摘要：通過與傳統(tǒng)瀝青灑布車控制方案進行對比，提出了一種新的噴灑系統(tǒng)的驅動方式和控制方案，新方案克服了傳統(tǒng)灑布車灑布精度受車輛速度、檔位影響大的缺點，提高了灑布精度，并可方便地實現(xiàn)瀝青灑布的智能控制。
關鍵詞：智能橡膠瀝青灑布車；驅動方式；灑布質量

0 引言
    瀝青灑布車是公路，城市道路，機場和港口碼頭建設的重要設備，其工作原理是在灑布車行駛過程中，將加熱至液態(tài)的橡膠瀝青均勻地噴灑在基層上，從而形成粘合層或路面。傳統(tǒng)瀝青灑布車需要由人工調(diào)整噴灑壓力，難以實現(xiàn)灑布量的精確控制。本文提出了一種新的瀝青灑布車控制系統(tǒng)的控制算法，該方法由智能控制系統(tǒng)來對噴灑壓力、灑布量進行精確控制，從而提高灑布質量。

1 控制系統(tǒng)結構設計
    整個控制系統(tǒng)按工作分工不同可分為噴灑控制部分和輔助部分，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。其中噴灑控制部分包括車速測量系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)，可通過控制單元對采集的數(shù)據(jù)進行計算，再送到噴灑執(zhí)行元件。噴灑執(zhí)行元件的動作包括噴嘴的伸出與開啟、噴灑桿的升降等。在灑布車進行灑布作業(yè)時，這部分是實現(xiàn)灑布量精確控制的關鍵所在，也是本文研究的重點。

    輔助部分包括人機界面、溫度測量系統(tǒng)等。將溫度數(shù)據(jù)和各種控制參數(shù)通過控制單元處理后，可驅動保溫系統(tǒng)、瀝青循環(huán)系統(tǒng)和清洗系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)，從而保證灑布車進行正常的噴灑作業(yè)。

2 噴灑控制系統(tǒng)設計
    噴灑控制系統(tǒng)設計如圖2所示，其中車速測量部分采用24齒接近開關作為計數(shù)裝置，以獲得實時車速信息，同時利用車速信息計算得到噴灑壓力控制信號，再通過噴灑壓力控制信號來調(diào)整電動閥，從而改變噴灑壓力，以達到控制灑布量的目的。最后，在噴灑桿中安裝的壓力傳感器，可將噴灑系統(tǒng)實際壓力作為反饋信號，以形成噴灑壓力的單閉環(huán)控制，對噴灑壓力進行精確控制。

2．1 壓力控制系統(tǒng)模型的建立
    根據(jù)Veejet系列噴嘴的產(chǎn)品樣本，噴嘴的噴灑壓力與流量之間有以下關系：
   
    式中：g- 噴嘴流量，L／min。
          P- 噴嘴處的壓力，BAR。
          0．5是Veejet系列噴嘴的特征值。
     由于本系統(tǒng)采用的瀝青泵是定量泵，流量、轉速都是固定的，所以有以下式子成立：
    
    式中：Q-瀝青泵的輸出流量，L／s。
          λ-設定的灑布量，L／m2。
          v-車速，m／s。
          B-灑布寬度，m。

    圖3所示為瀝青循環(huán)管路示意圖，其中閥門2用于粗調(diào)系統(tǒng)壓力，是氣動閥；閥門3用于在噴灑時調(diào)節(jié)噴灑壓力，是電動閥；瀝青Q從瀝青泵流出后，再減去回到瀝青罐中的部分Q’，才是從灑布管噴出的瀝青。即：

   
    式中：N- 噴嘴的個數(shù)。
          q- 單個噴嘴的流量，L／s。
    由于
   
    式中：b- 噴嘴間距，m。
    將式(3)、(4)帶入式(1)可得
   
    取一定的噴灑壓力作為參考壓力，記作P0，參考壓力下的噴嘴流量記作q0，作為換算的基準，則有：
   
    從中可以看出：只有車速v和噴灑壓力P是變量，而車速可以通過測量得到，從而使得控制系統(tǒng)對噴灑壓力的控制成為可能，所以有下面式子成立：
   
    式(7)就是控制器對噴灑壓力控制的理論依據(jù)，也是控制算法的核心。
2．2 對計算公式的修正
    用Veejet噴嘴進行噴灑實驗時，對于規(guī)格不同的噴嘴，可得出一系列灑布量與車速之間關系的對應曲線圖(為敘述方便，以下簡稱v-λ圖)。圖4所示為噴嘴規(guī)格為20時的v-λ圖，其中噴嘴間隔b就是灑布寬度B。

    v-λ圖的橫坐標的刻度均按實際值進行標注，長度則按實際坐標值取以10為底的對數(shù)值來計算，均以150mm為一個單位，就有如下公式：
   
    對應到v-λ圖中，將lgλ作為橫坐標，lgv作為縱坐標，對于特定規(guī)格的噴嘴在一定噴灑壓力P下的工作情況(8)式可化為：
   
    C代表常量，對于同規(guī)格的噴嘴，其參考壓力下的參考流量相同，該值僅僅隨噴灑壓力的變化而變化；而對于不同規(guī)格的噴嘴，該值會由于參考流量和噴灑壓力的變化而變化。
    另外從式(6)不難推導出車速相同時能達到的灑布量有如下關系：
   
