Автоматизация неразрушающего контроля уплотнения дорожных материалов

Оглавление 

1 

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
Сибирский федеральный университет 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
АВТОМАТИЗАЦИЯ   
НЕРАЗРУШАЮЩЕГО  КОНТРОЛЯ   
УПЛОТНЕНИЯ  
 ДОРОЖНЫХ   МАТЕРИАЛОВ 
 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2021 

 

 

Оглавление 
 

2 

УДК 625.06 
ББК 33.342 
         А224 
 
 
 
 
Р е ц е н з е н т ы: 
С. М. Кузнецов, доктор технических наук, старший научный сотрудник, 
профессор кафедры «Технология, организация и экономика строительства» 
Сибирского государственного университета путей сообщения; 
В. Л. Сабинин, кандидат технических наук, доцент, начальник           
производственно-технического управления Министерства транспорта РФ 
 
 
 
 
 
 
 
А224     Автоматизация неразрушающего контроля уплотнения дорожных 
материалов : монография / А. П. Прокопьев, Р. Т. Емельянов, 
В. И. Иванчура, Е. С. Турышева. – Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 
2021. – 156 с. 
ISBN 978-5-7638-4553-2 
 
Рассмотрены теоретические основы методов аналитического и неразрушающего 
контроля уплотнения в режиме реального времени для совершенствования 
рабочих процессов укладки и уплотнения асфальтобетонных смесей как 
объектов киберфизических дорожно-строительных систем. Представлены математические 
и компьютерные (MathCAD, MATLAB/Simulink) модели процессов 
взаимодействия рабочих органов асфальтоукладчиков и вибрационных катков с дорожными 
материалами. Предложены методики проектирования ПИД-регуляторов 
для систем с объектами высокого порядка. 
Предназначена аспирантам, магистрантам и инженерно-техническим работникам, 
занятым исследованиями уплотняющей и укладочной техники для 
повышения эффективности на основе применения киберфизических систем 
в управлении. 
 
 
Электронный вариант издания см.: 
http://catalog.sfu-kras.ru 
УДК 625.06 
ББК 33.342 
 
ISBN 978-5-7638-4553-2                                                           © Сибирский федеральный  
                                                                                                         университет, 2021 

 

 

Оглавление 

3 

 
 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................... 4 
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ  СТРОИТЕЛЬСТВА ................................ 5 
1.1. Анализ технологических процессов строительства  
асфальтобетонных покрытий .........................................................................  6 
1.2. Интеллектуализация систем управления  
технологическими процессами дорожного строительства ........................ 13 
2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБЪЕКТОВ КОНТРОЛЯ  
ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ  СИСТЕМ .......................................................... 20 
2.1. Моделирование рабочего процесса укладчика  
с вибрационной плитой ................................................................................. 22 
2.2. Моделирование рабочего процесса укладчика  
с трамбующим брусом и виброплитой ........................................................ 27 
2.3. Моделирование рабочего процесса укладчика  
с трамбующим брусом и прессующей планкой .......................................... 34 
2.4. Моделирование рабочего процесса укладчика  
с  трамбующим брусом и двумя прессующими планками ........................ 42 
2.5. Моделирование рабочего процесса укладчика  
с  трамбующим брусом, виброплитой и двумя планками .......................... 48 
2.6. Моделирование рабочего процесса вибрационного катка .......................... 55 
2.7. Моделирование рабочего процесса  
грунтового вибрационного катка .................................................................. 61 
2.8. Моделирование рабочего процесса  
двухвальцового вибрационного катка ......................................................... 70 
3. ПРОЕКТИРОВАНИЕ  РЕГУЛЯТОРОВ   
ДЛЯ  СИСТЕМ  ВЫСОКОГО  ПОРЯДКА .......................................................... 76 
3.1. Методы проектирования ПИД-регуляторов ................................................ 77 
3.2. Методика проектирования регуляторов  
для систем третьего порядка ........................................................................ 79 
3.3. Методика проектирования регуляторов  
для систем четвертого порядка .................................................................... 90 
3.4. Методика проектирования регуляторов  
для систем пятого порядка ........................................................................... 98 
3.5. Методика проектирования регуляторов  
для систем шестого порядка ....................................................................... 111 
3.6. Методика проектирования регуляторов  
для систем седьмого порядка ..................................................................... 119 
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ......................................................................................................... 128 
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ....................................................................................... 129 
ПРИЛОЖЕНИЯ ........................................................................................................ 137

