郭 輝 高國(guó)民 周 偉 呂全貴 郝良軍

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 烏魯木齊 830052； 2.新疆新研牧神科技有限公司， 烏魯木齊 830011)

0 引言

機(jī)械傳動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)的輪式自走聯(lián)合收獲機(jī)在工作時(shí)，由于作物生長(zhǎng)密度不同造成喂入量不穩(wěn)定，從而進(jìn)一步影響作業(yè)品質(zhì)及生產(chǎn)效率，情況嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成工作部件堵塞，甚至零部件變形、損壞[1-2]。因此，有必要在機(jī)具作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)機(jī)具的作業(yè)負(fù)荷實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)具的行走速度，從而有效控制喂入量，使機(jī)具的工作負(fù)荷保持穩(wěn)定[3-5]。

機(jī)械驅(qū)動(dòng)輪式自走農(nóng)業(yè)機(jī)械大多采用V帶無(wú)級(jí)變速裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛行走速度的微調(diào)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的情況下，調(diào)整車(chē)輛的行走速度以滿足工況變化的需求[6-7]。V帶傳動(dòng)無(wú)級(jí)變速裝置通過(guò)改變兩錐盤(pán)的軸向距離調(diào)整其與傳動(dòng)帶的接觸位置和工作半徑，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。V帶式無(wú)級(jí)變速裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉、不需潤(rùn)滑以及可緩沖吸振等特點(diǎn)，是應(yīng)用較為廣泛的一種變速裝置[8-10]。

以新疆機(jī)械研究院股份有限公司研制的牧神4KZ300型自走式秸稈方捆機(jī)為研究對(duì)象，本文采用V帶無(wú)級(jí)變速裝置驅(qū)動(dòng)的輪式自走方捆機(jī)通用底盤(pán)，結(jié)合機(jī)、電、液自動(dòng)控制技術(shù)，設(shè)計(jì)輪式自走方捆打捆機(jī)行走速度控制系統(tǒng)，并通過(guò)臺(tái)架及道路試驗(yàn)，驗(yàn)證控制系統(tǒng)有效性、穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性。

1 總體方案

1.1 整體結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)

4KZ300型打捆機(jī)行走動(dòng)力傳遞：發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力通過(guò)三角帶傳遞至無(wú)級(jí)變速裝置，然后傳遞至變速箱、輪邊減速器，最終驅(qū)動(dòng)地輪轉(zhuǎn)動(dòng)，其中無(wú)級(jí)變速裝置由駕駛室內(nèi)操縱桿控制。

4KZ300型打捆機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示[11-12]。機(jī)具行走系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)為：n為發(fā)動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速，取1 750 r/min；d為驅(qū)動(dòng)輪直徑，取1.33 m；i為無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比，取0.8～1.8；is為輪邊減速器減速比，取6.08；it為齒輪變速箱減速比，Ⅰ擋22.644，Ⅱ擋9.403，Ⅲ擋3.747。

圖1 自走式方捆打捆機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Overall schematic of self-propelled square baler1.割臺(tái) 2.駕駛室 3.無(wú)級(jí)變速裝置 4.驅(qū)動(dòng)輪

1.2 無(wú)級(jí)變速裝置工作原理

無(wú)級(jí)變速裝置由主動(dòng)帶輪、中間帶輪、從動(dòng)帶輪、油缸、膠帶、回轉(zhuǎn)臂等組成，無(wú)級(jí)變速裝置示意圖如圖2所示。

圖2 無(wú)級(jí)變速裝置示意圖Fig.2 Schematic of continuously variable transmission1.主動(dòng)帶輪 2.油缸 3.中間帶輪 4.V帶 5.轉(zhuǎn)速傳感器 6.從動(dòng)帶輪 7.機(jī)架 8.鉸接塊 9.回轉(zhuǎn)臂 10.位移傳感器

無(wú)級(jí)變速裝置調(diào)速原理[13]：油缸的伸縮會(huì)引起中間帶輪跟隨回轉(zhuǎn)桿做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起主動(dòng)帶輪與中間帶輪、中間帶輪與從動(dòng)帶輪中心距的變化；由于V帶節(jié)線長(zhǎng)度固定，中心距的變化會(huì)引起中間帶輪對(duì)應(yīng)直徑的變化，系統(tǒng)傳動(dòng)比隨之變動(dòng)，進(jìn)而改變驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，4KZ300型方捆打捆機(jī)無(wú)級(jí)變速裝置基本參數(shù)為：d1為主動(dòng)帶輪直徑，取290 mm；d2為從動(dòng)帶輪直徑，取345 mm；l9為主、中帶輪對(duì)應(yīng)V帶帶長(zhǎng)，取3 668 mm；l8為從、中帶輪對(duì)應(yīng)V帶帶長(zhǎng)，取3 609 mm。

