陳增志

摘要：針對(duì)灑水車噴灑量、噴灑范圍無法控制定量噴灑的問題，提出采用車載控制器閉環(huán)控制柱塞變量泵的比例閥，結(jié)合PID算法實(shí)現(xiàn)灑水車的定量噴灑控制。該技術(shù)方法有效結(jié)合CAN總線控制技術(shù)、電液控制技術(shù)及PID控制算法，控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定性高、控制精度高、擴(kuò)展性能強(qiáng)、操作與維護(hù)方便等特點(diǎn)，通過CAN總線實(shí)現(xiàn)灑水車專用作業(yè)裝置與底盤的信息交互，為環(huán)衛(wèi)車電氣控制系統(tǒng)的集成化、人性化、智能化等工程的研究與應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，充分體現(xiàn)了灑水車的綠色、環(huán)保化。

關(guān)鍵詞：灑水車 定量噴灑 CAN總線 控制器 PID算法 變量泵

中圖分類號(hào)：U469.6+91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-0226（2019）02-0092-04

l前言

隨著人們生活水平的不斷提高，社會(huì)各界對(duì)環(huán)境保護(hù)及市容市貌也提出了更高的要求。為適應(yīng)城市環(huán)境衛(wèi)生建設(shè)的需要，及時(shí)清理城市路面沙土灰塵，改善空氣質(zhì)量，需要各種灑水車來滿足改善城市空氣質(zhì)量的需要，因此，對(duì)灑水車電氣控制系統(tǒng)的智能化程度提出了更高的要求。

2灑水車作業(yè)現(xiàn)狀

灑水車是城市清潔廣泛使用的一種工程車輛。作業(yè)時(shí)，用噴嘴將路面上的垃圾沖洗至路緣，污水沿路緣的排水孔流走，垃圾則由人工或機(jī)械收集。在作業(yè)過程中，如果水沖得過遠(yuǎn)，在無綠化帶的路面上，垃圾和污水四處飛濺，會(huì)對(duì)人行道上的行人干擾較大;而在有綠化帶的路面上，垃圾會(huì)被噴進(jìn)綠化帶內(nèi)，不便于收集，且對(duì)環(huán)境造成污染。如果水沖得過近，會(huì)導(dǎo)致路面清洗不徹底。因此，噴灑量及噴灑范圍是灑水車控制系統(tǒng)需要控制的關(guān)鍵參數(shù)。

日前，行業(yè)內(nèi)灑水車作業(yè)噴灑量直接由底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制，即通過底盤發(fā)動(dòng)機(jī)的側(cè)取力器直接驅(qū)動(dòng)灑水泵，屬于非定量噴灑控制模式。這樣，在同一種灑水作業(yè)模式時(shí)，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速高時(shí)水的噴灑量大，底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)水的噴灑量小。另外，在同一行車速度下，車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著檔位的升高面降低，而在同一行車檔位下，車輛的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速會(huì)隨著車速升高而升高。因此，對(duì)于實(shí)際作業(yè)中的灑水車來說，要想按灑水量大小需求精確控制底盤的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速幾乎是不可能的，其轉(zhuǎn)速會(huì)隨著灑水的行車速度與行車檔位的變化而變化。因此，這種灑水車作業(yè)噴灑量控制模式在實(shí)際工況工作時(shí)會(huì)受到很大的限制。例如在有些路段需低速大噴灑量運(yùn)行時(shí)，會(huì)因車速過慢，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低，噴灑量嚴(yán)重不足，作業(yè)效果不理想;而有些干凈路段需快速通過，小噴灑量降塵工作運(yùn)行時(shí)，會(huì)因車速過高，導(dǎo)致噴灑量太多，浪費(fèi)水資源，增加能耗?，F(xiàn)有的成熟控制技術(shù)中，暫缺少可根據(jù)道路實(shí)際狀態(tài)有效調(diào)節(jié)噴灑量和噴灑范圍的控制方法及設(shè)備，而不理想的噴灑量調(diào)節(jié)方法勢(shì)必會(huì)導(dǎo)致水資源及其他資源的浪費(fèi)，達(dá)不到預(yù)期的清潔、環(huán)保效果。本文提出灑水車的定量噴灑自動(dòng)控制系統(tǒng)及其技術(shù)，可有效地解決上述噴灑量、噴灑范圍無法有效調(diào)節(jié)的問題，突破灑水車的現(xiàn)有控制技術(shù)瓶頸，可產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

