CN119148514A - 沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法，其步骤是：步骤100：建立摊铺系统动力学模型，步骤200：建立加速度信号检测系统，步骤300：建立信号滤波降噪，步骤400：建立现场标定与在线监测，通过构建压实系统动力学模型，分别对振捣机构、振动机构的动力学相应特性进行建模分析，基于此构建熨平板加速度信号测量采集系统，进而提出振动信号滤波处理方法，提出有效加速度分析信号，通过测量标定建立数值模型实现沥青混合料摊铺密实度的在线监测，并基于动力学模型对振捣振动机构运行参数进行指导。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法，尤其是一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法。
二、背景技术
沥青混合料摊铺密实度影响着沥青路面的最终质量，摊铺密实度不足会使沥青路面在压实时出现波浪，从而导致路面平整度低，甚至影响路面最终的密实度，
现有的密实度的在线检测发展取得了很大的进步，但其主要与振动压路机结合用于沥青混合料压实过程中的压实质量监测，缺乏在沥青混合料摊铺环节的密实度在线检测方面的研究，
熨平板的动力学模型是研究熨平板摊铺过程中熨平板与沥青混合料相互作用的重要工具，逐步具备了双夯锤加双压力梁以及振动单元等机构，受力情况复杂，而当前关于熨平板受力状况的研究多集中在熨平板只受振捣作用与熨平板只受振动作用时的动力学模型，且对复杂振动系统的在线监测技术仍需要进一步突破，当前研究对摊铺环节摊铺密实度进行在线检测的技术还不能准确反映沥青混合料摊铺施工过程密实度，
基于申请人于2024年7月6日的技术交底书和通过检索得到相近的背景技术中现有的技术问题、技术特征和技术效果，做出本发明的申请技术方案。
三、发明内容
本发明的客体是一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，
本发明的客体是一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取系统，
本发明的客体是一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器，
本发明的客体是一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制方法。
为了克服上述技术缺点，本发明的目的是提供一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法，因此建立模拟以熨平板垂直方向加速度的变化信号来反映铺层的密实度的模型。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其步骤是：
其步骤是：
步骤100：建立摊铺系统动力学模型，
步骤200：建立加速度信号检测系统，
步骤300：建立信号滤波降噪，
步骤400：建立现场标定与在线监测。
由于设计了上述步骤，通过构建压实系统动力学模型，分别对振捣机构、振动机构的动力学相应特性进行建模分析，基于此构建熨平板加速度信号测量采集系统，进而提出振动信号滤波处理方法，提出有效加速度分析信号，通过测量标定建立数值模型实现沥青混合料摊铺密实度的在线监测，并基于动力学模型对振捣振动机构运行参数进行指导。
本发明设计了，(1)振捣机构作用模型
振捣具有击实和振动压实的特点，但振动能量较弱，单次振捣能量衰减快，同时振动冲程高，冲击间隔大，因此将多次振捣看做间断周期矩形冲击波，周期振捣冲击波如附图3所示，
振捣压实系统的响应函数为一衰减信号(式(1-1))。
α为脉宽系数，取1/3T，脉冲高度为E，振捣周期为T，
使用傅里叶级数对振捣激励周期进行表达：
周期振捣冲击波频谱如附图4所示，
主副振捣器偏心位置相差180°，可认为振捣锤在竖直方向上作无约束平行运动，模型可简化为如附图5所示的双振捣压实机构模型，
其中附图5中：