1.3 無(wú)級(jí)變速液壓回路改進(jìn)

圖3 控制系統(tǒng)液壓原理圖Fig.3 Hydraulic schematic of control system1.油箱 2.液壓泵 3、5.溢流閥 4.電控多路閥 6.截止閥 7.三位四通電磁換向閥 8.鎖緊裝置 9.油缸 10.手控?fù)Q向閥 11.過(guò)濾器

基于4KZ300型打捆機(jī)底盤(pán)無(wú)級(jí)變速的液壓調(diào)節(jié)回路，增加了電控多路閥與單向閥等液壓元器件，改進(jìn)后液壓回路如圖3所示[14-16]。此系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制無(wú)級(jí)變速，也可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)控制無(wú)級(jí)變速，可防止電控系統(tǒng)失效導(dǎo)致機(jī)具無(wú)法正常行走。電控多路閥中，當(dāng)截止閥低電平時(shí)為手動(dòng)控制行走狀態(tài)，截止閥高電平時(shí)為自動(dòng)控制行走狀態(tài)。三位四通電磁換向閥左位得電時(shí)，油缸縮短，無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比升高；右位得電時(shí)，油缸伸長(zhǎng)，傳動(dòng)比降低。

1.4 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)4KZ300型打捆機(jī)相關(guān)參數(shù)及V帶無(wú)級(jí)變速裝置速度調(diào)整原理，所設(shè)計(jì)的行走速度控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。控制系統(tǒng)由控制終端、車(chē)速控制器、繼電器模塊、電控多路閥、無(wú)級(jí)變速裝置、位移傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、轉(zhuǎn)速傳感器、電源模塊等組成，其中控制終端由顯示屏和控制器組成，控制終端的控制器作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主控制器。

圖4 自動(dòng)控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Overall structure block diagram of automatic control system

主控制器讀取CAN總線上的機(jī)具負(fù)荷數(shù)據(jù)，計(jì)算后確定機(jī)車(chē)目標(biāo)速度，并通過(guò)CAN總線發(fā)送至車(chē)速控制器，車(chē)速控制器讀取位移傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器的監(jiān)測(cè)值以實(shí)時(shí)判斷行車(chē)狀態(tài)，并根據(jù)無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比與油缸伸長(zhǎng)量之間的關(guān)系模型，驅(qū)動(dòng)電控多路閥做相應(yīng)換向動(dòng)作驅(qū)動(dòng)油缸伸縮。油缸伸縮會(huì)引起無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比的改變，進(jìn)而調(diào)整行車(chē)速度保持系統(tǒng)負(fù)荷穩(wěn)定。其中負(fù)荷數(shù)據(jù)包括壓縮活塞壓縮力、活塞每次往復(fù)運(yùn)動(dòng)草捆壓縮量、草捆質(zhì)量等參數(shù)，并由這些數(shù)據(jù)綜合運(yùn)算而成一個(gè)綜合值；位移傳感器監(jiān)測(cè)無(wú)級(jí)變速裝置油缸伸長(zhǎng)量，間接獲得無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比及驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，用于行走速度調(diào)節(jié)控制反饋；轉(zhuǎn)速傳感器直接監(jiān)測(cè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，用于行走速度穩(wěn)定控制反饋。

2 硬件選型及軟件設(shè)計(jì)

2.1 硬件選型

4KZ300型打捆機(jī)液壓系統(tǒng)流量30 L/min，電控多路閥選用PDCF10-D型電磁控制多路閥，額定流量10 L/min，驅(qū)動(dòng)電壓24 V，電控多路閥響應(yīng)時(shí)間為20～40 ms。油缸選用HSG01-63/45型，缸徑63 mm，桿徑45 mm，行程68 mm，油缸由最小行程伸長(zhǎng)至最大行程需耗時(shí)約2.5 s，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。

