CN111399371B - 一种模拟旋耕机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟旋耕机控制系统，通过闭环控制缓速器加载模拟旋耕作业时动力输出轴所受负荷，并实现载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式；控制液压马达转速和转向来模拟旋耕机在旋转时产生的寄生功率；控制电磁制动器执行时间来模拟实际作业中突遇负荷；对于总开关和各模块开关以及个别参数具备上位机和智能仪表共同控制的功能；系统采集了缓速器温度、换向箱温度、中央拉杆拉力、销轴传感器拉力、动力输出轴转速和扭矩等参数实现传感器故障报警、超速报警、超扭报警等保护措施。

Description

一种模拟旋耕机控制系统

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种模拟旋耕机控制系统。

背景技术

旋耕机是与拖拉机配套完成耕、耙作业的耕耘机械。因其具有碎土能力强、耕后地表平坦等特点，而得到了广泛的应用；同时能够切碎埋在地表以下的根茬，便于播种机作业，为后期播种提供良好种床。

在拖拉机可靠性验证试验中，旋耕作业时长占了很大比例，而作业过程受耕作季节、天气状况和作业面积等因素的影响很大，严重影响试验进度，目前未找到模拟旋耕机的现有设备及其控制系统。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种模拟旋耕机控制系统，本发明所述控制系统应用在模拟旋耕机上使得拖拉机耐久性试验方便快捷，大大节约了时间和成本，提高试验效率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种模拟旋耕机控制系统，包括信号处理和故障诊断模块，缓速器控制模块，寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，所述信号处理和故障诊断模块主要负责对采集的信号进行查表计算转化为数字量，之后对转化后的数字量进行处理，并对故障进行诊断和报警；所述缓速器控制模块主要是通过控制缓速器给输出轴加载，来模拟实际作业当中拖拉机所受负荷，通过扭矩传感器和转速传感器的反馈，实现载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式闭环控制；所述寄生功率控制模块分为转速控制、转向控制和挡位控制三部分，寄生功率模拟的是实际旋耕试验中，旋耕机在自身旋转时对拖拉机产生的作用力，用左右各一个液压马达驱动轮来模拟，寄生功率采用左右水平销轴传感器平均力来衡量；所述冲击加载控制模块是通过控制电磁制动器执行的时间来实现模拟实际作业中突遇负荷的情况；

底层硬件采集各传感器信号后，控制系统通过查表计算得到各传感器物理量和起动成功标志等状态量，仪表旋耕机总开关和上位机旋耕机总开关取“与”，共同确定了总开关标志；仪表各模块开关和上位机各模块开关取“或”，共同确定了模块开关标志；总开关标志和模块开关标志取“与”后形成开关信号，开关信号和处理后的信号共同进入缓速器控制模块、寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，三个模块计算的结果传给底层执行程序。

进一步地，所述信号包含有以下信号：动力输出轴转速信号、动力输出轴扭矩信号、中央拉杆拉力信号、销轴传感器拉力信号、缓速器温度信号、换向箱温度信号；所述故障诊断包括动力输出轴超速报警、超扭报警，扭矩传感器缺电报警、异常工作报警，缓速器超温报警，换向箱超温报警。

进一步地，缓速器工作模式由上位机和智能仪表共同设定，以最后一次设定动作执行；当最终缓速器工作模式为0时，控制系统进入载荷谱模式，此时的目标扭矩为控制系统输出的查表扭矩，由监控量记录当前查表时间和循环次数；当最终缓速器工作模式为1时，控制系统进入恒扭矩模式，此时上位机的恒扭矩目标值会与仪表设定的恒扭矩值做一判断，以最后一次操作为最终目标扭矩；目标扭矩值确定后和实际扭矩值等其他信号一同送入扭矩模式PID计算模块，闭环计算出扭矩模式输出电压；当缓速器最终工作模式为2时，控制系统进入恒转速模式，此时上位机的恒转速目标值会与仪表设定的恒转速值做一判断，以最后一次操作为最终目标转速，送入转速模式PID计算模块，闭环计算出转速模式输出电压；计算完毕后将电压送入电压限制保护和故障卸载模块。

