奚秀芳

(廣西農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，南寧 530007)

0 引言

我國作為農(nóng)作物種植與產(chǎn)出大國之一，為不斷提高農(nóng)作物機具的作業(yè)效率，對農(nóng)用拖拉機進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與部件更新勢在必行。傳統(tǒng)的機械液壓控制拖拉機存在作業(yè)精度不高、作業(yè)效率低下、燃油消耗較高等缺陷。近年來，許多農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域?qū)W者均從不同角度對其展開研發(fā)與優(yōu)化，先進的自動控制技術(shù)不斷被應(yīng)用，如三維識別及自動導航技術(shù)等。鑒于我國當前農(nóng)用機具發(fā)展的現(xiàn)狀及精準農(nóng)業(yè)應(yīng)用的重要性，筆者依據(jù)我國農(nóng)業(yè)土壤環(huán)境及作物的種類，針對通用性較為廣泛的拖拉機展開電力控制系統(tǒng)應(yīng)用優(yōu)越性討論分析。

1 控制理論與方法

傳統(tǒng)的拖拉機由動力裝置、傳動裝置及執(zhí)行部件等構(gòu)成，根據(jù)其工作原理，加入模糊控制算法理論與PID自動調(diào)節(jié)控制方法，實現(xiàn)拖拉機的混合動力傳動控制。圖1為拖拉機力位綜合控制簡圖。將模糊控制與電液比例組件相協(xié)調(diào)控制應(yīng)用于作業(yè)力度與作業(yè)深度兩個核心環(huán)節(jié)，整機形成閉環(huán)調(diào)節(jié)，較傳統(tǒng)式的直線給力系統(tǒng)有較高的柔韌度與適應(yīng)性。

圖1 拖拉機力位綜合控制簡圖

自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制的理論方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中O(t)—控制系統(tǒng)的輸出值；

O(t0)—控制系統(tǒng)的初始值；

t—時間(s)；

Ts—采樣周期(s)；

e(t)—控制系統(tǒng)的輸入偏差；

e(i)—控制系統(tǒng)的輸入偏差變量；

Kc—比例環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)；

Ti—積分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)；

Td—微分環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。

結(jié)合實際，經(jīng)理論計算給出表1所示的拖拉機調(diào)節(jié)控制設(shè)定取值，主要包括單通道控制與雙通道控制兩種情形。

表1 拖拉機調(diào)節(jié)控制設(shè)定值

2 電力自動控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件組成

根據(jù)拖拉機行進時具有的工作特性，建立轉(zhuǎn)矩與動力方程，即

Pf+PAf=PTN

(5)

(6)

式中Pf—拖拉機行進機械阻力克服功率；

PAf—拖拉機行進空氣阻力克服功率；

PTN—拖拉機行進牽引功率；

kAf—拖拉機行進時所受空氣阻力系數(shù)；

A—整機迎風面積(m2)；

Vmax—最大運作速度(m/s)；

Tm—牽引電動機的有效轉(zhuǎn)矩(N·m)；

in—變速裝置轉(zhuǎn)速比；

i0—中央傳動裝置轉(zhuǎn)速比；

Rr—轉(zhuǎn)動半徑；

Gsmax—拖拉機機械部件最大力；

f—阻力系數(shù)。

進一步給出三相全橋式逆變器作為拖拉機電力控制部件變換電路(見圖2)，根據(jù)此電路及各部件組成回路的電壓計算機理，得出拖拉機的動力源部件無刷直流電機的參數(shù)要求，并進行合理選型；同時，對拖拉機的電液控制閥執(zhí)行部件同步性能進行優(yōu)化。

圖2 拖拉機電力控制部件變換電路

針對傳感控制環(huán)節(jié)，給出簡易模型分布，如圖3所示。由圖3可知：拖拉機的電力自動控制系統(tǒng)加裝接線裝置與顯示控制裝置，測試部位安裝定位域傳感與感應(yīng)器，可實現(xiàn)信息準確發(fā)送，較傳統(tǒng)式拖拉機的組件提高了智能化執(zhí)行作業(yè)水平。

圖3 拖拉機傳感控制模型示意

拖拉機實現(xiàn)導航控制須滿足圖4控制結(jié)構(gòu)簡圖，將GPS、電子羅盤、角度傳感器與控制終端一并通過CAN總線實現(xiàn)拖拉機轉(zhuǎn)向控制ECU的通信與信號傳遞，并在拖拉機合適部位加裝角度傳感器等硬件裝置。