微控制器選用ARM系列Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6芯片，其是一款資源豐富的32位微處理器，擁有64KB SRAM、256KB FLASH，支持CAN總線通信[17]。微控制器通過(guò)控制繼電器模塊間接驅(qū)動(dòng)電控多路閥，其中繼電器模塊選用CHNT公司生產(chǎn)的型號(hào)JZX-22F(D)。位移傳感器選用MILONT公司生產(chǎn)的KPM18-100型，0～100%給定輸入電壓模擬量輸出，檢測(cè)位移范圍0～100 mm，大于油缸極限伸縮量。轉(zhuǎn)速傳感器選用JK8002D型霍爾傳感器，輸入方式為NPN常開(kāi)?？刂平K端選用北京博創(chuàng)聯(lián)動(dòng)EM7080型工控屏，工作電壓10～30 V。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

4KZ300型打捆機(jī)在田間作業(yè)時(shí)需保持發(fā)動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下工作，整機(jī)以Ⅱ擋速度前進(jìn)，因此無(wú)級(jí)變速裝置控制程序是針對(duì)此作業(yè)狀態(tài)而設(shè)計(jì)。為降低速度調(diào)整時(shí)間，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)，行走速度控制程序分為車(chē)速調(diào)節(jié)控制程序、車(chē)速穩(wěn)定控制程序兩部分。當(dāng)工作負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，表明喂入量超過(guò)機(jī)具的額定限值，這種變化主要是由于田間作物生長(zhǎng)不均勻造成的，此時(shí)可通過(guò)改變車(chē)速來(lái)調(diào)整機(jī)具喂入量。主控制器在接收到負(fù)荷反饋信號(hào)后，根據(jù)負(fù)荷相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算出符合車(chē)輛最佳工況的目標(biāo)車(chē)速并通過(guò)CAN總線發(fā)送至車(chē)速控制器。車(chē)速調(diào)節(jié)控制程序根據(jù)目標(biāo)車(chē)速計(jì)算出無(wú)級(jí)變速裝置中油缸的伸縮量并控制油缸伸縮，快速將車(chē)速調(diào)整至接近目標(biāo)車(chē)速，然后車(chē)速穩(wěn)定控制程序通過(guò)對(duì)車(chē)速微調(diào)將車(chē)速穩(wěn)定在目標(biāo)車(chē)速上。

控制系統(tǒng)對(duì)行走速度的調(diào)節(jié)控制程序按照調(diào)節(jié)油缸伸縮變化量與無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比之間的比例關(guān)系確定，這樣可以快速使車(chē)速發(fā)生改變，防止可能發(fā)生的堵塞等嚴(yán)重后果；車(chē)速穩(wěn)定控制程序由車(chē)速傳感器反饋的信號(hào)進(jìn)行微調(diào)，以保持車(chē)速穩(wěn)定。

圖5 無(wú)級(jí)變速裝置變速結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of variable speed structure of stepless variable speed device

2.2.1油缸伸長(zhǎng)量與傳動(dòng)比關(guān)系模型建立

無(wú)級(jí)變速裝置變速結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

由圖5可以看出，油缸支座F、油缸伸縮遠(yuǎn)端E、中間帶輪懸架支點(diǎn)A之間，以及各傳動(dòng)帶輪中心之間均呈三角形關(guān)系，并且油缸的長(zhǎng)度變化會(huì)引起各三角形發(fā)生相應(yīng)的變化，因此要得到油缸伸長(zhǎng)量與無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)比關(guān)系式[18-19]，必須確定主動(dòng)帶輪直徑d1，從動(dòng)帶輪直徑d2，對(duì)應(yīng)中間帶輪直徑d′1、d′2及油缸伸長(zhǎng)量Δl之間的關(guān)系。

油缸長(zhǎng)度l與回轉(zhuǎn)角Φ關(guān)系式為

(1)

式中l(wèi)3——鉸接點(diǎn)A與油缸鉸接點(diǎn)F間距離，mm

l4——鉸接點(diǎn)A與油缸伸縮遠(yuǎn)端點(diǎn)E之間距離，mm

ε——常數(shù)，即∠DAE與∠BAE角度之和，取62.17°

回轉(zhuǎn)角Φ與主中帶輪中心距l(xiāng)5關(guān)系式為

(2)

式中l(wèi)1——鉸接點(diǎn)A與主動(dòng)帶輪中心點(diǎn)B之間距離，mm

l5——主動(dòng)帶輪中心點(diǎn)B與中間帶輪中心點(diǎn)D之間距離，mm

l7——鉸接點(diǎn)A與中間帶輪中心點(diǎn)D之間距離，mm

l5與d′1的變化關(guān)系為[18]

