自走式無(wú)人駕駛植保機(jī)用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孟令民，曾慶華，李安偉，張德利

(山東永佳動(dòng)力股份有限公司，山東 臨沂 276000)

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化水平的不斷發(fā)展，以及精準(zhǔn)施藥工程在植保機(jī)械行業(yè)的推廣應(yīng)用，自走式無(wú)人駕駛植保機(jī)械因其結(jié)構(gòu)精巧，可智能遙控，具有田間通過(guò)性好、施藥效率高、安全性能好，避免操作人員中毒等優(yōu)點(diǎn)，受到越來(lái)越多的農(nóng)民及主機(jī)生產(chǎn)廠家的青睞[1]。在實(shí)際工作過(guò)程中，由于工況變化等原因，為了保持穩(wěn)定的行走速度，常常需要調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以適應(yīng)扭矩的變化，在起步、換擋過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)良好的離合控制品質(zhì)，需要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和離合器的結(jié)合速度進(jìn)行協(xié)調(diào)控制[2]，因此,發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制成為自走式無(wú)人植保機(jī)開發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵問題。

自走式無(wú)人駕駛車輛的負(fù)載變化常常是不可預(yù)測(cè)的，所以發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速是一個(gè)受負(fù)載影響的變量。傳統(tǒng)的比例積分微分(proportion integral differential，PID)控制對(duì)于這種復(fù)雜變化過(guò)程很難設(shè)置最佳參數(shù)，與其搭載的油門電機(jī)對(duì)控制響應(yīng)具有一定的滯后性，因此無(wú)法達(dá)到理想的控制效果。神經(jīng)單元具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，將神經(jīng)元自適應(yīng)功能與傳統(tǒng)的PID結(jié)合，可以設(shè)計(jì)出在線實(shí)時(shí)調(diào)整參數(shù)的PID控制器，解決最佳參數(shù)設(shè)計(jì)的問題。永磁直流電動(dòng)機(jī)搭載非接觸式位置傳感器和伺服電機(jī)，具有電機(jī)調(diào)整性能好、力矩大、起動(dòng)迅速、操控方便，且定位精確等特點(diǎn)[3]。

本文中通過(guò)分析自走式無(wú)人駕駛車輛在起步及換擋過(guò)程中產(chǎn)生頓挫感的原因，研究基于扭矩需求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速非線性變化規(guī)律，確定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器對(duì)永磁直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，選用永磁直流電動(dòng)機(jī)對(duì)節(jié)氣門進(jìn)行控制，并對(duì)控制的有效性進(jìn)行試驗(yàn)。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)

1.1 起步過(guò)程

基于自走式無(wú)人駕駛植保機(jī)械的實(shí)際工況，車輛起步過(guò)程中離合器的扭矩變化很大，反映在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制上就是發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)速與變速箱輸入轉(zhuǎn)速不斷變化的過(guò)程。在變速箱開始接合時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與變速箱的輸入轉(zhuǎn)速差值最大，隨著離合器接合行程的不斷增大，離合器的轉(zhuǎn)矩也在不斷增加，直到轉(zhuǎn)矩大于車輛所受阻力矩時(shí)，車速?gòu)牧汩_始增加，此后發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速與變速箱的輸出轉(zhuǎn)速差值不斷減小，直到完全同步。如果想要得到良好的起步效果，達(dá)到迅速平穩(wěn)的起步要求，需要對(duì)起步過(guò)程中車輛的加速度變化率和離合器的滑磨功進(jìn)行評(píng)價(jià)。

車輛加速度的大小反映了車輛起步過(guò)程中的沖擊度[4]

(1)

式中：R為車輪半徑；i0為主減速器傳動(dòng)比；It為與變速器輸出軸剛性連接的整車慣量轉(zhuǎn)換至輸出軸的當(dāng)量慣量；To為變速器輸出軸轉(zhuǎn)扭；KI為常數(shù)；vc為離合器接合速度。