 

Оглавление 
 

4 

 
 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Развитие киберфизических систем (КФС) способствует повышению 
технического уровня и эффективности строительной отрасли. Обеспечение 
требований к качеству асфальтобетонных покрытий возможно за счет внедрения 
цифровизации и интеллектуализации дорожно-строительной отрасли, 
развития систем автоматического управления (САУ).  
При строительстве асфальтобетонных покрытий температура смеси – 
это определяющая характеристика, влияющая на основные эксплуатационные 
показатели готового покрытия. Температура асфальтобетонной смеси 
(АБС) должна быть в рекомендуемых интервалах, что оказывает влияние 
на выбор технологии уплотнения. 
Технологические процессы строительства дорожных покрытий         
характеризуются большим числом факторов, что значительно усложняет 
задачу машинистов при управлении машинами, где основными операциями 
на завершающем этапе дорожного строительства являются укладка и уплотнение 
смеси.  
Развитие автоматизированных систем управления (АСУ) дорожно-
строительными машинами характеризуется внедрением «интеллектуальных» 
систем управления. Достоинством таких систем является то, что они 
адаптивные и обеспечивают приспосабливаемость объектов управления 
к реальным условиям строительства. Несмотря на большое количество       
научных работ в области дорожного строительства, существует много          
нерешенных задач, в том числе посвященных развитию киберфизических 
дорожно-строительных систем, неразрушающих технологий в процессах 
уплотнения дорожных материалов. 

 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий 

5 

 
 

 
1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ  ПРОЦЕССЫ   
ДОРОЖНОГО  СТРОИТЕЛЬСТВА 
 
Дорожное строительство является одним из приоритетных направлений 
развития народного хозяйства Российской Федерации. Для удовлетворения 
потребности в инновационном социально ориентированном развитии российской 
экономики и общества и оказания качественных конкурентоспособных 
транспортных услуг разработана «Транспортная стратегия Российской 
Федерации на период до 2030 года», утвержденная Распоряжением 
Правительства Российской Федерации от 22 ноября 2008 г. № 1734-р. Цели, 
поставленные в данной стратегии, 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 
по наличию качественных автомобильных дорог 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 [38], а по российским – только 
42 млн. Простая арифметика показывает, что на 1 км американской дороги 
приходится в среднем в 2 раза меньше автомобилей. А если учесть много-
полосность дорог США, то на 1 км одной полосы движения в России их 
будет в 3–4 раза больше [16; 17]. По официальным данным в США имеется 
4,2 млн км (100 %) дорог с твердыми покрытиями, из которых 4,1 млн км 
(97,6 %) с асфальтобетонными покрытиями, а 100 тыс. км (2,4 %) с цементобетонными [
38]. 
В 2017 г. в России стартовал приоритетный проект «Безопасные 
и качественные дороги», охвативший 36 регионов, а с 2019 г. в 83 субъектах 
Российской Федерации начался самый масштабный дорожный проект 
в новейшей истории страны – национальный проект «Безопасные и качественные 
автомобильные дороги». В течение только первого года его реализации 
отремонтировано 16,4 тыс. км трасс и магистралей, общая площадь 
укладки асфальтобетонного покрытия составила свыше 128 млн м2. В 2020 г., 
несмотря на сложную ситуацию из-за коронавирусной инфекции, темпы 
дорожных работ не снижались. Более того, благодаря своевременно        
заключенным контрактам и ранней весне во многих регионах дорожно-
строительные мероприятия удалось закончить раньше срока и даже приступить 
к ремонту участков, запланированных на 2021 г. [9]. 

