电力自动控制系统的应用与传统式拖拉机优越性讨论分析

　　摘要：基于当前智能电力控制技术, 对拖拉机应用效果进行了优越性分析。在了解国内外拖拉机发展基础上, 结合拖拉机工作原理与作业特性, 选取模糊控制算法与PID自动调节方法, 对拖拉机的电力自动控制系统硬件构成及软件控制两大方面进行优化, 设计了电力控制部件变换电路、力位综合控制及传感与导航控制程序, 并进行试验性能验证。试验表明:电力自动控制系统的应用与传统式拖拉机相比, 位置定位、转角控制及作业深度等精准度得到提升, 实现了拖拉机驱动环节的混合动力控制, 整体作业效率提升了近45%左右, 能耗效率由8.9 kW·h/6 6 7 m2降低至5.7 kW·h/667m2, 所耗费用降低了20%左右。

　　关键词：拖拉机; 智能电力控制; 作业特性; 模糊控制算法; 力位综合控制; 能耗效率;

　　Abstract：Based on the current intelligent power control technology, the superiority application effect of tractor t is analyzed.Designing the power control unit conversion circuit, power integrated control and sensing and navigation control program and selecting the fuzzy control algorithm and PID automatic adjustment method by optimizing the hardware structure and software control of the electric power automatic control system of tractor based on the understanding of domestic and foreign tractor development, combined with the working principle and job characteristics of the tractor.The performance verification test were carried, and the test results show that the application of power automatic control system is improved compared with the traditional tractor, the position positioning, Angle control and operation depth are improved, the hybrid control of tractor driver link was implied, and the overall working efficiency increase nearly 45%, the energy consumption efficiency by 8.9 kW·h/667 m2 reduce to 5.7 kW·h/667 m2, the cost of reduced about 20%.The superiority analysis would be helpful for the tractor to realize the intelligent optimization operation more deeply, which also could provide some ideas and directions for the development of the new functional tractors.

　　Keyword：tractor; intelligent power control; job characteristics; fuzzy control algorithm; force level integrated control; energy consumption efficiency;

　　我国作为农作物种植与产出大国之一, 为不断提高农作物机具的作业效率, 对农用拖拉机进行结构优化与部件更新势在必行。传统的机械液压控制拖拉机存在作业精度不高、作业效率低下、燃油消耗较高等缺陷。近年来, 许多农业机械领域学者均从不同角度对其展开研发与优化, 先进的自动控制技术不断被应用, 如三维识别及自动导航技术等。鉴于我国当前农用机具发展的现状及精准农业应用的重要性, 笔者依据我国农业土壤环境及作物的种类, 针对通用性较为广泛的拖拉机展开电力控制系统应用优越性讨论分析。

　　1、控制理论与方法

　　传统的拖拉机由动力装置、传动装置及执行部件等构成, 根据其工作原理, 加入模糊控制算法理论与PID自动调节控制方法, 实现拖拉机的混合动力传动控制。图1为拖拉机力位综合控制简图。将模糊控制与电液比例组件相协调控制应用于作业力度与作业深度两个核心环节, 整机形成闭环调节, 较传统式的直线给力系统有较高的柔韧度与适应性。

图1 拖拉机力位综合控制简图

　　自适应调节控制的理论方程为

　　式中O (t) —控制系统的输出值;

　　O (t0) —控制系统的初始值;

　　t—时间 (s) ;

　　Ts—采样周期 (s) ;

　　e (t) —控制系统的输入偏差;

　　e (i) —控制系统的输入偏差变量;

　　Kc—比例环节的放大倍数;

　　Ti—积分环节的时间常数;

　　Td—微分环节的时间常数。

　　结合实际, 经理论计算给出表1所示的拖拉机调节控制设定取值, 主要包括单通道控制与双通道控制两种情形。

表1 拖拉机调节控制设定值

　　2、电力自动控制系统设计

　　2.1、硬件组成

　　根据拖拉机行进时具有的工作特性, 建立转矩与动力方程, 即

　　式中Pf—拖拉机行进机械阻力克服功率;

　　PAf—拖拉机行进空气阻力克服功率;