圖4 拖拉機導航控制結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件設(shè)計

進行信號采集處理與反饋，需電壓與角度的關(guān)系建立恰當，以便精確地給出轉(zhuǎn)向控制要求。此處給出部分程序段如下：

for(int i=0;i<5;i++)

{

while(len==-1)

{

len=::read(adc_fd, buffer, sizeof

buffer -1)

}

if(len>0) {

sscanf(buffer, “%d”,&value);

}

else {

//msgBox.setText(“adc read error”);

//msgBox.exec();

Break;

}

ad_value[i]=value;

len=-1;

}

電力自動控制系統(tǒng)以PC處理器為核心，嵌入定位、轉(zhuǎn)角、減振與中斷處理等函數(shù)核心算法，各項性能指標要求計算準確、進行迭代收斂速度快、效果好，通過數(shù)據(jù)的感知、數(shù)據(jù)的傳輸與數(shù)據(jù)最優(yōu)處理，實現(xiàn)拖拉機電力自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行與管理。中斷處理函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 中斷處理函數(shù)流程簡圖

3 試驗與分析

進行拖拉機電力自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的試驗，主要裝置及構(gòu)成如圖6所示。通過在拖拉機整機上安裝蓄電池、傳感器、電壓及電控性能測試組件進行關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取與優(yōu)越性對比分析。

1.電控性能測試組件 2.計算機 3.測電壓裝置 4.蓄電池組 5.傳感裝置 6.儀表顯示裝置 7.拖拉機整機

關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如表2所示。在整機參數(shù)設(shè)定基礎(chǔ)上，通過姿態(tài)補償實現(xiàn)位置定位與調(diào)節(jié)，利用GNSS技術(shù)實現(xiàn)拖拉機航向角度定位，加入傳感與電控裝置實現(xiàn)轉(zhuǎn)角與位移測量變化，最終形成預期的路徑規(guī)劃與追蹤，實現(xiàn)拖拉機在電力自動控制系統(tǒng)應(yīng)用下的自主智能作業(yè)。

表2 電力自動控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

通過記錄試驗數(shù)據(jù)并合理分析，得出拖拉機轉(zhuǎn)角響應(yīng)曲線與階躍響應(yīng)曲線。由圖7可知，利用雙通道調(diào)節(jié)控制的電力自動控制與轉(zhuǎn)角輸入信號吻合度較好，驗證了跟隨的一致性。由圖8可知：電力自動控制下的單雙通道階躍響應(yīng)，雙通道實現(xiàn)的效果較好，驗證了階躍響應(yīng)的靈敏性及控制理論與控制部件選擇的可行性與匹配性，電力自動控制系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)越性能得以體現(xiàn)。

a.轉(zhuǎn)角輸入信號 b.雙通道調(diào)節(jié)控制 c.單通道調(diào)節(jié)控制

a.轉(zhuǎn)角輸入信號 b.雙通道調(diào)節(jié)控制 c.單通道調(diào)節(jié)控制

將電控部件與裝置拆卸，進行傳動式試驗測試，表3為傳統(tǒng)式拖拉機與電力控制拖拉機經(jīng)濟性能指標對比數(shù)據(jù)。由表3可知：電力自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用，整體作業(yè)效率提升近45%左右，能耗效率由8.9kW·h/667m2降低至5.7 kW·h/667m2，所耗費用降低20%左右。

表3 試驗拖拉機經(jīng)濟性指標對比

4 結(jié)論

1)在拖拉機結(jié)構(gòu)特點與工作原理基礎(chǔ)上，結(jié)合智能控制技術(shù)與理論，將模糊控制算法與PID控制有效結(jié)合，實現(xiàn)拖拉機驅(qū)動環(huán)節(jié)的混合動力控制，進一步降低了燃油消耗，提升了拖拉機作業(yè)效率。

2)通過硬件裝置的型號選取與設(shè)計，軟件控制程序的調(diào)試與運行，形成拖拉機完整電力自動控制系統(tǒng)，較傳統(tǒng)拖拉機而言，不但提高了控制精度，更有利于拖拉機智能優(yōu)化作業(yè)。

3)試驗結(jié)果表明：電力自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用較傳統(tǒng)式拖拉機，整體拖拉機作業(yè)效率提升近45%左右，減少了作業(yè)人員操作時間，能耗效率減低36%，所耗費用降低20%左右，具有一定的現(xiàn)實意義。