靜液壓傳動拖拉機(jī)定速巡航控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

趙春江 魏傳省 付衛(wèi)強(qiáng) 尚業(yè)華 張光強(qiáng) 叢 岳

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心， 北京 100097)

0 引言

拖拉機(jī)定速巡航控制系統(tǒng)能夠根據(jù)輸入的目標(biāo)行進(jìn)速度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，結(jié)合拖拉機(jī)工況參數(shù)對拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)、油門以及載荷等進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，從而達(dá)到精準(zhǔn)的作業(yè)速度，這是實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)無人作業(yè)的基礎(chǔ)[1-2]。

在國外，F(xiàn)OSTER等[3]基于PID控制，調(diào)節(jié)變量泵排量實(shí)現(xiàn)了自走式割曬機(jī)速度控制；COEN等[4]設(shè)計(jì)了收獲機(jī)定速巡航系統(tǒng)，該系統(tǒng)在降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了相同的巡航速度，并降低了噪聲和燃油消耗。在國內(nèi)，郭娜等[5]通過控制變速踏板來控制變量泵排量，從而實(shí)現(xiàn)定速巡航；王卓等[6]通過固定擋位、調(diào)節(jié)油門開度實(shí)現(xiàn)定速巡航；韓科立等[7]設(shè)計(jì)了電液自動機(jī)械式變速裝置，通過換擋和調(diào)節(jié)油門實(shí)現(xiàn)定速巡航控制；何杰等[8]通過機(jī)械結(jié)構(gòu)連接變速踏板和油門踏板，二者同時(shí)增大或減小，實(shí)現(xiàn)了速度控制。

目前，農(nóng)機(jī)速度調(diào)節(jié)方式多采用定油門變傳動比、定傳動比變油門、油門傳動比耦合控制3種控制策略。農(nóng)機(jī)定速巡航控制系統(tǒng)通常控制單一系統(tǒng)輸入，即僅控制油門開度或僅控制變速踏板，這導(dǎo)致系統(tǒng)功率匹配度不高，燃油經(jīng)濟(jì)性較差。因此，本文以約翰迪爾4720型靜液壓傳動拖拉機(jī)為平臺，開展農(nóng)機(jī)定速巡航控制策略研究，根據(jù)拖拉機(jī)工況對傳動系統(tǒng)、油門等進(jìn)行協(xié)同控制，實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)定速巡航控制，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性[9-12]。

1 系統(tǒng)原理與硬件設(shè)計(jì)

1.1 靜液壓傳動系統(tǒng)調(diào)速原理

約翰迪爾4720型拖拉機(jī)采用靜液壓傳動系統(tǒng)，主要由發(fā)動機(jī)、變量泵和定量馬達(dá)組成的靜液壓傳動以及機(jī)械式變速器組成，其速度調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)油門踏板控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)變速踏板控制變量泵排量兩種方式來實(shí)現(xiàn)[13-18]。靜液壓傳動拖拉機(jī)傳動系統(tǒng)的原理如圖1所示。

1.2 總體設(shè)計(jì)

定速巡航控制器通過CAN總線接收車載計(jì)算機(jī)發(fā)送的拖拉機(jī)目標(biāo)速度和發(fā)動機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速，通過拖拉機(jī)電控單元(Electronic control unit, ECU)讀取發(fā)動機(jī)油門開度、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩百分比，以及拖拉機(jī)行進(jìn)速度等工況參數(shù)，結(jié)合牽引阻力傳感器測量的拖拉機(jī)牽引阻力與升降油缸位置傳感器測量的平地鏟升降液壓缸位移，根據(jù)定速巡航控制策略，計(jì)算控制量，通過控制油門電動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、作業(yè)負(fù)載調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及拖拉機(jī)自有的靜液傳動裝置，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、拖拉機(jī)速度以及平地鏟高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)平地作業(yè)工況下拖拉機(jī)定速巡航控制[19-21]。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

