CN107463189A - 一种拖拉机田间恒速运行的控制方法及装置 - Google Patents
一种拖拉机田间恒速运行的控制方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种拖拉机田间恒速运行的控制方法及装置，在某一档位下，若拖拉机的运行速度小于拖拉机的理论速度，根据滑转率计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标变量，控制电机的角速度无限逼近电机的期望角速度，考虑拖拉机运行时的滑转率，符合实际工作环境的要求，实现了对拖拉机的稳定准确的控制，使拖拉机的性能保持在良好的状态，进而实现对拖拉机的恒速运行控制，保证了耕作质量、降低了驾驶员的劳动强度、保证信号的采集精度。
Description
技术领域
本发明属于农业工程技术领域，特别涉及一种拖拉机田间恒速运行的控制方法及装置。
背景技术
在电动拖拉机田间工作过程中，由于土壤软硬程度、高低地势、土壤中石子大小等问题，往往在档位不变的情况下出现打滑或者是不走的情况，以至于在犁耕、播种等的情况下出现犁耕不均匀、播种疏密不一致，而且此种情况耗电量快，对电机损耗严重。
针对以上情况，主要是受滑转率的影响，滑转是指驱动轮实际走过的距离小于纯滚动时应走过的距离，车轮或履带在地面上行驶时，沿着行驶相反的方向相对于地面的单位时间滑动量与理论速度的比率，拖拉机的牵引附着性能抑制受到人们的重视和研究，因为它直接影响到拖拉机的作业效率和燃油消耗率，驱动车轮的滑转会影响到车辆的行驶速度和驱动力的发挥，消耗发动机的功率，使耗油量加大，过度的滑转还有可能导致车轮产生激烈的自振，降低车辆的操作性和通过性。
农用车辆在土壤上作业，由于田间工作环境复杂，若驱动轮的滑转率过高，将造成拖拉机滚动阻力增加，甚至导致拖拉机无法正常运行，给农业生产带来巨大的损失，轮胎的滑转率研究和轮胎的受力情况是密不可分的，现有技术中主要考虑拖拉机的实际运行速度与拖拉机的理论速度，若两者之间有误差，则通过调节拖拉机的实际运行速度进行恒速控制，这种控制方式容易出现波动，对拖拉机的恒速运行控制的不够精准，影响作业质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种拖拉机田间恒速运行的控制方法，用于解决拖拉机田间恒速运行时由于存在波动造成控制精度低的问题，同时还提供了一种拖拉机田间恒速运行的控制装置。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种拖拉机田间恒速运行的控制方法，包括如下步骤：
1)实时检测某一档位下的拖拉机实际运行速度；
2)若所述拖拉机实际运行速度低于拖拉机的理论速度，则计算拖拉机的实时滑转率；
3)将所述实时滑转率与设定的允许的滑转率进行比较，若大于设定的允许的滑转率，则计算所述滑转率下的拖拉机驱动轮的转速，并计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
进一步地，通过电力拖动控制使测量的电机的角速度逼近电机的期望角速度，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
进一步地，将所述期望角速度与测量得到的角速度比较，若有误差，则根据滑模变结构和角速度误差建立滑模变结构的第一切换面，求解得到电流的控制量；
将所述电流的控制量与测量得到的电流比较，若有误差，则根据滑模变结构和电流误差建立滑模变结构的第二切换面，求解得到角速度的控制量。
进一步地，所述设定的允许的滑转率的范围为10％-30％。
进一步地，所述滑转率下的拖拉机驱动轮转速表示为：
其中，n1表示被动轮角速度，n2表示驱动轮角速度，r1表示被动轮半径，r2表示驱动轮半径，s表示滑转率。
进一步地，所述电机的期望角速度表示为：
其中，i0表示减速箱传动比，ig表示变速箱传动比，n2表示驱动轮角速度。
进一步地，所述第一滑膜切换面表示为：
其中，e1(t)表示角速度的误差，c1表示常数，且c1＞0；
采用指数趋近率，令则电流的控制量表示为：
其中，KT表示电机额定励磁下的转矩系数，B表示转矩阻尼系数，J表示机械转动惯性，K1和K2表示指数趋近律的参数，TL表示负载转矩。
进一步地，所述第二滑膜切换面表示为：
其中，e2(t)表示角速度的误差，c2表示常数，且c2＞0；
采用指数趋近率，令则角速度的控制量表示为：
其中，La表示电机电枢回路电感，表示i*的微分，Ke表示额定励磁下的感应电动势系数，Ra表示电机电枢回路总电阻，K3和K4表示指数趋近律的参数。
本发明还提供了一种拖拉机田间恒速运行的控制装置，包括如下单元：
检测单元：用于实时检测某一档位下的拖拉机实际运行速度；
计算单元：用于若所述拖拉机实际运行速度低于拖拉机的理论速度，则计算拖拉机的实时滑转率；
控制单元：用于将所述实时滑转率与设定的允许的滑转率进行比较，若大于设定的允许的滑转率，则计算所述滑转率下的拖拉机驱动轮的转速，并计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
进一步地，还包括用于通过电力拖动控制使测量的电机的角速度逼近电机的期望角速度，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度的单元。
本发明的有益效果是：
本发明充分考虑了田间土壤的特性，一般拖拉机在田间土壤耕作时都存在滑转率，在某一档位下，若拖拉机的运行速度小于拖拉机的理论速度，根据滑转率，计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标变量，控制电机的角速度无限逼近电机的期望角速度，考虑拖拉机运行时的滑转率，符合实际工作环境的要求，实现了对拖拉机的稳定准确的控制，使拖拉机的性能保持在良好的状态，进而实现对拖拉机的恒速运行控制，保证了耕作质量、降低了驾驶员的劳动强度、保证信号的采集精度。
