CN109972484A

CN109972484A - 一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统

Info

Publication number: CN109972484A
Application number: CN201810958441.0A
Authority: CN
Inventors: 璧典寒; 赵亮
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2018-08-22
Filing date: 2018-08-22
Publication date: 2019-07-05
Anticipated expiration: 2038-08-22
Also published as: CN109972484B

Abstract

本发明公开了一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，包括安装于加热机的加热机数据采集装置和加热机MCU主控器、安装于复拌机的复拌机数据采集装置和复拌机MCU主控器，以及安装于铣刨机的数据采集装置和铣刨机主控器装置。铣刨机主控器通过模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，发送给其余各加热机、复拌机，通过比较当前行进速度与最优速度之间的差值对下一时刻的速度进行调节。本系统采用模块化设计思想，加热机/复拌机数据采集装置、铣刨机主控器装置体积小，可直接安放在各机组原有车载PLC控制箱中，降低了安装难度，便于操作实施，抗干扰性能好，具有良好的稳定性，对恶劣环境适应能力强，具有扩展性。

Description

一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统

技术领域

本发明涉及就地热重铺机组，属于优化控制领域，具体说，涉及一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统。

背景技术

随着国家高速公路网的建设，高速公路总里程的加长，公路养护的需求与日俱增，公路养护行业发展前景广阔。就地热再生重铺机组是目前国际上先进的沥青路面就地热再生施工设备，具体如中国专利CN201621407063.X公开了一种沥青路面就地热再生机组，由3台加热机(一般有3～5台加热机)、1台铣刨机、1台加热复拌机组成，用于高等级公路的大面积连续翻修作业，可一次成型新路面，旧路沥青混合料100％就地再生利用，具有节约资源、减少环境污染、作业时不封闭交通等优点。

问题在于，加热机负责对沥青路面进行大面积的连续加热，使表层沥青路面温度快速达到再生重铺施工的要求，铣刨机对加热过的路面进行铣刨及拌和，复拌机完成新、旧沥青料的混合、搅拌与摊铺作业。多台机组之间速度的协同控制是就地热重铺机组作业过程中的一个难点，如果速度不一致，将导致作业效率低下、浪费材料、影响施工工期。

因此，发明速度协同优化调控系统，对就地热重铺机组进行速度调控具有重要意义。

发明内容

本发明要设计一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，需要解决的技术问题是能够实时监测加热机、铣刨机、复拌机行进速度，并以铣刨机工作路面温度为参考，计算当前机组最优行进速度，从而对整套机组进行协同调控。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提供了一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，包括安装于加热机的加热机数据采集装置和加热机MCU主控器、安装于复拌机的复拌机数据采集装置和复拌机MCU主控器，以及安装于铣刨机的数据采集装置和铣刨机MCU主控器。

其中，所述铣刨机数据采集装置包括：

第一电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述铣刨机数据采集装置内其他模块及所述铣刨机MCU主控器供电；

第一RS232模块，负责与铣刨机车载PLC通信，读取铣刨机机组行进速度；这里的车载PLC是机组自身配备的控制系统，类似于汽车里面的控制器，车载 PLC控制系统上具有速度反馈，可进行读取；

第一温度采集模块，负责采集当前路面温度；

第一信号调理模块，对所述铣刨机机组采集的路面温度信号进行平滑滤波处理；

协同优化调控模块，获取铣刨机行进速度以及所述第一信号调理模块提供的当前路面温度后，通过模糊自适应速度协同优化控制算法实时计算铣刨机各机组的最优行进速度V_n；

第一显示模块，负责显示当前所述铣刨机的行进速度、所述最优行进速度 V_n、所述当前路面温度、所述铣刨机设定温度；

第一无线模块，完成与加热机和复拌机之间的通信，将所述最优行进速度 V_n发送给所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器；

第一RS485模块，用于在线调试铣刨机MCU主控器；

所述铣刨机MCU主控器，负责所述第一RS485模块、所述第一RS232模块、所述温度采集模块、所述第一无线模块、所述第一信号调理模块、所述协同优化调控模块之间的任务调度。

其中，所述加热机数据采集装置包括：

第二电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述加热机数据采集装置内其他模块及所述加热机MCU主控器供电；

