瀝青路面冷再生施工過程中，混合料的含水量直接影響再生后路面結(jié)構(gòu)層的質(zhì)量。含水量過小，難以拌勻、壓實(shí)混合料，影響結(jié)構(gòu)層板體的形成；含水量過大則難以碾壓成型，易形成路面大波浪，致使基層平整度降低，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層收縮開裂。因此，嚴(yán)格控制冷再生機(jī)的噴灑流量，確�；旌狭线_(dá)到最佳含水量，對瀝青路面的再生具有非常重要的意義。
1、冷再生機(jī)構(gòu)成及噴灑系統(tǒng)工作原理路面冷再生機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要由行走系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)、噴灑系統(tǒng)和自動(dòng)找平系統(tǒng)等部分組成。施工過程中，冷再生機(jī)緩慢向前行駛，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在噴灑系統(tǒng)和找平系統(tǒng)等部分的輔助下連續(xù)完成路面材料的銑拌、攤鋪、壓實(shí)成型等工作，從而使道路重新形成具有所需承載能力的結(jié)構(gòu)層，實(shí)現(xiàn)破損路面的就地冷再生。
噴灑系統(tǒng)是路面冷再生機(jī)的重要組成部分，主要由測控電路和變量液壓油泵、定量液壓馬達(dá)、離心式水泵等部分構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)油泵的電控制閥開度可以控制定量液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制水泵的加水量。
冷再生機(jī)的加水量與車輛行駛速度、轉(zhuǎn)子的銑拌深度和寬度、混合料的干密度和最佳含水量等參數(shù)成正比。設(shè)q為實(shí)際流量，ω為銑拌深度，ρ為混合料干密度，m為最佳含水量，d為銑拌深度，v為行駛速度，可得冷再生機(jī)加水量公式如下：
q=ωρmdv (1)其中，ω、ρ、m是系統(tǒng)預(yù)設(shè)參數(shù)，ω是固定值，ρ、m可以根據(jù)工況修改；q、d、v分別為流量、車速、深度的實(shí)時(shí)測量值。工作時(shí)，車速、深度經(jīng)常小幅調(diào)整，為了保證混合料的最佳含水量，噴灑流量也應(yīng)跟隨調(diào)整。
2、冷再生機(jī)噴灑測控電路設(shè)計(jì)測控電路是整個(gè)噴灑系統(tǒng)的核心，性能優(yōu)異的測量與控制系統(tǒng)是路面冷再生質(zhì)量和效率的保證，所以測控電路的設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。噴灑系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，這樣冷再生機(jī)就可以根據(jù)工況自動(dòng)調(diào)節(jié)加水量。帶有流量負(fù)反饋環(huán)節(jié)的噴灑系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。噴灑測控電路主要由MCU、速度測量電路、深度測量電路、流量測量電路、PWM-DA輸出和電源等部分組成。工作時(shí)，MCU根據(jù)車速、銑拌深度和預(yù)設(shè)參數(shù)計(jì)算出最佳供水量，并與當(dāng)前流量進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果和控制規(guī)律調(diào)節(jié)PWM占空比進(jìn)行流量控制，以保證路面冷再生所需最佳含水量。
MCU采用增強(qiáng)型單片機(jī)STC12C5410AD作為處理器。STC12C5410AD是一個(gè)具有8051內(nèi)核的單時(shí)鐘周期單片機(jī)，指令代碼與8051完全兼容，但執(zhí)行的效率大大提升。主要性能如下：內(nèi)置看門狗和EEROM，片內(nèi)集成512字符RAM，4通道PWM/PCA，8路10位高精度A/D，高速SPI通訊接口，ISP在線編程等。STC12C5410AD具有超強(qiáng)抗干擾性能，能確保測控系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。