O1和O2——分别为主副偏心套的形心；O——偏心轴的旋转中心；θ1——副振捣的初始相位角；θ2——主振捣的初始相位角；r1——偏心轴上副振捣的偏心距；r2——偏心轴上主振捣的偏心距；m1——副振捣器质量；m2——主振捣器质量；ωd——偏心轴转速；x——熨平板的位移；x1——副振捣器的位移，x1＝x+rr sin(ωdt)；x2——主振捣器的位移，x2＝x+r2 sin(ωdt+2π)，
通过傅里叶变换得到振捣器的动力学方程：
其中，fd1和fd2为偏心轴作用于主副振捣器上的力；k1、c1、k2、c2为主副振捣器下方铺层材料的刚度系数和阻尼系数。
当偏心块与铺层接触时，振捣作用力打到最大值m1r1ω2 d，同时对铺层进行捣实，可求得振捣器的响应加速度、速度及位移：
根据振捣机构与熨平板之间的相互作用原理，结合式(1-3)可知振捣器对平板的作用力R(t)：
(2)振动压实机构作用模型
振动压实模型如附图6，
其中附图6中：
m——熨平板箱体体的质量，kg；m0——两相同转速但转支反向相反的偏心轴质量，kg；ω——振动器转动时的角速度，rad/s；t——转动时间，s
为更好地抵消水平方向上离心力对路面摊铺质量的影响，使两个偏心轴的回转中心的对称线垂直通过整个熨平板的惯性中心；为便于计算分析，假定熨平板底部材料刚度k和阻尼c对熨平板施加的合力过熨平板的质心，激振力与支承力构成的力系对质心力矩为零。
熨平板的动力学微分方程为：
k为介质的支承刚度系数；c为阻力系数；x为熨平板的纵向位移；Q(t)是由偏心质量转动产生的激励，Q(t)＝2m0rω2sin(ωt)；r为转动半径；R(t)为振捣器对熨平板的作用力。
将式(1-7)带入式(1-8)可得式(1-9)构建了熨平板加速度与振捣机构和振动结构角速度ω，ωd以及沥青混合料性能k、c之间的关系。
式中：
M＝m+2m0+m1+m2↓
C＝c+c1+c2↓
K＝k+k1+k2
A5＝2m0rω2
本发明设计了，由式(1-9)可知，振捣机构与熨平板的动力学特性可通过加速度直接测量，而现有研究表明被压材料刚度与振动加速度存在一定的相关性，因此可以对振动加速度为主的振动动力学参数进行分析，来间接获得摊铺密实度的情况，通过使用熨平板垂直方向加速度的变化来反映铺层的密实度，
摊铺密实度在线检测系统的基本原理如附图7所示，
(1)信号测量模块
采用传感器应符合施工要求，可承受110～120℃温度，加速度测量幅值不低于20m/s2具备高灵敏，抗干扰的特点，安装位置处于摊铺机中间部位下方的熨平板上，加速度传感器安装位置如附图8所示，
(2)信号采集模块
采集卡应具有加速度传感器驱动单元，同时集成对信号隔直和放大等基本处理功能的隔直电路与电荷放大器，具备16位ADC，振动信号采集频率采用5kHz，
(3)信号处理模块
信号处理模块具备时域、频域变换功能，可得到频域、振幅等信号特征，可对采集型号进行滤波降噪处理，
(4)系统搭建
整合参数设置、数据采集、波形显示、滤波降噪、密实度求解等功能模块，检测程序框图如附图9所示。
本发明设计了，首先设计数字带通滤波器对振动反馈信号进行滤波，并采用多项式最小二乘法和五点三次平滑法进行信号预处理；然后，基于经验模态分解原理(Empirical Mode Decomposition，EMD)进行振动反馈信号处理和分析，获取时频联合分布频谱特征，为压实状态感知提供数据支持，
(1)滤波器选择
选用FIR数字滤波器进行振动反馈信号的数字滤波，通过合理地参数设计以减小阶数，最终降低滤波器实现的难度和硬件成本，
FIR滤波器设计的实质是寻求一个物理上可实现的系统函数H(z)，使其频率响应H(ejω)逼近滤波器要求的理想频率响应Hd(ejω)，相应的单位脉冲响应为hd(n)，FIR滤波器设计基本流程如附图10所示，
(2)振动信号分析方法
首先利用经验模态分解(EMD)方法将给定信号分解为若干本征模态函数(Intrinsic ModeFunction，IMF)之和，这些IMF是满足一定条件的分量；然后，对每个IMF分量进行Hilbert变换，得到Hilbert谱；最后，汇总全部IMF分量的Hilbert谱就会得到原始信号的Hilbert谱，即为信号在时频平面上的能量分布谱图，进而还可得到边际谱，
EMD方法可以将杂乱的振动信号分解为多个IMF分量，从而可针对不同IMF分量进行处理以提取局部特征信息，同时去除原始信号中的噪声和杂波，EMD分解和筛选过程示意图如附图11所示。
