2m铣刨机关键控制算法设计

时间：2024-09-17 百科知识版权反馈

【摘要】：摘要：本文对2m铣刨机关键控制技术进行了研究和设计，在对2m铣刨机各个子系统的功能需求分析的基础上，提出了风扇智能控制算法，保证了发动机冷却水、液压油、发动机进气温度三种介质在允许的工作范围内工作；研究了铣刨系统功率与行走速度之间的关系，阐述了功率自适应控制的重要性，并给出了控制方法，对发动机功率进行合理匹配，达到了发动机功率合理利用的目的。

姚阳，李申申，贾莉

（长安大学工程机械学院，陕西西安 710064）

作者简介：姚阳（1991－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械电子工程专业。

李申申（1990－），男，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械工程专业。

贾莉（1991－），女，长安大学工程机械学院硕士研究生，机械制造及其自动化专业。

摘要：本文对2m铣刨机关键控制技术进行了研究和设计，在对2m铣刨机各个子系统的功能需求分析的基础上，提出了风扇智能控制算法，保证了发动机冷却水、液压油、发动机进气温度三种介质在允许的工作范围内工作；研究了铣刨系统功率与行走速度之间的关系，阐述了功率自适应控制的重要性，并给出了控制方法，对发动机功率进行合理匹配，达到了发动机功率合理利用的目的。

关键词：铣刨机；风扇智能控制；功率自适应

Abstract：In this paper the key control technology of 2mmilling machine is researched and designed．On the basis of analyzing the function of every sub－system of 2mmilling machine，intelligent fan control technology is put forward，ensuring the engine cooling water，the hydraulic oil and the engine air intake to work in the allowable scope of temperature．The relationship be－tween the power of milling system and speed is researched，at the meantime the control method is come up．The engine pow－er is matched rationally，which achieves the purpose of making use of the engine power．

Key words：Milling machine；Intelligent fan control；Power adaptive

1 前言

对铣刨机控制技术的研究对于保证铣刨机的作业质量、高效性、舒适性、提高经济效率、延长机械使用寿命、节能减排都有十分重要的意义，因此本文对2m铣刨机的控制系统与关键控制技术进行了研究。

1．1 国内外铣刨机的控制系统发展现状

目前，国内外较先进的1～2m铣刨机的电子控制系统可分为两类：（1）以机器的自动深度控制、行走转向控制和发动机全电子管理控制三大部分为主的数字电子控制；（2）基于CAN总线通讯技术的全数字网络控制。两类控制方式现在都有相对应的铣刨机机型，其中第一类技术的应用比较成熟，第二类技术主要运用于大型铣刨机［1］。

由于CAN总线具有实时性强、可靠性高、结构简单、人机交互性好、可实现整机智能化以及硬件扩展性强等优点，非常适合与工程机械上的监控设备进行互连，因此将在铣刨机今后的发展道路上占有主导地位。

1．2 铣刨机的新技术和发展趋势

国外的Wirtgen，Dynapac，Caterpilliar，Road Tech等技术先进的铣刨机生产厂家，在现有的技术的基础上，不断地研究新技术、新工艺，进一步提高铣刨机的性能，特别是Wirtgen，一直是铣刨机技术发展的领航者。Wirtgen采用了大量的新技术、新工艺，使铣刨机的性能更加优越，操纵更容易，作业质量更好。其主要的新技术有：（1）独有的FCS通用铣刨系统；（2）快换刀具座系统；（3）先进可靠的控制系统，包括功率自适应系统、自动找平系统等。这些新技术也成为国内外很多铣刨机生产厂家模仿的对象。铣刨机的技术发展趋势是：（1）简化驾驶员的操作，提高自动化程度；（2）采用数字网络控制技术；（3）故障检测诊断系统（专家系统）；（4）行走部分能实现功率自适应控制；（5）具有良好的人机交互界面；（6）具有负载保护功能；（7）具有智能差速锁系统；（8）铣刨深度自动控制；（9）节能环保；（10）远程通信与GPS定位系统［2］。

2 方法原理

2．1 风扇冷却控制算法研究

根据该系统的特点和要求，只采用传统PID控制器难以达到理想的控制效果，所以选择微分先行并且积分分离的改进PID算法。微分先行控制器可以快速补偿过程的动态特性，能有效地跟踪温度的变化趋势，减少系统的超调，减小冷却风扇的转速波动。控制原理图如图1所示。

图1 2m铣刨机风扇冷却控制原理图

Ttg：增压空气的正常温度给定值；

Tmg：增压空气温度的实测值；

Tto：液压油的正常温度给定值；

Tmo：液压油温度的实测值；

Ttc：发动机冷却水的正常温度给定值；

Tmc：发动机冷却水温度的实测值。

分别对上述的各个给定值和实测值的偏差进行改进PID计算，然后将获得的3个结果进行综合处理，最后得到控制风扇转速的电流值。综合处理方法可以采用均值原理者每一项乘以对应系数再累加（y＝k1x1＋k2x2＋k3x3）的方法。

2．2 2m铣刨机功率自适应控制方法

2．2．1 铣刨机行走速度对铣刨鼓工作阻力的影响

铣刨机在作业的过程中，其铣刨鼓进行着一种复合运动，即绕轴线的旋转运动和随机身的平移运动，因此可以将铣刨鼓的运动过程分解成以角速度ω纯转动的随整机作以行走速度v的直线运动。