離合器滑磨功[5]

(2)

式中:t1為車輛開始運(yùn)動(dòng)的時(shí)刻；t2為發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速與變速箱的輸入轉(zhuǎn)速同步的時(shí)刻；Tc為離合器傳遞的扭矩；ne為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；nc為變速箱輸入轉(zhuǎn)速。

通過(guò)分析車輛的加速度變化率和離合器滑磨功的產(chǎn)生機(jī)理，可知整個(gè)起步過(guò)程是發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和離合器的結(jié)合速度協(xié)調(diào)控制的過(guò)程，所以起步過(guò)程的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)是：根據(jù)離合器接合過(guò)程中對(duì)扭矩需求的不同，在發(fā)動(dòng)機(jī)的怠速附近設(shè)置轉(zhuǎn)速判定閾值，把發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)各節(jié)氣門開度下的最大扭矩轉(zhuǎn)速設(shè)置為目標(biāo)轉(zhuǎn)速，根據(jù)不同節(jié)氣門開度下發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩與轉(zhuǎn)速的變化關(guān)系，通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，匹配發(fā)動(dòng)機(jī)需求扭矩，選取某一節(jié)氣門開度下最大扭矩時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速作為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速[6]。

1.2 換擋過(guò)程

換擋過(guò)程中車輛傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比發(fā)生變化，自走式無(wú)人駕駛車輛因?yàn)閾Q擋過(guò)程時(shí)間很短，整車慣性很大，車速下降很小，一般認(rèn)為換擋期間車速不變，所以換擋過(guò)程可以看作是變速箱輸入轉(zhuǎn)速的變化。為了消除頓挫感，需要及時(shí)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速去適應(yīng)這種變化。擋位變化前后輸入轉(zhuǎn)速n0、nn變化的計(jì)算公式為：

n0-nn=i0va(igm-ign)/(0.377R),

(3)

式中：i0為主減速傳動(dòng)比；va為當(dāng)前車速；igm為擋位變化前速比；ign為擋位變化后速比；R為車輪半徑。

因?yàn)榧訐鹾蜏p擋過(guò)程中車速變化不同，所以要減小換擋時(shí)車輛沖擊和變速箱離合器接合時(shí)的滑磨功，就要通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使之適應(yīng)換擋過(guò)程中傳動(dòng)比的變化。換擋過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制目標(biāo)是：在離合器切斷動(dòng)力時(shí)，變速箱的扭矩需求發(fā)生變化，此時(shí)通過(guò)判斷變速箱擋位變化，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開度，從而調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，使發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速與擋位變化后離合器輸入軸的轉(zhuǎn)速相同。

2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制方式

為了解決傳統(tǒng)電機(jī)反應(yīng)遲鈍的問題，試驗(yàn)中采用永磁直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

自走式無(wú)人駕駛車輛加速踏板與節(jié)氣門之間沒有直接機(jī)械聯(lián)系，需要由直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門調(diào)節(jié)。通過(guò)發(fā)送啟動(dòng)或者換擋指令信號(hào)，將數(shù)字信號(hào)輸入電子控制單元，電控單元按照設(shè)定的程序向發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)送指令信號(hào)，永磁直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)指令調(diào)整節(jié)氣門開度，從而控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。車輛行駛時(shí)由GPS反饋的車速、車橋輸出轉(zhuǎn)速等信息對(duì)節(jié)氣門開度大小進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，保持車速穩(wěn)定。

圖1 電子節(jié)氣門結(jié)構(gòu)

3 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制器設(shè)計(jì)

本文中運(yùn)用神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法，充分利用神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能，調(diào)整神經(jīng)元的權(quán)重，從而使整個(gè)控制系統(tǒng)具有自適應(yīng)PID的控制特性，以滿足根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行情況實(shí)時(shí)調(diào)整PID調(diào)節(jié)器參數(shù)的要求。神經(jīng)元DID控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 神經(jīng)元 PID控制器系統(tǒng)框圖