1.3 硬件設(shè)計(jì)

1.3.1控制器與傳感器選型

控制器采用定制的C261控制器。該控制器集成了2路標(biāo)準(zhǔn)CAN總線接口，可實(shí)現(xiàn)與車載計(jì)算機(jī)的總線通訊，以及拖拉機(jī)工況的采集，具有27路I/O端口，滿足系統(tǒng)控制和信號采集需求[22]。編程環(huán)境為CoDeSysV2.3。

牽引阻力傳感器為合肥力智傳感器有限公司定制的LZ-ZXD21型軸銷傳感器， 12 V供電，量程為0～20 kN，輸出電壓為0～5 V，靈敏度為2.0 mV/V。

平地鏟升降油缸位置傳感器采用深圳米朗公司的KTC1-100mm型直線位移傳感器，5 V供電，量程0～100 mm，輸出電壓0～5 V。傳感器及其安裝位置如圖3所示。

1.3.2油門自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

油門自動調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由電動油門調(diào)節(jié)器、油門拉線和油門調(diào)節(jié)桿組成，如圖4所示。其工作原理為：電動油門調(diào)節(jié)器固定在油門支架上，電動油門調(diào)節(jié)器中電機(jī)動力經(jīng)減速器傳遞到自動油門拉線，從而帶動油門調(diào)節(jié)桿繞油門調(diào)節(jié)桿連接銷轉(zhuǎn)動，最終帶動油門位置傳感器轉(zhuǎn)動。發(fā)動機(jī)電控單元讀取油門位置傳感器的輸出電信號，對發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。油門限位裝置用來限制油門位置，以免油門開度過大對發(fā)動機(jī)造成損害。

1.3.3作業(yè)負(fù)載調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

作業(yè)負(fù)載調(diào)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括牽引式平地鏟、平地鏟升降油缸、比例換向閥、銷軸傳感器等，如圖5所示。其工作原理為：平地鏟通過牽引架與三點(diǎn)懸掛下拉桿連接，地輪起到支撐作用，銷軸傳感器實(shí)時(shí)檢測拖拉機(jī)的牽引阻力；通過比例換向閥控制拖拉機(jī)后液壓輸出，從而控制液壓油缸的升降，根據(jù)電阻式位移傳感器測得的活塞桿位移，推算平地鏟高度，實(shí)現(xiàn)平地鏟的精準(zhǔn)升降[23-24]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 靜液壓傳動拖拉機(jī)系統(tǒng)

靜液壓傳動拖拉機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的雙輸入系統(tǒng)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量都可以控制拖拉機(jī)的行駛速度。在北京市昌平區(qū)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地，選取平整的水泥路面，啟動拖拉機(jī)自動導(dǎo)航系統(tǒng)，使拖拉機(jī)保持直線行駛，通過田間計(jì)算機(jī)向控制器發(fā)送控制指令，改變油門開度和變量泵排量，記錄拖拉機(jī)速度，探求車速與油門開度、變量泵排量控制信號(PWM信號)占空比的關(guān)系[25-26]。

2.1.1油門開度與車速關(guān)系

固定PWM信號占空比為21%，油門開度在0%～70%之間變化，記錄不同油門開度下穩(wěn)定的車速，得到PWM信號占空比為21%時(shí)車速與油門開度的關(guān)系。將PWM信號占空比分別固定為18%、24%、27%、31%、34%和37%，重復(fù)上述試驗(yàn)，得到各PWM信號占空比下油門開度與車速的關(guān)系(圖6)。

2.1.2PWM信號占空比與車速關(guān)系

固定油門開度為5%，PWM信號占空比在18%～37%之間變化，記錄不同占空比下穩(wěn)定的車速，得到油門開度為5%時(shí)車速與PWM信號占空比的關(guān)系。將油門開度分別固定為10%、20%、30%、40%、50%和60%，重復(fù)上述試驗(yàn)，得到各油門開度下PWM信號占空比與車速的關(guān)系(圖7)。

