自動(dòng)化控制技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用研究

蔣天堂

(昆明學(xué)院 自動(dòng)控制與機(jī)械工程學(xué)院，昆明 650214)

0 引言

隨著“精準(zhǔn)化”要求在我國(guó)各行業(yè)不斷興起，農(nóng)業(yè)機(jī)械逐步進(jìn)入智能化、自動(dòng)化時(shí)代，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的拖拉機(jī)的改進(jìn)與創(chuàng)新勢(shì)在必行。我國(guó)作為農(nóng)業(yè)大國(guó)，拖拉機(jī)的應(yīng)用遍布領(lǐng)域眾多，其作為牽引動(dòng)力源裝置，具有較強(qiáng)的靈活性能。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者和專家在不同方面、不同層次對(duì)拖拉機(jī)的結(jié)構(gòu)組成、功能優(yōu)化等領(lǐng)域均取得了良好成效，如拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向控制機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、耕深控制機(jī)構(gòu)及變速系統(tǒng)等。目前，自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用比較普遍的有PID自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制及集成總線控制和物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算等。為此，在拖拉機(jī)當(dāng)前應(yīng)用技術(shù)的基礎(chǔ)上，針對(duì)拖拉機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的功能要求方面展開研究，以期使自動(dòng)控制技術(shù)在拖拉機(jī)的實(shí)際應(yīng)用得到進(jìn)一步的提升。

1 工作原理及特點(diǎn)

拖拉機(jī)作為一種多用途的牽引機(jī)械，強(qiáng)大的動(dòng)力輸出可以顯著提高拖拉機(jī)的田間作業(yè)效率。其工作原理可概要描述為：通過動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力經(jīng)傳遞系統(tǒng)傳至拖拉機(jī)的轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)完成相應(yīng)的匹配動(dòng)作。圖1為拖拉機(jī)混合動(dòng)力理論構(gòu)成簡(jiǎn)圖。

圖1 拖拉機(jī)混合動(dòng)力理論構(gòu)成簡(jiǎn)圖Fig.1 Composition schematic diagram of the hybrid dynamical theory on the tractor

為有效地節(jié)省燃油消耗，加大拖拉機(jī)的輸出功率，將發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)三者科學(xué)結(jié)合，通過關(guān)鍵參數(shù)最優(yōu)匹配，形成混合動(dòng)力系統(tǒng)，在整機(jī)ECU的控制下實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合裝置及變速器的智能動(dòng)作。擬研究的拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，采用6+1的組合變速系統(tǒng)，在足夠的牽引動(dòng)力條件下可以實(shí)現(xiàn)收割機(jī)、旋耕機(jī)及施肥機(jī)等的配套田間作業(yè)。

表1 拖拉機(jī)主要技術(shù)參數(shù) Tab 1 Main technical parameter design of the tractor

2 控制系統(tǒng)改進(jìn)

2.1 導(dǎo)航控制設(shè)計(jì)

在導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)控制下，拖拉機(jī)的四輪驅(qū)動(dòng)及相關(guān)聯(lián)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)精確動(dòng)作。針對(duì)拖拉機(jī)的導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行智能優(yōu)化，導(dǎo)航的精準(zhǔn)性可大大提高拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)的完美程度，其控制設(shè)計(jì)主要內(nèi)容如表2所示，選取技術(shù)成熟的CAN總線作為拖拉機(jī)導(dǎo)航控制的通訊系統(tǒng)，GPS與AHRS共同作為拖拉機(jī)的定位核心系統(tǒng)，PID加雙閉環(huán)組成導(dǎo)航控制的核心算法機(jī)制。

表2 拖拉機(jī)導(dǎo)航控制設(shè)計(jì)內(nèi)容Table 2 Navigation control design content of the tractor

在充分考慮拖拉機(jī)作業(yè)控制過程中的內(nèi)外部擾動(dòng)因素，以拖拉機(jī)組件運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)，形成如圖2所示的拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。該控制結(jié)構(gòu)屬于復(fù)合控制型，特點(diǎn)在于有效地利用了擾動(dòng)觀測(cè)器的作用機(jī)理，當(dāng)受到外界的作用信號(hào)時(shí)，立即與時(shí)間控制器有效結(jié)合，對(duì)拖拉機(jī)的導(dǎo)航過程中產(chǎn)生的實(shí)時(shí)偏差進(jìn)行前置補(bǔ)償，最快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的內(nèi)部收斂，確保導(dǎo)航精確化與迅速化。

圖2 拖拉機(jī)導(dǎo)航系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.2 Structure brief diagram of the navigation system control of the tractor

