系统由定量液压泵、分流阀、电磁阀、液压锁、提升油缸等组成，提升油缸与熨平板机械装置牵引臂铰接。工作时定量齿轮泵通过分流阀及左右两侧电磁伺服阀向找平提升液压缸供油。调节提升油缸的升降可通过电控系统控制电磁阀的供油时间和方向来进行调节，实现对摊铺机熨平板仰角的控制，从而达到控制摊铺层高度的目的。对角位移传感器摊铺机找平系统改进时，保留原系统熨平板机械装置和液压系统，仅需对角位移传感器电控系统作改进即可提升找平装置的作业性能。

1-摊铺面;2-激光传感器;3-A/D转换器;4-控制器;5-驱动放大器;6、10-牵引臂;7、9-提升油缸;8-液压锁;11、12-三位四通伺服阀;13-分流阀;14-溢流阀;15-泵

2.2 找平装置激光检测电控系统

基于激光传感器的沥青混凝土摊铺机激光检测电控系统包括一个附在摊铺机上的移动式激光传感器、控制器、横坡度数字控制部件(与纵坡度控制一起完成横坡度控制)、激光器数字控制部件(设定激光器测定高度、范围和熨平板长度等工作参数)组成。系统以激光作为探测被摊铺面与接收器距离的工作介质，从激光传感器(扫描器)发出多束不可见激光波到路面上后反射回传感器，采集摊铺机工作范围内被摊铺层高低的变化值(激光扫描原理如图3)，经过过滤、平均处理后作为激光传感器输入控制系统的检测虚拟基准值，经控制器处理后输出控制信号来控制液压系统电磁伺服阀，改变液压油的流动方向，调节两个液压油缸的升降来控制调整熨平板的仰角，实现对路面摊铺厚度和平整度的控制[1]。

2.3 激光传感器设计

激光传感器(如图4所示)由激光光源、光学组件和光电器件组成。激光光源是由二氧化碳气体激光器受电流能量激发辐射引起并通过谐振“放大”了的光(激光产生原理如图5所示)。在激光传感器的光学组件中有一可旋转的反射镜，工作时使用激光扫描器(光源)发射出多束不可见的激光，并经旋转反射镜组反射到被摊铺面上，这些激光波从被摊铺面经过旋转镜和透镜反射回扫描器被红外光电器件接受形成2D的反射扫描，扫描器内的电子装置根据发射角及从发射到接收激光波所经过的时间的改变，利用激光恒定的传播速度v与时间t的乘积作为检测距离基本参数输出[2]，运算三角函数关系即可计算出每束激光激光器与被摊铺层的垂直距离变化h。

激光传感器的光电器件将测量出的距离转换成光信号，再通过光电转换器转换成电信号;电信号通过整流、滤波、放大和运算处理后就可获得传感器与被测物体表面之间的距离信息[1,2]。激光传感器具有非机械接触、抗干扰能力强、精度高等特点;旋转镜可实施大范围连续性的扫描，连续光滑的变化基准可以较好反应被摊铺层的变化趋势，减少因传感器采集基准信息较大偏差而对摊铺机自动找平装置作业性能造成影响，提高作业质量。

2.4 控制器设计

控制器是找平控制系统的核心，由电源、主控制器、激光传感器信号采集调理、控制信号输出、存储器、键盘输入、显示输出等模块组成，完成数据采集、处理、输出控制和显示功能。控制器硬件选用带有ARM7TDMI-S内核的LPC2294为微控制器[3]，系统功能模块如图6所示。

2.3 PWM接口电路

电磁伺服阀采用PWM比例脉冲来进行控制，通过改变PWM的占空比来控制电磁伺服阀(流量q与脉宽占空比τ成正比)的通断时间，实现控制熨平板的仰角和调节摊铺厚度的目的;由于控制器无法直接驱动电磁伺服阀，需增加一个放大驱动电路来提高信号驱动能力[4]，PWM接口电路如下图7所示。

3 控制器控制算法及软件

3.1 控制器控制算法

控制系统由传感器、放大器、信号发生器、比较器、功率发生器等组成，用以检测高度偏差并据此以脉冲信号的形式驱动电磁阀，使油缸伸长或缩短，带动熨平板升降调节摊铺厚度。摊铺机自动找平系统信息传递过程如图8所示，系统采用PID控制算法的脉宽调制控制(PWM)的控制方法，PWM方波的占空比由PID算法求得，控制器在给定的时间周期T将激光传感器检测到的实际高度平均值C (s) 与用户输入的设定摊铺基准值H (s) 进行对比，得出偏差E (s) -H (s) -C (s) 。根据PID控制的基本原则，控制量U (s) 为[4]：

将采样周期内将t=k T及t= (k-1) T代入即可计算

3.2 软件流程

在软件开发上，以uClinux系统为数据处理平台，对uclinux/linux-2.4.x/arch/armnommu/config.in文件中关于外部存储空间进行重新定义, 以满足系统对外部存储器模块和LCD液晶显示器模块等的存储空间的划分[5]。作为PID控制算法目标量的基准值在开机初始化扫描时确定, 控制器将激光传感器采集到的实测高度平均值经过计算程序转换和处理后输出作为实测值, 实测值与基准高度值的偏差输出控制PWM波的依据, 发出指令控制液压系统执行装置 (找平提升油缸) 并及时调节熨平板仰角, 保证摊铺层的平整度。系统程序包括主程序、初始化子程序、按键扫描及设置子程序、LCD显示子程序、数据采集、处理、故障显示子程序。

4 使用验证结果及分析

选取某标段沥青混凝土路面面层施工项目对摊铺机进行100m路面摊铺对比试验。沥青混凝土摊铺机改造前后路面摊铺质量检测结果对比情况如表1。

沥青混凝土摊铺机摊铺路面质量评价指标包括：压实度、平整度、厚度、纵断高程和横坡度等指标。从上表可以看出改造后的沥青混凝土摊铺机作业质量控制指标有明显提升，抽样合格率超过90%，能满足高等级公路机械化施工技术要求，改造达到了预期效果。

参考文献

[1]宋永刚, 郝飞, 王海明.激光传感器在工程机械上的应用[J].建筑机械, 2007, (09) :62-65.

[2]王海鸣.基于激光传感器摊铺机自动找平控制器硬件系统研究[D].西安:长安大学, 2007.

[3]蒋永平, 冯平, 肖玮.基于LPC2294和μCOS-Ⅱ的储油罐区测控系统智能节点[J].仪表技术与传感器, 2011, (03) :108-110.

[4]郝飞.基于激光扫描传感器的自动找平系统软件开发研究[D].西安:长安大学, 2007.