Методы управления технологическими процессами строительства асфальтобетонных покрытий

А. П. Прокопьев
Р. Т. Емельянов
В. И. Иванчура

Монография

Инженерно-строительный институт

МЕТоды уПРАВлЕнИя
ТЕхнологИчЕскИМИ ПРоцЕссАМИ
сТРоИТЕльсТВА
АсфАльТобЕТонных ПокРыТИй 

Монография посвящена исследованию и разработке методов адаптивного управления процессами укладки и уплотнения асфальтобетонных 
смесей на основе математического аппарата методов идентификации динамических объектов и 
искусственного интеллекта. Рассмотрены методы 
управления технологическими процессами строительства асфальтобетонных покрытий. Представлены модели и методики моделирования технологических процессов, используемые в качестве 
объектов управления при разработке алгоритмов 
автоматического управления режимами.
на основе анализа результатов исследований 
предложены новые технические решения систем 
автоматического управления. Представлены алгоритмы функционирования адаптивных регуляторов и результаты моделирования процессов 
управления.

9 785763 825855

ISBN 978-5-7638-2585-5

Методы управления технологическими процессами
строительства асфальтобетонных покрытий

А. П. Прокопьев
Р. Т. Емельянов
В. И. Иванчура

Оглавление 

1 

Министерство образования и науки Российской Федерации 
 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, В. И. Иванчура 
 
 
МЕТОДЫ  УПРАВЛЕНИЯ 
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ  ПРОЦЕССАМИ   
СТРОИТЕЛЬСТВА   
АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ  ПОКРЫТИЙ 
 
Монография 
 
2-е издание, переработанное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

Оглавление 
 

2 

УДК 625.066 
ББК 39.311-044 
        П805 
 
 
Рецензенты: С. В. Ченцов, д-р техн. наук проф., зав. кафедрой 
«Системы автоматики, автоматизированное управление и проектирование» ИКИТ (СФУ); 
И. О. Богульский, д-р физ.-мат. наук проф. кафедры «Сопротивление материалов и теоретическая механика» ИУИС (КрасГАУ) 
 
 
 
Прокопьев, А. П. 
П805       Методы управления технологическими процессами строительства асфальтобетонных покрытий : монография / А. П. Прокопьев,  Р. Т. Емельянов, В. И. Иванчура. – 2-е изд., перераб.       
и доп. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 256 с. 
ISBN  978-5-7638-2585-5 
 
Монография посвящена исследованию и разработке методов адаптивного 
управления процессами укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей на основе математического аппарата методов идентификации динамических объектов 
и искусственного интеллекта. Рассмотрены методы управления технологическими процессами строительства асфальтобетонных покрытий. Представлены 
модели и методики моделирования технологических процессов, используемые в 
качестве объектов управления при разработке алгоритмов автоматического 
управления режимами. 
На основе анализа результатов исследований предложены новые технические решения систем автоматического управления. Представлены алгоритмы 
функционирования адаптивных регуляторов и результаты моделирования процессов управления. 
Предназначена для научных и инженерно-технических работников, занимающихся разработкой и исследованием систем автоматического управления, а 
также студентов, обучающихся по специальности 270113.65 «Механизация и автоматизация строительства». 
 
 
УДК 625.066 
ББК 39.311-044 
 
ISBN  978-5-7638-2585-5                                                     © Сибирский федеральный  
                                                                                                    университет, 2012 
 

