拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)現(xiàn)狀與展望*

陶倩文，閆祥海，仝一錕，閆宇翔，徐立友

(河南科技大學(xué)車輛與交通工程學(xué)院，河南省汽車節(jié)能與新能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南洛陽，471000)

0 引言

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要內(nèi)容和標(biāo)志之一，在《中國制造2025》實(shí)施綱要中，智能農(nóng)機(jī)裝備被列為重點(diǎn)發(fā)展的十大領(lǐng)域之一[1]。拖拉機(jī)作為主要農(nóng)用機(jī)械，配合農(nóng)機(jī)具可完成犁耕、旋耕、植保、打捆等多種形式的農(nóng)業(yè)作業(yè)[2]。由于拖拉機(jī)作業(yè)情況復(fù)雜、設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域廣泛、試驗(yàn)驗(yàn)證困難，拖拉機(jī)工業(yè)的發(fā)展就尤其重視試驗(yàn)工作。拖拉機(jī)試驗(yàn)主要有計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)、室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)、室外實(shí)車試驗(yàn)3種方式，室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)是拖拉機(jī)產(chǎn)品開發(fā)中從計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)到室外實(shí)車試驗(yàn)的關(guān)鍵一環(huán)，是拖拉機(jī)產(chǎn)品研發(fā)過程中廣泛采用的一種試驗(yàn)手段[3]。與計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)相比，室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)往往只適用于研究初期；與室外實(shí)車試驗(yàn)相比，室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)具有不受外界自然環(huán)境限制的優(yōu)點(diǎn)，且拖拉機(jī)零部件的布置也不受整車總布置限制。拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)主要有動(dòng)力總成控制技術(shù)、負(fù)載模擬技術(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)技術(shù)。本文對(duì)國內(nèi)外拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)今后拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，提出拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)的未來發(fā)展方向。

1 動(dòng)力總成控制技術(shù)

根據(jù)能源類型的不同，拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的動(dòng)力設(shè)備分為電池—電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)。動(dòng)力總成控制技術(shù)主要是指對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、電機(jī)輸出動(dòng)力的控制。根據(jù)試驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，各動(dòng)力總成之間的連接關(guān)系可以是串聯(lián)、并聯(lián)或混聯(lián)[4]。動(dòng)力總成控制技術(shù)的核心是動(dòng)力控制系統(tǒng)，由軟件和硬件兩部分構(gòu)成，主要包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、電池—電機(jī)控制，而控制系統(tǒng)研發(fā)的重點(diǎn)集中在控制軟件開發(fā)和控制策略研究上[5-11]。動(dòng)力總成控制算法的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)需求轉(zhuǎn)矩在發(fā)動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)之間的合理分配，以獲得最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性和排放水平等綜合性能。動(dòng)力總成控制算法優(yōu)化是拖拉機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)，智能優(yōu)化算法能實(shí)現(xiàn)全局、并行高效優(yōu)化，具有魯棒性和通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于計(jì)算機(jī)科學(xué)、組合優(yōu)化、工程優(yōu)化設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，應(yīng)用于拖拉機(jī)動(dòng)力總成控制的常用算法有GA、PSO、SA、蟻群算法(Ant Colony Algorithm，ACO)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Artificial neural networks，ANN)?？刂撇呗缘难芯慷嗉杏趧?dòng)力總成參數(shù)匹配及能量分配上[12-15]，近年來，已有不少學(xué)者對(duì)此展開研究，牛禮民等[16]提出了一種多能源動(dòng)力總成的智能體控制方法，利用單智能體的智能行為和多智能體的協(xié)作能力解決了拖拉機(jī)對(duì)復(fù)雜路況的自適應(yīng)問題；夏長高等提出了一種以超級(jí)電容作為輔助電源的新型純電動(dòng)拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)及能量管理研究方案，有效提升了電動(dòng)拖拉機(jī)的加速性能、牽引力和一次充電作業(yè)時(shí)間；鄭永霞等[17]針對(duì)裝備CVT的混合動(dòng)力汽車，提出了一種以混合動(dòng)力系統(tǒng)效率最高為優(yōu)化目標(biāo)，以車速、加速踏板行程和電池SOC為狀態(tài)變量，以電機(jī)轉(zhuǎn)矩和CVT速比為控制變量的中度混合動(dòng)力汽車能量優(yōu)化策略。