2.1 車速及流量檢測在測控系統(tǒng)中，速度傳感器采用薩澳——丹佛斯90系列馬達(dá)配套速度傳感器，渦輪流量傳感器采用天津華水儀表LWGB-80渦輪流量傳感器，兩者輸出都是脈沖信號，且都可以采用12V直流電源供電。脈沖信號的檢測通過單片機(jī)的可編程計(jì)數(shù)器陣列和定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)，可有效滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精度要求。傳感器與控制器之間采用光耦隔離，使干擾信號不會(huì)串入控制器，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。
2.2 銑拌深度檢測直接測量轉(zhuǎn)子的銑拌深度有一定困難，采用測量轉(zhuǎn)子懸臂旋轉(zhuǎn)角度有辦法來測定銑拌深度。測量原理如圖2所示，設(shè)轉(zhuǎn)子懸臂長為l，當(dāng)銑拌轉(zhuǎn)子剛好處于底平面時(shí)，懸臂與豎直方向的夾角為β；當(dāng)銑拌轉(zhuǎn)子處于路面某一深度工作時(shí)，懸臂與豎直方向的夾角為α。則可得出深度計(jì)算公式：
d=d1-d2=l(cosα-cosβ) (2)由式（2）可知，只要得到角度變化大小就可以計(jì)算出銑拌轉(zhuǎn)子相應(yīng)的深度。
角度可用角度傳感器測量，角度傳感器可以看作一個(gè)鎧裝的旋轉(zhuǎn)電位器，電阻的阻值和角度的大小相互對應(yīng)，測量電阻值就可測出相應(yīng)的角度。
角度傳感器采用恒流源供電，輸出信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換、光耦隔離送入控制器，實(shí)現(xiàn)銑拌深度的測量。
2.3 PWM-DAC電路設(shè)計(jì)因所用MCU沒有集成DAC，需要設(shè)計(jì)一個(gè)PWM到DAC的變換電路。從PWM到DAC輸出的一般信號處理過程如圖3所示。
以上信號處理過程有多種具體實(shí)現(xiàn)方式，考慮到經(jīng)濟(jì)性、可靠性等因素，設(shè)計(jì)了如圖4所示的硬件電路，將PWM變換為平穩(wěn)的模擬信號輸出。
PWMl輸出首先經(jīng)過光耦TLP521進(jìn)行信號隔離，再經(jīng)過阻容濾波在A點(diǎn)得到直流分量，即MCU輸出的調(diào)制PWM波在A點(diǎn)得到解調(diào)，實(shí)現(xiàn)了DAC功能。輸出放大器采用常用芯片LM324，工作在電壓跟隨器方式。LM324輸出電壓經(jīng)放大、變換，輔以必要的軟件算法就可以調(diào)節(jié)電磁閥的開度，從而控制噴水流量的大小。
2.4 電源可靠性設(shè)計(jì)考慮到工程機(jī)械惡劣環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種具有抗EMI和過壓、過流保護(hù)功能的電源，用以增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。
如圖5所示：自恢復(fù)保險(xiǎn)絲PT1用于過流保護(hù)；雙向擊穿二極管DB4和壓敏電阻RV1用于過壓保護(hù)；磁珠B1和電容E2用于抑制高頻脈沖信號干擾；D2為肖特基二極管1N5824；R49和C24為噪聲阻容吸收元件，電容E3和C24進(jìn)一步對電源進(jìn)行濾波。
若U1為電源模塊LM2596-12，則電路實(shí)現(xiàn)車載直流24V至12V電源交換，為流量和測速傳感器提供12V電源；若U1為電源模塊LM2596-5，則電路能實(shí)現(xiàn)車載直流24V至5V電源變換，再經(jīng)DC-DC隔離變換，為MCU提供電源，未經(jīng)隔離變換的電源為外圍電路提供工作電源。
3、參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制策略由于很難準(zhǔn)確地建立冷再生機(jī)噴灑系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，為了提高路面冷再生機(jī)噴灑系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，在常規(guī)PID控制器有基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種具有模糊推理功能的PID控制器，對噴灑過程進(jìn)行控制。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。
其中，s為指定噴灑量，e和ec分別是流量偏差和偏差變化率，模糊推理輸出為PID控制器的參數(shù)Kp、Ki、Kd。