(3)

同理，從動(dòng)帶輪對(duì)應(yīng)中間帶輪的直徑d′2亦可確定，在此不再贅述。

無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比i為

(4)

采用數(shù)值代入法，將油缸的不同長(zhǎng)度代入式(1)～(4)，得出式中各參數(shù)的實(shí)際數(shù)值，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傳動(dòng)比，最終利用油缸伸長(zhǎng)量Δl與傳動(dòng)比i的對(duì)應(yīng)數(shù)值，建立無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比i與油缸伸長(zhǎng)量Δl之間的關(guān)系模型，其中油缸伸長(zhǎng)量為油缸長(zhǎng)度與初始油缸長(zhǎng)度的差值。相關(guān)參數(shù)的計(jì)算數(shù)值如表1所示。

運(yùn)用SPSS 20.0軟件擬合出無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比i與油缸伸長(zhǎng)量Δl的回歸曲線，如圖6所示。

根據(jù)SPSS曲線擬合結(jié)果得到無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比與油缸伸長(zhǎng)量的曲線回歸方程

Δl=-88.94lni+54.53

(5)

回歸模型的決定系數(shù)R2=0.999 5，表明回歸方程對(duì)自變量與因變量的擬合優(yōu)度較高[20]。無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比與油缸長(zhǎng)度關(guān)系式的確定，為控制系統(tǒng)程序編寫(xiě)提供了理論支撐。通過(guò)式(5)進(jìn)一步計(jì)算機(jī)具車(chē)速與油缸伸長(zhǎng)量關(guān)系為

表1 油缸伸長(zhǎng)量與傳動(dòng)比數(shù)值計(jì)算結(jié)果Tab.1 Numerical calculation of cylinder elongation and transmission ratio

圖6 傳動(dòng)比與油缸伸長(zhǎng)量擬合曲線Fig.6 Fitting diagram of transmission ratio and cylinder elongation curve

(6)

其中

式中v——機(jī)具車(chē)速，km/h

P——比例系數(shù)

最終確定理論車(chē)速、目標(biāo)車(chē)速及油缸變化量的關(guān)系為

(7)

式中 Δl′——目標(biāo)油缸長(zhǎng)度與位移傳感器監(jiān)測(cè)理論油缸長(zhǎng)度的差值，mm

vg——機(jī)具目標(biāo)車(chē)速，km/h

vt——由理論油缸長(zhǎng)度計(jì)算的理論車(chē)速，km/h

當(dāng)Δl′為正值時(shí)表明需要伸長(zhǎng)油缸，以降低無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比；當(dāng)Δl′為負(fù)值時(shí)表明需要縮短油缸，以增加無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比。理論車(chē)速、目標(biāo)車(chē)速及油缸變化量關(guān)系的確定為機(jī)具車(chē)速快速、穩(wěn)定調(diào)整奠定了基礎(chǔ)。

2.2.2程序流程圖設(shè)計(jì)

為了兼顧速度調(diào)節(jié)的快速性、精度和穩(wěn)定性，控制程序由調(diào)節(jié)控制與穩(wěn)定控制兩部分組成。調(diào)節(jié)控制負(fù)責(zé)對(duì)油缸的快速調(diào)節(jié)，使車(chē)輛速度在短時(shí)間內(nèi)迅速達(dá)到目標(biāo)車(chē)速；穩(wěn)定控制負(fù)責(zé)在行走作業(yè)過(guò)程中持續(xù)調(diào)節(jié)，將車(chē)速穩(wěn)定在目標(biāo)車(chē)速，以保持機(jī)具作業(yè)負(fù)荷穩(wěn)定。