1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)

拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已進(jìn)入電子時(shí)代，發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，圍繞點(diǎn)火控制系統(tǒng)、怠速控制系統(tǒng)、空燃比控制系統(tǒng)、電子節(jié)氣門控制系統(tǒng)、燃油噴射控制系統(tǒng)、渦輪增壓控制系統(tǒng)、爆震檢測控制系統(tǒng)及汽油先進(jìn)燃燒模式控制等方面的技術(shù)不斷涌現(xiàn)。隨著混合動(dòng)力拖拉機(jī)和電動(dòng)拖拉機(jī)的發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和電動(dòng)機(jī)功率匹配協(xié)調(diào)控制也逐步成為研究熱點(diǎn)，楊學(xué)青[18]提出了一種采用緩沖器轉(zhuǎn)交差的反饋方法來對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)—電機(jī)集成系統(tǒng)進(jìn)行反饋控制，提高了電機(jī)和發(fā)動(dòng)機(jī)之間的動(dòng)力耦合裝置—緩沖器的可靠性。拖拉機(jī)作業(yè)越來越智能化、自動(dòng)化、節(jié)能化；王曉光等基于Android技術(shù)，結(jié)合嵌入式控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套拖拉機(jī)自動(dòng)化作業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)智能啟停遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)；Rossetti等[19]對(duì)裝有連續(xù)液力機(jī)械傳動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)的管理進(jìn)行了研究，提出一種將發(fā)動(dòng)機(jī)的最低油耗控制策略擴(kuò)展到發(fā)動(dòng)機(jī)—變速器組即整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)的方法。

1.2 電機(jī)控制技術(shù)

電機(jī)是指依據(jù)電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換或傳遞的一種電磁裝置，隨著拖拉機(jī)車輛的智能化[20-21]，電機(jī)控制技術(shù)呈現(xiàn)出多元化增長，文獻(xiàn)[22-23]以電機(jī)為執(zhí)行元件的定位控制技術(shù)在農(nóng)機(jī)自動(dòng)導(dǎo)航轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。目前電動(dòng)拖拉機(jī)使用的電機(jī)系統(tǒng)主要有異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩種，王雪迪等[24]以試驗(yàn)證明異步發(fā)電技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間能量快速傳遞的功能；李宇翔等[25]通過電流滯環(huán)控制和模糊PI自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)電流和速度的控制。對(duì)于電機(jī)的控制，常用的是矢量控制和直接轉(zhuǎn)矩控制，模糊控制和魯棒控制是兩種常見新型轉(zhuǎn)矩控制技術(shù)，其中矢量控制因其良好的控制特性而應(yīng)用廣泛。

1.3 電池及能量管理技術(shù)

電池為電動(dòng)拖拉機(jī)、混合動(dòng)力拖拉機(jī)提供動(dòng)力源，電池的熱管理一直是制約其發(fā)展的技術(shù)瓶頸，主要制約因素是電池的質(zhì)量和價(jià)格，目前正在研發(fā)的電動(dòng)拖拉機(jī)用電池類型及其優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示，鉛酸電池原材料便宜、技術(shù)成熟，改進(jìn)后的鉛酸電池是電池市場的有利競爭者，鋰離子電池能量密度大和能量效率高的特性有效解決了純電動(dòng)拖拉機(jī)的續(xù)航問題和加速問題，因此電動(dòng)拖拉機(jī)目前主要采用的是鉛酸電池和鋰離子電池。Raugei等[26]提出一種新的磷酸鈷鋰(LCP)配方的鋰離子電池，這種電池的熱穩(wěn)定性得到提高，從而改善了鋰離子電池的安全性能。電池的能量管理指通過對(duì)電池組充放電過程的控制使得電池充放電均衡，使放電滿足不同工況對(duì)能量的需求，盡可能地提高電池的使用壽命。與汽車不同，拖拉機(jī)除了運(yùn)輸作業(yè)外，主要工況是田間作業(yè)，拖拉機(jī)的能量管理比汽車更加復(fù)雜，因此電動(dòng)拖拉機(jī)對(duì)動(dòng)力電池有特殊要求，要求動(dòng)力電池具有較大充放電功率的能力和較高的效率；要求在快速充放電過程中和復(fù)雜多變工況條件下動(dòng)力電池要具有相對(duì)穩(wěn)定性。劉孟楠等[27]設(shè)計(jì)了基于超級(jí)電容并聯(lián)動(dòng)力電池組的電動(dòng)拖拉機(jī)能量系統(tǒng)方案，在此基礎(chǔ)從事了基于模式控制的電動(dòng)拖拉機(jī)能管策略研究；李萬敏等[28]提出一種基于超級(jí)電容和蓄電池組合電源的混合動(dòng)力拖拉機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)，如圖1所示，這種動(dòng)力控制系統(tǒng)將3種動(dòng)力源并聯(lián)，能夠有效減少拖拉機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行模式頻繁切換導(dǎo)致蓄電池頻繁瞬時(shí)峰值大電流充放電，可以實(shí)現(xiàn)混合動(dòng)力的能量最優(yōu)分配，進(jìn)一步提高整機(jī)的動(dòng)力性、燃油經(jīng)濟(jì)性及排放性能。

