（咸陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽(yáng)市，721000） 李圣榮

柴油拖拉機(jī)在燃燒時(shí)排放的尾氣會(huì)造成環(huán)境污染，不僅會(huì)排出一氧化碳、碳?xì)浠衔?、氮氧化合物、硫化物等等，還會(huì)排出同體顆粒與光化學(xué)煙霧等等，直接加劇溫室效應(yīng)、破壞臭氧層等一系列自然災(zāi)害，嚴(yán)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(jī)清潔高效、易于控制使用、投入成本低，是未來(lái)拖拉機(jī)行業(yè)主要發(fā)展方向與研究熱點(diǎn)。

1 電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)模式

1.1 田間作業(yè)模式

不同于電動(dòng)車(chē)輛，電動(dòng)拖拉機(jī)負(fù)責(zé)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(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制方法的重中之重。據(jù)此模式下以電機(jī)效率為載體優(yōu)化控制，獲得驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與電池組SOC狀態(tài)時(shí)最佳需求轉(zhuǎn)矩，以有效控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)輸出效率最大化。

1.2 運(yùn)輸作業(yè)模式

電動(dòng)拖拉機(jī)在田間轉(zhuǎn)移與公路運(yùn)輸模式下基于模糊控制理論，以拖拉機(jī)行駛速度為控制目標(biāo)，嚴(yán)格控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩，以提升運(yùn)輸作業(yè)效率。

1.3 能力限制模式

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

2 電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制方法

2.1 整車(chē)數(shù)學(xué)模型

電動(dòng)拖拉機(jī)行駛環(huán)境與運(yùn)行狀態(tài)不同于電動(dòng)汽車(chē)，其既要旋耕、犁耕又要田間轉(zhuǎn)移、運(yùn)輸，因此在不同運(yùn)行狀態(tài)下的受力大不相同?；陔妱?dòng)拖拉機(jī)作業(yè)狀態(tài)對(duì)其進(jìn)行受力分析，以獲取驅(qū)動(dòng)力平衡方程，F(xiàn)f 代表電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)m代表電動(dòng)拖拉機(jī)行駛時(shí)所受土壤阻力，F(xiàn)n 代表加速阻力，F(xiàn)v 代表風(fēng)阻，即：

基于電動(dòng)拖拉機(jī)驅(qū)動(dòng)力平衡方程進(jìn)行整車(chē)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建，模型中以滾動(dòng)阻力、犁耕阻力、加速阻力明確電動(dòng)拖拉機(jī)正常運(yùn)行狀態(tài)下所需驅(qū)動(dòng)力。需求的牽引力就實(shí)際需要輸出的加速度進(jìn)行計(jì)算，并通過(guò)輸出的牽引力計(jì)算可以加速度的輸出值。

2.2 驅(qū)動(dòng)控制方法

電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制主要以三種基礎(chǔ)目標(biāo)為載體，具體即基于滑轉(zhuǎn)率、基于扭矩、基于速度，各有利弊。其中滑轉(zhuǎn)率控制方法需實(shí)時(shí)檢測(cè)作業(yè)土壤的最優(yōu)滑轉(zhuǎn)率，對(duì)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(zhuǎn)率存在顯著差異，適度調(diào)整是此控制方法的關(guān)鍵。扭矩控制方法即就給定目標(biāo)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(diào)整輸出扭矩，穩(wěn)定車(chē)速于恒定狀態(tài)，此控制方法需同時(shí)檢測(cè)滑轉(zhuǎn)率。目前電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制方法主要是上述三種方法的組合與拓展。

電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)田間定速驅(qū)動(dòng)控制方法，具體即控制目標(biāo)精準(zhǔn)化，實(shí)時(shí)識(shí)別車(chē)速變化，將其轉(zhuǎn)換成所需驅(qū)動(dòng)扭矩，針對(duì)性評(píng)估此時(shí)單個(gè)電機(jī)是否處于高效區(qū)域，是否過(guò)載，是否需要切換到耦合狀態(tài)。若是需要耦合則雙電機(jī)轉(zhuǎn)速需先保持同步狀態(tài)，再接合離合器，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)力耦合輸出。需求轉(zhuǎn)矩自適應(yīng)控制原理具體劃分為三個(gè)主要模塊，即信號(hào)輸入、需求計(jì)算、執(zhí)行控制。信號(hào)輸入模塊基于傳感器測(cè)量的實(shí)際車(chē)速、驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行滑轉(zhuǎn)率計(jì)算。通過(guò)輸入油門(mén)踏板行程、工作模式、檔位，進(jìn)行駕駛員意圖計(jì)算分析。需求計(jì)算模塊則就滑轉(zhuǎn)率與駕駛員意圖對(duì)需求扭矩進(jìn)行計(jì)算，再轉(zhuǎn)換成電機(jī)控制信號(hào)輸入于控制執(zhí)行模塊。最后就實(shí)際需要扭矩輸入模糊PID 控制器內(nèi)，轉(zhuǎn)換控制信號(hào)為電機(jī)輸出扭矩[3]。