車(chē)速調(diào)節(jié)程序控制流程如圖7所示，在進(jìn)行車(chē)速調(diào)節(jié)時(shí)，車(chē)速控制器首先接收由主控制器發(fā)送的目標(biāo)車(chē)速，然后監(jiān)測(cè)線位移傳感器的理論油缸伸長(zhǎng)量，依據(jù)式(6)計(jì)算出理論車(chē)速，通過(guò)對(duì)比目標(biāo)車(chē)速與理論車(chē)速的差值控制電控多路閥做相應(yīng)動(dòng)作，使油缸伸長(zhǎng)/縮短相應(yīng)的長(zhǎng)度，伸長(zhǎng)/縮短的長(zhǎng)度由式(7)計(jì)算得出。當(dāng)目標(biāo)車(chē)速與理論車(chē)速的差值小于設(shè)定閾值時(shí)進(jìn)入行走速度穩(wěn)定控制程序，使機(jī)具穩(wěn)定在當(dāng)前車(chē)速。當(dāng)所要調(diào)整的行走速度超過(guò)無(wú)級(jí)變速裝置極限變速范圍，顯示器提示機(jī)具負(fù)荷超出變速調(diào)節(jié)范圍，此時(shí)駕駛員應(yīng)當(dāng)采用手動(dòng)換擋方式調(diào)節(jié)車(chē)速。

圖7 車(chē)速調(diào)節(jié)控制流程圖Fig.7 Flow chart of speed regulation and control

行走速度穩(wěn)定控制流程如圖8所示，車(chē)速控制器每隔0.1 s讀取一個(gè)車(chē)速，當(dāng)讀取的3個(gè)連續(xù)車(chē)速的相鄰差值小于0.05 km/h時(shí)，表明速度達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)車(chē)速控制器判斷速度為不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，跳出穩(wěn)定控制程序，重新進(jìn)入調(diào)整控制程序；當(dāng)車(chē)速控制器判斷速度為穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，取3個(gè)連續(xù)車(chē)速的平均值作為監(jiān)測(cè)車(chē)速。程序通過(guò)對(duì)比目標(biāo)車(chē)速與監(jiān)測(cè)車(chē)速的差值，控制電控多路閥做相應(yīng)動(dòng)作。

圖8 車(chē)速穩(wěn)定控制流程圖Fig.8 Flow chart of stable control

2.2.3控制終端界面設(shè)計(jì)

控制終端界面在HMI Developer集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成設(shè)計(jì)，此軟件包括圖形庫(kù)和可視化設(shè)計(jì)器，可以方便、快速地組建顯示界面，并可以把界面編譯在基于ARM處理器的嵌入式顯示器上運(yùn)行，所設(shè)計(jì)的顯示界面如圖9所示[21]。

圖9 顯示器界面設(shè)計(jì)圖Fig.9 Diagram of display interface design

控制終端的軟件設(shè)計(jì)主要分為4個(gè)模塊：顯示模塊、控制模塊、收發(fā)模塊和負(fù)荷模擬模塊，其中負(fù)荷模擬模塊僅用于道路試驗(yàn)負(fù)荷模擬。顯示屏的控制模塊包括步長(zhǎng)設(shè)置、調(diào)整閾值設(shè)置、允許偏差設(shè)置、最小/最大伸長(zhǎng)量設(shè)置、標(biāo)定完成按鈕，其中標(biāo)定完成按鈕控制所有文本框中控制指令的發(fā)送，最小/最大伸長(zhǎng)量設(shè)置用于標(biāo)定油缸極限伸長(zhǎng)量。控制終端通過(guò)CAN總線接收車(chē)速控制器讀取的各傳感器監(jiān)測(cè)值，并通過(guò)顯示模塊顯示，其中顯示模塊包括機(jī)具目標(biāo)車(chē)速、監(jiān)測(cè)車(chē)速、油缸伸長(zhǎng)量、理論車(chē)速、自動(dòng)/手動(dòng)控制指示?？刂平K端的收發(fā)模塊主要通過(guò)設(shè)置標(biāo)識(shí)符ID及數(shù)據(jù)格式實(shí)現(xiàn)CAN總線的收發(fā)功能。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)器材與試驗(yàn)方法

3.1.1試驗(yàn)器材

為測(cè)試輪式自走方捆打捆機(jī)行走速度控制系統(tǒng)，以圖10、11所示4KZ300型打捆機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)模擬試驗(yàn)與道路試驗(yàn)，試驗(yàn)所需其他器材包括：DT-2235B型數(shù)字式轉(zhuǎn)速儀，測(cè)量精度0.05%；便攜式計(jì)算機(jī)；JLINK V9型仿真下載器；廣成科技CANREC記錄儀。試驗(yàn)時(shí)間：2018年11月3日—2019年1月20日。試驗(yàn)地點(diǎn)：新疆機(jī)械研究院股份有限公司。