對油門開度、PWM信號占空比和車速進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到圖8所示的擬合曲面。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到車速與油門開度、占空比的關(guān)系式為

v=0.204 5-0.015 29α-0.020 76β+ 4.795×10-6α2+9.066×10-4αβ+1.095×10-3β2

式中v——拖拉機(jī)速度，m/s

α——油門開度，%

β——PWM信號占空比，%

通過擬合車速與油門開度、PWM信號占空比的關(guān)系，可以判斷不同目標(biāo)車速下油門開度與PWM信號占空比的選擇范圍。

控制器根據(jù)接收的目標(biāo)車速和目標(biāo)油門開度計(jì)算PWM信號占空比的初始值并輸出，可以提高響應(yīng)速度，快速達(dá)到目標(biāo)車速。

2.2 拖拉機(jī)工況數(shù)據(jù)獲取

根據(jù)ISO 11783協(xié)議解析拖拉機(jī)CAN總線的工況數(shù)據(jù)，可以得到發(fā)動機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩百分比、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、油門開度和拖拉機(jī)行駛速度等參數(shù)[27-30]，如表1所示。

表1 拖拉機(jī)工況參數(shù)Tab.1 Tractor working condition parameters

2.3 控制策略分析

提出3種速度控制策略，分別為定油門控制策略、耦合控制策略和協(xié)同控制策略，具體為：油門開度固定，僅調(diào)節(jié)變量泵排量；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和變量泵排量同增同減，雙輸入耦合為單輸入；不同工況下選擇不同的目標(biāo)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過載保護(hù)。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件由自動導(dǎo)航模塊、拖拉機(jī)工況采集模塊、傳感器模塊、油門控制模塊、變量泵排量調(diào)節(jié)模塊、作業(yè)負(fù)載調(diào)節(jié)模塊、通信模塊等組成。

定速巡航控制系統(tǒng)軟件流程(圖9)為：系統(tǒng)初始化后，控制器通過信號采集系統(tǒng)獲取當(dāng)前車速、油門開度、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、平地鏟高度和牽引阻力等工況數(shù)據(jù)，控制器接收車載計(jì)算機(jī)控制指令，當(dāng)接收到平地鏟控制指令時(shí)，讀取平地鏟目標(biāo)高度，計(jì)算控制量，調(diào)節(jié)平地鏟高度。控制器讀取目標(biāo)巡航車速，根據(jù)目標(biāo)車速、實(shí)際車速、牽引阻力與阻力閾值判斷當(dāng)前工況，當(dāng)阻力小于閾值、車速小于目標(biāo)車速80%時(shí)，即為起步工況，采用油門排量耦合控制策略，調(diào)節(jié)油門開度和變量泵排量使車速上升；當(dāng)牽引阻力小于閾值、車速大于目標(biāo)車速80%且小于穩(wěn)態(tài)車速時(shí)，即為接近目標(biāo)速度工況，采用變排量降油門控制策略，逐漸減小油門開度使發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速保持在油耗較低的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，同時(shí)調(diào)節(jié)變量泵排量達(dá)到目標(biāo)巡航車速；當(dāng)牽引阻力小于閾值且阻力沒有大范圍波動、車速誤差在2%以內(nèi)時(shí)，即為穩(wěn)態(tài)工況，采用變排量定油門控制策略，保持油門開度不變，調(diào)節(jié)變量泵排量使車速保持目標(biāo)巡航車速；當(dāng)牽引阻力小于閾值、牽引阻力有較大的變化時(shí)，即為負(fù)載擾動工況，采用變排量變油門控制策略，根據(jù)牽引阻力判斷負(fù)載等級，計(jì)算與之對應(yīng)的目標(biāo)油門開度，同時(shí)調(diào)節(jié)變量泵排量保持巡航車速；當(dāng)阻力大于閾值時(shí)，即為過載工況，采用降載控制策略，抬升平地鏟。執(zhí)行下一個(gè)周期。