第二显示模块，负责显示当前所述加热机的行进速度以及所述铣刨机MCU 主控器发送的所述最优行进速度V_n；

第二RS485模块，用于在线调试加热机MCU主控器；

第二无线模块，通过无线通信方式完成与所述铣刨机MCU主控器之间的通信；

第二RS232模块，负责与加热机车载PLC进行通信，读取加热机机组行进速度参数，并通过所述第二无线模块发送给铣刨机MCU主控器；这里的车载PLC是机组自身配备的控制系统，类似于汽车里面的控制器，车载PLC控制系统上具有速度反馈，可进行读取；

所述加热机MCU主控器，负责第二显示模块、第二无线模块、第二RS485 模块、第二RS232模块的任务调度。

其中，所述复拌机数据采集装置包括：

第三电源模块，完成电压转化和电源管理，为所述复拌机数据采集装置内其他模块及所述复拌机MCU主控器供电；

第三显示模块，负责显示当前所述复拌机的行进速度以及所述铣刨机MCU 主控器发送的所述最优行进速度V_n；

第三RS485模块，用于在线调试复拌机MCU主控器；

第三无线模块，通过无线通信方式完成与所述铣刨机MCU主控器之间的通信；

第三RS232模块，负责与复拌机车载PLC进行通信，读取复拌机机组行进速度参数，并通过所述第三无线模块发送给铣刨机MCU主控器；这里的车载 PLC是机组自身配备的控制系统，类似于汽车里面的控制器，车载PLC控制系统上具有速度反馈，可进行读取；

所述复拌机MCU主控器，负责第三显示模块、第三无线模块、第三RS485 模块、第三RS232模块的任务调度。

其中，所述模糊自适应速度协同优化控制算法：

以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV；当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度；具体如下：

式(1)中为了避免累加之后速度出现过大或者过小的情况，利用V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对调整后的速度进行限制；

当模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将V_n通过无线通讯方式发送给其余各加热机、复拌机进行调控，通过比较当前行进速度与最优速度V_n之间的差值对下一时刻的速度进行调节，如增大速度、减小速度、保持不变；调控周期设定为40秒～3分钟。

优选方式下，所述调控周期设定为1分钟；所述加热机为三台；无线通信方式包括Zigbee、LoRa、WiFi。

优选方式下，所述温度采集模块每隔80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，所述信号调理模块去掉其中一个最大值T_max和一个最小值 T_min，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m。

本系统采用模块化设计思想，加热机/复拌机数据采集装置、铣刨机主控器装置体积小，可直接安放在各机组原有车载PLC控制箱中，极大地降低了安装难度，便于操作实施，抗干扰性能好，具有良好的稳定性，对恶劣环境适应能力强，具有扩展性。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将更加显然。应当了解，这些附图仅仅用于说明的目的，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。

图1是本发明的系统结构示意图；其中，1为无线模块天线，2为加热机数据采集装置，3为加热机、复拌机、铣刨机的车载PLC，4为铣刨机主控器装置， 5为温度传感器，6为复拌机数据采集装置。

图2是本发明的加热机和复拌机数据采集装置结构图。

图3是本发明的铣刨机主控器装置结构图。

图4是本发明的模糊自适应协同优化控制算法示意图；其中，V_x为铣刨机的实时行驶速度，ΔT为当前路面温度与设定温度值之间的差值，ΔV最优速度调节量。

图5是模糊控制算法输入温度差ΔT的隶属度函数关系示意图。

图6是模糊控制算法输入铣刨机行进速度V_x的隶属度函数关系示意图。

图7是模糊控制算法输出速度调整值ΔV的隶属度函数关系示意图。

具体实施方式

以下结合发明内容和说明书附图详细说明本发明的具体实施方式。

就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统的组成如图1所示，包括1-3 号加热机数据采集装置、复拌机数据采集装置、铣刨机主控器装置。1-3号加热机数据采集装置分别安装在1-3号加热机的车载PLC控制箱中，复拌机数据采集装置安装在复拌机车载PLC控制箱中，铣刨机主控器装置安放在铣刨机车载 PLC控制箱中，铣刨机主控器装置通过无线方式(如图1无线模块天线1)与加热机数据采集装置2、复拌机数据采集装置6进行通信，温度传感器安装在铣刨机车头下方，模糊自适应协同优化控制算法运行在铣刨机主控器中。图中，3为加热机、复拌机、铣刨机车载PLC，4为铣刨机主控器装置，5为温度传感器。加热机数据采集装置2和复拌机数据采集装置6的组成结构相同，如图2所示，包括：MCU主控器、无线模块、显示模块、RS485模块、电源模块、RS232模块。MCU主控器采用STM32F103ZET6，无线模块采用DRF2659C，RS485模块采用ADM2587，RS232模块采用MAX3232，电源模块采用AMS7805及 AMS1117-3.3v实现电压转换与电源管理。加热机数据采集装置安装在加热机的车载PLC控制箱中，MCU主控器通过RS232接口每隔1s与车载PLC进行通信一次，读取加热机行进速度数据，通过显示模块显示当前行进速度值，进一步通过无线模块接收铣刨机主控器发送的优化速度值，并将优化速度值也在显示模块上显示，操作人员根据最优速度值和当前行进速度值对加热机行进速度进行调控。复拌机数据采集装置安装在复拌机车载PLC控制箱中，工作原理与加热机数据采集装置相同，不再赘述。

