第１８卷第４期２００５年１０月 中国公路学报Ｃｈｉｎａ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ ａｎｄ ＴｒａｎｓｐｏｒｔＶｏｌ． １８ Ｎｏ． ４Ｏｃｔ．２００５ 文章编号；１００１－７３７２（２００５）０４－０１２３－０４分段线性变参数控制在数字式自动找平控制系统中的应用 张新荣 （长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安７１００６４）摘要：为了验证分段线性变参数控制在自动找平控制系统中的应用前景，对自动找平控制系统的结构、控制方式进行了介绍；分析了分段线性控制方式的工作原理及特点，在实验室建立了沥青混凝土摊铺机数字式自动找平控制系统试验台，设计了３套试验方案，即普通电磁阀方案、高速开关阀方案和分段线性控制方案；对这３种控制方案进行了试验比较，得出了在阶跃干扰作用下，３种控制方案的响应速度及产生超调时的超调量。结果表明：分段线性控制方案具有较快的响应速度，但在系统产生超调时，其超调量相对较大。关键词：机械工程；自动找平控制器；分段线性变参数控制；摊铺机中图分类号：Ｕ４１５． ５２文献标志码：ＡＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｉｎｄｉｇｉｔａｌ ａｕｔ－ｌｏｅｖｅｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍＭＡＮＧ Ｘｉｎ－ｒｏｎｇ（Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｃｈａｎｇ＇ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｘｉ＇ａｎ ７１００６４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｎｅａｒ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ ｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ａｕｔｏ－ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ， ａｕｔｈｏｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓ ｏｆ ａｕｔｏ－ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ． Ｔｅｓｔ ｂｅｎｃｈ ｆｏｒ ｄｉｇｉｔａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｕｔｏ－ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ａｓｐｈａｌｔｐａｖｅｒ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ． Ａｕｔｈｏｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｒｅｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅｓ：ｏｒｄｉｎａｒｙ ｓｏｌｅｎｏｉｄｖａｌｖｅ ｓｃｈｅｍｅ， ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｏｎ－ｏｆｆ ｓｏｌｅｎｏｉｄ ｖａｌｖｅ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ｓｃｈｅｍｅｓ ｕｎｄｅｒ ｓｔｅｐｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｗｅｒｅ ｏｂｔａｉｎｅｄ． Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｎ ａｕｔｏ－ｌｅｖｅｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｌｅｓｓ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ， ａｎｄ ｂｉｇｇｅｒ ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ； ａｕｔｏ－ｌｅｖｅｌｉｎｇ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ； ｌｉｎｅａｒ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈｖａｒｉａｂｌｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒ； ｐａｖｅｒ０引言自动找平系统在摊铺机、平地机、 铣刨机等工程机械上的应用已很广泛。随着对找平精度的要求越来越高，对找平控制器也提出了更高的要求。而在自动找平系统的技术发展方面，在摊铺机上的表现收稿日期：２００５－２－２７基金项目：国家高技术研究发展计划（＂８６３”计划）项目（２００１ＡＡ４２２０１３）作者简介：张新荣（１９６８－），男，陕西三原人，长安大学副教授，工学博士，博士后．Ｅ－ｍａｉｌ： ｚｘｒ６８）ｓｏｈｕ． ｃｏｒｎ１２４中国公最为典型。 目前代表找平技术的前沿是非接触式数字自动找平控制器。由于工程机械自动找平控制系统的控制精度与许多机电控制系统相比，其要求并不是很苛刻，所以长期以来，在找平控制器的发展上，更注重其成本和可靠性的研究，对具体的控制策略等方面研究甚少。但随着公路交通事业的发展，对找平系统的要求也相应提高，特别是在微控制器及自动控制技术发展的推动下，数字式控制器在各行各业都得到了有效的利用，取得了很好的效果［０１，２１数字式控制器的一个最大优点就是其应用的灵 活性，为把一些先进的控制策略应用到不同的控制对象创造了条件。而从成本上讲，投人基本没有增加。笔者针对摊铺机数字式自动找平控制器，研究了一种分段线性变参数控制方法，分析这种控制方法的优点，从而为更先进的控制策略在找平系统上的应用提供参考［［３］１自动找平控制系统的控制形式１．１自动找平控制系统的结构类型自动找平控制系统对于提高具有找平任务的工 程机械的作业质量具有举足轻重的作用。起初，所使用的找平控制器是机液控制系统，依靠机械和液压阀的合理结构来完成控制任务，这种控制形式在控制精度和动态特性上不是很令人满意，也不容易调整［［４］。后来，随着电子技术的发展，模拟式电子控制器诞生，在相当长一段时间内，这种控制形式占主导地位，目前仍在大量采用。这种控制器形式结构简单、成本低、控制精度高［［５］。近年来，微控制器技术的发展和应用范围在不断扩大，由于这种控制器所具有的抗干扰性强、控制灵活等优点，越来越多地引起人们的注意。ＳＡＵＥＲ公司和力士乐公司等都有类似产品用于工程机械的自动找平系统中。１．２自动找平控制系统的控制方式从控制方式来看，在自动找平控制系统中有开 关控制和比例控制两种。这两种控制方式在自动找平控制系统的发展过程中都曾用过，各有其特点。目前使用最多的是将这两种控制方式结合起来，形成一种脉冲比例控制方式，这种方式既发挥了开关控制对液压元件要求低、成本低等优点，又大大改善了开关控制死区影响大、动态特性差等缺点。因此，在应用中显示出极大的优势。根据脉冲调制原理，自动找平脉冲比例控制方 式又分为脉冲宽度调制（ＰＷＭ）和脉冲频率调制路学报２００５年（ＰＦＭ） ａ ＰＷＭ将控制量调制为脉冲宽度，ＰＦＭ将控制量调制为具有一定脉冲宽度的脉冲数，然后利用系统本身的低通滤波性质完成解调任务。目前，这两种控制方式都在采用，各有特点。２分段线性控制图１（Ｈ，， Ｈ：为反馈值，Ｒ为输人，Ｃ为输出）为沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统。在传统的控制方式中，调节器根据系统偏差大小不同输出具有不同宽度（占空比不同）的脉冲或具有固定宽度、不同数量的脉冲信号，在此脉冲信号作用下完成控制任务。这种控制方式属于线性控制，偏差量与控制量在饱和区以内基本为线性关系，如图２所示。图２中，０－＞Ｓ。为偏差量的死区宽度，此值可以根据实际需要进行调整，这也是开关控制的固有特点，不能取消；Ｓｏ－Ｓ１为线性控制区宽度；Ｓ，以上为饱和控制区，即恒速调节区，电磁阀全开。所以，这种脉冲比例式控制实际上是分为两段进行控制的。