本发明设计了，沥青混合料性能k、c通过现场标定的方式与摊铺机具建立联系，具体为密实度与振动频率(ω，ωd，t)的关系，
摊铺机开机前，连接好密实度在线检测仪器，将试验仪器的各种连接线合理布置，不能影响施工人员的正常施工；连接串口的螺纹要拧紧，防止试验过程中脱落影响试验的效果，
正式采集数据前，需要将传感器安装到合理的位置，机械拼装的摊铺机熨平板沿路面宽度由多个部分组成，为寻找一个较好的位置，试验过程中将传感器安装在了整机的中间位置和熨平板单侧的中心位置，最后对比找出较好的安装位置，
确定位置安装加速度传感器后，打开采集系统对熨平板振动信号进行采集，每一个振动频率比下，待摊铺机工作稳定后再采集大约一分钟的加速度信号，并且保存成数据文件便于分析，信号采集的同时，使用无核密度仪检测这种频率下刚摊铺的铺层密实度，保持摊铺机振捣频率不变，改变熨平板振动频率，待到摊铺机工作稳定时通过采集系统采集加速度信号，并用无核密度仪检测路面密实度，福格勒摊铺机的频率是百分比的形式。
最后，对信号进行处理，对摊铺密实度与振动加速度信号的相关关系进行拟合，为反馈调节振捣机构和振动结构角速度ω，ωd提供数据模型，同时可通过设定振动频率来估计摊铺密实度，现场标定与在线监测路程图如附图12所示。
无核密度仪标定时应采用不少于4个圆相切的测点布置方式测量密实度，在平整度好无污染的路段路面上选取5个测量点，每次测量需要顺时针旋转90度，现场标定测点图如附图13所示。
本发明设计了，振动熨平板由箱体、振捣梁、振动器等部分组成，熨平板结构侧视图如附图14所示，振捣机构位于熨平板的前部，是熨平板的主要组成部分之一，它采用双振捣结构，悬挂在偏心轴上，液压马达通过传动装置驱动偏心轴转动，使振捣梁做往复运动，对混合料进行初捣实，振动机构由偏心块转动产生离心力，离心力通过轴承座传递给箱体使熨平板振动。
本发明设计了，一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取系统，包含有以下内容：
摊铺系统动力学模型建立单元10，
加速度信号检测系统建立单元20，
信号滤波降噪建立单元30，
现场标定与在线监测建立单元40。
本发明设计了，一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器，包含有以下内容：在控制器中储存有沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型，
沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型根据上述沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法获得。
本发明设计了，一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制方法，包含有以下内容：
在CPU中应用沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器进行控制。
四、附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法的流程图，
图2为本发明的一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取系统的结构示意图，
图3为周期振捣冲击波，
图4为周期振捣冲击波频谱，
图5为双振捣压实机构模型，
图6为振动压实模型，
图7为摊铺密实度在线检测系统，
图8为加速度传感器安装位置，
图9为检测程序框图，
图10为FIR滤波器设计基本流程，
图11为EMD分解和筛选过程示意图，
图12为现场标定与在线监测路程图，
图13为现场标定测点图，
图14为熨平板结构侧视图，
图15为试验中采集的原始信号振动时域图，
图16为最终获得的滤波和预处理后振动信号时域图，
图17为可得密实度估计值与测量值对比曲线、数据的误差。
五、具体实施方式
根据审查指南，对本发明所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语应当理解为不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
