履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究

商高高，張建舟，張家俊

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究

商高高，張建舟，張家俊

(江蘇大學(xué) 汽車(chē)與交通工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

為提高履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)工作效率，設(shè)計(jì)了一套整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略。其中，在正常工作模式下設(shè)計(jì)建立了模糊自調(diào)整PID控制策略，在失效模式下設(shè)計(jì)了跛行行車(chē)的控制策略。運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)模式的控制策略進(jìn)行仿真研究。仿真結(jié)果表明：在運(yùn)輸模式下，拖拉機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)速度的跟蹤，在犁耕工作模式下，拖拉機(jī)的速度脈動(dòng)在可接受的范圍內(nèi)，且轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償能夠?qū)崿F(xiàn)驅(qū)動(dòng)阻力變化的跟蹤；在跛行行車(chē)控制策略下，進(jìn)入跛行行車(chē)模式之后，整機(jī)以固定速度運(yùn)行，并且SOC下降速度明顯變緩。

電動(dòng)拖拉機(jī)；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；控制策略

與電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展相比，電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展相對(duì)緩慢，尤其是對(duì)其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究基本處于起步階段。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是整個(gè)履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的核心，其控制策略的好壞直接影響整機(jī)的動(dòng)力性以及經(jīng)濟(jì)性。因此，對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究具有重要意義[1-3]。

本文運(yùn)用Matlab/Simulink對(duì)整機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)模式的控制策略進(jìn)行仿真研究。在已有的傳動(dòng)系統(tǒng)布置、以及選用的無(wú)刷直流電機(jī)和電機(jī)的直接轉(zhuǎn)矩控制的基礎(chǔ)上，根據(jù)建立的履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)運(yùn)輸作業(yè)模式力學(xué)模型以及犁耕作業(yè)模式時(shí)的力學(xué)模型，建立履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具體的控制仿真模型，并為此模型建立合適有效的控制策略。

1 驅(qū)動(dòng)模式分析

履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)的擋位、加速踏板和制動(dòng)踏板的位置信號(hào)、電池的SOC狀態(tài)、提升裝置信號(hào)以及其他傳感器信號(hào)，將電動(dòng)拖拉機(jī)分為3種驅(qū)動(dòng)模式[4-5]：起車(chē)模式、正常驅(qū)動(dòng)模式和失效模式。3種驅(qū)動(dòng)模式的具體內(nèi)容如下：

1) 起車(chē)模式：是指電動(dòng)拖拉機(jī)已經(jīng)接通電源，而司機(jī)還沒(méi)有踩下油門(mén)踏板，電機(jī)提供一個(gè)較小轉(zhuǎn)矩，此轉(zhuǎn)矩的主要作用是使電動(dòng)拖拉機(jī)以一個(gè)恒定的較小的速度運(yùn)行。

2) 正常驅(qū)動(dòng)模式：包含運(yùn)輸作業(yè)模式和犁耕作業(yè)模式。整車(chē)的控制策略會(huì)根據(jù)加速踏板的位置、拖拉機(jī)的行駛速度、提升裝置的位置以及其他傳感器的信號(hào)來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)以一定的車(chē)速行駛。

3) 失效模式：是指拖拉機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障或者蓄電池的SOC值低于某個(gè)設(shè)定的閾值時(shí)，對(duì)動(dòng)力電池的放電電流以及電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩進(jìn)行限制，防止放電電流過(guò)大引起危險(xiǎn)，并使拖拉機(jī)能夠跛行至維修點(diǎn)維修或者充電。

2 控制策略設(shè)計(jì)

2.1 正常驅(qū)動(dòng)模式

電動(dòng)拖拉機(jī)在正常驅(qū)動(dòng)模式作業(yè)時(shí)，大棚內(nèi)田間路面狀況復(fù)雜，拖拉機(jī)工作阻力不可預(yù)知，傳統(tǒng)的PID控制在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中很難得到理想的結(jié)果。因此，本文選取模糊自調(diào)整PID作為電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在正常驅(qū)動(dòng)模式下的控制策略，以提高電機(jī)的運(yùn)行效率。

2.1.1 模糊自調(diào)整PID控制系統(tǒng)模型

模糊自調(diào)整PID控制是利用專(zhuān)家的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)作為操作規(guī)則存儲(chǔ)到微機(jī)當(dāng)中，在控制過(guò)程中，PID的3個(gè)參數(shù)KP、Ti、Td會(huì)根據(jù)實(shí)際輸入量進(jìn)行調(diào)整，這種控制方法集合了模糊控制和PID控制的優(yōu)點(diǎn)[4-9]。其中：KP為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Ti為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；Td為微分調(diào)節(jié)系數(shù)。圖1所示為模糊自調(diào)整PID控制結(jié)構(gòu)原理。