牵引点干扰熨平板干扰 图１沥青混凝土摊铺机自动找平控制系统Ｆｉｇ． １ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ａｕｔ－ｏｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ａｓｐｈａｌｔ ｐａｖｅｒ哥壕凭兰概侧似免蓝０ Ｓ．偏差量图２线性控制曲线 Ｆｉ ｇ． ２ Ｌｉｎｅａｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｕｒｖｅ 为了进一步提高系统调节速度，但又不过多增加超调，采用一种真正的分段控制方案，即在不同的区域，采用具有不同斜率的线性控制方式，如图３所示。在偏差较大区域，可以加大控制量，而在偏差较小时，减小控制量以减小系统超调量。 图３中曲线１为线性ＰＷＭ控制中脉冲宽度或ＰＦＭ控制中脉冲频率与牵引点位移的关系曲线；曲线２为在分段控制中脉冲宽度或脉冲频率与牵引点位移之间的关系曲线。其中，Ｏ－Ｓ。为偏差量死区宽度，ＳＯ－ Ｓ３为脉冲调节区宽度，Ｓ３以上为恒速调第４期张新荣：分段线性变参数控制在数字式自动找平控制系统中的应用１２５节区，Ｓ１，Ｓ：为分段控制的分段点。此分段点的值在数字式找平控制器中是可以改变的，即所谓变参数控制。从图３可以看出：相对于线性控制来说，这种分段线性控制方式可以使牵引点快速回到平衡位置，但由于靠近死区时，脉冲宽度或频率相对来说比较大，可能更易于产生较大的超调量。铃壕ｒ， Ｉ－“一凭蓝概侧拟凭蕊ｏ Ｓ． ｓ，ｓ， 偏差量图３ 自动找平控制系统的分段控制原理Ｆｉｇ． ３ Ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｏｒｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｕｔ－ｏｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ３试验３．１试验系统设计图４为试验用数字式自动找平控制系统原理 图，从中可以清楚地看出其工作原理。此控制系统实际上是一种随动液压位置伺服系统，由于摊铺机在工作中的基准线设置一般相对固定，牵引点的位置跟随其上下移动，从而调整熨平板的垂直位移。所以，此系统的主要性能应该为在牵引点受到垂直干扰时，系统对此干扰的抵抗能力，对于熨平板处所受的干扰也可以同理考虑。如图４所示的工作原理仅为自动找平控制原理，实际中的系统还有摊铺机的自找平问题，这里并不过多涉及。高 ＶＬＩＡ［泊ｋ．３ ｆ高速传感器开关阀Ａ／Ｄ卜叫可编程逻辑控制器１一一叫固态继电器图４ 试验用数字式自动找平控制系统控制原理Ｆｉ ｇ． ４ Ｄｉｇｉｔａｌ ａｕｔ－ｏｌｅｖｅｌｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ 系统中的高速开关阀设置主要是通过对各种控制形式进行比较来设置的，在实际使用中大部分系统并没有采用，这里只是为完成试验而设计的。３．２控制器形式本试验系统中采用ＳＩ ＭＡＴＩＣ Ｓ７－２００系列ＣＰＵ ２１４型可编程逻辑控制器（ＰＬＣ）．为了实现脉冲输出， 笔者选择两个１ ｍｓ定时器构成脉冲发生器，由于Ｓ７－２１４中１ ｍｓ定时器的定时不受程序扫描时间的影响，所以可以不考虑扫描时间这个参数。根据不同的控制策略计算相应电磁阀的打开时间或关闭时间，完成脉冲输出功能。脉冲宽度的最大误差为０． ５ ｍｓ，而驱动高速开关阀最小脉冲宽度为１０ ｍｓ，驱动三位四通阀的最小脉冲宽度为４５ ｍｓ，即实际脉冲宽度与理论值的最大误差分别为５％和１％，因此，选择１ ｍｓ精度的定时器应该能满足要求。３．３试验方案为了了解分段控制方式的特点， 设计了３套方案，以便于对结果进行比较：普通电磁阀方案、高速开关阀方案和分段控制方案。在普通电磁阀方案中，图４中的高速开关阀处于 常开状态，普通电磁阀ＰＷＭ的调制频率为３ Ｈｚ，ＰＦＭ的脉冲宽度为６０ ｍｓ，最大脉冲频率为１０ Ｈｚ；在高速开关阀方案和分段控制方案中，利用高速开关阀完成脉冲输出任务，普通电磁阀仅在换向时起作用，此时ＰＷＭ的调制频率分别取为３ ，１０ ， ２０ Ｈｚ， ＰＦＭ的脉冲宽度分别为６０，３０，２０ ｍｓ，脉冲区最低频率为１ Ｈｚ，最大脉冲频率分别为１０，２０，３０ Ｈｚ．试验中， 对牵引点实施一个３２ ｍｍ的阶跃干扰，利用记录仪器测量、记录找平控制系统的响应过程。３．