2.2 變速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用最優(yōu)組合原理及效率最大化思想，針對(duì)拖拉機(jī)的變速控制系統(tǒng)，選取拖拉機(jī)的整機(jī)牽引力、輸出軸的輸出轉(zhuǎn)矩及拖拉機(jī)整機(jī)行進(jìn)速度等為核心參數(shù)，建立變速控制的數(shù)學(xué)模型，即

(1)

(2)

(3)

式中ne—拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(rad/s)；

Te—拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩(N·m)；

ib—拖拉機(jī)變速系統(tǒng)的傳動(dòng)比；

iz—拖拉機(jī)中央裝置的傳動(dòng)比；

v—拖拉機(jī)行進(jìn)速度(km/h)；

FT—拖拉機(jī)所受牽引力(kN)；

rd—拖拉機(jī)主動(dòng)輪半徑(m)；

ηf—拖拉機(jī)的滾動(dòng)效率；

ηδ—拖拉機(jī)的滑動(dòng)效率；

ηb—拖拉機(jī)的變速系統(tǒng)效率；

ηz—拖拉機(jī)的中央裝置傳動(dòng)效率；

ηe—拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)效率。

根據(jù)雙重功率流傳動(dòng)理論，結(jié)合當(dāng)前小型汽車應(yīng)用廣泛的HMCVT技術(shù)，對(duì)變速系統(tǒng)的智能控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖3所示。將拖拉機(jī)的預(yù)設(shè)目標(biāo)車速與實(shí)際車速用PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，車速信號(hào)傳遞至計(jì)算模塊后，由拖拉機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)與換段排量控制環(huán)節(jié)處理，傳遞至多段HMCVT；此時(shí)，主傳動(dòng)及負(fù)載作用實(shí)際車速，而相匹配的牽引負(fù)載大小反饋到計(jì)算模塊，形成輔助閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)變速系統(tǒng)雙重智能控制。

圖3 拖拉機(jī)變速系統(tǒng)控制流程設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.3 Schematic diagram of control flow design of variable speed system of the tractor

拖拉機(jī)的變速更換檔位需結(jié)合其控制原理進(jìn)行優(yōu)化，如圖4所示。圖4中的選檔位與換檔位布置采用正交組合且共用一套聯(lián)動(dòng)變速組件：電磁閥5控制選檔位液壓缸6，執(zhí)行選檔命令；電磁閥8控制換檔位液壓缸7，執(zhí)行選檔命令；中間有緩沖過渡延時(shí)，確保了變速系統(tǒng)智能調(diào)速的平穩(wěn)性，同時(shí)結(jié)構(gòu)較為緊湊，方便維護(hù)。

1.液壓泵 2.溢流閥 3.壓力繼電器 4.蓄能器 5.電磁換向閥 6.選檔位液壓缸 7.換檔位液壓缸 8.電磁換向閥圖4 拖拉機(jī)變速系統(tǒng)控制原理簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic diagram of control principle of the speed control system of the tractor

2.3 智能顯示設(shè)計(jì)

智能顯示模塊可以幫助拖拉機(jī)駕駛員更為準(zhǔn)確地掌握整機(jī)在作業(yè)過程的運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)駕駛員作業(yè)需求，將智能顯示系統(tǒng)進(jìn)行模塊分解(見圖5)，主要包含了開關(guān)量采集、模擬信號(hào)處理及故障信息處理、LED蜂鳴驅(qū)動(dòng)等8項(xiàng)模塊及外圍必需線路等。

圖5 拖拉機(jī)智能顯示系統(tǒng)模塊分解圖Fig.5 Decomposition diagram of the intelligent display system module of the tractor

根據(jù)拖拉機(jī)智能顯示設(shè)計(jì)，針對(duì)信息采集、處理與轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)進(jìn)行編程，形成主程序下的分模塊子程序執(zhí)行模式，包括I/O初始化、設(shè)置中斷及A/D初始化等程序，實(shí)現(xiàn)后臺(tái)控制。此處給出顯示系統(tǒng)脈沖采集模塊的程序片段：

ISR(ISR_MODULUS)

dataEctCounter = testEctCounter;

Temp = PACN32;

PACN32=0;

dataVehPulseNum[idxVehPulseNum]

=Temp;

Data VehPulseCounter = 0;

if(++idx VehPulseNum)>9

{

(2)沙一段為咸化湖沉積，沙二段與沙三段的沉積類型為多物源富礫沉積的扇三角洲沉積，并在南岸廣泛分布，同時(shí)有少數(shù)水下沖積扇在工區(qū)北部發(fā)育。

idx VehPulseNum = 0;