 

1. Технологические процессы дорожного строительства 
 

6 

1.1.  Анализ технологических процессов строительства   
асфальтобетонных покрытий 
 
Для обеспечения высокого качества строительства покрытия необходимо 
учитывать большое число факторов, уметь управлять технологическими 
процессами сложной технической системы в условиях априорной 
неопределенности, характеризующейся сложностью описания взаимодействия 
с дорожными материалами, нелинейностью основных зависимостей 
рабочего процесса. Для решения научной задачи требуется уменьшить число 
факторов технологического процесса «производство – укладка и уплотнение  
асфальтобетонной смеси». Можно предположить, что факторы завершающего 
этапа дорожного строительства – укладка и уплотнение дорожных покрытий – 
являются основными при различных значениях показателей компонентов, 
производства и транспортировки. 
Обеспечить высокое качество асфальтобетонного покрытия независимо 
от характеристик поступающей в укладчик асфальтобетонной смеси можно, 
управляя режимными параметрами комплекта дорожно-строительных 
машин «асфальтоукладчик – дорожные катки»: частотой вращения эксцентрикового 
вала трамбующего бруса; величиной хода трамбующих брусьев; 
частотой вибрации выглаживающей плиты; частотой вибрации вальцов 
катков; скоростью движения дорожных катков; амплитудой колебания 
вальцов; направлением вибрации вальцов катков. Тогда задача адаптивного 
управления процессами упрощается. 
Важным качественным показателем работы асфальтоукладчика является 
коэффициент уплотнения асфальтобетонной смеси, так как от этого 
зависят не только подбор необходимых типов и количества дорожных катков 
для последующей ее укатки, но и технологические приемы выполнения 
операции уплотнения. Практика дорожного строительства показала, 
что чем выше коэффициент уплотнения смеси после прохода укладчика, 
тем ровнее и долговечнее готовое асфальтобетонное покрытие. 
В зависимости от значений коэффициента уплотнения количество 
и типы дорожных катков, идущих за укладчиком, можно сокращать, что 
позволит повысить эффективность дорожного строительства. Но полностью 
исключить их использование при существующих технологиях нельзя, потому 
что они нужны для фиксации достигнутого значения коэффициента 
уплотнения смеси и увеличения структурной прочности асфальтобетона за 
счет усиления распора его частиц с одновременным поддержанием повышающейся 
клеящей способности битума при понижении его температуры. 
Научными исследованиями технологических процессов строительства 
асфальтобетонных покрытий занимаются ученые и коллективы различных 
учебных и научно-исследовательских организаций. Теоретические основы 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий 