Оглавление 

3 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
 
ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………........................ 
5
1. ОБЩЕЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА………………..………………………... 
7
1.1. Анализ технологических процессов строительства  
       асфальтобетонных покрытий………………………................................ 
8
1.2. Системы нивелирования для асфальтоукладчиков…............................ 
26
1.3. Асфальтовые дорожные катки.………………………………………… 
37
1.3.1. Дорожные катки для уплотнения  
          асфальтобетонной смеси………………………………………... 
37
1.3.2. Определение уплотняющей способности  
          асфальтовых вибрационных катков………………..................... 
47
1.4. Системы автоматического управления дорожных катков……………. 
59
1.4.1. Текущее состояние автоматизации катков…..………………… 
59
1.4.2. Теория и приборы автоматических систем 
          управления дорожных катков…………………………………... 
61
1.4.3. Критерии, используемые  
          в системах управления дорожных катков……………………… 
69
1.5. Адаптивные системы управления на основе  
       интеллектуальных технологий.………………………………………… 
76
1.5.1. АСУ с применением искусственных нейронных сетей………. 
79
1.5.2. АСУ с применением нечеткой логики….……............................ 
81
1.6. Теоретические положения процесса уплотнения  
       асфальтобетонной смеси ……………………………………………….. 
83
2. ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ УПЛОТНЕНИЯ 
    АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ СМЕСЕЙ………………………………………... 
89
2.1. Идентификация динамической системы уплотнения смеси 
       дорожными катками.................................................................................. 
90
2.1.1. Имитационная динамическая модель уплотнения..................... 
90
2.1.2. Результаты имитационного моделирования…........................... 
100
2.2. Моделирование систем управления машинами  
       дорожно-строительного комплекса……………………………………. 
104
2.3. Имитационное моделирование автоматической системы 
       управления рабочим органом асфальтоукладчика……..…………….. 
114
2.3.1. Результаты имитационного моделирования ………………….. 
116
2.3.2. Структурно-параметрическая оптимизация. Выбор 
          регулятора……………..…………………………………………. 
130
2.3.3. Исследование абсолютной устойчивости системы…………… 
135
2.4. Моделирование систем адаптивного управления укладкой  
       и  уплотнением асфальтобетонных покрытий………...………………. 
138
2.4.1. Управление уплотнением смеси с применением  
          тензометрических преобразователей…………………………... 
138
 

Оглавление 
 

4 

 
2.4.2. Пользовательский интерфейс программы  
          моделирования…………………………………………………... 
144
2.4.3. Моделирование динамического уплотнения  
          при увеличении контактного давления на смесь……………… 
145
2.4.4. Моделирование регулятора частоты вращения вала 
          гидродвигателя…………………………………………………... 
147
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ  
    ПРОЦЕССОВ СТРОИТЕЛЬСТВА  
    АСФАЛЬТОБЕТОННЫХ ДОРОЖНЫХ ПОКРЫТИЙ……..……………... 
150
3.1. Исследование уплотнения смеси по ширине укладки………………... 
150
3.2. Постановка задачи исследования……………….……………………… 
152
3.3. Методика исследования…...………......................................................... 
153
3.4. Результаты исследования…………...……………………....................... 
157
4. ПОСТРОЕНИЕ АДАПТИВНЫХ И ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ 
    СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ…………….…………………………………… 
161
4.1. Следящая система автоматического управления  
       процессом укладки асфальтобетонной смеси  
       на основе нечеткой логики…..…………................................................. 
161
4.2. Модель системы автоматического управления дорожного 
       катка на основе нечеткой логики……..................................................... 
174
4.3. Управление машинами дорожно-строительного комплекса 
       с применением нейросетевого контроллера………………................... 
187
5. РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ…………………….. 
198
5.1. Система автоматического управления положением  
       выглаживающей плиты асфальтоукладчика……..………..................... 
199
5.2. Система автоматического управления рабочим органом 
       асфальтоукладчика…………………........................................................ 
201
5.3. Устройство автоматического управления процессом  
       уплотнения смеси……………………………………………………….. 
202
5.4. Система автоматического управления рабочим органом 
       асфальтоукладчика……………………………………………………… 
206
5.5. Система автоматического управления процессом  
       уплотнения асфальтобетонной смеси катком…………..……………... 
208
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……...………………………………………………………….. 
211
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК..………………………………………... 
213
Приложение 1. Уплотняющая способность конкретных  
                           виброкатков разных фирм и стран …….……………………. 
234
Приложение 2. Исходный код пользовательского интерфейса........................ 
243
Приложение 3. Исходный код программы моделирования  
                           системы автоматического регулирования………………….. 
250