４试验参数本试验中，控制软件所选参数为：０ －＞ Ｓ， ＿士５ ｍｍ，Ｏ－Ｓ２＝士２ ｍｍ， ０－Ｓ，＝士１ ｍｍ； ｔ。为最小脉冲宽度或最低频率，ｔ３为最长脉冲宽度或最高频率。根据普通电磁阀和高速电磁阀的特性，为了避免电磁阀不能全开或全关，扩大线性调制范围，本系统规定普通电磁阀的最小脉冲宽度为４５ ｍｓ，ＰＦＭ控制时的最高频率为１０ Ｈｚ，高速开关阀的最小脉冲宽度为１０ ｍｓ，最高频率为３０ Ｈｚ； ｔ， ，ｔ：为分段控制的分段点，本试验中所选参数为：ｔ，＝（ｔ３＋ｔｏ）／２，ｔ２＝（３ｔ３＋ｔｏ）／４。分段控制由于在脉冲区输人的偏差。与调制率Ｄ 的关系是分段成正比的，根据实际设计的参数可将其关系用图５来表示，其中。， ＝１ ｍｍ，ｅ， ＝２ ．ｍ３．５试验结果在普通电磁阀方案、高速开关阀方案及分段控 制方案中，分别对ＰＷＭ和ＰＦＭ两种控制策略进１２６中国公图５分段控制下输入偏差信号与调制率的关系 Ｆｉ ｇ． ５ Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｄｅｖｉａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｒａｔｅｕｎｄｅｒ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ行了试验，试验采用系统对牵引点有阶跃干扰情况下的跟随情况，根据试验结果，可得到如图６＾－８所示的结果。从图６可以看出： 在调制频率为３ Ｈｚ ＰＷＭ控制下，分段线性控制比其他两种控制方案有较快的响应速度，找平控制系统可以很快使牵引点回到平衡位置；从图７可以看出：在调制频率为１０ Ｈｚ、脉冲宽度为６０ ｍｓ ＰＦＭ控制下，分段线性控制同样有较快的响应速度。在系统不产生振荡的情况下，这个结论与死区宽度没有关系。而在这３种控制方案中，系统死区宽度过小而产生振荡时，分段线性控制的超调量最大。７ ０００６ ０００５日５ ０００、宜４ ０００蓄３ ０００２０００１００００ 普通电磁阀高速开关阀分段线性控制控制方案 图６ 在调制频率为３ Ｈｚ ＰＷＭ控制下系统的稳定时间Ｆｉ ｇ． ６ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ ３ Ｈｚ ＰＷＭ ｃｏｎｔｒｏｌ４结语 （１）在数字式自动找平控制系统中采用分段线性控制可以提高系统的响应速度；（２）在死区宽度设置过小时， 分段线性控制会产［第１８卷卷终〕路学报２００５年１４ ０００口死区为。．５ ｍｍ因死区为０．２ ｍｍ１２ ０００ｓｔｕ１０ ０００、亘８ ０００蓄６ ０００４ ０００２００００ 普通电磁阀高速开关阀分段线性控制控制方案 图７在调制频率为１０ Ｈｚ、脉冲宽度为‘０ ｍｓ ＰＦＭ控制下系统的稳定时间 Ｆｉｇ． ７ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ ｔｉｍｅ ｕｎｄｅｒ １０ Ｈｚ ＰＦＭ ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ６０ ｍｓ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ０．３５犷－－－－０．３０卜ＬＪ ＰＷＭ ｔ２９ ＰＦＭ日日￣侧理孵恻．｛；普通电磁阀高速开关阀分段线性控制控制方案 图８ 系统产生振荡时的超调幅度Ｆｉ ｇ． ８ Ｏｖｅｒｓｈｏｏｔ ｏｆ ｓｙｓｔｅｍ生较大的超调量，但由于实际工作中，系统都是处于死区外工作的，此问题对系统的稳定工作不会产生太大影响；（３）相比之下分段线性控制有较好的控制效果。 参考文献：厂，门Ｌ１日张新荣，孙祖望．基于ＰＬＣ的数字式自动找平控制器的研制〔Ｊ］．建筑机械，２００１，２１（１０）：５０－５２．Ｌ．，门Ｌ口」张新荣，茹锋．摊铺机自动找平数字式控制器的研究ＣＪ］．工程机械，２０００，３１（ｌ）：１６－１８．厂ＬｇＪ一ＩＪ赵国普，朱明才．高速开关阀自动调平系统的研究［Ｊ］．机床与液压，２００３，３１（３）：１０８－１１０．Ｆ４ＦＬ．Ｊ焦生杰，郝鹏，龙水根．沥青混凝土摊铺机作业速度研究［Ｊ］．中国公路学报，２００３，１６（３）：１２４－１２６．厂．几Ｌ１气Ｌｊ」倪云峰，刘丁．智能控制器在机器人机械手位置控制中的应用〔Ｊ］．长安大学学报（自然科学版），２００４，２４（３）：１０８－１１０．