圖1 模糊自調(diào)整PID控制原理

本文基于Matlab/Simulink建立的模糊自調(diào)整PID控制系統(tǒng)，仿真模型如圖2所示。該模型由一個(gè)兩輸入三輸出模糊控制器和一個(gè)PID控制器組成。模糊控制器中的輸入量為e和Δe，輸出量為ΔKP、ΔTi、ΔTd。其中：e為實(shí)際速度和與目標(biāo)速度的差值；Δe為速度差值變化；ΔKP為比例調(diào)節(jié)系數(shù)增量；ΔTi為積分調(diào)節(jié)系數(shù)增量；ΔTd為微分調(diào)節(jié)系數(shù)增量。如圖3所示的PID控制器為模糊自調(diào)整PID控制系統(tǒng)的子模型。

圖2 模糊自調(diào)整PID控制系統(tǒng)仿真模型

圖3 PID控制器仿真子模型

2.1.2 控制規(guī)則

該控制系統(tǒng)中的模糊控制器輸入和輸出變量被分為7個(gè)等級(jí)，論域分別為[-3,3]。各個(gè)語(yǔ)言變量模糊子集的中心和寬度按表1確定。

表1 模糊子集中心和寬度值

輸入量和輸出量的隸屬函數(shù)均取高斯函數(shù)，得到的隸屬度函數(shù)的圖形如圖4所示。

圖4 語(yǔ)言變量的隸屬度函數(shù)圖形

根據(jù)關(guān)于車(chē)速偏差e及其變化率Δe與PID 3個(gè)參數(shù)ΔKP、ΔTi、ΔTd關(guān)系的專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)得出這3個(gè)PID控制參數(shù)的規(guī)則。表2為ΔKP模糊控制規(guī)則，表3為ΔTi模糊控制規(guī)則表，表4為模糊控制規(guī)則。利用模糊控制器，根據(jù)輸入?yún)?shù)e和Δe進(jìn)行模糊推理，查詢模糊矩陣表進(jìn)行PID控制參數(shù)調(diào)整[6-11]。

表2 ΔKP模糊控制規(guī)則

表3 ΔTi模糊控制規(guī)則

表4 ΔTd模糊控制規(guī)則

為識(shí)別模糊推理后輸出的模糊集合，本文中采用質(zhì)心法進(jìn)行去模糊化。

經(jīng)模糊控制器得出修正參數(shù)，分別將ΔKP、ΔTi、ΔTd代入式(1)，得出修正參數(shù)KP、Ti、Td。

KP=KP+ΔKP

Ti=Ti+ΔTi

Td=Td+ΔTd

(1)

2.2 失效模式

圖5為電動(dòng)拖拉機(jī)跛行行車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者電池SOC值低于設(shè)定值時(shí)，電動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)入失效模式，執(zhí)行跛行行車(chē)控制策略。當(dāng)出現(xiàn)非嚴(yán)重故障時(shí)，執(zhí)行失效跛行控制；當(dāng)出現(xiàn)SOC值低于標(biāo)定值時(shí)，執(zhí)行能量不足跛行控制。在失效模式中，拖拉機(jī)工作在限制電池放電電流和電機(jī)輸出功率及扭矩的模式下，保證能夠運(yùn)行至附近的維修點(diǎn)或者充電站。

圖5 跛行行車(chē)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.1 失效跛行行車(chē)控制

與電動(dòng)拖拉機(jī)的跛行控制策略相比較，傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)的跛行行車(chē)控制策略較成熟，所以本研究參考傳統(tǒng)燃油拖拉機(jī)的跛行行車(chē)策略[12-13]。當(dāng)車(chē)輛出現(xiàn)非嚴(yán)重故障時(shí)，開(kāi)始啟動(dòng)跛行失效跛行行車(chē)控制策略。本研究將非嚴(yán)重故障情況分為以下3種：

1) 當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)非嚴(yán)重故障時(shí)，采用限制最大的運(yùn)行功率的處理方式；

2) 當(dāng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)除電機(jī)外的其他部分出現(xiàn)故障時(shí)，采用按比例降低運(yùn)行功率的處理方式；

3) 當(dāng)加速踏板位置傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整車(chē)控制器無(wú)法得到正確的信號(hào)或者電池SOC值低于設(shè)定閾值時(shí)，采用以固定功率運(yùn)的處理方式。