进一步地，电压限制保护和故障卸载模块主要对计算得到的电压进行最大最小值限制，防止超载，控制系统出现故障或者紧急停车时，该模块能柔性卸载，防止意外发生，最终输出的电压控制缓速器加载。

进一步地，寄生功率转速控制有两种模式：开环模式和闭环模式，可通过标定进行切换，0是开环模式，1是闭环模式；开环模式下，利用目标寄生功率和实际寄生功率差的绝对值查表“寄生功率和电压关系曲线”直接得到目标电压；闭环模式下，利用“左右水平销轴传感器平均力”作为实际功率反馈，PID闭环计算目标电压，目标电压决定液压马达转速的快慢。

进一步地，寄生功率转向控制有三种模式：1是只正功方向，2是只负功方向，0是自动切换方向；当选择1时，液压马达只会正向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出。；当选择2时，液压马达只会反向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出；当选择0时，在满足一定条件下，马达方向可在正向和反向之间自动切换。

进一步地，寄生功率档位控制有三种模式：0是低挡，1是高挡，2是自动切换。同样的电压下，高挡比低挡转速高。当选择模式2时，在满足切换条件时，低挡和高挡可以自动切换，切换时对电压有一个短时间修正，以实现柔性切换。

进一步地，冲击加载控制有两种模式：随时间查表模式和手动冲击模式，可通过标定进行切换，0代表查表模式，1代表手动冲击模式。

有益效果

1、本发明能够实现三个模块的控制：缓速器控制、寄生功率控制和冲击加载控制，更接近于真实旋耕机作业时的工况。

2、本发明中缓速器控制具备载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式；载荷谱模式能导入真实旋耕机作业时输出轴所受扭矩，以模拟真实作业；恒扭矩模式和恒转速模式可实现功率测量和模拟，使得模拟旋耕机应用更为广泛。

3、本发明寄生功率模拟具备转速控制、转向控制和挡位控制；转速控制具有开环和闭环两种模式；转向控制有正功方向、负功方向和自动换向三种模式；挡位控制有低挡、高挡和自动换挡三种模式。

4、本发明冲击加载控制有查表冲击和手动冲击两种模式。

5、本发明具备超速报警、超扭报警和超温报警等多种故障诊断和保护措施。

6、本发明中个别参数由上位机和拖拉机中智能仪表共同控制，便于试验中更改参数。

7、本发明所述控制系统应用在模拟旋耕机上使得拖拉机耐久性试验方便快捷，大大节约了时间和成本。

附图说明

图1是本发明系统的控制算法简图；

图2是本发明缓速器控制的算法简图；

图3是本发明寄生功率控制的算法简图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

本发明的一种模拟旋耕机控制系统，使用在模拟旋耕机上，通过闭环控制缓速器加载模拟旋耕作业时动力输出轴所受负荷，并实现载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式；控制液压马达转速和转向来模拟旋耕机在旋转时产生的寄生功率；控制电磁制动器执行时间来模拟实际作业中突遇负荷；对于总开关和各模块开关以及个别参数具备上位机和智能仪表共同控制的功能；系统采集了缓速器温度、换向箱温度、中央拉杆拉力、销轴传感器拉力、动力输出轴转速和扭矩等参数实现传感器故障报警、超速报警、超扭报警等保护措施；包括信号处理和故障诊断模块、缓速器控制模块、寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，以下分别具体介绍：

信号处理和故障诊断模块主要负责对电压、电流和电阻等模拟信号进行查表计算转化为数字量，之后对转化后的数字量进行滤波等处理，主要包含有以下信号：动力输出轴转速信号、动力输出轴扭矩信号、中央拉杆拉力信号、销轴传感器拉力信号、缓速器温度信号、换向箱温度信号。

故障诊断包括有动力输出轴超速报警、超扭报警，扭矩传感器缺电报警、异常工作报警，缓速器超温报警，换向箱超温报警等。

缓速器控制模块主要是通过控制缓速器给输出轴加载，来模拟实际作业当中拖拉机所受负荷。通过扭矩传感器和转速传感器的反馈，实现载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式闭环控制。