3系繞總體框圖及各部件連接關(guān)系

如圖l所示，灑水車定量噴灑智能控制系統(tǒng)主要包括控制器、顯示屏、底盤取力器、柱塞變量泵、液壓馬達(dá)、灑水泵、轉(zhuǎn)速傳感器、電位計(jì)等。系統(tǒng)各部件間的連接關(guān)系如下：控制器、顯示屏、底盤三者之間通過CAN總線連接實(shí)現(xiàn)相互間實(shí)時(shí)信息的通訊與共享;控制器控制電比例閥比例電流的大小以控制柱塞變量泵排量的大小;底盤取力器作為灑水車專用作業(yè)裝置的原始動(dòng)力源經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)柱塞變量泵;柱塞變量泵則通過自身液壓油排量的變化經(jīng)液壓管路驅(qū)動(dòng)控制液壓，5達(dá)，液壓馬達(dá)再經(jīng)聯(lián)軸器直接驅(qū)動(dòng)灑水泵;霍爾轉(zhuǎn)速傳感器則利用霍爾感應(yīng)原理，感應(yīng)安裝于圖1聯(lián)軸器中的齒輪盤的齒數(shù)變化頻率，以測(cè)量灑水泵的實(shí)時(shí)工作轉(zhuǎn)速，作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的負(fù)反饋信號(hào)源;控制器的輸出則直接連接到各動(dòng)作閥組，以根據(jù)其輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)各動(dòng)作狀態(tài)的邏輯控制。其液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。

4灑水車定量噴灑控制技術(shù)

4.1定量噴灑控制過程原理

首先，在圖1所示的控制系統(tǒng)框圖中，計(jì)算出在底盤發(fā)動(dòng)機(jī)怠速情況下驅(qū)動(dòng)灑水泵在額定狀態(tài)轉(zhuǎn)速下工作所需的增速比，進(jìn)而匹配好柱塞變量泵與液壓，馬達(dá)的排量、功率參數(shù)，液壓，馬達(dá)與灑水泵之間的功率參數(shù)，確保灑水車在各種行駛作業(yè)狀態(tài)下足以控制灑水泵在額定轉(zhuǎn)速內(nèi)正常工作。

在同樣的灑水泵轉(zhuǎn)速下，因不同的作業(yè)狀態(tài)（如前灑水與左右側(cè)沖）灑水泵負(fù)荷特性不同，灑水泵的壓力、排量也不同，灑水泵的每轉(zhuǎn)抽水排量就會(huì)不同。在實(shí)際工程應(yīng)用中.其每轉(zhuǎn)排量的具體值可通過直接給定灑水泵固定轉(zhuǎn)速、作業(yè)模式的方式試驗(yàn)得出。經(jīng)過試驗(yàn)，筆者選用的灑水泵在不同的作業(yè)狀態(tài)下每轉(zhuǎn)抽水排量如下：前灑為0.84 L/轉(zhuǎn)，單個(gè)側(cè)沖為0.27 L/轉(zhuǎn)，左右雙側(cè)沖為0.52L/轉(zhuǎn)，后灑為0.68L/轉(zhuǎn)。因而得出，灑水車的噴灑量只與其當(dāng)前的水泵轉(zhuǎn)速及作業(yè)模式有關(guān)。這樣，灑水車定量噴灑控制系統(tǒng)的核心部件控制器只需根據(jù)設(shè)定的噴灑量及作業(yè)模式，計(jì)算出當(dāng)前狀態(tài)所需的灑水泵轉(zhuǎn)速，通過PWM比例輸出控制柱塞變量泵的比例閥開度以控制柱塞變量泵的排量，經(jīng)液壓，馬達(dá)后最終將灑水泵轉(zhuǎn)速控制在給定的日標(biāo)轉(zhuǎn)速值范圍內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)灑水車噴灑量及噴灑的定量噴灑控制。

4.2定量噴灑控制的核心控制

灑水車定量噴灑控制系統(tǒng)的核心控制部件主要有顯示屏、控制器、電位計(jì)、霍爾轉(zhuǎn)速傳感器等控制硬件，顯示屏及控制器采用車載專用型。根據(jù)實(shí)際控制需求，對(duì)控制系統(tǒng)的控制器、顯示屏進(jìn)行各控制邏輯、人機(jī)界面的軟件編程。灑水車主要有前灑、后灑、左側(cè)沖、右側(cè)沖等四種作業(yè)模式，如圖3所示為所設(shè)計(jì)的顯示屏主界面，主要顯示有實(shí)時(shí)水泵轉(zhuǎn)速、車輛行駛速度和設(shè)定的噴灑量3個(gè)參數(shù)。其中，假設(shè)需設(shè)定的噴灑量為P，噴灑量調(diào)節(jié)電位計(jì)實(shí)時(shí)電阻值為x，噴灑量調(diào)節(jié)電位計(jì)實(shí)時(shí)值最大電阻值為K，最大設(shè)定噴灑量為M，則設(shè)定噴灑量的值為：