3 試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為驗(yàn)證拖拉機(jī)速度控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和3種控制策略的效果，以約翰迪爾4720型拖拉機(jī)為平臺，集成定速巡航控制系統(tǒng)和自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)(圖10)，在北京市昌平區(qū)國家精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范基地進(jìn)行水泥路面空載、田間空載和平地作業(yè)3種工況下的定速巡航控制試驗(yàn)。通過查閱拖拉機(jī)使用手冊，將拖拉機(jī)的經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 200 r/min。

選擇地面平整的地塊，進(jìn)行牽引阻力控制閾值的測量試驗(yàn)。設(shè)定平地鏟高度為-2 cm，拖拉機(jī)行駛車速為1.0 m/s，進(jìn)行田間平地作業(yè)，通過銷軸傳感器測量得到牽引阻力的最大值約為4 500 N。因此，設(shè)定牽引阻力閾值為5 000 N。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1不同工況下的速度試驗(yàn)

在水泥路面空載、田間空載和平地作業(yè)3種工況下進(jìn)行了油門排量協(xié)同控制策略試驗(yàn)，目標(biāo)速度為1.0 m/s。3種工況下拖拉機(jī)車速如圖11所示。

對圖11數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到3種工況下協(xié)同控制策略的速度控制試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

3.2.2平地作業(yè)工況下的不同控制策略試驗(yàn)

在平地作業(yè)工況下進(jìn)行了定油門、油門排量耦合、油門排量協(xié)同3種控制策略的速度控制試驗(yàn)，目標(biāo)速度為1.0 m/s。3種控制策略下拖拉機(jī)的車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速如圖12、13所示。

對圖12、13數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到平地作業(yè)工況

表2 3種工況下協(xié)同控制策略試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results of cooperative control strategy under three working conditions

下3種控制策略的速度控制試驗(yàn)結(jié)果，如表3所示。

表3 平地作業(yè)工況下3種控制策略試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results of three control strategies under flat ground operation

3.2.3討論

采用定油門控制策略時(shí)，由于起步時(shí)發(fā)動機(jī)負(fù)載較大，所以將目標(biāo)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 360 r/min，僅通過調(diào)節(jié)變量泵排量達(dá)到目標(biāo)速度。

采用耦合控制策略時(shí)，在0～4.7 s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速隨變量泵排量的增加而增加至1 360 r/min，并穩(wěn)定在1 360 r/min左右。

采用協(xié)同控制策略時(shí)，在0～3 s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 000 r/min增加至1 350 r/min；在3～5 s，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從1 350 r/min降低至1 200 r/min，隨后保持在1 200 r/min；拖拉機(jī)速度在0～3 s快速增加至0.94 m/s，從第3秒開始，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，PWM信號占空比增大，車速緩慢增加，直至7.0 s時(shí)達(dá)到目標(biāo)速度。協(xié)同控制策略可以實(shí)現(xiàn)拖拉機(jī)保持巡航速度的同時(shí)，降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，減少燃油消耗。

4 結(jié)論

(1)研究了一套拖拉機(jī)平地作業(yè)定速巡航控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了速度調(diào)節(jié)和負(fù)載調(diào)節(jié)裝置，建立了靜液壓傳動拖拉機(jī)油門開度、變量泵排量與速度對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

(2)提出了一種降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的定速巡航控制策略，在起步后降低發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速，使拖拉機(jī)在較低的發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下達(dá)到目標(biāo)巡航速度，可以節(jié)省燃油。

(3)在水泥路面空載、田間空載和平地作業(yè)3種工況下進(jìn)行了協(xié)同控制策略試驗(yàn)，結(jié)果表明，協(xié)同控制策略的速度絕對誤差分別為0.005、0.007、0.012 m/s，速度相對誤差分別為0.5%、0.7%、1.2%，速度控制精度較好。