壓路機集成式液壓系統控制策略研究

曹 晨， 王 尼， 曹 瑞

（1.芝罘公路建設養護中心， 山東 煙臺 264000；2.山東省海洋儀器儀表科技中心有限公司， 山東 青島 266001）

0 引言

壓路機是道路建設中常用的設備之一，用于壓實土壤、瀝青和混凝土等路面材料，以提高路面的穩定性和承載能力。隨著科技的進步和工程要求的提高，壓路機的性能和控制需求也在不斷提升。在傳統的液壓系統中，液壓控制單元獨立布置，控制策略相對簡單，已經無法滿足高效、精確的壓路操作要求。對壓路機集成式液壓系統控制策略的研究，成為提高壓路機工作效率和壓實質量的重要途徑[1]。

1 壓路機集成式液壓控制系統組成

1.1 壓路機集成式液壓系統的結構

壓路機集成式液壓系統是一種以液壓為動力源，集成電氣、操作、傳感、液壓元件等多種功能于一體的液壓控制系統（見圖1）。

圖1 壓路機集成式液壓控制系統框架

壓路機集成式液壓控制系統結構主要包括液壓傳動系統、電控系統、油箱、散熱器等部分。其中液壓傳動系統是整個集成式液壓系統的核心部分，通過控制各種液壓元件的工作狀態來實現壓路機的運動控制[2-3]。

1.2 壓路機集成式液壓系統的工作原理

壓路機集成式液壓系統的工作原理是利用高壓油液驅動液壓缸或液壓馬達，實現壓路機的運動控制。在實際工作中，當操作手動控制液壓閥門使液壓泵輸出高壓油液進入液壓缸或液壓馬達時，就可以實現對壓路機的加壓、振動、轉向、行進等功能的控制[4]。

1.3 壓路機集成式液壓系統的特點

壓路機集成式液壓控制系統的特點主要包括結構緊湊、重量輕、使用壽命長、維護方便等。相比于傳統的液壓控制系統，集成式液壓控制系統具有占用空間小、重量輕、功率大、工作效率高等優點，同時由于其結構緊湊，維護起來也相對簡單方便，使用壽命長，因此在壓路機中得到了廣泛應用。

2 壓路機集成式液壓控制系統技術難點

2.1 集成式設計方案的制定

壓路機集成式液壓控制系統的設計方案涉及如何合理地將各個液壓元件進行集成，確保系統結構緊湊、功能完備，并滿足特定的工作需求。在制定設計方案時，需要考慮液壓元件的布局、管路的連接方式、集成模塊的選擇以及系統的可擴展性等因素，以實現高效、可靠和可維護的集成式液壓控制系統[5]。

2.2 高效低能耗的液壓傳動技術

在設計液壓傳動技術時，需要考慮如何減少能量損失、提高液壓系統的效率，并確保所需的動力和控制能力得到有效傳遞。液壓泵、閥門和缸的選型，液壓流體的特性以及控制策略的優化都是實現高效低能耗液壓傳動技術的關鍵因素。

2.3 復雜環境下的穩定性和安全性問題

在壓路機的工作環境中，存在復雜的振動、沖擊和惡劣氣候等因素，對集成式液壓控制系統的穩定性和安全性提出了挑戰。液壓系統的穩定性是指在各種工況下系統的動態響應和穩定性能，而安全性則涉及系統的故障檢測和保護機制。因此，如何設計合適的減震措施、優化系統的動態性能以及提供可靠的故障檢測和保護裝置，都是解決復雜環境下穩定性和安全性問題的關鍵技術難點。

3 壓路機集成式液壓控制系統控制策略

3.1 壓路機液壓系統控制策略的功能需求分析

在壓路機液壓系統的控制策略設計中，需要進行功能需求分析，明確系統需要實現的功能和性能要求。這包括壓路機運動的控制、壓實質量的調節、驅動力的控制、動態響應特性等方面的需求。通過分析功能需求，可以指導后續的控制策略設計和參數設置。設計壓路機液壓系統的控制策略時，需要進行功能需求分析，明確系統需要實現的功能和性能要求[6-7]。

1）壓路機運動控制：控制策略需要能夠實現壓路機的前進、后退、轉彎等基本運動控制，以適應不同工況下的作業需求。

2）壓實質量調節：系統應具備調節壓路機的壓實質量的能力，通過控制液壓系統的工作參數，實現對壓路機壓實力的調節和控制。

3）驅動力控制：液壓系統控制策略需要能夠實現對壓路機驅動力的精確控制，以適應不同地面材料的特性和作業要求。

4）動態響應特性：控制策略應具備快速響應和良好的動態特性，以實現對壓路機運動和壓實過程的實時控制與調節。

5）能耗優化：控制策略應考慮降低能耗的優化目標，通過合理的控制方式和參數設置，提高液壓系統的能源利用效率，降低能耗。

6）系統安全性：控制策略需要考慮壓路機在復雜環境下的穩定性和安全性問題，通過控制算法和安全保護機制，保障系統的安全運行。

3.2 壓路機液壓系統控制策略分類及特點

3.2.1 開環控制策略

開環控制策略是一種控制系統的策略，其中控制指令是基于預先設定的輸入信號，而無須實時的反饋或修正。在壓路機液壓系統中，開環控制策略通過設置預定的輸入信號，直接控制液壓系統的工作狀態和輸出。這種控制策略的特點是簡單直接，適用于相對簡單的工作場景，對系統的實時響應能力較弱。