2.2.2 能量不足跛行行車(chē)控制

圖6所示為動(dòng)力電池端電壓與SOC的關(guān)系，當(dāng)動(dòng)力電池電量不足即電池SOC變低時(shí)，電池輸出電壓變小，根據(jù)輸出功率近似計(jì)算公式P=UI，為保證輸出功率不變，需提高放電電流。但是動(dòng)力電池的放電電流超過(guò)限度會(huì)使電池嚴(yán)重發(fā)熱，從而影響電池、整機(jī)以及駕駛?cè)藛T的安全[14]。因此，隨電池SOC下降，動(dòng)力電池輸出的最大功率應(yīng)隨之下降。圖7所示為本研究得到的動(dòng)力電池SOC與輸出的最大功率關(guān)系。

圖6 電池端電壓與SOC之間的關(guān)系

圖7 電池提供最大功率與SOC之間的關(guān)系

當(dāng)電池的電量不足時(shí)，采用對(duì)電壓進(jìn)行分狀況控制和限制動(dòng)力電池放電電流的控制策略。在分階段控制電壓的控制策略中，當(dāng)電機(jī)電壓小于警告電壓并此過(guò)程持續(xù)超過(guò) 3 min時(shí)，提醒警告駕駛員使電動(dòng)拖拉機(jī)脫離犁耕等功率消耗大的作業(yè)并及時(shí)充電，電機(jī)電壓小于限制電壓并持續(xù)超過(guò)1 min時(shí)，進(jìn)入跛行行車(chē)模式。在電流限制控制策略中，當(dāng)電池的SOC值低于設(shè)定的0.2時(shí)，提醒駕駛員使電動(dòng)拖拉機(jī)脫離犁耕等功率消耗大的作業(yè)并及時(shí)充電，整車(chē)控制器進(jìn)入跛行行車(chē)模式。為了防止過(guò)電現(xiàn)象的出現(xiàn)，采用分階段控制電壓與電流限制的方法。根據(jù)圖6所示，電池的端電壓與電池的SOC值之間近似地成線性關(guān)系，為了簡(jiǎn)化控制，在兩種情況之下本文都采用電流限制控制。

3 仿真及仿真結(jié)果分析

3.1 整車(chē)控制仿真建模

為驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制策略，建立了整車(chē)控制仿真模型，主要包括駕駛員模型、整車(chē)控制模型、電機(jī)及其控制模型、電池模型以及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型。其中：驅(qū)動(dòng)電機(jī)及其控制模型是基于直接轉(zhuǎn)矩控制開(kāi)發(fā)的，電池模型根據(jù)廠家提供的參數(shù)建立[15-16]。

3.2 測(cè)試工況的建立

與電動(dòng)汽車(chē)不同，履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)除了要完成運(yùn)輸作業(yè)及田間轉(zhuǎn)移外，還要完成一系列的田間作業(yè)任務(wù)，比如耕、耙、旋耕、收貨、播種等。因此，本文建立了2種履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)典型的工況：① 運(yùn)輸作業(yè)工況；② 犁耕作業(yè)工況。如圖8所示，參照低速EUDC測(cè)試工況作為履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)的運(yùn)輸作業(yè)工況，此工況的運(yùn)行時(shí)間為200 s，最大車(chē)速為7 km/h，平均車(chē)速為4.8 km/h，此過(guò)程中拖拉機(jī)行進(jìn)的距離為266 m。圖9為犁耕測(cè)試工況，因?yàn)槁膸诫妱?dòng)拖拉機(jī)在進(jìn)行犁耕作業(yè)時(shí)，田間路面狀況復(fù)雜，所受到的牽引阻力會(huì)持續(xù)變化。因此，本文在建立犁耕測(cè)試工況時(shí)，以額定牽引力為基準(zhǔn)，使?fàn)恳枇υ谄渖舷伦兓?，?chē)速保持不變，如圖中虛線所示。

圖8 運(yùn)輸作業(yè)工況

圖9 田間犁耕作業(yè)測(cè)試工況

3.3 履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)的主要參數(shù)

履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)整車(chē)及其傳動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)如表5所示。

表5 主要部件參數(shù)

3.4 運(yùn)輸作業(yè)時(shí)的仿真結(jié)果及分析

以圖9所示的運(yùn)輸測(cè)試工況作為履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)的輸入工況進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖10所示。