附图说明
图1为拖拉机田间恒速运行的控制方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明：
本发明的一种拖拉机田间恒速运行的控制方法的实施例：
拖拉机以某一档位运行在田间土壤，获取该档位下的电动拖拉机的运行速度，此运行速度是电动拖拉机的被动轮的速度，拖拉机包括驱动轮和被动轮，一般驱动轮指的是拖拉机的后轮，被动轮指的是拖拉机的前轮，因此，本实施例声称的被动轮即是拖拉机的前轮，驱动轮即是拖拉机的后轮；由于土壤的软硬程度、高低地势、土壤中石子大小等问题，使拖拉机在土壤中运行一定会存在滑转率，本实施例的滑转率允许的范围是10％-30％，当滑转率在10％-30％的范围时，拖拉机以正常的速度运行，当不在10％-30％的范围，比如滑转率为31％时，则首先将前轮的转速与拖拉机的理论速度进行比较，若存在误差，则计算滑转率，并重新设置电机的角速度为控制目标，计算电机的期望角速度，并重新设置电机的角速度为控制目标变量，控制电机的角速度无限逼近电机的期望角速度，进而使拖拉机的实际运行速度逼近理论速度，实现拖拉机的恒速运行控制。
一种拖拉机田间恒速运行的控制方法，包括如下步骤：
1、电动拖拉机以某一档位在田间工作，获取拖拉机当前运行的速度值，单位为km/h，通过光电编码器测量拖拉机前后轮的角速度n1、n2，拖拉机前后轮的半径r1、r2，得到当前运行速度值V1，当前运行速度值用下式表示：
2、从拖拉机使用说明书上查找该档位下的理论速度V，将步骤1中的当前运行速度值V1与理论速度V通过比较器进行比较，判断是否存在误差，误差表示为ΔV＝V-V1。
3、若存在误差且误差不为0，即ΔV≠0，说明存在滑转率，则引入滑转率，根据电机的转速、变速箱传动比，计算该滑转率下的拖拉机后轮的转速，进一步地计算电机的期望角速度ω*。
电机的期望角速度ω*表示为：
其中，i0为减速箱传送比，表示为i0＝从动齿轮数/主动齿轮数，ig表示为变速箱传动比，表示为nMN表示电机额定转速，单位为r/min；VjN表示第j档下的拖拉机的理论速度。
计算后的拖拉机的后轮转速滑转率s的计算公式表示为
4、将步骤3中计算得到的电机的期望角速度与位置传感器测量得到的角速度ω通过比较器进行比较，判断是否存在误差，该误差表示为e1(t)＝ω-ω*，若存在误差，则根据滑模变结构，滑模变结构是一类特殊的非线性控制系统，其借助于理想开关的方式切换，不断变换切换控制量的符号和大小，使系统在很小的领域内沿滑模面运动，并通过角速度的误差设计滑模变结构的切换面S1，选取电流作为控制变量，进而得到电流控制量。
切换面S1为积分切换面，可以减少抖振，积分切换面S1的表达式为：
其中，e1(t)表示角速度的误差，c1表示常数，且c1＞0；
对上式求导得到：
采用指数趋近率得到：
则电流控制量表示为：
其中，KT表示电机额定励磁下的转矩系数，B表示转矩阻尼系数，J表示机械转动惯性，K1和K2表示指数趋近律的参数，TL表示负载转矩。
5、将上述求得的电流控制量作为输入，与电流互感器测量得到的电流通过比较器进行比较，判断是否存在误差，该误差表示为e2(t)＝i-i*，若存在误差，则根据滑模变结构和电流误差设计滑模变结构的切换面S2，选取电机角速度作为控制变量，进而得到电机角速度控制量。
切换面S2为积分切换面，可以减少抖振，切换面S2的表达式为：
其中，e2(t)表示角速度的误差，c2表示常数，且c2＞0；
对上式求导得到：
采用指数趋近率得到：
则电机角速度控制量表示为：
其中，La表示电机电枢回路电感，表示i*的微分，Ke表示额定励磁下的感应电动势系数，Ra表示电机电枢回路总电阻，K3和K4表示指数趋近律的参数。
6、将上述求得的电机角速度控制量与当前档位下的角速度期望值进行比较，若有误差，则按照上述步骤进一步控制得到电流或电机角速度控制量，使测量的电机角速度逼近期望的电机角速度，进一步使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度，使电动拖拉机恒速运行，保证耕作质量。
本发明还提供了一种拖拉机田间恒速运行的控制装置，包括检测单元、计算单元和控制单元，其中检测单元用于实时检测某一档位下的实际运行速度；计算单元用于若拖拉机实际运行速度低于拖拉机的理论速度，则计算拖拉机的实时滑转率；控制单元用于将所述实时滑转率与设定的允许的滑转率进行比较，若在设定的允许的滑转率范围内，则计算所述滑转率下的拖拉机驱动轮的转速，并计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
上述控制装置作为一种软件构架，其中的各单元是与上述控制方法的步骤1-6相对应的进程或程序。因此，不再对该控制装置进行详细说明。
以上给出了具体的实施方式，但本发明不局限于以上所描述的实施方式。本发明的基本思路在于上述基本方案，对本领域普通技术人员而言，根据本发明的教导，设计出各种变形的模型、公式、参数并不需要花费创造性劳动。在不脱离本发明的原理和精神的情况下对实施方式进行的变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)实时检测某一档位下的拖拉机实际运行速度；
2)若所述拖拉机实际运行速度低于拖拉机的理论速度，则计算拖拉机的实时滑转率；
3)将所述实时滑转率与设定的允许的滑转率进行比较，若在设定的允许的滑转率范围内，则计算所述滑转率下的拖拉机驱动轮的转速，并计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