（1）以角速度ω做纯旋转运动，铣刨鼓受力分析如图2所示：

根据文献［2］可知：

K1：与路面材料和铣刨刀具有关的参数（沥青路面取1．2×107）；

B：铣刨宽度；

ae：铣刨深度；

图2 铣刨鼓作纯旋转运动受力分析

图3 铣刨鼓作纯直线运动受力分析

u：铣刨鼓旋转线速度；

θ：瞬间接触角度。

（2）铣刨鼓以行走速度v做纯直线运动，铣刨鼓受力分析如图3所示：

根据文献［2］可知：

K2：单位切削力。

由公式（1）和（2）可得铣刨机的水平阻力计算公式为：

由公式（3）可以看出水平切削阻力与行走速度呈线性关系，所以在铣刨机工作的过程中要对行走速度进行控制。

2．2．2 功率自适应控制方式

（1）开环控制方式

1）两个关系

①行走速度和铣刨鼓旋转速度的关系

C：铣削不平度；

R：铣刨鼓刀尖的回转半径；

λ：铣刨刀头的旋转速度和行走速度之比；

z：同一回转平面上安装的铣刀数。

对于绝大部分铣刨机R、z都是定值，那么影响铣削不平度C的因素就是铣刨刀头的旋转速度和行走速度之比λ了。铣刨路面的不平度C的要求一旦确定，铣刨鼓的旋转速度u是一个定值，则行走速度有一个限定值。

②行走速度和铣刨深度的关系

η：发动机到铣刨鼓的机械效率；

G：铣刨机自重；

f：滚动阻力系数，f＝0．07；

α：最大坡度角，tanα＝0．8。

由式（5）可知：铣刨机在恒定的介质下作业时，Pe、Pf、K1、B、α不变，因此可以确定铣刨机工作速度和铣刨深度的关系［4］。

2）控制方式

铣刨机的发动机保持在额定功率Pe H不变，铣刨深度ae一旦确定，由式（5）可知，可得到铣刨机行走速度v限制的最大值。在保证满足路面要求的铣削不平度C的条件下，铣刨鼓的旋转速度u是一个定值，则行走速度有一个限定值。这两个限定值的小值就是行走速度v在一定的路面材料（K1相同）、铣刨深度ae和铣刨鼓的旋转速度u的最大限定值。这样可以实现发动机的额定功率Pe H工况下的功率自适应，充分利用发动机的功率。

（2）闭环控制方式

发动机的转速反映了工作阻力Fτ的变化。通过检测发动机转速的变化从而来调节行走泵的排量进而改变铣刨机的行走速度v。如果铣刨鼓工作阻力Fτ减小，发动机的转速大于其额定转速n H，铣刨机各系统扭矩之和小于发动机的额定扭矩MH，增加铣刨机的行走速度v，提高了行走系统和铣刨系统消耗的功率之和Pe＋Px，使发动机的转速迅速回到额定转速MH上去。反之，如果铣刨鼓工作阻力Fτ增大，发动机的转速小于其额定转速n H，铣刨机各系统扭矩之和大于发动机的额定扭矩MH，减小铣刨机的行走速度v，减小了行走系统和铣刨系统消耗的功率之和Pe＋Px，使发动机的转速迅速回到额定转速MH上去。

开环控制结构简单，成本低，控制指令发出后，行走泵和马达按照指令执行，铣刨机行走速度v的响应情况由运行人员自行监视，无抗干扰能力，不能自主纠偏，控制精度低。而闭环控制，发动机转速的响应反馈和设定值共同进入控制器，计算和判断后发出指令，最终使发动机转速稳定在设定值附近，抗干扰能力强，稳态精度高，动态性能好，在保证铣削质量的前提下充分利用发动机的功率，但是结构复杂。

2．3 功率自适应控制方案

2．3．1 功率自适应控制方框图

铣刨机在作业过程中，只有铣刨宽度B为定值，路面材料的性质和密实程度是不确定的，铣刨刀具的参数随着铣刨过程的进行而不断变化，铣刨深度ae也在变化。当铣刨鼓受工作阻力Fτ不断变化导致发动机转速的变化时，通过调节铣刨机行走速度v使发动机的工作在额定转速附近。

在控制系统中，设定发动机的转速为额定转速，铣刨机行走速度为被控量。铣刨机在作业时，铣刨鼓工作阻力，发动机的转速也会跟着发生变化，由转速传感器检测的发动机的转速反馈给控制器，经过计算输出PWM控制脉冲，使比例变量泵和变量马达的排量发生变化，调节铣刨机行走速度v，保证发动机始终工作在额定工况。

2．3．2 功率自适应控制流程图

图4 功率自适应原理图

图5 功率自适应控制流程图

3 结论

（1）收集和整理了国内外2m铣刨机的控制系统的相关资料，调研了2m铣刨机相关的发展现状、新技术和发展方向，并进行了综述。

（2）给出了功率自适应和风扇冷却控制系统的控制算法。

（3）分析了2m铣刨机的功率自适应的原理，并在相关资料的基础上提出了开环控制和闭环控制两种控制方法，并画出了闭环控制的控制流程图。

参考文献