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Одним из актуальных направлений повышения качества и долговечности асфальтобетонных покрытий является автоматизация технологических процессов строительства покрытий на основе применения современных информационных технологий. 
При строительстве асфальтобетонных покрытий температура 
смеси является определяющей характеристикой, влияющей на основные эксплуатационные показатели готового покрытия. В зависимости 
от условий строительства конкретного объекта дорожного строительства температура смеси должна быть в рекомендуемых интервалах, 
что оказывает влияние на выбор технологии окончательного уплотнения. 
Многофакторность технологических процессов строительства 
дорожных покрытий значительно усложняет задачу машинистовоператоров при управлении машинами, где основными операциями 
являются укладка и уплотнение смеси. Без автоматизации этих процессов невозможны обеспечение эффективности и достижение нормативных характеристик дорожных покрытий с учетом современных 
требований. 
Современное развитие систем автоматического управления дорожно-строительными машинами определилось в направлении интеллектуальных автоматических систем управления. Достоинством таких 
систем является то, что они адаптивные и основаны не на математических моделях объектов управления. Несмотря на большое количество научных работ в области дорожного строительства, существует 
много нерешенных задач, в том числе связанных с комплексной автоматизацией процессов укладки и уплотнения асфальтобетонных 
смесей. 
Монография имеет следующую структуру по главам: 
гл. 1 – общее состояние вопроса методов автоматизации дорожно-строительных машин; анализ систем управления асфальтоукладчиков и дорожных катков; анализ критериев качества автоматизации 
уплотнения; 
гл. 2 – изложение теоретических подходов к идентификации динамической системы уплотнения асфальтобетонной смеси, имитационному моделированию автоматических систем управления рабочими 
процессами асфальтоукладчиков и вибрационных катков; 

Введение 
 

6 

гл. 3 – исследование уплотнения асфальтобетонной смеси по 
ширине укладки; 
гл. 4 – построение адаптивных и интеллектуальных систем 
управления режимами дорожно-строительных машин; 
гл. 5 – реализация результатов исследования. 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтовых покрытий 

7 

1. ОБЩЕЕ  СОСТОЯНИЕ  ВОПРОСА 
 
 
Дорожное строительство является одним из приоритетных направлений развития народного хозяйства Российской Федерации. Федеральной целевой программой «Развитие транспортной системы 
России (2010–2015 годы)» предусмотрено значительное увеличение 
протяженности сети автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием. Остроту проблемы строительства дорог подчеркнул Президент РФ 26 апреля 2007 года (Послание Президента РФ Федеральному собранию РФ): «Плохое состояние наших дорог, а порой и само их 
отсутствие является серьезным тормозом для развития. Ежегодная 
сумма экономических потерь оценивается более чем в 3 процента 
ВВП. Вспомним, что на всю оборону мы с вами тратим 2,7 процента 
ВВП в год…». 
Для удовлетворения потребности в инновационном социально 
ориентированном развитии российской экономики и общества и оказания качественных конкурентоспособных транспортных услуг Министерством транспорта РФ разработана «Транспортная стратегия 
Российской Федерации на период до 2030 года», утвержденная Распоряжением Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 года 
№ 1734-р. Цели, поставленные Транспортной стратегией, потребуют 
от всего комплекса дорожного строительства увеличения объемов дорожно-строительных работ, улучшения качества покрытий, развития 
проектной, нормативной и технической документации. 
К 2025 г., по прогнозам аналитиков, Россия будет иметь 500–550 
автомобилей на 1000 жителей, а это уже близко к уровню благополучных в дорожном плане США и Германии.  
Территория США в 2 раза меньше, а население в 2 раза больше, 
чем в России. Американская сеть дорог превышает российскую в             
8 раз. По их дорогам передвигается 242 млн автомобилей [136], а по 
нашим – только 42 млн. Простая арифметика показывает, что на 1 км 
американской дороги приходится в среднем в 2 раза меньше автомобилей. А если учесть существенно большую многополосность дорог 
США, то на 1 км одной полосы движения дороги в России их будет в 
3–4 раза больше [65, 70].  
По официальной дорожной статистике в США имеется 4,2 млн км 
(100 %) дорог с твердыми покрытиями, из которых 4,1 млн км (97,6 %) 

1. Общее состояние вопроса 
 

8 

с асфальтобетонными покрытиями, а 100 тыс. км (2,4 %) – с цементобетонными [136]. 
По состоянию на 2009 г. в России асфальтобетонные покрытия 
составляют 57 %, бетонные – 2 %, остальные типы покрытий – 41 % 
[137],  т. е. дорожные покрытия нежесткого типа – наибольшая доля 
покрытий в стране. 
 