圖10 室內(nèi)仿真試驗(yàn)圖Fig.10 Picture of indoor simulation test

圖11 道路試驗(yàn)圖Fig.11 Picture of road test

3.1.2試驗(yàn)方法

利用控制終端作為載荷模擬器模擬負(fù)荷變化，即通過(guò)負(fù)荷模擬模塊的文本框輸入負(fù)荷改變量模擬負(fù)荷變化，負(fù)荷模擬量輸入完成后通過(guò)“標(biāo)定完成”按鈕發(fā)送至CAN總線以便主控制器接收[22]。

室內(nèi)試驗(yàn)，將方捆機(jī)驅(qū)動(dòng)輪懸空，通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)及JLINK V9型仿真器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，判斷整個(gè)控制系統(tǒng)的安全性、有效性。

道路增、減負(fù)荷試驗(yàn)，通過(guò)載荷模擬器模擬負(fù)荷增加/減少，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)發(fā)送至CAN總線，主控制器根據(jù)所接收的負(fù)荷改變量計(jì)算出機(jī)具目標(biāo)車(chē)速，通過(guò)CAN總線發(fā)送至車(chē)速控制器。車(chē)速控制器調(diào)整車(chē)速并采集車(chē)速傳感器、位移傳感器數(shù)據(jù)，并將各數(shù)據(jù)信息發(fā)送至CAN總線，相關(guān)數(shù)據(jù)信息由控制終端向駕駛?cè)藛T顯示。試驗(yàn)過(guò)程中所用試驗(yàn)數(shù)據(jù)由CAN記錄儀記錄，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，可計(jì)算出車(chē)速調(diào)整時(shí)間Ts、最大動(dòng)態(tài)偏差M、余差C，判斷實(shí)際車(chē)速控制的穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性[23]。

調(diào)整時(shí)間Ts為從車(chē)速調(diào)整過(guò)程開(kāi)始到完成調(diào)整所需時(shí)間。

最大動(dòng)態(tài)偏差M表示系統(tǒng)瞬間偏離給定值的最大程度，計(jì)算式為

M=ymax-r

(8)

式中ymax——最大偏差r——目標(biāo)值

余差C是被控參數(shù)的穩(wěn)態(tài)值y(∞)與目標(biāo)值之間的殘余偏差，是衡量控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)準(zhǔn)確性的指標(biāo)，計(jì)算式為

C=y(∞)-r

(9)

3.2 結(jié)果分析

3.2.1室內(nèi)試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 764 r/min，變速箱Ⅱ擋，手控調(diào)整無(wú)級(jí)變速裝置改變驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速，記錄DT-2235B型數(shù)字式轉(zhuǎn)速儀監(jiān)測(cè)的不同轉(zhuǎn)速，計(jì)算對(duì)應(yīng)的時(shí)速。無(wú)級(jí)變速裝置傳動(dòng)比最大、最小時(shí)，通過(guò)DT-2235B型轉(zhuǎn)速儀分別測(cè)得驅(qū)動(dòng)輪最低轉(zhuǎn)速17.38 r/min、最高轉(zhuǎn)速35.18 r/min，計(jì)算后最低、最高時(shí)速分別為4.357、8.820 km/h。對(duì)比DT-2235B型轉(zhuǎn)速儀測(cè)得的時(shí)速與控制終端顯示數(shù)值如表2所示，誤差小于1%，轉(zhuǎn)速傳感器采集的車(chē)速監(jiān)測(cè)值精度滿足要求。

表2 DT-2235B型轉(zhuǎn)速儀測(cè)得的時(shí)速與控制終端顯示值 對(duì)比Tab.2 Comparison between time velocity measured by DT-2235B tachometer and display value of control terminal

通過(guò)便攜式計(jì)算機(jī)及JLINK V9型仿真器進(jìn)行室內(nèi)實(shí)時(shí)仿真試驗(yàn)，如圖10所示。

3.2.2道路增、減負(fù)荷試驗(yàn)

道路試驗(yàn)如圖11所示，設(shè)置閾值為0.2 km/h，允許偏差0.1 km/h，車(chē)速穩(wěn)定控制時(shí)設(shè)置電控多路閥每次進(jìn)、出油時(shí)間0.2 s。

