電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動控制方法研究

（咸陽職業(yè)技術學院，陜西咸陽市，721000） 李圣榮

柴油拖拉機在燃燒時排放的尾氣會造成環(huán)境污染，不僅會排出一氧化碳、碳氫化合物、氮氧化合物、硫化物等等，還會排出同體顆粒與光化學煙霧等等，直接加劇溫室效應、破壞臭氧層等一系列自然災害，嚴重影響著資源消耗與農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展[1]。而電能拖拉機清潔高效、易于控制使用、投入成本低，是未來拖拉機行業(yè)主要發(fā)展方向與研究熱點。

1 電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動模式

1.1 田間作業(yè)模式

不同于電動車輛，電動拖拉機負責田間與溫室大棚的耕耙與旋耕等作業(yè)，所以田間作業(yè)模式是電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動控制方法的重中之重。據(jù)此模式下以電機效率為載體優(yōu)化控制，獲得驅動電機轉速與電池組SOC狀態(tài)時最佳需求轉矩，以有效控制驅動電機，實現(xiàn)電機輸出效率最大化。

1.2 運輸作業(yè)模式

電動拖拉機在田間轉移與公路運輸模式下基于模糊控制理論，以拖拉機行駛速度為控制目標，嚴格控制驅動電機輸出轉矩，以提升運輸作業(yè)效率。

1.3 能力限制模式

所謂能量限制模式即動力電池所提供能量相對有限，或許電池SOC已經(jīng)接近設定的SOC最低限度。這時需明確限制電機扭矩輸出，以便于維持電動拖拉機緩慢行駛到達指定地點維修或者充電[2]。

2 電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動控制方法

2.1 整車數(shù)學模型

電動拖拉機行駛環(huán)境與運行狀態(tài)不同于電動汽車，其既要旋耕、犁耕又要田間轉移、運輸，因此在不同運行狀態(tài)下的受力大不相同。基于電動拖拉機作業(yè)狀態(tài)對其進行受力分析，以獲取驅動力平衡方程，F(xiàn)f 代表電動拖拉機驅動力，F(xiàn)m代表電動拖拉機行駛時所受土壤阻力，F(xiàn)n 代表加速阻力，F(xiàn)v 代表風阻，即：

基于電動拖拉機驅動力平衡方程進行整車數(shù)學模型構建，模型中以滾動阻力、犁耕阻力、加速阻力明確電動拖拉機正常運行狀態(tài)下所需驅動力。需求的牽引力就實際需要輸出的加速度進行計算，并通過輸出的牽引力計算可以加速度的輸出值。

2.2 驅動控制方法

電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動控制主要以三種基礎目標為載體，具體即基于滑轉率、基于扭矩、基于速度，各有利弊。其中滑轉率控制方法需實時檢測作業(yè)土壤的最優(yōu)滑轉率，對于傳感器要求非常高，并且不同農(nóng)田環(huán)境之下的最優(yōu)滑轉率存在顯著差異，適度調整是此控制方法的關鍵。扭矩控制方法即就給定目標扭矩或者按照現(xiàn)階段土壤可承受最大土壤推力加以控制。速度控制方法即以特定工作速度，調整輸出扭矩，穩(wěn)定車速于恒定狀態(tài)，此控制方法需同時檢測滑轉率。目前電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動控制方法主要是上述三種方法的組合與拓展。

電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)田間定速驅動控制方法，具體即控制目標精準化，實時識別車速變化，將其轉換成所需驅動扭矩，針對性評估此時單個電機是否處于高效區(qū)域，是否過載，是否需要切換到耦合狀態(tài)。若是需要耦合則雙電機轉速需先保持同步狀態(tài)，再接合離合器，以實現(xiàn)動力耦合輸出。需求轉矩自適應控制原理具體劃分為三個主要模塊，即信號輸入、需求計算、執(zhí)行控制。信號輸入模塊基于傳感器測量的實際車速、驅動輪轉速進行滑轉率計算。通過輸入油門踏板行程、工作模式、檔位，進行駕駛員意圖計算分析。需求計算模塊則就滑轉率與駕駛員意圖對需求扭矩進行計算，再轉換成電機控制信號輸入于控制執(zhí)行模塊。最后就實際需要扭矩輸入模糊PID 控制器內，轉換控制信號為電機輸出扭矩[3]。