    例如，對于20規(guī)格的噴嘴，車速最低(33m／min)時，其在不同噴灑壓力下能達到的灑布量與參考壓力(1bar=100000Pa)時灑布量(約為
0．8L／m2)的比值分別為、換算結果分別為0．98L／m2、1．23L／m2、1．27L／m2、1．39L／m2，與圖4情況吻合。
    除此之外，仔細研究v-λ圖，不難發(fā)現(xiàn)其中隱含的一些信息。取最低車速(33m／min)且噴灑壓力為1 bar時的灑布量作為研究對象，噴嘴規(guī)格為15時，灑布量為0．6L／m2。

    而其他規(guī)格的噴嘴的情形也與此相同。觀察以上數(shù)據(jù)，可以做以下的判斷：由于噴灑桿上單個噴嘴噴灑壓力的不一致，按照理論公式(6)計算出的結果并不與實際情況吻合，為了解決這個問題，需要在控制系統(tǒng)中引入一個噴嘴流量修正系數(shù)，而這個系數(shù)可以根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計出來，約為1．7。
    由此，可修正式(6)為
  
    至此，可得出校正后的控制系統(tǒng)核心算法為：
   

3 噴灑桿高度的控制
    噴灑桿作為瀝青灑布車的工作裝置，所要實現(xiàn)的動作主要包括噴嘴的開啟和關閉、噴桿的升降以及兩側附加噴桿的伸出與收回。限于成本和技術問題，國內(nèi)的瀝青灑布車對噴灑桿的高度變化并沒有實現(xiàn)實時控制，而其他動作已經(jīng)實現(xiàn)。事實上，噴灑桿高度與噴灑角等參數(shù)的關系具有如下公式：
   
    式中：H-噴灑高度；b- 噴嘴間距；n- 搭接層數(shù)，一般為2或3即兩重或三重灑布；β- 噴嘴開口中心線與噴灑桿軸線間的夾角(一般為20°--30°)；α-噴灑角(≥60°)。
    從上式可以看出，只有搭接層數(shù)是未知的，而其它參數(shù)都是固定值。但是，在開始噴灑之前，搭接層數(shù)就已經(jīng)確定了，所以，在噴灑過程中，噴灑高度也應該是固定的。
    但是在實際噴灑過程中，隨著瀝青逐漸減少，車輛負荷也會減少，造成車尾越來越高，因而噴灑桿距地面的高度也越來越大。這樣就會影響噴灑的效果。為了消除這種影響，提高灑布精度，最好的解決方法就是在車尾安裝高度探測儀(例如超聲波探測器)來對行駛過程中車輛高度進行實時檢測，同時隨瀝青量的減少自動調(diào)整噴灑高度到設定值。

4 系統(tǒng)實驗結果
    為了驗證所提出的控制模型是否能夠達到預想的控制效果，可對其在從靜止到達最佳噴灑車速(3～4km／h)這一過程進行仿真分析，以得到圖5所示的時間一壓力一車速圖。圖5中的虛線為控制器可以控制的壓力范圍。但是，在瀝青灑布車進行灑布作業(yè)的過程中，最好將車速控制在最佳灑布車速范圍內(nèi)。由圖5中的數(shù)據(jù)分析可知，壓力控制系統(tǒng)在車輛加速過程中，可以隨時調(diào)整噴灑壓力，保證灑布量隨車速的增加而增大。在車速由上升到逐漸穩(wěn)定的過程中，壓力控制器會產(chǎn)生微量的超調(diào)，但是，誤差范圍應控制在國家標準規(guī)定的3％以內(nèi)，以滿足實際控制要求。

5 結束語
    本文對瀝青灑布車行駛速度與灑布量之間的關系進行了分析，提出了新的設備驅動方式，保證了噴灑壓力隨車速快速、準確的變化。同時分析了噴灑桿高度與瀝青量之間的關系，指出了采用高度閉環(huán)控制來消除噴灑桿高度變化對灑布質量的影響。事實上，由于車輛加速度的變化和各種干擾，對灑布車在加速過程中的壓力控制均有不同的影響，其具體體現(xiàn)是車速由加速進入穩(wěn)定時的小幅超調(diào)。