表1 電池類型及優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比Tab.1 Battery types and comparison of advantages and disadvantages

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of power system

2 負(fù)載模擬技術(shù)

根據(jù)拖拉機(jī)的工況不同，負(fù)載可分為靜態(tài)負(fù)載、動(dòng)態(tài)負(fù)載，在試驗(yàn)臺(tái)上主要研究負(fù)載的實(shí)現(xiàn)方法與技術(shù)[29]。對(duì)拖拉機(jī)負(fù)載的模擬最開始是利用轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)[30]，如圖2所示，但是由于其安裝精度不高且不能用于履帶式拖拉機(jī)，后來逐步轉(zhuǎn)用電動(dòng)機(jī)作為測功機(jī)的方式來模擬負(fù)載，如圖3所示。一般情況下，臺(tái)架使用測功機(jī)來模擬拖拉機(jī)的路面行駛負(fù)載，使用可調(diào)慣量的飛輪組來模擬拖拉機(jī)的慣性負(fù)載[31]，由于飛輪箱加工制造困難且飛輪組也不能實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)機(jī)械慣量的無極模擬，現(xiàn)如今，越來越多的臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)采用測功機(jī)來同時(shí)進(jìn)行道路阻力及慣性阻力的動(dòng)態(tài)模擬。

圖2 轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)Fig.2 Drum test bench

測功機(jī)用于模擬拖拉機(jī)負(fù)載時(shí)，通常有兩種模式：穩(wěn)態(tài)負(fù)載模擬模式和動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬模式[32]。穩(wěn)態(tài)負(fù)載模擬模式是指測功機(jī)輸出預(yù)定義的恒定扭矩負(fù)載，這種模式?jīng)]有考慮拖拉機(jī)在加減速時(shí)的慣性負(fù)載，一般用于測試被試件在穩(wěn)態(tài)工況下的輸出特性，比如疲勞壽命試驗(yàn)[33]，這種工況模式遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到對(duì)其各項(xiàng)工作指標(biāo)的測試要求。目前國內(nèi)對(duì)負(fù)載模擬的研究就主要集中在測功機(jī)穩(wěn)態(tài)負(fù)載模擬方面，國內(nèi)交流電力測功機(jī)研究和制造的單位很少，以交流電力測功機(jī)為核心的動(dòng)力與傳動(dòng)裝置的技術(shù)研究和測試設(shè)備開發(fā)能力70%以上的市場都被德國、奧地利等大公司壟斷[34]。動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬模式是指測功機(jī)實(shí)時(shí)模擬拖拉機(jī)在實(shí)際路面上行駛時(shí)隨時(shí)間變化的負(fù)載，包括行駛負(fù)載及慣性負(fù)載，一般用于測試驅(qū)動(dòng)電機(jī)或整車的動(dòng)力性能、燃油經(jīng)濟(jì)性能及與之相關(guān)的控制策略，這種模式下，被試件的動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)態(tài)特性均能被測試。因此，拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)是臺(tái)架具備動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬能力，其本質(zhì)是在臺(tái)架上進(jìn)行拖拉機(jī)性能測試時(shí)，臺(tái)架能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)地還原拖拉機(jī)在實(shí)際路面行駛時(shí)的載荷，只有臺(tái)架模擬的載荷與實(shí)際路面上拖拉機(jī)的行駛載荷在一定精度范圍內(nèi)相近，臺(tái)架試驗(yàn)才有意義[35]。負(fù)載模擬算法精度直接決定了臺(tái)架試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可信度，必須保證高精度的負(fù)載模擬以適應(yīng)拖拉機(jī)不同的測試需求，在設(shè)計(jì)負(fù)載模擬算法時(shí)不僅要考慮控制傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信控制系統(tǒng)，還要考慮控制網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí)滯的影響。