下面结合实施例，对本发明进一步描述，以下实施例旨在说明本发明而不是对本发明的进一步限定。
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，本发明的第一个实施例，其步骤是：
步骤100：建立摊铺系统动力学模型，
步骤200：建立加速度信号检测系统，
步骤300：建立信号滤波降噪，
步骤400：建立现场标定与在线监测。
以下以针对沥青混合料摊铺密实度在线监测方法为例来说明方法的具体实现，
在本实施例中，步骤100具体包含有一下内容：
(1)振捣机构作用模型
振捣具有击实和振动压实的特点，但振动能量较弱，单次振捣能量衰减快，同时振动冲程高，冲击间隔大，因此将多次振捣看做间断周期矩形冲击波，周期振捣冲击波如附图3所示，
振捣压实系统的响应函数为一衰减信号(式(1-1))。
α为脉宽系数，取1/3T，脉冲高度为E，振捣周期为T，
使用傅里叶级数对振捣激励周期进行表达：
周期振捣冲击波频谱如附图4所示，
主副振捣器偏心位置相差180°，可认为振捣锤在竖直方向上作无约束平行运动，模型可简化为如附图5所示的双振捣压实机构模型，
通过傅里叶变换得到振捣器的动力学方程：
其中，fd1和fd2为偏心轴作用于主副振捣器上的力；k1、c1、k2、c2为主副振捣器下方铺层材料的刚度系数和阻尼系数。
当偏心块与铺层接触时，振捣作用力打到最大值m1r1ω2 d，同时对铺层进行捣实，可求得振捣器的响应加速度、速度及位移：
根据振捣机构与熨平板之间的相互作用原理，结合式(1-3)可知振捣器对平板的作用力R(t)：
(2)振动压实机构作用模型
振动压实模型如附图6，
为更好地抵消水平方向上离心力对路面摊铺质量的影响，使两个偏心轴的回转中心的对称线垂直通过整个熨平板的惯性中心；为便于计算分析，假定熨平板底部材料刚度k和阻尼c对熨平板施加的合力过熨平板的质心，激振力与支承力构成的力系对质心力矩为零。
熨平板的动力学微分方程为：
k为介质的支承刚度系数；c为阻力系数；x为熨平板的纵向位移；Q(t)是由偏心质量转动产生的激励，Q(t)＝2m0rω2sin(ωt)；r为转动半径；R(t)为振捣器对熨平板的作用力。
将式(1-7)带入式(1-8)可得式(1-9)构建了熨平板加速度与振捣机构和振动结构角速度ω，ωd以及沥青混合料性能k、c之间的关系。
式中：
M＝m+2m0+m1+m2↓
C＝c+c1+c2↓
K＝k+k1+k2
A5＝2m0rω2
在本实施例中，步骤200具体包含有一下内容：
由式(1-9)可知，振捣机构与熨平板的动力学特性可通过加速度直接测量，而现有研究表明被压材料刚度与振动加速度存在一定的相关性，因此可以对振动加速度为主的振动动力学参数进行分析，来间接获得摊铺密实度的情况，通过使用熨平板垂直方向加速度的变化来反映铺层的密实度，
摊铺密实度在线检测系统的基本原理如附图7所示，
(1)信号测量模块
采用传感器应符合施工要求，可承受110～120℃温度，加速度测量幅值不低于20m/s2具备高灵敏，抗干扰的特点，安装位置处于摊铺机中间部位下方的熨平板上，加速度传感器安装位置如附图8所示，
(2)信号采集模块
采集卡应具有加速度传感器驱动单元，同时集成对信号隔直和放大等基本处理功能的隔直电路与电荷放大器，具备16位ADC，振动信号采集频率采用5kHz，
(3)信号处理模块
信号处理模块具备时域、频域变换功能，可得到频域、振幅等信号特征，可对采集型号进行滤波降噪处理，
(4)系统搭建
整合参数设置、数据采集、波形显示、滤波降噪、密实度求解等功能模块，检测程序框图如附图9所示。
在本实施例中，步骤300具体包含有一下内容：
首先设计数字带通滤波器对振动反馈信号进行滤波，并采用多项式最小二乘法和五点三次平滑法进行信号预处理；然后，基于经验模态分解原理(Empirical ModeDecomposition，EMD)进行振动反馈信号处理和分析，获取时频联合分布频谱特征，为压实状态感知提供数据支持，
(1)滤波器选择
选用FIR数字滤波器进行振动反馈信号的数字滤波，通过合理地参数设计以减小阶数，最终降低滤波器实现的难度和硬件成本，