PID參數(shù)的整定離不開現(xiàn)場工程師的豐富經(jīng)驗(yàn)和理論知識(shí)，特別是有關(guān)對象時(shí)間常數(shù)的數(shù)量級有確定。從控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等方面考慮，PID參數(shù)在系統(tǒng)響應(yīng)的不同階段應(yīng)該是不斷變化的，即應(yīng)該根據(jù)偏差及偏差變化率分別調(diào)整比例、積分、微分作用的強(qiáng)弱。深刻理解比例、積分、微分環(huán)節(jié)在系統(tǒng)響應(yīng)過程的作用對冷再生機(jī)智能噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。
比例環(huán)節(jié)能反應(yīng)輸出偏差的變化情況，但不能徹底消除系統(tǒng)偏差。當(dāng)︱e︱較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，應(yīng)增強(qiáng)比例部分的控制作用，即Kp取較大值；當(dāng)︱e︱變小時(shí)，為了防止干擾、抑制超調(diào)，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，則應(yīng)減弱比例部分的控制作用。
積分環(huán)節(jié)主要用來消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)偏差。當(dāng)︱e︱較大時(shí)，為了避免積分超調(diào)，抑制振蕩，則控制器應(yīng)該取消或減弱積分作用，即Ki取0或較小值；當(dāng)︱e︱變小時(shí)，為了消除系統(tǒng)的靜態(tài)偏差，提高精度、減少調(diào)節(jié)時(shí)間，則應(yīng)該增強(qiáng)積分作用。
微分環(huán)節(jié)主要是針對被控過程的大慣性而引入的，它反映了輸入信號的變化趨勢，能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，減小超調(diào)量，抑制被調(diào)量振蕩。當(dāng)︱e︱較大時(shí)，為了加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，則控制器應(yīng)該取消或減弱微分作用，即Kd取0或較小值；當(dāng)︱e︱中等大小時(shí)，因?yàn)橄到y(tǒng)誤差變化率較大，系統(tǒng)響應(yīng)對Kd的大小比較敏感，故Kd取較小值；當(dāng)︱e︱較小時(shí)，系統(tǒng)處于微調(diào)階段。為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性能，避免輸出響應(yīng)在設(shè)定值附近振蕩，同時(shí)考慮系統(tǒng)的抗干擾性能，Kd的取值要適當(dāng)：當(dāng)偏差變化率ec較小時(shí)，Kd的可取值要大些；當(dāng)偏差變化率ec較大時(shí)，Kd應(yīng)取小些。
根據(jù)上述原則建立模糊規(guī)則表，再經(jīng)反模糊化后存入MCU的EEROM中，以備冷再生機(jī)根據(jù)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行PID參數(shù)查詢。
4、參數(shù)自適應(yīng)模糊PID程序設(shè)計(jì)路面冷再生機(jī)的流量控制是通過調(diào)節(jié)PWM占空比來實(shí)現(xiàn)的，模糊PID的直接控制對象是PWM占空比。噴灑系統(tǒng)不斷地根據(jù)偏差及其變化率調(diào)整PID參數(shù)，確定PWM占空比，從而更快、更精確地實(shí)現(xiàn)噴灑系統(tǒng)的自動(dòng)控制。軟件流程圖如圖7所示。
參數(shù)自適應(yīng)模糊PID控制器可以模擬人類思維，根據(jù)不同狀況采取不同的應(yīng)對措施，能改善控制過程的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，控制效果優(yōu)于常規(guī)PID。另外，由于采用查表法確定PID參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)速度得以提高，大大縮短了調(diào)節(jié)時(shí)間。
本文設(shè)計(jì)的冷再生機(jī)智能噴灑系統(tǒng)已成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，現(xiàn)場運(yùn)行狀況表明其響應(yīng)速度、控制精度和智能化程度都大大優(yōu)于國內(nèi)現(xiàn)有同類產(chǎn)品，有效地提高了道路冷再生的質(zhì)量和效率，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
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