}

dataCurrentVehPulseNum+=Temp;

if(dataCurrentVehPulseNum>=

PULSE_NUM_100METERS_P)

{

dataOldMeters+= 100;

dataCurrentVehPulseNum-=

PULSE_NUM_100METERS_P;

}

dataCurrentMeters= dataCurrentVehPulseNum;

dataCurrentMeters *= 31416;

dataCurrentMeters/=

(word)REAR_AXLE_r_P;

}

3 智能化測(cè)試

3.1 前置條件

進(jìn)行智能化測(cè)試，選取一較為平整的田間地塊，搭建如圖6所示的自動(dòng)控制試驗(yàn)平臺(tái)，主要包含角度測(cè)量、比例控制、導(dǎo)航顯示與中心控制等模塊，以確保避免不可控因素的干擾。同時(shí)設(shè)置：

1) 考慮不同速度工況下的拖拉機(jī)控制效果，包括定速與變速；

2) 拖拉機(jī)前輪角度傳感裝置的參數(shù)范圍為±45°；

3) 測(cè)量模塊實(shí)時(shí)準(zhǔn)確開啟，保證獲取信息及時(shí)；

4) 轉(zhuǎn)向控制儀器、測(cè)量單元精度選型在要求范圍內(nèi)。

1.轉(zhuǎn)角傳感裝置 2.比例控制裝置 3.導(dǎo)航控制顯示 4.控制中心和測(cè)量模塊 5.移動(dòng)站接收裝置 6.電源模型和驅(qū)動(dòng)裝置 7.基站接收裝置 8.基準(zhǔn)站圖6 拖拉機(jī)設(shè)計(jì)試驗(yàn)主要裝置Fig.6 Main equipment of the tractor design test

圖7為拖拉機(jī)智能化測(cè)試模塊的連接示意圖。圖7中，電源模塊分別提供5、12、24V等電源電壓，不同要求地驅(qū)動(dòng)智能轉(zhuǎn)向裝置、拖拉機(jī)前輪驅(qū)動(dòng)裝置和位移傳感裝置等。其中，ARM芯片與智能轉(zhuǎn)向間的數(shù)據(jù)通過實(shí)時(shí)閉環(huán)對(duì)比調(diào)整，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)的田間自動(dòng)化控制。

圖7 拖拉機(jī)智能化測(cè)試模塊連接示意圖Fig.7 Schematic diagram of intelligent testing module connection of the tractor

3.2 過程分析

通過數(shù)據(jù)記錄與處理，得出如圖8所示的拖拉機(jī)系統(tǒng)智能優(yōu)化后的整機(jī)效率。由圖8可知：在目標(biāo)車速控制在20km/h的平穩(wěn)狀態(tài)下，給予20～40kN的牽引負(fù)載，此時(shí)的拖拉機(jī)作業(yè)效率良好，可達(dá)40%以上，較自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用前提升22%左右。

圖8 自動(dòng)控制優(yōu)化后拖拉機(jī)作業(yè)效率Fig.8 Operation efficiency of the tractor after the automatic control optimization

進(jìn)一步對(duì)智能化測(cè)試所得數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，得出如表3所示的主要測(cè)試參數(shù)對(duì)比。

表3 拖拉機(jī)智能化測(cè)試主要數(shù)據(jù)Table 3 Main data of the intelligent test of the tractor %

由表3可知：選取導(dǎo)航系統(tǒng)誤差率、變速控制靈敏度、智能顯示準(zhǔn)確率及整車綜合作業(yè)效率作為測(cè)試參數(shù)評(píng)定指標(biāo)，導(dǎo)航系統(tǒng)誤差率由優(yōu)化前的8.70%降低至6.30%，智能顯示準(zhǔn)確率由75.83%提高至89.50%，優(yōu)化效果明顯。

4 結(jié)論

1) 自動(dòng)化改進(jìn)從3大方面進(jìn)行展開，分別為導(dǎo)航控制模塊、變速控制模塊和智能顯示模塊，通過導(dǎo)航加入擾動(dòng)補(bǔ)償功能、變速實(shí)現(xiàn)多段HMCVT、智能顯示后臺(tái)程序精確調(diào)控等細(xì)節(jié)優(yōu)化，形成較為協(xié)調(diào)的拖拉機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

2)自動(dòng)化控制技術(shù)在拖拉機(jī)上的應(yīng)用與優(yōu)化試驗(yàn)表明：在拖拉機(jī)目標(biāo)車速與牽引負(fù)載為變量參數(shù)的條件下，優(yōu)化后的拖拉機(jī)整車作業(yè)效率得到明顯提高，具有較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和推廣意義。