FIR滤波器设计的实质是寻求一个物理上可实现的系统函数H(z)，使其频率响应H(ejω)逼近滤波器要求的理想频率响应Hd(ejω)，相应的单位脉冲响应为hd(n)，FIR滤波器设计基本流程如附图10所示，
(2)振动信号分析方法
首先利用经验模态分解(EMD)方法将给定信号分解为若干本征模态函数(Intrinsic ModeFunction，IMF)之和，这些IMF是满足一定条件的分量；然后，对每个IMF分量进行Hilbert变换，得到Hilbert谱；最后，汇总全部IMF分量的Hilbert谱就会得到原始信号的Hilbert谱，即为信号在时频平面上的能量分布谱图，进而还可得到边际谱，
EMD方法可以将杂乱的振动信号分解为多个IMF分量，从而可针对不同IMF分量进行处理以提取局部特征信息，同时去除原始信号中的噪声和杂波，EMD分解和筛选过程示意图如附图11所示。
在本实施例中，步骤400具体包含有一下内容：
沥青混合料性能k、c通过现场标定的方式与摊铺机具建立联系，具体为密实度与振动频率(ω，ωd，t)的关系，
摊铺机开机前，连接好密实度在线检测仪器，将试验仪器的各种连接线合理布置，不能影响施工人员的正常施工；连接串口的螺纹要拧紧，防止试验过程中脱落影响试验的效果，
正式采集数据前，需要将传感器安装到合理的位置，机械拼装的摊铺机熨平板沿路面宽度由多个部分组成，为寻找一个较好的位置，试验过程中将传感器安装在了整机的中间位置和熨平板单侧的中心位置，最后对比找出较好的安装位置，
确定位置安装加速度传感器后，打开采集系统对熨平板振动信号进行采集，每一个振动频率比下，待摊铺机工作稳定后再采集大约一分钟的加速度信号，并且保存成数据文件便于分析，信号采集的同时，使用无核密度仪检测这种频率下刚摊铺的铺层密实度，保持摊铺机振捣频率不变，改变熨平板振动频率，待到摊铺机工作稳定时通过采集系统采集加速度信号，并用无核密度仪检测路面密实度，福格勒摊铺机的频率是百分比的形式。
最后，对信号进行处理，对摊铺密实度与振动加速度信号的相关关系进行拟合，为反馈调节振捣机构和振动结构角速度ω，ωd提供数据模型，同时可通过设定振动频率来估计摊铺密实度，现场标定与在线监测路程图如附图12所示。
无核密度仪标定时应采用不少于4个圆相切的测点布置方式测量密实度，在平整度好无污染的路段路面上选取5个测量点，每次测量需要顺时针旋转90度，现场标定测点图如附图13所示。
在本实施例中，振动熨平板由箱体、振捣梁、振动器等部分组成，熨平板结构侧视图如附图14所示，振捣机构位于熨平板的前部，是熨平板的主要组成部分之一，它采用双振捣结构，悬挂在偏心轴上，液压马达通过传动装置驱动偏心轴转动，使振捣梁做往复运动，对混合料进行初捣实，振动机构由偏心块转动产生离心力，离心力通过轴承座传递给箱体使熨平板振动。
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取系统，包含有以下内容：
摊铺系统动力学模型建立单元10，
加速度信号检测系统建立单元20，
信号滤波降噪建立单元30，
现场标定与在线监测建立单元40。
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器，包含有以下内容：在控制器中储存有沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型，
在本实施例中，沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型根据上述沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法获得，
步骤100：建立摊铺系统动力学模型，
步骤200：建立加速度信号检测系统，
步骤300：建立信号滤波降噪，
步骤400：建立现场标定与在线监测。
一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制方法，包含有以下内容：
在CPU中应用沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器进行控制。
案例分析