2.根据权利要求1所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，通过电力拖动控制使测量的电机的角速度逼近电机的期望角速度，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
3.根据权利要求2所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，将所述期望角速度与测量得到的角速度比较，若有误差，则根据滑模变结构和角速度误差建立滑模变结构的第一滑膜切换面，求解得到电流的控制量；
将所述电流的控制量与测量得到的电流比较，若有误差，则根据滑模变结构和电流误差建立滑模变结构的第二滑膜切换面，求解得到角速度的控制量。
4.根据权利要求1所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，所述设定的允许的滑转率的范围为10％-30％。
5.根据权利要求1所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，所述滑转率下的拖拉机驱动轮转速表示为：
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其中，n1表示被动轮角速度，n2表示驱动轮角速度，r1表示被动轮半径，r2表示驱动轮半径，s表示滑转率。
6.根据权利要求2所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，所述电机的期望角速度表示为：
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其中，i0表示减速箱传动比，ig表示变速箱传动比，n2表示驱动轮角速度。
7.根据权利要求3所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，所述第一滑模切换面表示为：
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其中，e1(t)表示角速度的误差，c1表示常数，且c1＞0；
采用指数趋近率，令则电流的控制量表示为：
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其中，KT表示电机额定励磁下的转矩系数，B表示转矩阻尼系数，J表示机械转动惯性，K1和K2表示指数趋近律的参数，TL表示负载转矩。
8.根据权利要求3所述的拖拉机田间恒速运行的控制方法，其特征在于，所述第二滑模切换面表示为：
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其中，e2(t)表示角速度的误差，c2表示常数，且c2＞0；
采用指数趋近率，令则角速度的控制量表示为：
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其中，La表示电机电枢回路电感，表示i*的微分，Ke表示额定励磁下的感应电动势系数，Ra表示电机电枢回路总电阻，K3和K4表示指数趋近律的参数。
9.一种拖拉机田间恒速运行的控制装置，其特征在于，包括如下单元：
检测单元：用于实时检测某一档位下的拖拉机实际运行速度；
计算单元：用于若所述拖拉机实际运行速度低于拖拉机的理论速度，则计算拖拉机的实时滑转率；
控制单元：用于将所述实时滑转率与设定的允许的滑转率进行比较，若在设定的允许的滑转率范围内，则计算所述滑转率下的拖拉机驱动轮的转速，并计算电机的期望角速度，设置电机的期望角速度为控制目标，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度。
10.根据权利要求9所述的一种拖拉机田间恒速运行的控制装置，其特征在于，还包括用于通过电力拖动控制使测量的电机的角速度逼近电机的期望角速度，进而使拖拉机的实际运行速度逼近拖拉机的理论速度的单元。
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| JP3188103B2 (ja) * | 1994-07-04 | 2001-07-16 | ヤンマーディーゼル株式会社 | トラクターのエンジン回転数制御装置 |
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| CN103019239A (zh) * | 2012-11-27 | 2013-04-03 | 江苏大学 | 用于喷药移动机器人的轨迹跟踪滑模控制系统和控制方法 |
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2017
- 2017-05-11 CN CN201710331197.0A patent/CN107463189B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (5)
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| CN110007667A (zh) * | 2018-01-04 | 2019-07-12 | 中国农业机械化科学研究院 | 一种履带拖拉机及其路径跟踪控制方法和系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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