7 

исследования взаимодействия рабочих органов уплотняющих машин           
с дорожно-строительными материалами заложили такие отечественные ученые, 
как В. Ф. Бабков, В. И. Баловнев, Н. Я. Хархута, О. Т. Батраков, А. К. Би-
руля, Н. Н. Вощинин, Л. Б. Гезенцвей, Н. В. Горелышев, В. В. Дубков,         
М. П. Костельов, Н. Н. Иванов, В. Б. Пермяков, А. А. Шестопалов, С. Н. Иванченко, 
А. В. Захаренко, А. А. Иноземцев, А. Я. Калужский, И. В. Королёв, 
М. Н. Летошнев, И. А. Рыбьев, А. М. Холодов, М. А. Завьялов, А. Ф. Зубков, 
Г. В. Кустарев, С. В. Савельев, И. С. Тюремнов и другие. Следует отметить 
значительные научные работы зарубежных учёных П. Бёмера, Л. Форсблада, 
Д. Вайта, М. А. Муни, Р. Андерега, К. Кауфманна, Д. Адамаи других.  
Полученные авторами теоретические и эмпирические зависимости 
позволяют решать задачи прикладных научных исследований и проектирования 
конструкций машин, установления усилий в металлоконструкциях 
и т. п. Но при разработке систем автоматического управления в связи со 
сложностью и непрерывностью изменений параметров процессов строительства 
покрытий, свойств динамической системы использование математических 
моделей объектов имеет существенные недостатки. 
Идентификация процесса взаимодействия дорожно-строительной 
машины с дорожными материалами (например, асфальтоукладчика, вибрационного 
катка) как нелинейного дискретно-непрерывного динамического 
объекта представляет собой задачу, с которой сталкиваются разработчики 
управляемых систем такого класса. Закон управления рабочим процессом 
в зависимости от сигналов первичных измерительных преобразователей 
(датчиков) должен быть заранее определен на основании анализа математической 
модели динамики системы – движения трамбующего бруса 
и вибрационной плиты укладчика в тех или иных возможных условиях – 
и записан в контроллере. Возникает необходимость разработки математической 
модели объекта и получения ее обратного решения, которое показывает, 
какие воздействия следует осуществить рабочему органу, чтобы 
в текущих условиях настроить режимные параметры объекта в соответствии 
с заданным (желаемым) состоянием уплотнения смеси. 
Обычно математическая модель динамического объекта представляет 
собой систему нелинейных дифференциальных уравнений, которые описывают 
движение как твердотельных элементов рабочего органа, так и его 
осциллирующих элементов. Значения коэффициентов устанавливают по 
результатам экспериментальных испытаний. Проблема состоит в том, что 
создать точную математическую модель асфальтоукладчика, вибрационного 
катка с уплотняющим рабочим органом, воздействующим на смесь, можно, 
но со значительным числом допущений. Применение основных положений 
системного подхода с целью учета основных элементов укладчика (дорожного 
катка) делают его математическую модель избыточно сложной. 

1. Технологические процессы дорожного строительства 
 

8 

Задача усложняется из-за того, что свойства реального асфальтоукладчика 
постоянно изменяются даже в течение одной смены. В их числе 
его масса, которая изменяется в результате изменений массы асфальтобетонной 
смеси в бункере; температура смеси при укладке и уплотнении; 
ровность и плотность основания, на которое укладывается верхний слой 
дорожного материала, и др. Поэтому любая статическая математическая 
модель в целом оказывается неточной, а качество управления, следовательно, 
имеет предел. Можно сделать вывод о необходимости разработки 
системы автоматизированного управления комплектом машин «асфальтоукладчик – 
дорожные катки», которая должна независимо от качества подаваемой 
асфальтобетонной смеси адаптировать режимы технологических 
процессов и обеспечивать рациональные характеристики готового асфальтобетонного 
покрытия. 
Во многих научных работах [37 и др.] было установлено, что варьирование 
рабочими режимами асфальтоукладчика (скорость движения, частота 
колебаний трамбующего бруса и частота вибрации выглаживающей 
плиты) оказывает значительное влияние на степень уплотнения различных 
типов асфальтобетонных смесей. 
Теоретические и экспериментальные исследования уплотняющих 
рабочих органов асфальтоукладчиков на стенде-укладчике, оборудованном 
тензометрической аппаратурой, при уплотнении аналога песчаной асфальтобетонной 
смеси типа «Д», проведены в НПО «ВНИИстройдормаш» [14; 15]. 
Гранулометрический состав смеси следующий: содержание частиц размером 
менее 10 мм – 97 %; 5 мм – 95 %; 2,5 мм – 90 %; 1,25 мм – 80 %; 0,63 мм – 
62 %; 0,315 мм – 26 %; 0,14 мм – 21 %; 0,071 мм – 20 %. Связующий материал 
смеси был приготовлен на основе гудрона. Поскольку при укладке 
смесей асфальтоукладчиком увеличение степени их уплотнения рабочими 
органами способствует повышению всех качественных показателей укладываемого 
покрытия и обеспечивает снижение трудозатрат на доуплотне-
ние смеси катками, при исследованиях критерием оценки работы уплотняющего 
рабочего органа был принят коэффициент уплотнения k = /ст, 
где  – плотность асфальтобетона, уплотненного рабочим органом асфальтоукладчика; 
ст – плотность этого же переформованного образца, уплотненного 
стандартным способом. 
В результате проведенных теоретических исследований [14; 15]         
методом анализа размерностей параметров были получены безразмерные 
параметры рабочих органов асфальтоукладчика, которые имеют тесную 
корреляционную связь с коэффициентом уплотнения смеси: 
● число воздействий вибрационной плиты и трамбующего бруса, 
приходящихся на элементарный участок поверхности укладываемого покрытия, 