采用摊铺机型号为的2100-3L，摊铺沥青混合料为ATB-25，无核密度仪型号为PQ380，采集卡型号为MPS-060602。
(1)信号降噪分析
试验中采集的原始信号振动时域图如图15所示。
为抑制噪声和杂波等干扰对有效振动信号的影响通过FIR进行滤波。为了削弱杂波对信号波形的影响，基于多项式最小二乘法和五点三次平滑法对滤波后的振动反馈信号进行趋势项消除和平滑处理，最终获得的滤波和预处理后振动信号时域图如附图16所示，
在组成成分上，基本滤除了200Hz以上的高频噪声成分。滤波后振动反馈信号的主要频率成分相对集中，数字滤波和预处理方法使得振动反馈信号中的噪声和杂波得到了有效抑制，信噪比得到了明显改善，提高了原始振动信号的质量。
(2)密实度拟合
提取加速度幅值特征，并结合无核密度仪测量的密实度值，得到数据如表1所示，其中振动频率比为熨平板测试振动频率与最大振动频率的比值。
表1不同振动频率比下的加速度幅值与无核密度仪测量密实度值
| 振动频率比/(％) | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 | 60 | 70 |
| 加速度幅值均值/(m/s2) | 1.12 | 1.57 | 1.79 | 2.07 | 2.44 | 2.75 | 3.10 |
| 密实度/(％) | 86.13 | 87.02 | 88.07 | 89.51 | 90.04 | 89.75 | 90.04 |
拟合可得加速度幅值x与摊铺密实度y的关系为：
y＝-1.0006x2+6.4833x+79.866R2＝0.9434
拟合得到的函数表达式为二次多项式，相关系数R2＝0.9434；说明两者之间具有较好的相关关系。
通过设定振动频率比，估计摊铺密实度，可得密实度估计值与测量值对比曲线、数据的误差如附图17所示，
由图16发现摊铺密实度的测量值与密实度估计值基本一致，相差不大。这说明估计值能够较好的反映实际测量值，印证了加速度幅值与摊铺密实度间具有较好的相关关系，拟合得到的曲线能作为密实度在线检测系统的数学基础。
对数据的误差进行分析，两组测量值的误差如图16。两者间的误差最大不超过0.6。两组测量数据相对于估计值的均方误差也很小，故用设计的在线检测系统检测摊铺密实度的效果是比较好的。
在对本发明进行验证时，首先提出了以熨平板垂直方向加速度的变化信号来反映铺层的密实度的技术特征，得到了第一个意想不到技术效果：确定了熨平板加速度幅值与摊铺密实度相关关系，且能够较好的预测铺层材料的密实度，故密实度在线检测系统具有较好的可靠性和可行性，得到了第二个意想不到技术效果：实现在沥青混合料摊铺阶段进行介质信号拾取，对摊铺密实度在线监测实现了前置信号拾取，消除了后期干扰信号，得到了第三个意想不到技术效果：提高了传感器进行安装精度，提高了在线监测精度，得到了第四个意想不到技术效果：实现了在熨平板安装传感器，延长了传感器的使用寿命。
上述实施例只是本发明所提供的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法及系统、控制器和控制方法的一种实现形式，根据本发明所提供的方案的其他变形，增加或者减少其中的成份或步骤，或者将本发明用于其他的与本发明接近的技术领域，均属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：其步骤是：
步骤100：建立摊铺系统动力学模型，
步骤200：建立加速度信号检测系统，
步骤300：建立信号滤波降噪，
步骤400：建立现场标定与在线监测。
2.根据权利要求1所述的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：
(1)振捣机构作用模型
振捣具有击实和振动压实的特点，但振动能量较弱，单次振捣能量衰减快，同时振动冲程高，冲击间隔大，因此将多次振捣看做间断周期矩形冲击波，周期振捣冲击波如附图3所示，
振捣压实系统的响应函数为一衰减信号(式(1-1))。
α为脉宽系数，取1/3T，脉冲高度为E，振捣周期为T，
使用傅里叶级数对振捣激励周期进行表达：
周期振捣冲击波频谱如附图4所示，
主副振捣器偏心位置相差180°，可认为振捣锤在竖直方向上作无约束平行运动，模型可简化为如附图5所示的双振捣压实机构模型，
