一种大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试验平台

技术领域

本发明属于大功率拖拉机性能测试领域，特别涉及一种大功率拖拉机 电液悬挂系统的半实物仿真试验平台。具体说是关于大功率拖拉机关 键部件的研发、生产和性能测试仿真试验系统。

背景技术

传统的拖拉机电液悬挂系统的开发和测试是基于实车和台架上进行的 ，结构复杂、投入大、周期长、使用和维护成本高，特别是对参数要 求更高的大功率拖拉机关键部件尤其如此。

利用半实物仿真技术，将大功率拖拉机试验台中的部分系统用软件方 式代替，借助数学模型，进行实时数学仿真与实物仿真的联合仿真， 对拖拉机关键部件、整机和机组的性能进行测试，可以作为真实试验 的前期准备工作，而且可以在一定程度上替代传统的试验。采用半实 物仿真技术不仅可以节省大功率拖拉机开发成本，缩短开发周期，克 服使用实物的危险性和高消耗，而且还可以通过良好的交互界面多次 验证和优化。提高拖拉机的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试 验平台， 其特征在于，该仿真试验系统包括实体部分和虚拟部分， 并由接口部分连接构成大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试验 平台，实体部分工作参数通过接口板卡输入到计算机供模型使用，模 型的输出参数通过接口板卡输出到实体 部分，由此组成闭环测试系统。

所述实体部分包括液压系统动力装置、待验证的电液分配器和加载用 的比例溢流阀。

所述虚拟部分包括发动机、变速箱、模拟加载作业负载、农机挂件及 待验证的电液控制器总成的动态计算模型。

所述接口部分包括一台台式计算机、多种功能板卡、一台信号发生器 。其中多种功能板卡由十六路模拟输入A/D采集卡、八路模拟输出D/A 转换卡、三十二路数字I/O卡、十六路驱动和信号调理模块组成。软件 开发平台包括MATLAB/Simulink和LabVIEW。

所述仿真试验系统的试验方法包括：

（1）由转矩-转速-效率特性曲线、按不同功率段建立大功率拖拉机柴 油发动机、变速箱、主离合器和副离合器数学模型；其中发动机的工 作点由转速和油门开度确定；变速箱采用机械式，挡位采用4×3前进 +4×1后退，前进速度分为低、中、高速三挡，换挡采用车速和发动机 负荷率两种换挡工作模式；离合器模型简化为结合、分离状态；由以 上建立的模型在MATALB/Simulink中形成发动机、主副离合器和变速箱 模块；

（2）所述转矩-转速-效率特性曲线由按轮式结构建立大功率拖拉机行 走机构及负载；按三点悬挂结构建立作业机构及负载模型；分干燥水 泥路面、沙壤土、粘土三种路面建立土壤条件模型和按典型作业工况 建立模拟加载模型形成；并在MATALB/Simulink中形成行走机构、悬挂 机构和土壤条件模块；

（3）把模拟加载系统的数学模型输出参数以及信号发生器的指令信号 通过多种功能板卡、LabVIEW软件联系到液压系统和被测控制器上，模 拟实际作业过程中的负载变化，并根据作业情况进行控制，即提升、 下降和保持农机挂件；液 压系统运行参数通过多种功能板卡、LabVIEW软件联系到模拟加载模块 ，得到状态量和反馈量，然后联系到行走机构模型、悬挂机构模型和 土壤条件模型，然后联系到发动机模型、主副离合器模型和变速箱模 型，从而确定整机机组在发动机曲线上的工作点；再根据牵引性能和 燃油经济性能的要求，对该工作点进行评价以后，调整变速箱挡位、 农机挂件的作业参数，因此在该闭环系统中，可以实时修改作业参数 进行匹配，以达到最佳指标；同时，通过LabVIEW软件编制的人机界面 中对上述测试过程进行数据的显示、修改和保存；

（4）更换不同的分配器和控制器，重复做上述测试，以验证基本参数 的合理性、分配器的静动态性能、控制器的控制策略，从而达到优化 设计的目的。

本发明的有益效果是本大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试验 平台，该平台系统是基于大功率拖拉机作业机组多种工况下的发动机 、变速箱和农机具挂件（包括犁、耙，栽、插、收割机等挂在拖拉机 前面、后面的农具）的总成动态数学模型，结合电液悬挂液压系统部 分实物装置、计算机及接口板卡组成集成化的半实物仿真试验系统， 对所设计的电液提升阀和控制器进行实时仿真、测试、评价和改进， 综合考核拖拉机整机工作性能、燃油经济性和机组作业质量、作业效 率；构造的不同控制软件可以简化大功率拖拉机及其悬挂各部件和控 制器的开发周期，节省开发成本。