目前，動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)主要由以下幾種方法。文獻(xiàn)[36]基于前向模型跟蹤的方法設(shè)計(jì)了測功機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬算法，采用測功機(jī)閉環(huán)跟蹤模型車速的方法實(shí)現(xiàn)了測功機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬，如圖4所示為動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)模型根據(jù)扭矩儀測試的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速信號(hào)、駕駛員制動(dòng)信號(hào)及車輛的配置參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算拖拉機(jī)的負(fù)載，并通過測功機(jī)加載到傳動(dòng)軸，由此實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬[37]。文獻(xiàn)[38]提出了速度跟蹤的動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬方法，該方法針對(duì)近似線性負(fù)載模擬系統(tǒng)具有較好的效果。文獻(xiàn)[39-40]在對(duì)測功機(jī)應(yīng)用反饋閉環(huán)和前饋控制的基礎(chǔ)上，對(duì)被試驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用PI估計(jì)器對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)。這種方法是一種非線性控制方法，能研究系統(tǒng)的非線性動(dòng)力學(xué)特征并給予修正，通常應(yīng)用于非線性因素嚴(yán)重或者需要較高負(fù)載模擬準(zhǔn)確度的負(fù)載模擬系統(tǒng)中。

圖4 動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram of dynamic load simulation bench test system

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括數(shù)據(jù)的采集、傳輸與分析。拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的數(shù)據(jù)采集與處理由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，通過A/D數(shù)據(jù)采集卡和脈沖采集卡將試驗(yàn)現(xiàn)場的工作參數(shù)采集到計(jì)算機(jī)中，同時(shí)，通過D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換卡將計(jì)算機(jī)的控制信息送到拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的工作現(xiàn)場，控制相應(yīng)的執(zhí)行部件完成預(yù)定的動(dòng)作[41]。

數(shù)據(jù)采集(DATA Acquisition)就是要將獲取的信息通過傳感器轉(zhuǎn)換信號(hào)，經(jīng)過調(diào)理、采樣、量化、編碼和傳輸?shù)炔襟E，最后送往計(jì)算機(jī)的控制系統(tǒng)中進(jìn)行處理、分析，并最終顯示結(jié)果。拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架測控?cái)?shù)據(jù)來源于數(shù)據(jù)采集模塊，數(shù)據(jù)采集模塊包括試驗(yàn)參數(shù)相關(guān)信息的采集、安全監(jiān)視信號(hào)的采集和計(jì)算機(jī)雙向數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)測控精度研究起決定性作用。拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)的采集主要包括土壤、整機(jī)、環(huán)境3個(gè)方面[42]。在農(nóng)田土壤數(shù)據(jù)采集時(shí)，由于農(nóng)田環(huán)境復(fù)雜往往需要采用多傳感器的形式對(duì)土壤的水分、濕度及養(yǎng)分進(jìn)行采集；對(duì)拖拉機(jī)整機(jī)而言需要采用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀、壓力傳感器、流量傳感器、溫度傳感器、電流電壓傳感器對(duì)整機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩、壓力、流量、溫度、電流電壓信號(hào)進(jìn)行采集；受各種植物的影響，拖拉機(jī)作業(yè)環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)多采用激光雷達(dá)(Light detection and ranging，LiDAR)作為環(huán)境感知傳感器[43]。如圖5所示為點(diǎn)云采集系統(tǒng)通信與供電通路圖，基于激光雷達(dá)的農(nóng)田環(huán)境點(diǎn)云采集系統(tǒng)采用功能模塊化設(shè)計(jì)，可獲取多角度、多層次的環(huán)境點(diǎn)云信息。通過車體位姿采集模塊獲取了車體準(zhǔn)確的絕對(duì)位置與相對(duì)姿態(tài)信息；通過數(shù)據(jù)融合模塊接收并融合環(huán)境點(diǎn)云數(shù)據(jù)與車體位姿數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取了位姿補(bǔ)償后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；設(shè)計(jì)了穩(wěn)定的安裝結(jié)構(gòu)和可靠的供電與數(shù)據(jù)通路，確保農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)與車體位姿信息的有效獲取。