　　PTN—拖拉机行进牵引功率;

　　kAf—拖拉机行进时所受空气阻力系数;

　　A—整机迎风面积 (m2) ;

　　Vmax—最大运作速度 (m/s) ;

　　Tm—牵引电动机的有效转矩 (N·m) ;

　　in—变速装置转速比;

　　i0—中央传动装置转速比;

　　Rr—转动半径;

　　Gsmax—拖拉机机械部件最大力;

　　f—阻力系数。

　　进一步给出三相全桥式逆变器作为拖拉机电力控制部件变换电路 (见图2) , 根据此电路及各部件组成回路的电压计算机理, 得出拖拉机的动力源部件无刷直流电机的参数要求, 并进行合理选型;同时, 对拖拉机的电液控制阀执行部件同步性能进行优化。

图2 拖拉机电力控制部件变换电路

　　针对传感控制环节, 给出简易模型分布, 如图3所示。由图3可知:拖拉机的电力自动控制系统加装接线装置与显示控制装置, 测试部位安装定位域传感与感应器, 可实现信息准确发送, 较传统式拖拉机的组件提高了智能化执行作业水平。

图3 拖拉机传感控制模型示意

　　拖拉机实现导航控制须满足图4控制结构简图, 将GPS、电子罗盘、角度传感器与控制终端一并通过CAN总线实现拖拉机转向控制ECU的通信与信号传递, 并在拖拉机合适部位加装角度传感器等硬件装置。

图4 拖拉机导航控制结构图

　　2.2、软件设计

　　进行信号采集处理与反馈, 需电压与角度的关系建立恰当, 以便精确地给出转向控制要求。此处给出部分程序段如下:

　　电力自动控制系统以PC处理器为核心, 嵌入定位、转角、减振与中断处理等函数核心算法, 各项性能指标要求计算准确、进行迭代收敛速度快、效果好, 通过数据的感知、数据的传输与数据最优处理, 实现拖拉机电力自动控制系统的执行与管理。中断处理函数流程如图5所示。

图5 中断处理函数流程简图

　　3、试验与分析

　　进行拖拉机电力自动控制系统应用的试验, 主要装置及构成如图6所示。通过在拖拉机整机上安装蓄电池、传感器、电压及电控性能测试组件进行关键数据获取与优越性对比分析。

图6 拖拉机电控系统应用试验

　　1.电控性能测试组件2.计算机3.测电压装置4.蓄电池组5.传感装置6.仪表显示装置7.拖拉机整机

　　关键参数设置如表2所示。在整机参数设定基础上, 通过姿态补偿实现位置定位与调节, 利用GNSS技术实现拖拉机航向角度定位, 加入传感与电控装置实现转角与位移测量变化, 最终形成预期的路径规划与追踪, 实现拖拉机在电力自动控制系统应用下的自主智能作业。

表2 电力自动控制系统关键参数设置

　　通过记录试验数据并合理分析, 得出拖拉机转角响应曲线与阶跃响应曲线。由图7可知, 利用双通道调节控制的电力自动控制与转角输入信号吻合度较好, 验证了跟随的一致性。由图8可知:电力自动控制下的单双通道阶跃响应, 双通道实现的效果较好, 验证了阶跃响应的灵敏性及控制理论与控制部件选择的可行性与匹配性, 电力自动控制系统应用的优越性能得以体现。

图7 拖拉机转角跟随响应曲线

　　a.转角输入信号b.双通道调节控制c.单通道调节控制

图8 拖拉机转角阶跃响应曲线

　　a.转角输入信号b.双通道调节控制c.单通道调节控制

　　将电控部件与装置拆卸, 进行传动式试验测试, 表3为传统式拖拉机与电力控制拖拉机经济性能指标对比数据。由表3可知:电力自动控制系统的应用, 整体作业效率提升近45%左右, 能耗效率由8.9k W·h/667m2降低至5.7 k W·h/667m2, 所耗费用降低20%左右。

表3 试验拖拉机经济性指标对比

　　4、结论

　　1) 在拖拉机结构特点与工作原理基础上, 结合智能控制技术与理论, 将模糊控制算法与PID控制有效结合, 实现拖拉机驱动环节的混合动力控制, 进一步降低了燃油消耗, 提升了拖拉机作业效率。