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий 

9 

бр
бр
пл
пл
пл
бр
;
,
f
l
f
l
n
n
v
v





                            (1.1.1) 

где 
пл
f
, 
бр
f
 – частота вращения дебалансных валов вибрационной плиты и 

трамбующего бруса соответственно, с–1; пл
l
, бр
l  – длина плиты и бруса соответственно, 
м; v – скорость передвижения укладчика, м/с; 
● относительная вынуждающая сила виброплиты и трамбующего 
бруса 

бр
2
2
пл
пл
бр
пл
1пл
пл
пл
бр
1бр
бр
бр
пл
пл
π
; π
;
ω ;
ω ,
P
P
P
m
r
P
m
r
m
g
m
g










  (1.1.2) 

где 
пл
P , 
бр
P  – вынуждающая сила вибрационной плиты и трамбующего 

бруса соответственно; 
пл
m
 – масса плиты; g – ускорение свободного падения; 

1пл
m
, 
1бр
m
 – масса дебалансной части вала плиты и бруса соответст-

венно; пл
r , бр
r  – эксцентриситет дебалансной части вала плиты и бруса со-

ответственно; 
пл
ω
, 
бр
ω  – угловая скорость вращения дебалансных валов 
вращения дебалансных валов плиты и бруса соответственно; 
● относительное удельное давление плиты 

ст
δ
,
ρ
q
h


  
 
 
 
(1.1.3) 

где q – удельное статическое давление плиты; h – толщина слоя укладываемого 
материала; 
ст
ρ  – плотность переформованного уплотненного образца; 
● 
относительное перемещение трамбующего бруса 

ε
,
e
h

                                                (1.1.4) 

где 
бр
2
e
r
 
 – перемещение (ход) трамбующего бруса. 
Как показали исследования [14], амплитуда A колебаний плиты в устойчивом 
режиме в основном зависит от статического момента дебаланс-
ной части и всей массы плиты. Поэтому относительная амплитуда A/h колебаний 
была заменена безразмерными параметрами – относительными 
амплитудами колебаний плиты от вибраторов виброплиты αпл, от трамбующего 
бруса αбр. 

1бр
бр
1пл
пл
пл
бр
пл
пл
α
; α
.
m
r
m
r
m
h
m
h







                         (1.1.5) 

1. Технологические процессы дорожного строительства 
 

10 

Экспериментальными исследованиями определены рациональные 
значения безразмерных параметров (табл. 1.1.1) [15].  
 