在壓路機液壓系統中采用開環控制策略，操作人員根據工作需求設定控制參數，例如設定壓路機的運動速度、轉向角度等?？刂浦噶畋恢苯影l送給液壓系統的執行元件，驅動壓路機實現相應的運動。開環控制策略不考慮實際輸出與期望輸出之間的誤差，也不對系統進行實時調整和修正。

盡管開環控制策略在某些簡單場景下仍然具有應用價值，但在更復雜和精確的控制要求下，通常需要采用閉環控制策略。閉環控制策略通過引入實時的反饋機制和誤差校正，能夠提高控制精度和系統的穩定性。因此，在選擇控制策略時，需要根據具體的壓路機液壓系統要求和工作場景來綜合考慮，并根據實際情況進行選擇。

3.2.2 閉環控制策略

閉環控制策略是一種控制系統的策略，其中控制指令是基于實時的反饋信號和誤差校正的結果。在壓路機液壓系統中，閉環控制策略通過實時監測液壓系統的輸出狀態和反饋信號，與預期的輸出進行比較，并根據比較結果進行誤差修正，以實現更精確的控制。

閉環控制策略的特點是具有較強的適應性和魯棒性，能夠實時響應外部變化和干擾，提高系統的穩定性和控制精度。在壓路機液壓系統中，閉環控制策略可以應用于多個方面，如壓實質量調節、驅動力控制和動態響應特性的優化。

通過閉環控制策略，系統可以實時獲取液壓系統的輸出狀態，例如壓路機的壓實力、運動速度等，并將其與預期的目標進行比較。如果存在誤差，控制系統會對液壓系統進行相應的調整和修正，以減小誤差并接近期望輸出。這種實時反饋和修正的機制使閉環控制策略能夠適應不同工況和外部環境的變化，提高系統的穩定性和控制精度。

閉環控制策略常用于要求較高的控制場景，如壓路機的壓實質量調節，其通過實時監測地面壓力反饋信號，并根據誤差進行液壓系統的控制，以達到所需的壓實質量。此外，閉環控制策略還可以用于驅動力控制，通過實時測量壓路機的阻力和地面材料特性，對液壓系統進行控制，使驅動力保持在所需的范圍內。閉環控制策略還可以優化壓路機的動態響應特性，通過實時監測液壓系統的輸出狀態和動態變化，及時調整控制參數，以實現對壓路機運動過程的精確控制。

3.3 基于CAN 總線的壓路機液壓系統控制策略

3.3.1 CAN 總線技術

CAN（Controller Area Network）總線技術是一種用于實時控制和通信的串行通信協議。它具有高可靠性、抗干擾能力強和支持多節點等特點，廣泛應用于汽車電子系統和工業自動化領域。在壓路機液壓系統中，CAN 總線技術可以實現液壓系統各個組件之間的實時數據傳輸和通信，以及集成控制和監測，如圖2所示。

圖2 基于CAN 總線的壓路機液壓控制系統流程

3.3.2 壓路機液壓系統控制策略基于CAN 總線的實現

通過系統設計和硬件配置、控制算法選擇及應用以及集成化功能優化，可以實現基于CAN 總線的壓路機液壓系統控制策略的高效、穩定和可靠運行。需要根據具體的應用需求進行定制化設計，并充分考慮壓路機的特殊工作環境和要求。

3.3.2.1 系統設計和硬件配置

系統設計：首先需要進行詳細的系統設計，包括確定系統的功能需求、通信協議、節點數量和布局等?？紤]到壓路機液壓系統的復雜性，可能需要將系統劃分為多個子系統，每個子系統包含特定的功能模塊。

硬件配置：根據系統設計，選擇適合的CAN 總線硬件設備，包括CAN 控制器、CAN 收發器、傳感器、執行器等。確保硬件設備之間的兼容性和穩定性。

總線布線：進行合適的總線布線，包括選擇適當的總線電纜、連接器和終端電阻?？紤]到壓路機的振動和惡劣環境條件，總線布線需要具備抗干擾和耐久性。

3.3.2.2 控制算法選擇及應用

根據壓路機液壓系統的特點和控制需求，選擇適當的控制算法。常見的算法包括PID 控制、模糊控制、自適應控制等。根據實際情況，可以選擇單個算法或者結合多個算法進行綜合控制。

根據選定的算法，設計控制策略并將其應用于液壓系統控制中。包括確定控制參數、設定控制規則和邏輯，并將其轉化為可執行的代碼或算法模塊。

3.3.2.3 集成化功能優化

針對壓路機液壓系統的特點和性能要求，進行集成化功能的優化設計。例如，引入狀態監測和故障監測模塊，實時監測系統狀態并及時處理異常情況，以提高系統的可靠性和安全性。優化數據通信和傳輸效率，確?？刂浦噶詈头答佇盘栐贑AN 總線上的穩定和高效傳輸?？梢圆捎脙灮耐ㄐ艆f議和數據傳輸機制，減少通信時延和數據丟失的可能性。

進行集成化的用戶界面設計，提供直觀、易用的人機交互界面，使操作人員能夠方便地監控和調節液壓系統的工作狀態。這可以包括顯示實時數據、報警信息、操作參數設置等功能。

4 結論

通過對壓路機集成式液壓系統的控制策略進行研究和探索，取得了一定的成果和進展。通過系統設計和硬件配置的優化，以及控制算法的選擇和應用，成功實現了基于CAN 總線的壓路機液壓系統控制策略的高效、穩定和可靠運行。同時通過集成化功能的優化，拓展了液壓系統的應用范圍和性能，將來可以進一步深入研究，探索更多的創新和應用，為壓路機液壓系統的發展作出更大的貢獻。