電力自動控制系統應用于拖拉機的優越性分析

奚秀芳

(廣西農業職業技術學院，南寧 530007)

0 引言

我國作為農作物種植與產出大國之一，為不斷提高農作物機具的作業效率，對農用拖拉機進行結構優化與部件更新勢在必行。傳統的機械液壓控制拖拉機存在作業精度不高、作業效率低下、燃油消耗較高等缺陷。近年來，許多農業機械領域學者均從不同角度對其展開研發與優化，先進的自動控制技術不斷被應用，如三維識別及自動導航技術等。鑒于我國當前農用機具發展的現狀及精準農業應用的重要性，筆者依據我國農業土壤環境及作物的種類，針對通用性較為廣泛的拖拉機展開電力控制系統應用優越性討論分析。

1 控制理論與方法

傳統的拖拉機由動力裝置、傳動裝置及執行部件等構成，根據其工作原理，加入模糊控制算法理論與PID自動調節控制方法，實現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調控制應用于作業力度與作業深度兩個核心環節，整機形成閉環調節，較傳統式的直線給力系統有較高的柔韌度與適應性。

圖1 拖拉機力位綜合控制簡圖

自適應調節控制的理論方程為

(1)

(2)

(3)

(4)

式中O(t)—控制系統的輸出值；

O(t0)—控制系統的初始值；

t—時間(s)；

Ts—采樣周期(s)；

e(t)—控制系統的輸入偏差；

e(i)—控制系統的輸入偏差變量；

Kc—比例環節的放大倍數；

Ti—積分環節的時間常數；

Td—微分環節的時間常數。

結合實際，經理論計算給出表1所示的拖拉機調節控制設定取值，主要包括單通道控制與雙通道控制兩種情形。

表1 拖拉機調節控制設定值

2 電力自動控制系統設計

2.1 硬件組成

根據拖拉機行進時具有的工作特性，建立轉矩與動力方程，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；

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矩(N·m)；

in—變速裝置轉速比；

i0—中央傳動裝置轉速比；

Rr—轉動半徑；

Gsmax—拖拉機機械部件最大力；

f—阻力系數。

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要求，并進行合理選型；同時，對拖拉機的電液控制閥執行部件同步性能進行優化。

圖2 拖拉機電力控制部件變換電路

針對傳感控制環節，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器，可實現信息準確發送，較傳統式拖拉機的組件提高了智能化執行作業水平。

圖3 拖拉機傳感控制模型示意

拖拉機實現導航控制須滿足圖4控制結構簡圖，將GPS、電子羅盤、角度傳感器與控制終端一并通過CAN總線實現拖拉機轉向控制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 拖拉機導航控制結構圖

2.2 軟件設計

進行信號采集處理與反饋，需電壓與角度的關系建立恰當，以便精確地給出轉向控制要求。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;

}

電力自動控制系統以PC處理器為核心，嵌入定位、轉角、減振與中斷處理等函數核心算法，各項性能指標要求計算準確、進行迭代收斂速度快、效果好，通過數據的感知、數據的傳輸與數據最優處理，實現拖拉機電力自動控制系統的執行與管理。中斷處理函數流程如圖5所示。

圖5 中斷處理函數流程簡圖

3 試驗與分析

進行拖拉機電力自動控制系統應用的試驗，主要裝置及構成如圖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鍵數據獲取與優越性對比分析。

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

關鍵參數設置如表2所示。在整機參數設定基礎上，通過姿態補償實現位置定位與調節，利用GNSS技術實現拖拉機航向角度定位，加入傳感與電控裝置實現轉角與位移測量變化，最終形成預期的路徑規劃與追蹤，實現拖拉機在電力自動控制系統應用下的自主智能作業。

表2 電力自動控制系統關鍵參數設置

通過記錄試驗數據并合理分析，得出拖拉機轉角響應曲線與階躍響應曲線。由圖7可知，利用雙通道調節控制的電力自動控制與轉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，雙通道實現的效果較好，驗證了階躍響應的靈敏性及控制理論與控制部件選擇的可行性與匹配性，電力自動控制系統應用的優越性能得以體現。

a.轉角輸入信號 b.雙通道調節控制 c.單通道調節控制

a.轉角輸入信號 b.雙通道調節控制 c.單通道調節控制

將電控部件與裝置拆卸，進行傳動式試驗測試，表3為傳統式拖拉機與電力控制拖拉機經濟性能指標對比數據。由表3可知：電力自動控制系統的應用，整體作業效率提升近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 試驗拖拉機經濟性指標對比

4 結論

1)在拖拉機結構特點與工作原理基礎上，結合智能控制技術與理論，將模糊控制算法與PID控制有效結合，實現拖拉機驅動環節的混合動力控制，進一步降低了燃油消耗，提升了拖拉機作業效率。

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

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