圖2中，R(k)為發(fā)動(dòng)機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速、Y(k)為發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速；k為神經(jīng)元的比例系數(shù)；e(k)為神經(jīng)元輸入，即PID控制器的輸入；x1(k)、x2(k)、x3(k)分別為狀態(tài)變換器輸出的神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的狀態(tài)量，設(shè)計(jì)中選擇能夠反映扭矩需求的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、變速箱轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)；ω1(k)、ω2(k)、ω3(k)為神經(jīng)元的權(quán)重系數(shù)；f[·]取帶限幅的線性函數(shù);u(k)為神經(jīng)元輸出，即PID控制器的輸出。

狀態(tài)量為：

x1(k)=R(k)-Y(k)=e(k)，

x2(k)=e(k)-e(k-1)，

(4)

x3(k)=e(k)-2e(k-1) +e(k-2)，

u(k)=u(k-1)+k[ω1(k)x1(k)+ω2(k)x2(k)+ω3(k)x3(k)]。

利用二次型性能指標(biāo)的思想對(duì)神經(jīng)元輸出誤差的控制取目標(biāo)函數(shù)：

(5)

式中：r為給定目標(biāo)值；y為實(shí)際反饋值。

為保證權(quán)重修正從H(k)相應(yīng)于ω1(k)負(fù)梯度的方向進(jìn)行，需要有：

(6)

式中ηi為學(xué)習(xí)效率。

由式(4)、(5)可以簡(jiǎn)化得到，

若令

因此可得：

(7)

利用式(7)可以實(shí)現(xiàn)權(quán)重值的自學(xué)習(xí)。

對(duì)于傳統(tǒng)的PID控制器來(lái)說(shuō)：

(8)

式中:Kp為PID控制器的比例系數(shù)；TI為積分時(shí)間常數(shù)；TD為微分時(shí)間常數(shù)；T為采樣時(shí)間。

對(duì)于神經(jīng)元PID控制器來(lái)說(shuō)，可以得到：

(9)

由式(8)(9)比較可得到，

Kp=kω1(k),

KpT/T1=kω2(k),

KpTD/T=kω3(k)。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

針對(duì)神經(jīng)元自適應(yīng)PID算法的有效性，在電子節(jié)氣門控制單元的基礎(chǔ)上對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制測(cè)試。在神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制器中，以反映扭矩需求變化的車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及離合器轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為神經(jīng)元學(xué)習(xí)所需要的狀態(tài)量，選取學(xué)習(xí)效率η1=0.02，η2=0.01，η3=0.01， 神經(jīng)元比例系數(shù)k=0.1，ω1(0)=ω2(0)=ω3(0)=0.001。圖3為應(yīng)用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法的發(fā)動(dòng)機(jī)在AMT控制系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)中起動(dòng)及換擋過(guò)程的結(jié)果。

a)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800～2700 r/min b)目標(biāo)轉(zhuǎn)速為800～1700 r/min圖3 轉(zhuǎn)速控制試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)能夠根據(jù)扭矩變化調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，調(diào)整時(shí)間為1.1 s左右，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制具有良好的動(dòng)態(tài)控制特性。應(yīng)用該系統(tǒng)能夠較好的控制起步及換擋過(guò)程中對(duì)變速箱的沖擊，達(dá)到迅速平穩(wěn)起步換擋的目的。

5 結(jié)論

針對(duì)自走式無(wú)人植保機(jī)在起步及換擋過(guò)程中頓挫感強(qiáng)烈的問題，通過(guò)研究該過(guò)程發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)扭變化規(guī)律，設(shè)計(jì)基于扭矩需求的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。

該系統(tǒng)能夠完成對(duì)扭矩需求狀態(tài)量的學(xué)習(xí)，調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速具有較好的動(dòng)態(tài)控制特性，能夠有效控制起步及換擋過(guò)程中變速箱的沖擊，達(dá)到迅速平穩(wěn)起步換擋的目的。