铣刨机主控器装置的组成结构相同，如图3所示，包括：MCU主控器、无线模块、信号调理模块、协同优化调控模块、RS485模块、电源模块、RS232 模块、温度采集模块、显示模块。MCU采用STM32F103ZET6，无线模块采用 DRF2659C，RS485模块采用ADM2587，RS232模块采用MAX3232，电源模块采用AMS7805及AMS1117-3.3v实现电压转换与电源管理，温度采集模块采用美控生产的非接触式测高温传感器MIK-AL-10，安装在铣刨机车头下方，直接测量当前施工路面的温度。铣刨机主控器装置安装在铣刨机的车载PLC控制箱中，MCU主控器通过RS232接口每隔1s与车载PLC进行通信一次，读取加热机行进速度数据，MCU主控器通过温度采集模块每个80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，信号调理模块去掉其中一个最大值T_max和一个最小值T_min，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m，如式(1) 所示，并计算设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT，如式(2)所示。

VT＝T_s-T_m(2)

将温度差值和当前行进速度输入到协同优化调控模块，经过模糊自适应算法计算得到机组的下一时刻最优行进速度V_n，显示模块负责显示铣刨机当前行进速度V_x、最优行进速度V_n、设定温度T_s以及测量温度T_m，操作人员根据最优速度值和当前行进速度值对加热机行进速度进行调控，同时MCU主控器通过无线模块将最优行进速度V_n发送给其他4辆机组，完成整套机组的协同优化调控。

进一步，具体阐述协同优化调控模块中的模糊自适应调节算法，算法示意如图4所示，以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV。当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度，增加加热时间，保证铣刨机工作时路面的温度达到设定值；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度，减少加热时间，减少能源浪费，提高工作效率。

将设定温度值T_s和当前路面温度T_m的差值ΔT的论域设定为[-60℃，60℃]，步进20℃。其隶属度函数如图5中所示，共分为7个模糊等级，分别为：负大 (NB)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大 (PB)。

铣刨机当前行进速度V_x的论域设定[4m/min，6m/min]，步进0.5m/min，其为隶属度函数如图6中所示，共分为5个模糊等级：很慢(S)、较慢(MS)、中等(M)、较快(MF)、很快(F)。

下一时刻行进速度的调整值ΔV的论域为[-0.4m/min，0.4m/min]，步进 0.2m/min，共分为5个模糊等级，其隶属度函数如图7所示，分别为较大减小 (LD)、较小减小(SD)、不变(NC)、较小增大(SI)、较大增大(LI)。

根据上述输入和输出参数的设定，建立模糊规则如表1和表2所示，当铣刨机监测温度低于设定温度时，铣刨工作无法正常施工，说明整套机组的行进速度过快，加热时间不够，应降低机组行进速度；当铣刨机监测温度高于设定温度时，说明整套机组的行进速度过慢，加热时间过久，应提高机组行进速度，提高工作效率，节约能源。

表1模糊自适应速度优化控制规则表

表2模糊自适应速度优化控制量化表

进一步，通过反模糊化求解ΔV，本发明采用作用模糊子集推理方法进行模糊推理，第一步通过式(3)计算每条作用规则的数值：

μ_k＝A_j'(ΔT^*)*B_j'(V_x ^*)(k＝1,2,3) (3)

其中，A_j'，B_j'为模糊子集，ΔT^*，V_x ^*为真实的输入变量变化情况在模糊控制论域中的映射。利用加权平均法按照式(4)对输出量ΔV进行反模糊化求解：