　　2) 通过硬件装置的型号选取与设计, 软件控制程序的调试与运行, 形成拖拉机完整电力自动控制系统, 较传统拖拉机而言, 不但提高了控制精度, 更有利于拖拉机智能优化作业。

　　3) 试验结果表明:电力自动控制系统的应用较传统式拖拉机, 整体拖拉机作业效率提升近45%左右, 减少了作业人员操作时间, 能耗效率减低36%, 所耗费用降低20%左右, 具有一定的现实意义。

　　参考文献
　　[1]周建军, 郑文刚, 李素, 等.基于ISO 11783的拖拉机导航控制系统设计与试验[J].农业机械学报, 2010, 41 (4) :184-188.
　　[2]谢斌, 张超, 毛恩荣, 等.基于myRIO的电动拖拉机驱动控制器设计与室内试验[J].农业机械学报, 2015 (18) :55-62.
　　[3]高雷, 胡静涛, 李逃昌, 等.以角速度为转向动作反馈的拖拉机自动导航控制系统[J].农机化研究, 2015, 37 (3) :25-29.
　　[4]任玲, 张长龙, 王月林.拖拉机导航系统中转向操纵控制精度的试验研究[J].农机化研究, 2016, 38 (3) :163-166.
　　[5]杨柳, 罗婷婷, 程新荣, 等.基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统[J].农业工程学报, 2015 (21) :109-115.
　　[6]殷玥.基于嵌入式PC和物联网的无人驾驶拖拉机研究[J].农机化研究, 2018, 40 (1) :247-251.
　　[7]宋春月.无人驾驶拖拉机控制系统设计研究[D].上海:上海工程技术大学, 2015.
　　[8]刘雪珂, 王斐, 蒋林.基于东风1204拖拉机自动导航转向控制系统设计[J].农机化研究, 2017, 39 (10) :246-250.
　　[9]张家俊.电动拖拉机驱动系统控制策略的研究[D].镇江:江苏大学, 2016.
　　[10]胡炼, 林潮兴, 罗锡文, 等.农机具自动调平控制系统设计与试验[J].农业工程学报, 2015 (8) :15-20.
　　[11]刘源, 纪建伟.基于H∞控制的拖拉机柴油机燃料喷射泵控制设计[J].农机化研究, 2010, 32 (9) :219-222.
　　[12]罗锡文, 单鹏辉, 张智刚, 等.基于推杆电动机的拖拉机液压悬挂控制系统[J].农业机械学报, 2015, 46 (10) :1-6.
　　[13]王少辉, 师帅兵.拖拉机自动换挡控制系统设计[J].农机化研究, 2013, 35 (8) :221-223.
　　[14]郭兵.拖拉机电控液压悬挂系统力位综合控制技术研究[D].南京:南京农业大学, 2013.
　　[15]黄明朝, 金志扬.基于PLC的拖拉机自适应平衡控制系统设计[J].液压与气动, 2016 (3) :28-33.
　　[16]王鹏, 周志立, 徐立友.拖拉机液压机械无级变速器试验台设计[J].农机化研究, 2015, 37 (3) :95-98, 102.
　　[17]鲁植雄, 龚佳慧, 鲁杨, 等.拖拉机线控液压转向系统的双通道PID控制仿真与试验[J].农业工程学报, 2016, 32 (6) :101-106.
　　[18]承鉴, 迟瑞娟, 赖青青, 等.基于电液悬挂系统的拖拉机主动减振控制[J].农业工程学报, 2017, 33 (5) :82-90.
　　[19]王涛, 杨福增, 王元杰.山地拖拉机车身自动调平控制系统的设计[J].农机化研究, 2014, 36 (7) :232-235, 244.
　　[20]张小龙, 井梅, 刘鹏飞, 等.拖拉机电性能虚拟综合测试系统设计与试验[J].农业机械学报, 2017, 48 (4) :97-102.
　　[21]陈燕呢, 谢斌, 刘柯, 等.电动拖拉机CAN总线通信网络系统设计[J].农机化研究, 2017, 39 (9) :233-238, 243.