P=Mxx/K

（1）

在設(shè)置界面中設(shè)定好最大噴灑量后，只需通過調(diào)節(jié)噴灑調(diào)節(jié)電位計(jì)便能實(shí)現(xiàn)噴灑量從O到所設(shè)置的最大噴灑量。另外，作業(yè)模式的控制只需通過按壓顯示屏上“前灑”、“后灑”、“右側(cè)沖”和“右側(cè)沖”4個(gè)按鍵便可實(shí)現(xiàn)，這4個(gè)按鍵分別控制對(duì)應(yīng)的4個(gè)作業(yè)模式電磁氣閥。當(dāng)某個(gè)電磁閥工作時(shí)，對(duì)應(yīng)的按鍵底色會(huì)由灰色變成綠色。

工作過程中，首先，控制器將讀取的電位計(jì)調(diào)節(jié)電阻值通過CAN總線發(fā)送給顯示屏，顯示屏根據(jù)公式（1）計(jì)算出當(dāng)前所需的日標(biāo)噴灑量并在主界面顯示：進(jìn)而，日標(biāo)噴灑量、駕駛員操作的作業(yè)模式通過CAN總線發(fā)送回給控制器作邏輯控制處理，而底盤行駛車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信息則按照標(biāo)準(zhǔn)J1939協(xié)議的方式通過CAN總線發(fā)送給控制器進(jìn)行解析處理;另外，灑水泵轉(zhuǎn)速信號(hào)則通過霍爾轉(zhuǎn)速傳感器直接傳送給控制器。這樣，控制器便與整個(gè)控制系統(tǒng)建立了緊密連接關(guān)系，并形成以其為核心的閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，即控制器根據(jù)設(shè)定噴灑量、作業(yè)模式計(jì)算出所需灑水泵日標(biāo)轉(zhuǎn)速，同時(shí)讀取灑水泵的實(shí)際轉(zhuǎn)速值，然后將灑水泵日標(biāo)轉(zhuǎn)速值減去轉(zhuǎn)速實(shí)際采樣值便是當(dāng)前時(shí)刻的轉(zhuǎn)速偏差值。最后，根據(jù)上述所得的轉(zhuǎn)速偏差值，利用PID算法實(shí)時(shí)調(diào)整控制柱塞變量泵比例閥的比例電流，具體所使用的PID算法流程如圖4所示。

綜上，控制遞進(jìn)關(guān)系如下：由PID算法得出的比例電流控制柱塞變量泵比例閥的開度→柱塞變量泵的比例閥開度控制柱塞變量泵自身的工作排量→柱塞變量泵的排量控制液壓，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速→液壓，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速控制灑水泵的轉(zhuǎn)速。因此，控制器只要根據(jù)PID閉環(huán)算法摔制其PWM輸出口的比例電流就可實(shí)現(xiàn)灑水泵轉(zhuǎn)速的控制，最終實(shí)現(xiàn)灑水車噴灑量、噴灑范圍的按需自動(dòng)調(diào)節(jié)。

5定量噴灑控制系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

筆者應(yīng)用上述定量噴灑自動(dòng)控制系統(tǒng)研發(fā)了一臺(tái)智能定量灑水車，在采樣周期為200ms的條件下，通過不斷試驗(yàn)整定，調(diào)定了一組PID參數(shù)，具體如下：：Kp=0.02，Ki=0.015，Kd=0.01。將上述參數(shù)寫入控制系統(tǒng)后，控制系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定性強(qiáng)，動(dòng)態(tài)跟隨快，控制精度高，并在該參數(shù)下通過實(shí)車稱重、實(shí)車作業(yè)手段獲得了一組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)，結(jié)果如表l所示。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用本文提供的電氣控制系統(tǒng)或方法控制灑水車的噴灑量、噴灑范圍，控制精度非常高，基本可以將誤差控制在6%以下，完全能夠滿足噴灑量定量控制需求，優(yōu)于工程應(yīng)用預(yù)期效果。

6結(jié)語

通過試驗(yàn)可知，本灑水車定量噴灑智能控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)噴灑量及噴灑范圍的定量調(diào)節(jié)，其噴灑量大小不再直接跟隨底盤發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，而是根據(jù)實(shí)際使用需求實(shí)現(xiàn)噴灑量單位時(shí)間定量噴灑或單位面積均勻?yàn)⒉?。該智能電氣控制系統(tǒng)具有控制精度高、工作穩(wěn)定可靠、擴(kuò)展性能強(qiáng)、總線接線簡單、操作維護(hù)方便等特點(diǎn)，優(yōu)良的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)灑水車的智能定量噴灑。該定量灑水車將作為新一代智能化、高附加值灑水車進(jìn)行廣泛推廣、使用。

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