2.3 定速自適應(yīng)控制器

電動(dòng)拖拉機(jī)定速自適應(yīng)控制器主要?jiǎng)澐譃樾盘?hào)輸入、輸出扭矩計(jì)算、控制執(zhí)行三部分。其中信號(hào)輸入主要就駕駛員踏板和拖拉機(jī)行駛狀態(tài)檢測(cè)目標(biāo)車(chē)速和實(shí)際車(chē)速；輸出扭矩計(jì)算主要就目標(biāo)車(chē)速計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)際車(chē)速計(jì)算輸出扭矩需要提高或者減少；控制執(zhí)行主要就田間負(fù)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(shí)現(xiàn)不同負(fù)載情況的自適應(yīng)控制[4]。

2.3.1 信號(hào)輸入

電動(dòng)拖拉機(jī)行駛時(shí)駕駛員基于油門(mén)踏板開(kāi)度控制度實(shí)現(xiàn)車(chē)速控制。大部分情況下油門(mén)踏板行程需轉(zhuǎn)化成實(shí)際扭矩輸出，但是犁耕工況時(shí)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(mén)踏板獲取輸出扭矩，很容易造成拖拉機(jī)形式速度不穩(wěn)定。在此形勢(shì)下應(yīng)設(shè)計(jì)駕駛員輸入即踏板信號(hào)、滑轉(zhuǎn)率信號(hào)為輸入信號(hào)，其中踏板信號(hào)的作用是識(shí)別駕駛員意圖，轉(zhuǎn)換目標(biāo)明確車(chē)速，滑轉(zhuǎn)率信號(hào)的作用是象征土壤條件，以此為反饋信號(hào)，就滑轉(zhuǎn)率計(jì)算需求進(jìn)行扭矩輸出。

2.3.2 扭矩計(jì)算

電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)定速控制方法的目標(biāo)在于車(chē)速，所以加速踏板開(kāi)度作為駕駛員意圖應(yīng)與期望車(chē)速相關(guān)聯(lián)。若是只檢測(cè)滑轉(zhuǎn)率和駕駛員意圖，則駕駛員期望保持恒定速度前進(jìn)的時(shí)候會(huì)發(fā)生兩種不同狀況，即土壤附著力下降，需降低電機(jī)輸出功率以縮減驅(qū)動(dòng)扭矩；牽引阻力提高，需增加驅(qū)動(dòng)扭矩以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)力。據(jù)此可見(jiàn)，盡管車(chē)輪滑轉(zhuǎn)具有唯一性，但是卻由兩種不同原因造成，且需針對(duì)電機(jī)輸出進(jìn)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(yīng)采取以滑轉(zhuǎn)率變化為基礎(chǔ)的計(jì)算方法。所以若是檢測(cè)發(fā)現(xiàn)滑轉(zhuǎn)率增加，則適度增加電機(jī)輸出扭矩，以檢測(cè)滑轉(zhuǎn)率變化動(dòng)態(tài)評(píng)估這時(shí)增加或者減少輸出扭矩。

2.3.3 控制執(zhí)行

電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)恒速控制一般以PID 加以控制，PID 控制以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且可靠性較高為優(yōu)勢(shì)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(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制與過(guò)程控制。但是實(shí)際環(huán)境一般促使拖拉機(jī)負(fù)載具備非線性與時(shí)變性特征，所以傳統(tǒng)PID 控制此時(shí)會(huì)出現(xiàn)參數(shù)整定不齊，復(fù)雜工況適應(yīng)度較差的現(xiàn)象。所以基于PID 控制進(jìn)行優(yōu)化，可有機(jī)結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、迭代學(xué)習(xí)等智能控制算法，確保其可高度適應(yīng)復(fù)雜工況。PID 控制算法需前置低通濾波器，以促使控制器對(duì)于土壤隨機(jī)波動(dòng)不會(huì)太過(guò)敏感，否則滑轉(zhuǎn)率稍微變化便需調(diào)整電機(jī)，會(huì)導(dǎo)致超調(diào)量增加，不利于系統(tǒng)穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

電動(dòng)拖拉機(jī)整車(chē)控制器以系統(tǒng)自檢發(fā)現(xiàn)無(wú)嚴(yán)重故障，再根據(jù)電動(dòng)拖拉機(jī)檔位狀態(tài)、加速踏板信號(hào)、提高裝置位置信號(hào)、SOC 狀態(tài)與其他傳感器所檢測(cè)信號(hào)合理規(guī)劃驅(qū)動(dòng)時(shí)的運(yùn)行模式。本文主要對(duì)電動(dòng)拖拉機(jī)數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)定速驅(qū)動(dòng)控制方法進(jìn)行了詳細(xì)分析，其可通過(guò)檢測(cè)實(shí)際車(chē)堵與目標(biāo)車(chē)速之間的差異實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制。