附图说明

图1是大功率拖拉机电液悬挂半物理仿真试验系统结构图

图2是犁耕作业时滑转率控制方式测试流程图

具体实施方式

本发明提供一种大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试验平台。 下面结 合附图予以说明。

在图1中，该仿真试验系统包括实体部分（液压系统动力装置：变频电 机液压变量泵；待验证的电液分配器和加载用的比例溢流阀）。和虚 拟（计算机）部分为由发动机、主副离合器、变速箱及行走机构、悬 挂机构和土壤条件；模拟加载作业负载、农机挂件及待验证的电液控 制器等总成的动态计算模型。并由接口部分连接构成大功率拖拉机电 液悬挂系统的半实物仿真试验平台，实体部分工作参数通过接口板卡 （由一台台式计算机、可编程信号发生器、多功能板卡、传感器、驱 动器、待验证的电液控制器组成）输入到计算机供模型使用，模型的 输出参数通过接口板卡输出到实体部分，由此组成闭环测试系统。

上述多种功能板卡由十六路模拟输入A/D采集卡、八路模拟输出D/A转 换卡、三十二路数字I/O卡、十六路驱动和信号调理模块组成。软件开 发平台包括MATLAB/Simulink和LabVIEW。

实施例

本发明由于液压系统动态控制具有的强非线性特点，难以通过数学模 型进行仿真，故采用实体构建；以犁耕作业时滑转率调节方式下分配 器动态性能测试为例，具体实施方法如下：

（1）犁耕作业时负载特性建模。平地条件下拖拉机的牵引平衡方程如 式（1）所示，

F_K=F_T+F_f=Z·b₀·h₀·k₀·n+f·G             （1）

式中F_K——拖拉机总驱动力，N；

F_T——拖拉机牵引阻力，N；

F_f——拖拉机行驶阻力，N；

Z——单排犁铧个数；

b₀——单体犁铧宽度，m；

h₀——耕深，m；

k₀——土壤比阻，N/m²，依据路面条件不同而不同；

n——犁铧排数；

G——拖拉机自重，N。G=mg，m为拖拉机质量，kg；

f——拖拉机滚动阻力系数。

（2）确定合适的挡位。对于田间基本作业挡位，需要考虑各挡都能充 分利用发动机的功率，获得较好的经济性，由此确定各挡的传动比。 从发动机的调速特性可知，最好在任何工况时发动机载荷都等于或略 低于标定转矩M_eN，便可始终保持较高的生产率和较好的经济性。因此 由犁耕作业时的拖拉机总驱动力F_K变化范围内找到概率大的载荷区域 去选择挡位，即通过式（2）算出合适的传动比，使M_e和M_eN接近。

$M_e=\frac{F_K·r_K}{{\eta }_{\mathrm{mq}}·i_g·i_0}---\left(2\right)$

式中M_e——发动机的转矩输出，N·m；

r_K——驱动轮的动力半径，m；

η_mq——总传动效率；

i_g——变速器传动比；

i₀——主减速器传动比。

（3）为充分发挥发动机的有效效率，需进行牵引效率的验算。牵引效 率由η_T=η_mq·η_δ·η_f给出，其中传动效率η_mq与传动系结构有关， 一般近似为常数，犁耕作业时取0.9左右；滑转效率η_δ主要取决于牵 引力F_T，当工作速度提高时，如果发动机标定功率不变，则牵引力必 减小，这时η_δ会有所增加；滚动效率η_f与滚动 阻力有关，在一定土壤条件工作的拖拉机通常都认为其滚动阻力F_f是 常数，由可知，η_f随总驱动力F_K的不同而变化。当牵引力确定范围 后，牵引效率便可基本确定，为了保证拖拉机较高的生产率和效率性 ，希望η_T不低于0.9η_T max。

（4）拖拉机作业时，由于拖拉机驱动轮与土地存在一定的滑转，造成 拖拉机驱动轮线速度与拖拉机车速不一致，如果滑转率超过25～30%， 那么将会产生如土体损坏、轮胎磨损以及时间和能量浪费等问题。采 用滑转率控制方式调节耕深具有以下优点：节省时间和燃料；减少轮 胎磨损；保护土壤；减小司机的工作压力；车辆不会被陷车。由滑转 率可计算出滑转效率η_δ，如式（3）所示，拖拉机在一定土壤条件下 工作，其滑转率与牵引力的变化关系由试验曲线给出，并体现在仿真 模型中。滑转率控制下需要综合考虑拖拉机作业速度与牵引力，从曲 线上获取最佳滑转率范围，使发动机负荷处于最佳区域。因此滑转率 控制就像牵引力控制一样，即当滑转率增大时，悬挂机构提升，农具 的耕作深度减小，从而减小拖拉机的牵引阻力。

${\eta }_{\delta }=\frac{v}{v_T}=1-\delta ---\left(3\right)$

式中v——拖拉机的实际车速，km/h；

v_T——拖拉机的理论车速，km/h；

η_δ——滑转效率；

δ——滑转率。

采用滑转率控制进行半物理仿真时，实际车速由模拟加载系统根据土 壤条件等参数给出，无滑转的理论车速由变速箱的输出参数给出。由 这两个信号可以计算出滑转率并被用于控制，其控制工作原理框图如 图2所示。