缓速器工作模式可由上位机和智能仪表共同设定，以最后一次设定动作执行。当最终缓速器工作模式为0时，控制系统进入载荷谱模式。此时的目标扭矩为控制系统输出的查表扭矩。该表格内容为随时间变化的扭矩载荷，为实际旋耕机作业时采集的真实载荷，每格间隔5秒钟，每100秒为一循环；由监控量记录当前查表时间和循环次数。

当最终缓速器工作模式为1时，控制系统进入恒扭矩模式。此时上位机的恒扭矩目标值会与仪表设定的恒扭矩值做一判断，以最后一次操作为最终目标扭矩。

目标扭矩值确定后和实际扭矩值等其他信号一同送入扭矩模式PID计算模块，闭环计算出扭矩模式输出电压。

当缓速器最终工作模式为2时，控制系统进入恒转速模式。此时上位机的恒转速目标值会与仪表设定的恒转速值做一判断，以最后一次操作为最终目标转速，送入转速模式PID计算模块，闭环计算出转速模式输出电压。

两种模式的PID计算都加入了前馈控制系统和防积分饱和系统，并且在选择一种模式时，不允许其他模式进行计算，计算完毕后将电压送入电压限制保护和故障卸载模块。

电压限制保护和故障卸载模块主要对计算得到的电压进行最大最小值限制，防止超载。控制系统出现故障或者紧急停车时，该模块能柔性卸载，防止意外发生。最终输出的电压控制缓速器加载。

寄生功率模拟的是实际旋耕试验中，旋耕机在自身旋转时对拖拉机产生的作用力，用左右各一个液压马达驱动轮来模拟。寄生功率采用左右水平销轴传感器平均力来衡量。寄生功率控制模块分为转速控制、转向控制和挡位控制三部分。

寄生功率目标值是通过循环时间查表得到的，表内是在实际旋耕机试验中采集的销轴传感器平均力值，每格间隔5秒钟，每100秒为一循环，与载荷谱表是同时采集，为一一对应关系。表中目标寄生功率为正数时，代表销轴传感器在承受拉力，为负数时代表销轴传感器在承受压力。寄生功率转速控制有两种模式：开环模式和闭环模式，可通过标定进行切换，0是开环模式，1是闭环模式。

开环模式下，利用目标寄生功率和实际寄生功率差的绝对值查表“寄生功率和电压关系曲线”直接得到目标电压。

闭环模式下，利用“左右水平销轴传感器平均力”作为实际功率反馈，PID闭环计算目标电压。目标电压决定液压马达转速的快慢。

寄生功率转向控制有三种模式：1是只正功方向（同拖拉机前进方向），2是只负功方向（拖拉机前进相反方向），0是自动切换方向。当选择1时，液压马达只会正向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出。当选择2时，液压马达只会反向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出。当选择0时，在满足一定条件下，马达方向可在正向和反向之间自动切换。

寄生功率档位控制有三种模式：0是低挡，1是高挡，2是自动切换。同样的电压下，高挡比低挡转速高。当选择模式2时，在满足切换条件时，低挡和高挡可以自动切换，切换时对电压有一个短时间修正，以实现柔性切换。

冲击加载控制是模拟实际作业中突遇负荷的情况，通过控制电磁制动器执行的时间来实现。冲击加载控制有两种模式：随时间查表模式和手动冲击模式。可通过标定进行切换，0代表查表模式，1代表手动冲击模式。

查表模式下，通过循环时间查表，获得冲击使能信号，通过标定确定冲击时间。

手动冲击模式下，通过上位机改变标定量“冲击加载手动使能”为1，就能激活冲击，冲击时间和查表模式下一样。手动冲击只能执行一次，想要再次冲击，先将使能改回0，再次改为1即可，以此类推。

实施例

本发明的控制系统在使用时，上位机软件可对控制系统各参数进行标定和监控，拖拉机中的智能仪表可对个别参数进行监控和调节；对于总开关和各模块开关以及个别参数具备上位机和智能仪表共同控制的功能，在试验中可在驾驶室中操控智能仪表实现旋耕机总开关和三个模块开关控制，以及对缓速器控制模块中模式选择、恒扭矩值和恒转速值进行设定。