进一步，将速度调整值ΔV与当前铣刨机行进速度V_x累加计算得到下一时刻行进速度的优化值V_n，同时为了避免累加之后，优化速度V_n出现过大或者过小的情况，利用铣刨机行进速度V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对铣刨机行进速度进行限制，V_n的具体计算过程如式(5)所示：

下面举例说明具体实施过程：

设某时刻3台加热机的行进速度分别为V_j1＝4.52m/min、V_j2＝4.88m/min、 V_j3＝4.66m/min，铣刨机行进速度V_x为4.33m/min，复拌机的行进速度 V_f＝4.72m/min，监测的路面温度与设定温度值之间的偏差ΔT为37.6℃，V_x对应的作用模糊子集为S、MS，从图6中可以看出对应的隶属度为S(V_x)＝0.12和 M(V_x)＝0.88，ΔT对应的作用模糊子集为PS、PM，从图5中可以看出对应的隶属度为PS(ΔT)＝0.34和PM(ΔT)＝0.66。

在此时刻，有如下4条作用规则：

作用规则1：if V_x is S and ΔT is PS then μ₁ is SI

作用规则2：if V_x is S and ΔT is PM then μ₂ is LI

作用规则3：if V_x is MS and ΔT is PS then μ₃ is SI

作用规则4：if V_x is MS and ΔT is PM then μ₄ is LI

根据公式(3)，分别计算μ₁＝0.041，μ₂＝0.079，μ₃＝0.299，μ₄＝0.581，

根据公式(4)，计算速度调控量ΔV＝0.33m/min，

根据公式(5)，计算最终机组的速度优化值V_n＝4.66m/min.

模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将最优速度 V_n＝4.66m/min通过无线网络发送给其他3台加热机和复拌机，可以看出，第一台加热机和铣刨机应增大当前行进速度，第二台加热机和复拌机应减小当前行进速度，第三台加热机应保持行进速度不变，使整套机组都按照最优速度行进，从而完成一次速度协同优化调控过程。

综上，本发明一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，包括加热机/复拌机数据采集装置、铣刨机主控器装置。加热机/复拌机数据采集装置主要负责采集3个加热机组和1个复拌机组工作过程中的行进速度V_j1、V_j2、V_j3、V_f，分别安装在加热机和复拌机的车载PLC控制柜中，通过无线通信方式进行数据传输；加热机/复拌机数据采集装置包括MCU主控器、显示模块、无线模块、RS485模块、RS232模块和电源模块。电源模块完成电压转化和电源管理，为装置供电，RS232模块负责与车载PLC通信，读取机组行进速度参数，RS485 模块用于在线调试，无线模块完成与MCU主控器之间的通信，显示模块负责显示当前机组的行进速度以及MCU主控器发送的机组优化速度数据，MCU主控器负责各个模块之间的任务调度。

铣刨机主控器装置的主要任务有两部分，其一是负责采集铣刨机组工作过程中的行进速度V_x，其二是以路面温度为参考，通过模糊自适应算法计算当前最优行进速度V_n，铣刨机数据主控器装置安装在铣刨机车载PLC控制柜中，通过无线通信方式进行数据传输；铣刨机主控器装置包括MCU主控器、信号调理模块、协同优化调控模块、无线模块、RS485模块、RS232模块和电源模块。电源模块完成电压转化和电源管理，为装置供电，RS232模块负责与车载PLC 通信，读取机组行进速度，RS485模块用于在线调试，温度采集模块负责采集当前路面温度，信号调理模块对采集到的路面温度信号进行平滑滤波处理，协同优化调控模块通过模糊自适应算法计算当前各机组的最优行进速度，无线模块完成与其他几辆机组之间的通信，显示模块负责显示当前机组行进速度、最优速度、当前路面温度、铣刨机设定温度，MCU主控器负责各个模块之间的任务调度。

模糊自适应速度协同优化控制算法，以铣刨机设定温度值T_s和当前路面温度 T_m的差值ΔT作为模糊自适应控制器的一个输入参数，以铣刨机当前的行进速度 V_x作为另外一个输入参数，模糊自适应控制器的输出是下一时刻行进速度的调整值ΔV。当路面温度T_m低于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为负值，应降低机组行进速度；当路面温度T_m高于设定温度T_s时，输出速度调整值ΔV为正值，应提高机组行进速度。具体如下：

式(1)中为了避免累加之后速度出现过大或者过小的情况，利用V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对调整后的速度进行限制。