2.3 定速自適應控制器

電動拖拉機定速自適應控制器主要劃分為信號輸入、輸出扭矩計算、控制執(zhí)行三部分。其中信號輸入主要就駕駛員踏板和拖拉機行駛狀態(tài)檢測目標車速和實際車速；輸出扭矩計算主要就目標車速計算電機轉速，以實際車速計算輸出扭矩需要提高或者減少；控制執(zhí)行主要就田間負載變化，以模糊推理自整定PID 控制算法中的主要控制參數(shù)，實現(xiàn)不同負載情況的自適應控制[4]。

2.3.1 信號輸入

電動拖拉機行駛時駕駛員基于油門踏板開度控制度實現(xiàn)車速控制。大部分情況下油門踏板行程需轉化成實際扭矩輸出，但是犁耕工況時受限于土壤含水與土塊黏聚等現(xiàn)象，土壤阻力變化頻繁快速，以至于單純依賴于油門踏板獲取輸出扭矩，很容易造成拖拉機形式速度不穩(wěn)定。在此形勢下應設計駕駛員輸入即踏板信號、滑轉率信號為輸入信號，其中踏板信號的作用是識別駕駛員意圖，轉換目標明確車速，滑轉率信號的作用是象征土壤條件，以此為反饋信號，就滑轉率計算需求進行扭矩輸出。

2.3.2 扭矩計算

電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動定速控制方法的目標在于車速，所以加速踏板開度作為駕駛員意圖應與期望車速相關聯(lián)。若是只檢測滑轉率和駕駛員意圖，則駕駛員期望保持恒定速度前進的時候會發(fā)生兩種不同狀況，即土壤附著力下降，需降低電機輸出功率以縮減驅動扭矩；牽引阻力提高，需增加驅動扭矩以增強驅動力。據(jù)此可見，盡管車輪滑轉具有唯一性，但是卻由兩種不同原因造成，且需針對電機輸出進行相反控制，以增加或者減少輸出扭矩。為避免額外增加傳感器，提高系統(tǒng)成本，應采取以滑轉率變化為基礎的計算方法。所以若是檢測發(fā)現(xiàn)滑轉率增加，則適度增加電機輸出扭矩，以檢測滑轉率變化動態(tài)評估這時增加或者減少輸出扭矩。

2.3.3 控制執(zhí)行

電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)驅動恒速控制一般以PID 加以控制，PID 控制以其結構簡單且可靠性較高為優(yōu)勢在線性系統(tǒng)中可有效發(fā)揮良好控制效果，現(xiàn)階段普遍應用于運動控制與過程控制。但是實際環(huán)境一般促使拖拉機負載具備非線性與時變性特征，所以傳統(tǒng)PID 控制此時會出現(xiàn)參數(shù)整定不齊，復雜工況適應度較差的現(xiàn)象。所以基于PID 控制進行優(yōu)化，可有機結合神經(jīng)網(wǎng)絡、模糊控制、迭代學習等智能控制算法，確保其可高度適應復雜工況。PID 控制算法需前置低通濾波器，以促使控制器對于土壤隨機波動不會太過敏感，否則滑轉率稍微變化便需調整電機，會導致超調量增加，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 結語

電動拖拉機整車控制器以系統(tǒng)自檢發(fā)現(xiàn)無嚴重故障，再根據(jù)電動拖拉機檔位狀態(tài)、加速踏板信號、提高裝置位置信號、SOC 狀態(tài)與其他傳感器所檢測信號合理規(guī)劃驅動時的運行模式。本文主要對電動拖拉機數(shù)學模型系統(tǒng)定速驅動控制方法進行了詳細分析，其可通過檢測實際車堵與目標車速之間的差異實現(xiàn)驅動控制。