CN114687878B - 拖拉机发动机全速域稳定升速的pto加载控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载系统及控制方法,本发明提供的PTO加载系统及控制方法,在怠速转速至最大转矩点转速速度范围内发动机可以实现稳定升速至任一工作点并在该工作点保持稳定,实现了发动机全速域内稳定降载升速控制,对发动机的检测提供了保证,为发动机外特性段内的特性研究提供了技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及农业机械控制技术领域,具体涉及一种拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法。
背景技术
随着我国农业机械化的发展,对拖拉机的要求不断提高。现有的拖拉机PTO轴效率功率检测过程为:首先给定油门开度,对PTO轴加载控制,使拖拉机发动机转速逐渐上升,并稳定在某一转速。测量转速稳定时的发动机PTO轴的输出扭矩,计算出发动机PTO轴输出效率,根据输出效率对该拖拉机进行合格检验。与发动机性能试验台最大的区别在于被测对象的转速、扭矩区间不同。拖拉机动力输出轴的动力是由发动机输出轴经减速得到,速比一般在2~4之间,所以其特点是低转速、大扭矩。由于这个特点,适用于发动机性能试验台的测功机由于不能在较低转速提供足够的制动力矩,不能直接用于PTO性能测试。
图1为发动机的转速-转矩特性曲线,图中A为怠速工作点,B为最大转矩点,C为额定工作点,D为空载转速点。利用电涡流测功机通过PTO轴对拖拉机降载使发动机转速由怠速转速点A上升过程中,发动机转速-转矩变化规律为:外特性段AB段即最大转矩点转速至怠速速度范围内,发动机转速上升其输出扭矩增加;调速段BCD内即最大转矩点B至空载转速点D速度范围内,发动机转速上升其输出扭矩降低。最大转矩点左右两侧存在相反的负载特性。图2现有电涡流测功机加载特征图,为电涡流测功机在传统控制下的实际升速过程。由图2可知,当发动机在AB段内升速时,测功机输出扭矩减小造成的发动机负载扭矩低于发动机输出扭矩,因发动机转速升高输出扭矩增加,使发动机输出扭矩远大于负载扭矩,使发动机转速快速上升越过最大转矩点到达调速段平衡扭矩点。当控制系统控制测功机加载时,因发动机输出扭矩小于负载转矩,发动机转速快速下降直至熄火,出现如图2电涡流测功机升速特征图所示的速度失调。因此在外特性段通过测功机对拖拉机发动机升速控制时,不能单独的加载与降载。理论控制中应使AB段发动机转速差呈正反馈,BCD段转速差为负反馈,同时不同油门开度下控制幅度不同,为了避免发动机工作点在最大扭矩点至怠速速度范围内降载升速时,因发动机转速升高输出扭矩增加导致的发动机转速快速上升越过最大转矩点速度大范围震荡。因此需要对现有电涡流测功机的升速控制方法进行改进。
由上述分析可知,在利用测功机通过PTO轴对拖拉机全速域降载升速的过程中,最大转矩点两侧应采用不同的控制策略,因最大转矩点未知,对于最大转矩点的实时在线辨别难以实现,造成最大转矩点左右两侧不同控制策略的转换难以实现。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的是提供一种拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法,本发明利用电涡流测功机,并通过PTO轴对拖拉机加载使发动机实现全速域内稳定升速。
为了达到上述目的,本发明所采用的技术方案是:拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法,包括以下步骤:
S1、给定目标转速后,对目标转速阶梯化处理;
S2、以发动机的实际转速与目标转速的差值为判定条件选择不同逻辑控制回路,当转速差较小时,选择控制回路使转速稳定,当转速差较大时,则跳转至步骤S3执行先降载再加载的升速控制回路;
S3、发动机转速在上升时,先降载使发动机转速上升,再快速加载使发动机输出扭矩与负载扭矩平衡,实现稳定升速控制,直至发动机的实际转速与目标转速的差值较小时,选择控制回路使转速稳定;