通过傅里叶变换得到振捣器的动力学方程：
其中，fd1和fd2为偏心轴作用于主副振捣器上的力；k1、c1、k2、c2为主副振捣器下方铺层材料的刚度系数和阻尼系数。
当偏心块与铺层接触时，振捣作用力打到最大值m1r1ω2 d，同时对铺层进行捣实，可求得振捣器的响应加速度、速度及位移：
根据振捣机构与熨平板之间的相互作用原理，结合式(1-3)可知振捣器对平板的作用力R(t)：
(2)振动压实机构作用模型
振动压实模型如附图6，
为更好地抵消水平方向上离心力对路面摊铺质量的影响，使两个偏心轴的回转中心的对称线垂直通过整个熨平板的惯性中心；为便于计算分析，假定熨平板底部材料刚度k和阻尼c对熨平板施加的合力过熨平板的质心，激振力与支承力构成的力系对质心力矩为零。
熨平板的动力学微分方程为：
k为介质的支承刚度系数；c为阻力系数；x为熨平板的纵向位移；Q(t)是由偏心质量转动产生的激励，Q(t)＝2m0rω2sin(ωt)；r为转动半径；R(t)为振捣器对熨平板的作用力。
将式(1-7)带入式(1-8)可得式(1-9)构建了熨平板加速度与振捣机构和振动结构角速度ω，ωd以及沥青混合料性能k、c之间的关系。
式中：
M＝m+2m0+m1+m2↓
C＝c+c1+c2↓
K＝k+k1+k2
A5＝2m0rω2。
3.根据权利要求1所述的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：
由式(1-9)可知，振捣机构与熨平板的动力学特性可通过加速度直接测量，而现有研究表明被压材料刚度与振动加速度存在一定的相关性，因此可以对振动加速度为主的振动动力学参数进行分析，来间接获得摊铺密实度的情况，通过使用熨平板垂直方向加速度的变化来反映铺层的密实度，
摊铺密实度在线检测系统的基本原理如附图7所示，
(1)信号测量模块
采用传感器应符合施工要求，可承受110～120℃温度，加速度测量幅值不低于20m/s2具备高灵敏，抗干扰的特点，安装位置处于摊铺机中间部位下方的熨平板上，加速度传感器安装位置如附图8所示，
(2)信号采集模块
采集卡应具有加速度传感器驱动单元，同时集成对信号隔直和放大等基本处理功能的隔直电路与电荷放大器，具备16位ADC，振动信号采集频率采用5kHz，
(3)信号处理模块
信号处理模块具备时域、频域变换功能，可得到频域、振幅等信号特征，可对采集型号进行滤波降噪处理，
(4)系统搭建
整合参数设置、数据采集、波形显示、滤波降噪、密实度求解等功能模块，检测程序框图如附图9所示。
4.根据权利要求1所述的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：
首先设计数字带通滤波器对振动反馈信号进行滤波，并采用多项式最小二乘法和五点三次平滑法进行信号预处理；然后，基于经验模态分解原理(EmpiricalModeDecomposition，EMD)进行振动反馈信号处理和分析，获取时频联合分布频谱特征，为压实状态感知提供数据支持，
(1)滤波器选择
选用FIR数字滤波器进行振动反馈信号的数字滤波，通过合理地参数设计以减小阶数，最终降低滤波器实现的难度和硬件成本，
FIR滤波器设计的实质是寻求一个物理上可实现的系统函数H(z)，使其频率响应H(ejω)逼近滤波器要求的理想频率响应Hd(ejω)，相应的单位脉冲响应为hd(n)，FIR滤波器设计基本流程如附图10所示，
(2)振动信号分析方法
首先利用经验模态分解(EMD)方法将给定信号分解为若干本征模态函数(IntrinsicModeFunction，IMF)之和，这些IMF是满足一定条件的分量；然后，对每个IMF分量进行Hilbert变换，得到Hilbert谱；最后，汇总全部IMF分量的Hilbert谱就会得到原始信号的Hilbert谱，即为信号在时频平面上的能量分布谱图，进而还可得到边际谱，
EMD方法可以将杂乱的振动信号分解为多个IMF分量，从而可针对不同IMF分量进行处理以提取局部特征信息，同时去除原始信号中的噪声和杂波，EMD分解和筛选过程示意图如附图11所示。
5.根据权利要求2所述的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：