圖5 點(diǎn)云采集系統(tǒng)通信與供電通路圖Fig.5 Point cloud acquisition system communication and power supply path diagram

接著將從土壤、整機(jī)、環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)再傳輸給拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的處理器，目前測試平臺(tái)所采用的數(shù)據(jù)傳輸方案大致可分為有線傳輸和無線傳輸兩種，有線傳輸?shù)姆桨赣捎趯?dǎo)線容易磨損和布線難等問題并不適用于疲勞性測試項(xiàng)目，而現(xiàn)有的無線技術(shù)已經(jīng)完全能夠滿足大部分系統(tǒng)的傳輸速度需要。

最后拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的處理器對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通常處理步驟為降噪、濾波、擬合、特征提取。在分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)特征的基礎(chǔ)上，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪處理，采用合適的信號(hào)降噪處理方法可以提高測試的可靠性、減少試驗(yàn)次數(shù)和降低測試成本，保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)能更真實(shí)地反映拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，目前試驗(yàn)數(shù)據(jù)的常規(guī)降噪方法主要是基于傅里葉變換的降噪法、小波變換降噪法和奇異值分解法[44]，如表2所示為所述降噪方法的優(yōu)缺點(diǎn)分析。文獻(xiàn)[45]提出一種采用小波降噪與短時(shí)傅里葉變換相結(jié)合對(duì)主軸振動(dòng)特征信息進(jìn)行準(zhǔn)確提取的方法，該方法可以對(duì)主軸運(yùn)行過程中產(chǎn)生的非平穩(wěn)信號(hào)進(jìn)行降噪處理。近年來，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于具有自適應(yīng)性、自組織性、學(xué)習(xí)能力等優(yōu)勢，而被應(yīng)用于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中，通過設(shè)計(jì)并訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，使得信號(hào)降噪數(shù)據(jù)處理的精度得到提高。在拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架數(shù)據(jù)采集的過程中得到的數(shù)據(jù)往往不僅存在噪聲，還有一些隨機(jī)的不規(guī)則的干擾信號(hào)，這些干擾信號(hào)分成內(nèi)部和外部干擾兩種，外部干擾主要來源于各種電器設(shè)備，比如用電設(shè)備的啟停、脈沖電流、可控硅整流、大電流輸電線周圍產(chǎn)生的交變磁場；內(nèi)部的干擾主要是裝置本身引起的各種干擾。為了剔除和減少這些不規(guī)則干擾信號(hào)，需要對(duì)其進(jìn)行濾波，常規(guī)的濾波方法有卡爾曼濾波、均值濾波、中值濾波和高斯濾波。在試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過降噪和濾波處理之后，利用Matlab對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，擬合方法有最小二乘法、多項(xiàng)式的插值擬合、Bezier曲線的插值擬合、B樣條曲線擬合，最小二乘法是最普通的擬合方法，但擬合的曲線容易失去拐點(diǎn)信息，一些重要數(shù)據(jù)甚至?xí)霈F(xiàn)嚴(yán)重的失真，使用三次的B樣條或者Bezier曲線進(jìn)行逐段擬合，通過反算控制點(diǎn)，進(jìn)行擬合曲線的優(yōu)化是解決拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)處理的一種較好的方法，并且易于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)[46]。之后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)特征進(jìn)行提取，提取方法有時(shí)頻域三種方法，特征提取時(shí)域方法為脈寬特性和波形比較法，時(shí)頻域結(jié)合的方法為小波變換模最大值和歐氏距離結(jié)合法，處理后的數(shù)據(jù)上傳至PC端進(jìn)行顯示并存儲(chǔ)。