先降载再加载的升速控制回路具体包括:
以阶梯目标与实际转速的差值为信号,转速差信号经比例环节输出信号a,转速差信号经微分环节与限位环节输出信号b,信号a与b相加后输出到积分环节;以比例与微分环节相加输出到积分环节的组合形式,在控制初始升速时,转速差为正值转速差变化率为负值且较小,比例系数与微分系数均为负值,此时信号a与b相加为负值,经积分环节后输出控制电压控制测功机降载,发动机转速升高,输出扭矩增加,因发动机输出扭矩增加远远大于测功机输出扭矩,发动机转速快速上升,发动机转速差变化率仍为负值但绝对值变大,此时信号a与b相加为正值,再经积分环节后转换为控制电压控制测功机对拖拉机加载,在加载作用下,发动机转速差变化率减小,当信号a与b相加为负值时会继续控制测功机对拖拉机降载,形成先降载再加载的升速方法。
进一步的,步骤S1具体包括:以发动机实际转速为阶梯化初值,控制系统经相同扫描周期后使阶梯目标增加相同量,直至阶梯目标大于给定的目标转速时阶梯化结束,其公式为n2=n0+a*Δx,式中n2为阶梯目标,n0为阶梯化初值,a为阶梯个数,Δx为阶梯间隔增长量。
进一步的,步骤S3中,以不同油门下发动机的最大转速与升速过程中发动机的实际转速为条件,对先降载再加载的升速方法中比例环节参数进行调节形成变参控制,参数方程如下:
k=α*(h1·n5+h2·n4+h3·n3+h4·n2)
式中:α为当前油门下最大转速与满油门下发动机最大转速之比;
h为不同系数;
n为发动机实际转速;
k为输出变参值。
进一步的,步骤S2中,在对发动机的实际转速与目标转速的差值进行判定时,需要设定一阈值,然后将该阈值与差值进行比较。
本发明的拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载系统,包括:
电涡流测功机,通过万向轴与拖拉机动力输出轴连接实现对拖拉机加载;
控制系统,目标值在控制系统中设定之后,控制系统输出控制信号至电涡流测功机,通过对控制电压的调节改变电涡流测功机的加载扭矩;
扭矩传感器,获取加载扭矩的大小,并将扭矩值转换为电压值由控制系统进行采集;
速度传感器,获取发动机的实际转速,并将检测到的速度信号转换为脉冲信号输入到控制系统中经信号处理得实际转速值。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:本发明提供的PTO加载系统及控制方法,在怠速转速至最大转矩点转速速度范围内发动机可以实现稳定升速至任一工作点并在该工作点保持稳定,实现了发动机全速域内稳定降载升速控制,对发动机的检测提供了保证,为发动机外特性段内的特性研究提供了技术支持。
附图说明
图1为发动机外特性曲线;
图2为现有电涡流测功机升速特征图;
图3为本发明拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载系统的系统框图;
图4为本发明拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法的流程示意图;
图5为本发明实施例中的理论降载升速特征图;
图6为实施例中实际升速输出响应特征图;
图7为实施例中实际升速扭矩特征图;
图8为实施例中实际升速转速特征图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例,基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明的原理如下:对于最大转矩点两侧不同负载变化情况,因最大转矩点B难以识别造成的控制过程中难以实现不同策略的转换,设计先降载再加载的升速方法。由图1发动机外特性曲线与图2现有电涡流测功机升速控制图分析可知当AB段与BD段采用相同反馈控制策略会导致发动机转速快速上升越过最大转矩点转速,速度存在大范围震荡。发动机外特性段稳定性较差,不同油门开度与不同转速下发动机输出扭矩的变化不同,升速过程中目标转速与实际转速差值较大,调速段发动机转速上升其输出扭矩增加等一系列因素均会造成控制电涡流测功机通过PTO轴对拖拉机降载升速过程中,发动机转速快速上升并越过最大转矩点转速到达调速段,或出现发动机转速的快速下降至熄火。