沥青混合料性能k、c通过现场标定的方式与摊铺机具建立联系，具体为密实度与振动频率(ω，ωd，t)的关系，
摊铺机开机前，连接好密实度在线检测仪器，将试验仪器的各种连接线合理布置，不能影响施工人员的正常施工；连接串口的螺纹要拧紧，防止试验过程中脱落影响试验的效果，
正式采集数据前，需要将传感器安装到合理的位置，机械拼装的摊铺机熨平板沿路面宽度由多个部分组成，为寻找一个较好的位置，试验过程中将传感器安装在了整机的中间位置和熨平板单侧的中心位置，最后对比找出较好的安装位置，
确定位置安装加速度传感器后，打开采集系统对熨平板振动信号进行采集，每一个振动频率比下，待摊铺机工作稳定后再采集大约一分钟的加速度信号，并且保存成数据文件便于分析，信号采集的同时，使用无核密度仪检测这种频率下刚摊铺的铺层密实度，保持摊铺机振捣频率不变，改变熨平板振动频率，待到摊铺机工作稳定时通过采集系统采集加速度信号，并用无核密度仪检测路面密实度，福格勒摊铺机的频率是百分比的形式。
最后，对信号进行处理，对摊铺密实度与振动加速度信号的相关关系进行拟合，为反馈调节振捣机构和振动结构角速度ω，ωd提供数据模型，同时可通过设定振动频率来估计摊铺密实度，现场标定与在线监测路程图如附图12所示。
无核密度仪标定时应采用不少于4个圆相切的测点布置方式测量密实度，在平整度好无污染的路段路面上选取5个测量点，每次测量需要顺时针旋转90度，现场标定测点图如附图13所示。
6.根据权利要求2所述的沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法，其特征是：
振动熨平板由箱体、振捣梁、振动器等部分组成，熨平板结构侧视图如附图14所示，振捣机构位于熨平板的前部，是熨平板的主要组成部分之一，它采用双振捣结构，悬挂在偏心轴上，液压马达通过传动装置驱动偏心轴转动，使振捣梁做往复运动，对混合料进行初捣实，振动机构由偏心块转动产生离心力，离心力通过轴承座传递给箱体使熨平板振动。
7.一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取系统，其特征是：
摊铺系统动力学模型建立单元10，
加速度信号检测系统建立单元20，
信号滤波降噪建立单元30，
现场标定与在线监测建立单元40。
8.一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器，其特征是：
包含有以下内容：在控制器中储存有沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型，
沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型根据上述沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制模型获取方法获得。
9.一种沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制方法，其特征是：
包含有以下内容：
在CPU中应用沥青混合料摊铺施工过程密实度在线监测的控制器进行控制。
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|---|---|---|---|---|
| CN120162912A (zh) * | 2025-05-19 | 2025-06-17 | 北京计算机技术及应用研究所 | 基于动力学减小矩形冲击载荷下imu角速度的设计方法 |
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2024
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| CN120162912B (zh) * | 2025-05-19 | 2025-08-05 | 北京计算机技术及应用研究所 | 基于动力学减小矩形冲击载荷下imu角速度的设计方法 |
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