Таблица 1.1.1 

Рациональные значения безразмерных параметров 

Безразмерный параметр 
рабочего органа 
асфальтоукладчика 

Рациональные значения безразмерных параметров 

Виброплита
Трамбующий брус 
со статической 
плитой 

Трамбующий брус  
с виброплитой 

nпл 
 300 
 150 
 150 (от трамбующего бруса) 
 300 (от вибраторов плиты) 

nбр 
– 
 5 
5 

π 
1,7–2,7 
1,4–2,4 
2–3 

δ 
10–15 
 

ε 
– 
0,1–0,15 
0,1–0,15 

αпл 
0,0022 
– 
 0,0007 

αбр 
 
 0,0066 
0,0007 

 
Увеличение относительной вынуждающей силы вибраторов плиты 
до 1,7, трамбующего бруса до 1,4 и рабочего органа совместного действия 
до 2 ведет к резкому возрастанию коэффициента уплотнения (рис. 1.1.1). 
Это зона выхода на рабочий режим. Дальнейший рост относительной вынуждающей 
силы вибраторов плиты до 2,7, трамбующего бруса до 2,4 
и рабочего органа совместного действия до 3 не влияет на уплотняемость 
смеси. Это зона устойчивых колебаний рабочих органов. Затем с увеличением  
коэффициент уплотнения k снижается, так как колебания рабочих 
органов в этой зоне носят неустойчивый характер. 
 

 
Рис. 1.1.1. Зависимость коэффициента уплотнения k смеси  
от относительной вынуждающей силы  

0,82

0,84

0,86

0,88

0,90

0,92

0,94

0,96

0,75
1,25
1,75
2,25
2,75
3,25

Коэффициент уплотнения

Относительная вынуждающая сила

виброплита с трамбующим брусом

трамбующий брус с плитой статического действия

виброплита

1.1. Анализ технологических процессов строительства асфальтобетонных покрытий 

11 

Анализ полученных экспериментальных данных позволил авторам [15] 
установить взаимосвязь между коэффициентом уплотнения смеси и числом 
уплотняющих воздействий плиты на элементарном участке поверхности 
уплотняемого покрытия при работе: 
● одной вибрационной плиты 

пл
пл
0,000233
0,83,
f
l
k
v




                            (1.1.6) 

● трамбующего бруса с плитой статического действия 

бр
пл
0,000145
0,878.
f
l
k
v





                       (1.1.7) 

В случае работы трамбующего бруса с виброплитой число воздействий 
плиты от установленного на ней вибратора практически не оказывает 
влияния на увеличение плотности смеси после воздействия трамбующего 
бруса, но способствует улучшению качества поверхности уплотненного 
покрытия. Было установлено, что при работе трамбующего бруса со статической 
плитой существует такая скорость передвижения, при которой появляются 
разрывы на поверхности покрытия. Эта скорость равна 5,5–6 м/мин 
при уплотнении песчаной смеси. Использование виброплиты, работающей 
совместно с трамбующим брусом, допускало увеличение скорости до              
8 м/мин. 
Установлено [15], что смесь быстро уплотняется при первых ударах 
по ней трамбующего бруса и повышение коэффициента уплотнения для 
песчаной смеси с толщиной слоя 6–8 см практически прекращается после  
5 ударов бруса. Идентичное влияние на уплотнение смеси оказывает 
и масса рабочего органа. Дальнейшего повышения степени уплотнения 
смеси также не происходит с увеличением относительного давления плиты 
свыше 15. 
Характер экспериментальных зависимостей, полученных ВНИИСДМ,  
нелинейный, что подтверждается результатами научных исследований         
В. Б. Пермякова, С. Н. Иванченко и других авторов [13; 16; 24; 25; 37]. В этих 
работах смеси рассматриваются как упруговязкопластичный материал, 
свойства которого зависят от скорости деформирования и уровня напряженного 
состояния в уплотняемом слое. Один цикл уплотнения смеси асфальтоукладчиком 
представляет собой несколько ударов трамбующего 
бруса (например, при скорости 3 м/мин и частоте трамбования 22 с–1 около 
пяти ударов ударной части бруса размером 12 мм), после которых достигается 
требуемая степень уплотнения смеси. При постоянной скорости передвижения 
укладчика (v = const) цикл уплотнения характеризуется как одинаковый 
промежуток времени, за который в зависимости от частоты трамбо-