表2 常用降噪方法及其優(yōu)缺點(diǎn)Tab.2 Common noise reduction methods and their advantages and disadvantages

4 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)技術(shù)

不同的試驗(yàn)臺(tái)架其試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)也不盡相同。與道路車輛不同，拖拉機(jī)的動(dòng)力性以犁耕工況下的牽引力、牽引效率及運(yùn)輸工況下的爬坡度、最大載質(zhì)量作為該驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，混合動(dòng)力拖拉機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以犁耕工況下勻速行駛的燃油消耗率、小時(shí)平均電能消耗量和等效能耗作為其經(jīng)濟(jì)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)。

農(nóng)業(yè)拖拉機(jī)的機(jī)動(dòng)性從動(dòng)力輸出軸性能、牽引性能、液壓提升性能三方面評(píng)價(jià)，環(huán)保性從燃油消耗量、廢氣排放量、小時(shí)平均電能消耗量三方面評(píng)價(jià)，安全性從翻車保護(hù)裝置(ROPS)性能、制動(dòng)性能、視野范圍三方面評(píng)價(jià)，舒適性從噪聲和振動(dòng)舒適性能方面評(píng)價(jià)。文獻(xiàn)[47]基于拖拉機(jī)動(dòng)力輸出軸(Power Take-off，簡稱“PTO”)試驗(yàn)臺(tái)，設(shè)計(jì)了改變拖拉機(jī)配置和試驗(yàn)輸入因素的比對(duì)試驗(yàn)，分析了現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)需求，確定了試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)的參數(shù)指標(biāo)，完成了試驗(yàn)臺(tái)的整體設(shè)計(jì)；文獻(xiàn)[48]為開展節(jié)能環(huán)保拖拉機(jī)特別是混合動(dòng)力拖拉機(jī)提供了動(dòng)力耦合裝置設(shè)計(jì)方案，該裝置能夠滿足拖拉機(jī)工作狀態(tài)下的工作特性要求；文獻(xiàn)[49]根據(jù)代表農(nóng)用拖拉機(jī)安全問題的機(jī)械危害、防護(hù)裝置(ROPS)、人體工程學(xué)和用戶行為等方面進(jìn)行系統(tǒng)的文獻(xiàn)綜述，描述了拖拉機(jī)在工程領(lǐng)域的安全狀況，為進(jìn)一步研究概述的新興主題奠定基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[50]梳理了拖拉機(jī)座椅舒適性評(píng)價(jià)方法和不同減振結(jié)構(gòu)的座椅懸架研究現(xiàn)狀，提出應(yīng)構(gòu)建更精準(zhǔn)的基于人體生理特征的評(píng)價(jià)體系，結(jié)合當(dāng)前的新材料與新技術(shù)，不斷提升拖拉機(jī)座椅的性價(jià)比和舒適性。拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)指標(biāo)錯(cuò)綜繁多，如果使用傳統(tǒng)的單維評(píng)價(jià)，就難以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果的客觀、準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，現(xiàn)多利用層次分析法(AHP)、模糊綜合評(píng)價(jià)法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)。如表3所示為試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)及不足之處，綜合考慮評(píng)價(jià)方法的特點(diǎn)和不足，通常將模糊綜合評(píng)價(jià)法與層次分析法相結(jié)合應(yīng)用于試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)中，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，可以使試驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)更加科學(xué)合理。

表3 試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)方法Tab.3 Evaluation method of test results

5 展望

從動(dòng)力總成、負(fù)載模擬、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果評(píng)價(jià)4個(gè)方面結(jié)合國內(nèi)外最新進(jìn)展對(duì)拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的總結(jié)和分析，拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展對(duì)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)的性能指標(biāo)起著導(dǎo)向性作用。今后拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展方向?yàn)橐韵聨讉€(gè)方面。