模擬減負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖12所示，為檢測(cè)速度穩(wěn)定調(diào)節(jié)的持續(xù)性，選擇具有坡道的路段進(jìn)行模擬減負(fù)荷試驗(yàn)。按下“自動(dòng)控制”按鈕后系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)控制模式并等待主控制器發(fā)送相應(yīng)參數(shù)調(diào)整指令。載荷模擬器向主控制器發(fā)送負(fù)荷降低20%信號(hào)，此時(shí)打捆機(jī)工況為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 684 r/min，變速箱Ⅱ擋，車(chē)速傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)速為4.6 km/h。主控制器收到負(fù)荷模擬信號(hào)后經(jīng)計(jì)算確定目標(biāo)車(chē)速為6.1 km/h，主控制器通過(guò)CAN總線向車(chē)速控制器發(fā)送目標(biāo)車(chē)速、閾值、允許偏差等參數(shù)。車(chē)速控制器進(jìn)入車(chē)速調(diào)節(jié)模式，控制無(wú)級(jí)變速器調(diào)節(jié)油缸改變伸長(zhǎng)量增加車(chē)速以增加喂入量保持工作載荷穩(wěn)定，該過(guò)程持續(xù)2.5 s；隨后控制器進(jìn)入穩(wěn)定控制模式，在3.5～4.0 s時(shí)車(chē)速出現(xiàn)過(guò)調(diào)現(xiàn)象，這主要是由于車(chē)速控制的慣性引起的，隨后車(chē)速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。由于試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)存在坡道，在試驗(yàn)進(jìn)行至8.0～8.5 s時(shí)車(chē)速出現(xiàn)了上升趨勢(shì)，在穩(wěn)定程序的控制下，0.5 s內(nèi)將車(chē)速穩(wěn)定至目標(biāo)車(chē)速。試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，在工作負(fù)荷減少時(shí)，車(chē)速由4.5 km/h增至6.1 km/h并維持穩(wěn)定所需調(diào)節(jié)時(shí)間為4.25 s；最大動(dòng)態(tài)偏差為0.24 km/h，與目標(biāo)值偏差為3.93%，小于5%；最大余差0.042 km/h，小于1%。

圖12 模擬減負(fù)荷試驗(yàn)車(chē)速變化曲線Fig.12 Curves of vehicle speed change in simulated load reduction test

模擬增負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖13所示，通過(guò)載荷模擬器模擬系統(tǒng)工作負(fù)荷增加25%，此時(shí)打捆機(jī)工況為：發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1 672 r/min，變速箱Ⅱ擋，車(chē)速傳感器監(jiān)測(cè)車(chē)速為7.1 km/h。主控制器收到負(fù)荷模擬器數(shù)據(jù)后經(jīng)計(jì)算確定目標(biāo)車(chē)速為5.0 km/h，車(chē)速控制器進(jìn)入車(chē)速調(diào)節(jié)模式，該過(guò)程持續(xù)2.75 s，隨后車(chē)速控制器進(jìn)入穩(wěn)定控制模式，經(jīng)過(guò)4.75 s后車(chē)速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。速度由7.1 km/h降至5.0 km/h并維持穩(wěn)定所需調(diào)節(jié)時(shí)間為4.75 s，最大動(dòng)態(tài)偏差為0.21 km/h，與目標(biāo)值偏差為4.2%，小于5%，最大余差0.049 km/h，小于1%。

圖13 模擬增負(fù)荷試驗(yàn)車(chē)速變化曲線Fig.13 Curves of vehicle speed change in simulated load increment test

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了基于工作負(fù)荷反饋的輪式自走方捆打捆機(jī)行走速度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)工作部件的負(fù)荷情況及時(shí)調(diào)整車(chē)輛的行走速度，從而使工作負(fù)荷保持穩(wěn)定。

(2)為了兼顧車(chē)速調(diào)整的快捷性和穩(wěn)定性，控制系統(tǒng)程序分為車(chē)速調(diào)節(jié)控制與車(chē)速穩(wěn)定控制兩部分，車(chē)速調(diào)節(jié)控制可確保在較短時(shí)間內(nèi)使機(jī)具達(dá)到目標(biāo)車(chē)速；車(chē)速穩(wěn)定控制則是在隨后的工作狀態(tài)下使車(chē)速保持穩(wěn)定。

(3)道路模擬增、減負(fù)荷試驗(yàn)表明，車(chē)速調(diào)整的最大動(dòng)態(tài)偏差小于5%，最大余差小于1%，車(chē)速達(dá)到穩(wěn)定所需調(diào)整時(shí)間小于5 s，該控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)方捆打捆機(jī)工作負(fù)荷的自適應(yīng)控制。