圖10 運(yùn)輸工況仿真結(jié)果

由速度曲線可以看出：速度偏差很小，仿真速度能很好地跟隨目標(biāo)工況速度的變化，控制摸塊工作正常。由修正轉(zhuǎn)矩圖可以看出：在加速或減速過(guò)程中修正轉(zhuǎn)矩較大，而當(dāng)車(chē)速穩(wěn)定時(shí)，修正轉(zhuǎn)矩基本為0，說(shuō)明在加速或減速階段要克服加速阻力，而勻速階段阻力不變。

3.5 犁耕工況仿真結(jié)果及分析

以圖10所示的犁耕測(cè)試工況作為履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)仿真系統(tǒng)的輸入工況進(jìn)行仿真，得到的仿真結(jié)果如圖11所示。

從速度曲線上可以看出：仿真速度能夠很好地跟蹤目標(biāo)速度，說(shuō)明在犁耕工況時(shí)模塊工作正常。由修正轉(zhuǎn)矩圖可以看出：圖中曲線的變化趨勢(shì)與工況牽引阻力的變化趨勢(shì)保持一致。

圖11 犁耕工況仿真結(jié)果

3.6 失效模式下跛行行車(chē)控制策略仿真

在履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)發(fā)生非嚴(yán)重故障或者電池SOC值低于設(shè)定值時(shí)，拖拉機(jī)會(huì)進(jìn)入跛行回家控制策略，因?yàn)榉菄?yán)重故障情況復(fù)雜，難以模擬仿真，因此本文只對(duì)當(dāng)電池SOC值低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行跛行行車(chē)控制策略的仿真。設(shè)定進(jìn)入到跛行行車(chē)控制策略的電池SOC的下限值為0.2，仿真結(jié)果如圖12所示。

由速度曲線可以看出：當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入跛行行車(chē)模式，車(chē)輛將以一個(gè)較低的速度勻速運(yùn)行，以保證車(chē)輛能夠跛行回家。由SOC曲線可以看出：當(dāng)SOC低于0.2時(shí)，車(chē)輛進(jìn)入跛行行車(chē)模式，此時(shí)限制了車(chē)輛的轉(zhuǎn)矩輸出，使電池的SOC值下降較正常行車(chē)模式變得緩慢。根據(jù)轉(zhuǎn)矩曲線，當(dāng)進(jìn)入跛行行車(chē)模式時(shí)，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為某一設(shè)定的固定值。綜上所述，所建立的跛行行車(chē)控制策略在電池電量受到限制時(shí)是可行、有效的。

圖12 跛行行車(chē)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

在拖拉機(jī)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)的實(shí)際工作狀況，建立了正常工作模式下的模糊自調(diào)整PID控制策略和失效模式下的跛行控制策略。通過(guò)仿真結(jié)果分析，在正常工作模式下，車(chē)速能夠很好地跟蹤目標(biāo)車(chē)速，特別是在犁耕工況時(shí)路面行駛阻力變化大，仍能得到較為理想的控制結(jié)果。在跛行行車(chē)模式中，進(jìn)入跛行行車(chē)模式之后，車(chē)輛的SOC值降低明顯變緩，能夠達(dá)到跛行回家的控制目標(biāo)。在今后工作中，需要著重研究履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)起動(dòng)時(shí)的控制策略。

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(責(zé)任編輯劉 舸)

ResearchonControlStrategyofTrackedElectricTractorDriveSystem

SHANG Gaogao， ZHANG Jianzhou， ZHANG Jiajun

(College of Automotive and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhengjiang 212013, China)

A set of control strategy of the whole drive system is designed to improve the working efficiency of the tracked electric tractor. In normal mode, the fuzzy self -adjusting PID control strategy was established. In the failure mode, the limp home control strategy was presented. The control strategies were simulated in Matlab/Simulink. The simulation results showed that the target speed can be track in the transport operation mode. In the plough working mode, the speed fluctuation of the tractor is in the acceptable range, and the torque compensation can track the change of the driving resistance. In the failure mode, the tractor can run at fixed speed, with the battery SOC decreasing slowly.

electric tractor; drive system; control strategies

2016-07-10

江蘇省產(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)新資金—前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目 (BY201306504)

商高高(1962—)，男，湖北武漢人，博士，副教授，主要從事機(jī)電一體化研究，E-mail:shanggaogao@ujs.edu.cn。

商高高，張建舟，張家俊.履帶式電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)控制策略的研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué))，2017(11):32-38.

formatSHANG Gaogao，ZHANG Jianzhou，ZHANG Jiajun.Research on Control Strategy of Tracked Electric Tractor Drive System[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(11):32-38.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.11.005

S219.2

A

1674-8425(2017)11-0032-07