 
1.1.  Анализ  технологических  процессов  
 строительства  асфальтобетонных  покрытий 
 
Главные недостатки российской дорожной отрасли – малое количество и низкое качество автомобильных дорог с асфальтобетонным покрытием. Имеются значительные проблемы качества асфальтобетонных 
смесей и управления технологическими процессами строительства. 
В последнее время много говорят о необходимости изменения, пересмотра отечественного ГОСТ 9128–2009 «Смеси асфальтобетонные 
дорожные, аэродромные и асфальтобетон. Технические условия», о новых способах проектирования и испытания асфальтобетонов, о гармонизации с евронормами и даже о переходе на европейские стандарты при 
строительстве дорог федерального значения в течение двух лет [102]. 
Европейские нормы и стандарты на качество асфальтобетонных 
покрытий с точки зрения ближайшего будущего, особенно в свете новейших американских исследований и разработок по программе 
Superpave, можно считать уже практически вчерашним днем. Сами 
европейцы присматриваются и изучают уже итоги выполнения этой 
программы. И не исключено, что нынешние стандарты Европы будут 
модернизированы на манер американских. И тогда Россия в очередной раз окажется в хвосте дорожного научно-технического прогресса. 
К тому же сегодняшние евростандарты на битумы, асфальтобетоны и 
покрытия разрабатывались для менее суровых, чем российские, погодно-климатических условий, даже с поправкой на север Европы 
(Норвегия, Швеция, Финляндия).  
На сегодняшний день в Европе и в США на наиболее загруженных трассах, как правило, применяются следующие конструкции дорожных покрытий, обеспечивающие высокую стойкость к колееобразованию, в том числе от воздействия шипов покрышек (абразивный 
износ): 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтовых покрытий 

9 

1) двухслойное покрытие SMA (ЩМА): нижний слой – из щебеночно-мастичной асфальтобетонной смеси SMA 16 или SMA 22; 
верхний слой – из SMA 10; 
2) двухслойное покрытие: нижний слой – из SMA 16 или SMA 22; 
верхний слой – тонкослойное износостойкое покрытие прерывистого 
(открытого) грансостава (OGFC) или Novachip; 
3) двухслойное покрытие: нижний слой – крупнозернистый жесткий плотный асфальтобетон с высоким содержанием щебня (до 65–
75 %); верхний слой – тонкослойное износостойкое покрытие открытого грансостава (OGFC), либо Novachip, либо SMA 10. 
Финские нормы на асфальт [157] рекомендуют в качестве покрытия на магистралях с высокой интенсивностью движения применение асфальтобетонов с повышенной крупностью каменного заполнителя – SMA 16 и SMA 22. Использование таких вариантов связано с 
обеспечением устойчивости покрытия против абразивного износа 
шипованными автомобильными шинами. Российские аналоги SMA 16 – 
ЩМА 20 по ГОСТ 31015-2002, SMA 22 – ЩМА 30 по СТО ЗАО «ВАД» 
3490716.042–2012. Российскими аналогами тонкого слоя износа        
Novachip является тонкослойное покрытие из горячей битумоминеральной смеси БМС0/10 или БМС0/15 по СТО ЗАО «ВАД» 
3490716.17–2009 [102]. 
При знакомстве с итогами исследований по Superpave можно 
отметить два обстоятельства. Во-первых, суровые условия эксплуатации российских дорог в Сибири, на Дальнем Востоке и на Севере. 
По Superpave, в каждом из таких регионов или мест России, Казахстана или США с его минимальными зимними и максимальными 
летними температурами воздуха дорожное асфальтобетонное покрытие должно содержать битум определенного сорта и марки. В этом 
случае покрытие не будет иметь хрупких температурных трещин зимой и одновременно пластических сдвигов в виде колеи в жаркое 
летнее время.  
Американцы научились управлять в нужном направлении свойствами битумов и создавать такие их марки, которые были бы пригодны для покрытий дорог Европы, Канады, России или других стран, 
в том числе и для 10 выделенных районов (или зон) США. Американские специалисты помогли дорожникам Казахстана разделить его на 
температурные зоны с конкретными марками наиболее пригодных по 
трещиностойкости и колейности битумов для каждого из регионов. 