1)目前，動(dòng)力總成控制技術(shù)的研究工作多側(cè)重于第一大類簡單“附件式”混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)啟?？刂?、能量分配控制、制動(dòng)能量回收、混合驅(qū)動(dòng)模式切換過程動(dòng)態(tài)控制等方面。動(dòng)力總成控制技術(shù)的發(fā)展趨勢為探索不同優(yōu)化控制算法的互相協(xié)同與融合，實(shí)現(xiàn)復(fù)合控制，以獲取最優(yōu)的綜合控制性能。動(dòng)力總成控制系統(tǒng)研發(fā)的關(guān)鍵在于控制軟件的開發(fā)和控制策略的優(yōu)化，國內(nèi)研發(fā)者開發(fā)的軟件系統(tǒng)通常是針對(duì)局部工藝流程開發(fā)的，算法研究則大多數(shù)是在Matlab,Python等編譯環(huán)境下進(jìn)行的，仿真的精度有待提高，從研究到工業(yè)應(yīng)用的研發(fā)周期也長。因此，未來應(yīng)自主開發(fā)兼容多種編譯環(huán)境的運(yùn)行優(yōu)化控制集成系統(tǒng)的農(nóng)機(jī)控制軟件平臺(tái)。

2)要在臺(tái)架上研究拖拉機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，關(guān)鍵是需要測功機(jī)能模擬整車在動(dòng)態(tài)工況下的負(fù)載，而動(dòng)態(tài)工況負(fù)載模擬算法是實(shí)現(xiàn)負(fù)載模擬的關(guān)鍵，國內(nèi)對(duì)負(fù)載的模擬主要集中在穩(wěn)態(tài)負(fù)載模擬方面，這已不能滿足拖拉機(jī)試驗(yàn)的需求。今后應(yīng)不斷優(yōu)化動(dòng)態(tài)工況負(fù)載模擬算法，提高負(fù)載模擬算法精度，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)負(fù)載模擬算法在測功機(jī)上的應(yīng)用。

3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理首先要解決的問題就是試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，傳感器的性能直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集顯示系統(tǒng)的整體性能，由于農(nóng)田環(huán)境的復(fù)雜性，在今后的發(fā)展中應(yīng)采用多傳感器或者激光雷達(dá)的形式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集[51]。針對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的降噪方法，未來應(yīng)采用主成分分析提取有用信號(hào)的方法，結(jié)合設(shè)計(jì)訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，提高數(shù)據(jù)降噪精度。設(shè)計(jì)試驗(yàn)臺(tái)測控系統(tǒng)必須解決好過程控制數(shù)據(jù)濾波問題，未來結(jié)合WinCC平臺(tái)，優(yōu)化數(shù)據(jù)濾波算法，既在前端自動(dòng)化設(shè)備上采取硬件濾波措施，也采取軟件數(shù)據(jù)濾波措施。為獲得比較合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合結(jié)果，今后應(yīng)考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)的權(quán)重系數(shù)，用粒子群算法改進(jìn)目標(biāo)函數(shù)，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，提高非線性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合能力?；贛ATLAB試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，開發(fā)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理軟件，才能提高拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)效率和質(zhì)量。

4)拖拉機(jī)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)涉及的因素較多，邊界模糊，較復(fù)雜，且存在多層次的關(guān)系，應(yīng)使用層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于單一評(píng)價(jià)法存在自身缺陷且受評(píng)價(jià)主體主觀影響大，未來的試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)趨勢是采用組合評(píng)價(jià)法，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行定性與定量的分析，對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，形成評(píng)價(jià)結(jié)果檢驗(yàn)系統(tǒng)理論，使評(píng)價(jià)過程更加客觀、有說服力，使試驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確合理。

6 結(jié)論

本文主要從動(dòng)力總成控制技術(shù)、負(fù)載模擬技術(shù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理技術(shù)和試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)技術(shù)4個(gè)方面對(duì)拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)的現(xiàn)狀進(jìn)行分析與展望，指出動(dòng)力總成控制算法優(yōu)化、動(dòng)態(tài)工況負(fù)載模擬算法優(yōu)化、試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法的前沿性、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)的客觀性是我國拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)技術(shù)發(fā)展方向，拖拉機(jī)室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)的研究是對(duì)我國測試領(lǐng)域的補(bǔ)充，對(duì)拖拉機(jī)的理論研究和技術(shù)成果的推廣具有重要意義。