当模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将V_n通过无线网络发送给其余各机组进行调控，各机组通过比较当前行进速度(V_j1、V_j2、 V_j3、V_x、V_f)与最优速度V_n之间的差值对下一时刻的速度进行调节(增大速度、减小速度、保持不变)，由于机组行进速度较慢，调控周期设定为1分钟。

本发明属于优化控制领域。加热机/复拌机数据采集装置负责采集机组行进速度，通过无线通信方式(Zigbee、LoRa、WiFi)传输至铣刨机主控器装置。铣刨机主控器装置负责采集铣刨机组行进速度、路面温度以及读取加热机/复拌机数据采集装置发送的数据信息，以路面温度为参考，通过模糊自适应算法计算机组最优行进速度，并通过无线通信方式将最优速度值反馈给各机组进行调节，使整套机组按照最优行进速度工作。本发明在就地热重铺机组优化控制领域有重要作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，其特征在于，包括安装于加热机的加热机数据采集装置和加热机MCU主控器、安装于复拌机的复拌机数据采集装置和复拌机MCU主控器，以及安装于铣刨机的数据采集装置和铣刨机MCU主控器；

所述铣刨机数据采集装置包括：

第一RS232模块，负责与铣刨机车载PLC通信，读取铣刨机机组行进速度；

第一温度采集模块，负责采集当前路面温度；

第一信号调理模块，对所述当前路面温度的信号进行平滑滤波处理；

协同优化调控模块，获取所述铣刨机行进速度以及所述第一信号调理模块提供的当前路面温度后，通过模糊自适应速度协同优化控制算法实时计算整体机组的最优行进速度V_n；

第一显示模块，负责显示当前所述铣刨机的行进速度、所述最优行进速度V_n、所述当前路面温度、所述铣刨机设定温度；

第一无线模块，完成与加热机和复拌机之间的通信，将所述最优行进速度V_n发送给所述加热机MCU主控器和所述复拌机MCU主控器；

第一RS485模块，用于在线调试铣刨机MCU主控器；

所述铣刨机MCU主控器，负责所述第一RS485模块、所述第一RS232模块、所述温度采集模块、所述第一无线模块、所述第一信号调理模块、所述协同优化调控模块之间的任务调度；

所述加热机数据采集装置包括：

第二显示模块，负责显示当前所述加热机的行进速度以及所述铣刨机MCU主控器发送的所述最优行进速度V_n；

第二RS485模块，用于在线调试加热机MCU主控器；

第二RS232模块，负责与加热机车载PLC进行通信，读取加热机机组行进速度参数，并通过所述第二无线模块发送给铣刨机MCU主控器；

所述加热机MCU主控器，负责第二显示模块、第二无线模块、第二RS485模块、第二RS232模块的任务调度；

所述复拌机数据采集装置包括：

第三显示模块，负责显示当前所述复拌机的行进速度以及所述铣刨机MCU主控器发送的所述最优行进速度V_n；

第三RS485模块，用于在线调试复拌机MCU主控器；

第三RS232模块，负责与复拌机车载PLC进行通信，读取复拌机机组行进速度参数，并通过所述第三无线模块发送给铣刨机MCU主控器；

所述复拌机MCU主控器，负责第三显示模块、第三无线模块、第三RS485模块、第三RS232模块的任务调度；

其中，所述模糊自适应速度协同优化控制算法：

式(1)利用V_x的论域为[4m/min，6m/min]作为对调整后的速度进行限制；

当模糊自适应速度协同优化控制算法计算出最优行进速度之后，将V_n通过无线通讯方式发送给其余各加热机、复拌机进行调控，通过比较当前行进速度与最优速度V_n之间的差值对下一时刻的速度进行调节；调控周期设定为40秒～3分钟。

2.根据权利要求1所述就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，其特征在于，所述调控周期设定为1分钟。

3.根据权利要求1所述就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，其特征在于，所述加热机为三台。

4.根据权利要求1所述就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，其特征在于，

所述第一温度采集模块每隔80ms采集一次当前路面温度，每秒钟获得12组温度值，所述第一信号调理模块去掉其中一个最大值T_max和一个最小值T_min，将其余10组温度值的平均值作为当前路面的测量温度T_m。

5.根据权利要求1所述就地热重铺机组行进速度协同优化调控系统，其特征在于，所述第一无线模块、第二无线模块以及第三无线模块的无线通信方式包括Zigbee、LoRa、WiFi。