1. Общее состояние вопроса 
 

10 

Второе обстоятельство связано с данными мировой дорожной 
статистики, в соответствии с которой есть три главные причины появления на асфальтобетонных покрытиях всех (100 %) дефектов и 
разрушений:  
● 50 % – низкое, в т. ч. неоднородное (неравномерное), качество 
уплотнения асфальтобетона; 
● 30 % – плохой подбор гранулометрического состава асфальтобетонной смеси или отступления от разработанных рецептов;  
● 20 % – низкое качество материалов в составе смеси, особенно 
в России, битумов, плохое покрытие частиц смеси битумом при перемешивании на АБЗ, низкая адгезия (прилипание) битума к частицам 
смеси [102]. 
Из этих данных можно сделать вывод о возможности значительного улучшения качества строительства асфальтобетонных дорожных 
покрытий с уменьшением до 50 % всех дефектов и разрушений [65, 
70] за счет качественной укладки и уплотнения АБС.  
Отряд дорожно-строительных машин (ОДСМ) по укладке и уплотнению АБС включает асфальтоукладчик и звено катков соответствующих типов (легкого, среднего, тяжелого) и марок.  
Качество уплотнения асфальтобетона в покрытии. Известны 
данные [66, 80], показывающие, что чем выше плотность слоя асфальтобетонной смеси после укладчика, тем ровнее и долговечнее готовое дорожное покрытие. Прочность, деформативная устойчивость и срок службы до первых дефектов и разрушений асфальтобетона в дорожном покрытии зависят не только от его гранулометрического типа и вяжущего, 
но и в значительной мере от степени или качества его уплотнения. 
Сравнение минимально требуемых норм коэффициента уплотнения асфальтобетона России и Европы с этими новыми американскими стандартами (российский 0,98 соответствует 91,3 %, 0,99–93,1 %, 
а европейская норма 97 %, по Маршаллу, – всего 91,7 % по Superpave) 
свидетельствует об ущербности и непригодности ныне еще действующих наших стандартов для определения качества и сроков службы покрытий будущих российских дорог. Чтобы обеспечить степень 
уплотнения асфальтобетонного покрытия, равную 96 % по Superpave, 
сегодня нужно иметь коэффициент уплотнения не менее 1,01–1,02, 
что достаточно трудно и сложно, хотя вполне реально с учетом 
имеющихся технологических возможностей дорожной отрасли России [69]. 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтовых покрытий 

11 

Технология строительства асфальтобетонных покрытий. 
Это совокупность рациональных методов подготовки минеральных 
материалов, битума, поверхностно-активных веществ и пластификаторов, их смешения, хранения и транспортирования смеси, ее укладки 
и уплотнения до требуемой плотности. Эта функциональная система 
включает в себя материально-технические ресурсы (в т. ч. контрольно-измерительные приборы и оборудование), временные и трудовые 
ресурсы, а также регламент их взаимодействия (рис. 1.1). 
 
Технологический процесс 

1 
Подготовительно- 
производственные 
операции 

2 
Транс- 
портные 
операции 

3 
Операции формования 
покрытия из смеси  

Выходной контроль качества 

 

Технологическая подготовка 
производства 

 

Приготовление смеси 

 

Отгрузка и хранение смеси  
в накопительном бункере 

 

Загрузка 

 

Перевозка 

 

Выгрузка 

 

Подготовка основания 

 

Укладка 

 

Соединение полос и уплотнение 
смеси 

 

Устранение дефектов 

 

Нарезка деформационных швов 

 

Приёмочный контроль качества  
покрытия 

Операционный контроль качества  

Территориальная комплексная система управления качеством работ  

 
Рис. 1.1. Структурная схема технологического процесса строительства  
асфальтобетонного покрытия 
 
Цель технологии – получение при условии обеспечения безопасности жизнедеятельности заданного проектом качества асфальтобетонного покрытия с минимальной себестоимостью работ. 
Она достигается направленным структурообразованием асфальтобетона в течение четырех периодов технологического процесса: 
подготовительного, основного, завершающего и эксплуатационного. 
Каждый период структурообразования влияет на комплекс 
свойств асфальтобетонного покрытия. Для получения покрытия с