对此,本发明采用先降载再加载的升速方法解决发动机转速上升其输出扭矩增加问题;以不同油门开度下的发动机最大转速与实际转速为条件的变参控制解决发动机不同油门开度下以及不同转速下升速效果不同;给定目标转速后对目标阶梯化,解决目标转速与实际转速差值较大问题;以目标转速与实际转速的差值为判定条件形成逻辑切换控制。避免了电涡流测功机通过PTO轴加载使拖拉机发动机在外特性段升速时转速的快速上升越过最大转矩点所造成的转速大范围震荡问题。
本发明拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载系统的原理框图如图3所示,主要包括电涡流测功机,控制系统,扭矩传感器以及速度传感器,其中,目标值在控制系统中设定之后通过控制算法输出控制信号至三相整流恒流电源后以一定比例转换为电涡流测功机的控制电压,通过对控制电压的调节改变电涡流测功机的加载扭矩,加载扭矩的大小通过扭矩传感器将扭矩值转换为电压值由控制系统进行采集,电涡流测功机通过PTO轴与拖拉机动力输出轴连接实现对拖拉机加载。降载升速过程中发动机实际转速由速度传感器将速度信号转换为脉冲信号输入到控制系统中经信号处理得实际转速值。以发动机实际转速为反馈信号组成闭环回路,结合附图5、6,本发明拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法的具体控制算法如下(请参阅图4):
(1)、给定目标转速后,对目标转速阶梯化处理。本实施例中,阶梯化单位台阶时间为0.1s,因系统扫描周期小于0.1s,在实际控制中,系统经多个扫描周期后阶梯化一次:
式中i1为系统对目标转速阶梯一次所需的扫描周期个数;
t为系统的扫描周期;
0.1为阶梯化单位台阶时间间隔。
系统开始运行时,对阶梯常数初始化a=1,i=0;系统每一个扫描周期内对i<i1判定,当满足条件时,进行一次自加:i=i+1;
式中,i为扫描周期数;
设定阶梯目标为:n2=n0+a*Δx;
式中,n2为阶梯目标;n0为阶梯化初值,以阶梯开始时发动机的实际转速为阶梯初值;a为阶梯化台阶数;Δx为阶梯化单位台阶间隔转速。
在此次扫描周期内不满足i<i1时,a=a+1,i=0,即阶梯化一次。
当给定目标转速n1小于阶梯目标n2时,停止阶梯化,以给定目标转速n1为阶梯目标n2,反之,则继续阶梯化。
(2)在对目标转速阶梯化以后,系统执行逻辑切换控制回路,以发动机的实际转速与目标转速的差值为判定条件选择不同逻辑控制回路。当转速差值在设定范围之内时应使发动机转速稳定。以转速差为信号并对转速差经微分环节后的输出值限位,当输出值在给定阈值范围内时正常输出;否则输出设定阈值,而后再经积分环节转换为控制电压输出,控制发动机转速保持稳定,当发动机转速与目标转速的差值在设定阈值之外时,控制系统选择先降载再加载的升速控制回路使发动机转速上升;
(3)先降载再加载的升速控制回路具体包括:以阶梯目标与实际转速的差值为信号,转速差信号经比例环节输出信号a,转速差信号经微分环节与限位环节输出信号b,信号a与b相加后输出到积分环节。以比例与微分环节相加输出到积分环节的组合形式,在控制初始升速时,转速差为正值转速变化率为负值且较小,比例系数与微分系数均为负值,此时信号a与b相加为负值,经积分环节后输出控制电压控制测功机降载,发动机转速升高,输出扭矩增加。因发动机输出扭矩增加,远远大于测功机输出扭矩,发动机转速快速上升,发动机转速差变化率变大,此时信号a与b相加为正值,再经积分环节后转换为控制电压控制测功机对拖拉机加载,在加载作用下,发动机转速差变化率减小,当信号a与b相加为负值时会继续控制测功机对拖拉机降载,形成先降载再加载的升速方法,即如图5所示的先降载再加载的升速过程。在该升速方法控制下,测功机输出扭矩平缓增加与减小,提高了系统的稳定性。避免了发动机转速的快速增加越过最大转矩点所出现的转速大范围震荡问题。