图1所示是本发明控制系统的算法简图，底层硬件采集各传感器信号后，控制系统通过查表计算得到各传感器物理量和起动成功标志等状态量，仪表旋耕机总开关和上位机旋耕机总开关取“与”，共同确定了总开关标志；仪表各模块开关和上位机各模块开关取“或”，共同确定了模块开关标志；总开关标志和模块开关标志取“与”后形成开关信号，开关信号和处理后的信号共同进入缓速器控制模块、寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，三个模块计算的结果传给底层执行程序。

底层执行程序是将目标参数实际作用在电路当中的驱动程序，执行的是将获得的驱动参数例如电压、标志位等，执行到控制电路中，以实现电路对被控对象的实际控制。

其中缓速器控制模块中的模式选择、恒扭矩目标值和恒转速目标值也受智能仪表控制，按仪表和上位机最后一次操作执行。

图2是缓速器控制算法简图；开关信号和起动成功标志取“与”后生成使能标志，决定了缓速器控制模块的输出；缓速器控制有载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式三种模式，由上位机和仪表选择模式类型。

当最终缓速器工作模式为0时，控制系统进入载荷谱模式，此时的目标扭矩为控制系统输出的查表扭矩，由监控量记录当前查表时间和循环次数。

当最终缓速器工作模式为1时，控制系统进入恒扭矩模式，此时上位机的恒扭矩目标值会与仪表设定的恒扭矩值做一判断，以最后一次操作为最终目标扭矩。

目标扭矩值确定后和实际扭矩值等其他信号一同送入扭矩模式PID计算模块，闭环计算出扭矩模式输出电压。

当缓速器最终工作模式为2时，控制系统进入恒转速模式，此时上位机的恒转速目标值会与仪表设定的恒转速值做一判断，以最后一次操作为最终目标转速，送入转速模式PID计算模块，闭环计算出转速模式输出电压。

两种模式计算完毕后将电压送入电压限制保护和故障卸载模块，该模块主要对计算得到的电压进行最大最小值限制，防止超载；控制系统出现故障、模块开关关闭或者紧急停车时，该模块能柔性卸载，防止意外发生，最终输出的电压控制缓速器加载。

图3为寄生功率控制算法简图；寄生功率转速控制有两种模式：开环模式和闭环模式，可通过标定进行切换，0是开环模式，1是闭环模式。

开环模式下，利用目标寄生功率和实际寄生功率差的绝对值查表“寄生功率和电压关系曲线”直接得到目标电压。

闭环模式下，利用“左右水平销轴传感器平均力”作为实际功率反馈，PID闭环计算目标电压。目标电压决定液压马达转速的快慢。

寄生功率转向控制有三种模式：1是正功方向，2是负功方向，0是自动换向。当选择1时，液压马达只会正功方向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出；当选择2时，液压马达只会负功方向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出；当选择0时，在满足一定条件下，马达方向可在正负两方向之间自动切换。

寄生功率档位控制有三种模式：0是低挡，1是高挡，2是自动换挡。选择低挡模式只会在低挡运转；选择高挡模式只会在高挡运转；当选择自动换挡模式时，在满足切换条件时，低挡和高挡可以自动切换，切换时对电压有一个短时间修正，以实现柔性切换。

本发明具备故障诊断、紧急停车、柔性卸载等保护功能，故障诊断包括动力输出轴超速报警、超扭报警，扭矩传感器缺电报警、异常工作报警，缓速器超温报警，换向箱超温报警等；上位机或智能仪表将旋耕机总开关关闭即为紧急停车状态，该状态将停止各模块的输出，并且只有断掉系统电源才能清除；当出现故障状态、模块开关关闭状态或紧急停车状态时，寄生功率控制模块和冲击加载控制模块立即停止输出，缓速器控制模块逐渐卸载，实现柔性控制。

Claims (8)

1.一种模拟旋耕机控制系统，包括信号处理和故障诊断模块，缓速器控制模块，寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，其特征在于：

所述信号处理和故障诊断模块主要负责对采集的信号进行查表计算转化为数字量，之后对转化后的数字量进行处理，并对故障进行诊断和报警；

所述缓速器控制模块主要是通过控制缓速器给输出轴加载，来模拟实际作业当中拖拉机所受负荷，通过扭矩传感器和转速传感器的反馈，实现载荷谱模式、恒扭矩模式和恒转速模式闭环控制；

所述寄生功率控制模块分为转速控制、转向控制和挡位控制三部分，寄生功率模拟的是实际旋耕试验中，旋耕机在自身旋转时对拖拉机产生的作用力，用左右各一个液压马达驱动轮来模拟，寄生功率采用左右水平销轴传感器平均力来衡量；

所述冲击加载控制模块是通过控制电磁制动器执行的时间来实现模拟实际作业中突遇负荷的情况；

底层硬件采集各传感器信号后，控制系统通过查表计算得到各传感器物理量和包括起动成功标志在内的状态量，仪表旋耕机总开关和上位机旋耕机总开关取“与”，共同确定了总开关标志；仪表各模块开关和上位机各模块开关取“或”，共同确定了模块开关标志；总开关标志和模块开关标志取“与”后形成开关信号，开关信号和处理后的信号共同进入缓速器控制模块、寄生功率控制模块和冲击加载控制模块，三个模块计算的结果传给底层执行程序。

2.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，所述信号包含有以下信号：动力输出轴转速信号、动力输出轴扭矩信号、中央拉杆拉力信号、销轴传感器拉力信号、缓速器温度信号、换向箱温度信号；所述故障诊断包括动力输出轴超速报警、超扭报警，扭矩传感器缺电报警、异常工作报警，缓速器超温报警，换向箱超温报警。

3.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，缓速器工作模式由上位机和智能仪表共同设定，以最后一次设定动作执行；当最终缓速器工作模式为0时，控制系统进入载荷谱模式，此时的目标扭矩为控制系统输出的查表扭矩，由监控量记录当前查表时间和循环次数；当最终缓速器工作模式为1时，控制系统进入恒扭矩模式，此时上位机的恒扭矩目标值会与仪表设定的恒扭矩值做一判断，以最后一次操作为最终目标扭矩；目标扭矩值确定后和包括实际扭矩值在内的信号一同送入扭矩模式PID计算模块，闭环计算出扭矩模式输出电压；当缓速器最终工作模式为2时，控制系统进入恒转速模式，此时上位机的恒转速目标值会与仪表设定的恒转速值做一判断，以最后一次操作为最终目标转速，送入转速模式PID计算模块，闭环计算出转速模式输出电压；计算完毕后将电压送入电压限制保护和故障卸载模块。

4.如权利要求3所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，电压限制保护和故障卸载模块主要对计算得到的电压进行最大最小值限制，防止超载，控制系统出现故障或者紧急停车时，该模块能柔性卸载，防止意外发生，最终输出的电压控制缓速器加载。

5.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，寄生功率转速控制有两种模式：开环模式和闭环模式，可通过标定进行切换，0是开环模式，1是闭环模式；开环模式下，利用目标寄生功率和实际寄生功率差的绝对值查表“寄生功率和电压关系曲线”直接得到目标电压；闭环模式下，利用“左右水平销轴传感器平均力”作为实际功率反馈，PID闭环计算目标电压，目标电压决定液压马达转速的快慢。

6.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，寄生功率转向控制有三种模式：1是只正功方向，2是只负功方向，0是自动切换方向；当选择1时，液压马达只会正向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出；当选择2时，液压马达只会反向输出并根据电压改变转速快慢，或者停止输出；当选择0时，在满足一定条件下，马达方向可在正向和反向之间自动切换。

7.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，寄生功率档位控制有三种模式：0是低挡，1是高挡，2是自动切换；同样的电压下，高挡比低挡转速高；当选择模式2时，在满足切换条件时，低挡和高挡可以自动切换，切换时对电压有一个短时间修正，以实现柔性切换。

8.如权利要求1所述的一种模拟旋耕机控制系统，其特征在于，冲击加载控制有两种模式：随时间查表模式和手动冲击模式，可通过标定进行切换，0代表查表模式，1代表手动冲击模式。

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