(4)因不同油门开度与实际转速下发动机转速转矩特性不同,在实验开始时,记录当前油门下的最大转速,当发动机转速通过降速阶段降速到某一工作点后开始升速控制。以不同油门下发动机的最大转速与升速过程中发动机的实际转速为条件对步骤(3)先降载再加载中比例环节参数进行调节形成变参控制,参数方程如下:
k=α*(h1·n5+h2·n4+h3·n3+h4·n2)
式中:α为当前油门下最大转速与满油门下发动机最大转速之比;
h为不同系数;
n为发动机实际转速;
k为输出变参值;
该步骤解决了发动机不同油门开度以及不同转速下升速时对于稳定升速控制的影响。
上述步骤(3)(4)共同构成先降载再加载的升速控制回路,在先降载再加载的升速方法下,发动机转速稳定靠近目标。当目标转速与实际转速的差值在稳速逻辑切换范围之内时,控制系统切换逻辑控制回路选择步骤(2)所述控制回路使发动机转速保持稳定。转速上升过程中控制系统的电压响应输出如图6所示,其对应的转速上升过程中电涡流测功机实际输出扭矩特征变化图如图7所示,测功机输出扭矩在先降载再加载的过程中整体上升符合设计的先降载再加载的升速方法。在该转矩特征的控制下,实际转速特征如图8所示,由图8可知发动机转速跟随阶梯化稳定上升并在目标值附近保持稳定,同时在阶梯化过程中,发动机的实际转速与阶梯目标值的跟随性较好,稳定效果较好。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (3)
1.拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、给定目标转速后,以发动机实际转速为阶梯化初值,控制系统经相同扫描周期后使阶梯目标增加相同量,直至阶梯目标大于给定的目标转速时阶梯化结束,其公式为n2=n0+a*Δx,式中n2为阶梯目标,n0为阶梯化初值,a为阶梯个数,Δx为阶梯间隔增长量;
S2、以发动机的实际转速与目标转速的差值为判定条件选择不同逻辑控制回路,当转速差较小时,以转速差为信号并对转速差经微分环节后的输出值限位,当输出值在给定阈值范围内时正常输出;否则输出设定阈值,而后再经积分环节转换为控制电压输出,控制发动机转速保持稳定,当转速差较大时,则跳转至步骤S3执行先降载再加载的升速控制回路;
S3、发动机转速在上升时,先降载使发动机转速上升,再快速加载使发动机输出扭矩与负载扭矩平衡,实现稳定升速控制,直至发动机的实际转速与目标转速的差值较小时,选择控制回路使转速稳定;
先降载再加载的升速控制回路具体包括:
以阶梯目标与实际转速的差值为信号,转速差信号经比例环节输出信号a,转速差信号经微分环节与限位环节输出信号b,信号a与b相加后输出到积分环节;以比例与微分环节相加输出到积分环节的组合形式,在控制初始升速时,转速差为正值转速差变化率为负值且较小,比例系数与微分系数均为负值,此时信号a与b相加为负值,经积分环节后输出控制电压控制测功机降载,发动机转速升高,输出扭矩增加,因发动机输出扭矩增加远远大于测功机输出扭矩,发动机转速快速上升,发动机转速差变化率仍为负值但绝对值变大,此时信号a与b相加为正值,再经积分环节后转换为控制电压控制测功机对拖拉机加载,在加载作用下,发动机转速差变化率减小,当信号a与b相加为负值时会继续控制测功机对拖拉机降载,形成先降载再加载的升速方法。
2.根据权利要求1所述的拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法,其特征在于,步骤S3中,以不同油门下发动机的最大转速与升速过程中发动机的实际转速为条件,对先降载再加载的升速方法中比例环节参数进行调节形成变参控制,参数方程如下:
k=α*(h1·n5+h2·n4+h3·n3+h4·n2)式中:α为当前油门下最大转速与满油门下发动机最大转速之比;
h为不同系数;
n为发动机实际转速;
k为输出变参值。
3.根据权利要求1所述的拖拉机发动机全速域稳定升速的PTO加载控制方法,其特征在于,步骤S2中,在对发动机的实际转速与目标转速的差值进行判定时,需要设定一阈值,然后将该阈值与差值进行比较。
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