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| 基于AMESim的甘蔗收割机油门控制器的建模与仿真 | |
| 广西大学 陈远玲 | |
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摘 要 针对甘蔗联合收割机的工作特点提出了一种新型的节能用油门控制器，并通过AMESim进行建模与仿真。结果表明，该新型油门控制器能够控制油门位置，有效稳定发动机转速，从而达到了节约燃油的目的。
关键词：甘蔗联合收割机；节能；油门；控制
中图分类号：TH137 文献标识码：B
基金项目：国家自然科学基金项目（50365001）、广西科技攻关项目（桂科攻关0235008-5）。
作者简介：陈远玲（1964—），女，广西大学副教授、硕士生导师，主要从事电液控制等教学与研究。
0 引言
自上世纪全球性的能源危机爆发以来，节能问题已成为人类关注的焦点。作为大型农业机械之一的甘蔗联合收割机因其具有工况复杂、负载变化范围大、负载变化频繁以及执行元件多且为多泵系统等特点，在作业过程中发动机转速波动范围较大，耗油较为严重，带来了很大的能量浪费。因此，为适应我国建设节约型社会这一目标，减少能量的无效损耗与浪费，设计绿色、环保、节能的甘蔗联合收割机意义十分重大。
1 发动机转速稳定与节能的实现
图1所示为发动机特性曲线，曲线1,2,3为部分负荷速度特性曲线，斜线4,5,6为部分负荷调速特性曲线，曲线L,M,N为对应的燃油消耗率曲线。假定此时发动机工作于85℅负荷速度特性2的最低油耗点A，如果负荷增加，则发动机转速下降（假设B点为发动机新的工作点），燃油消耗率将增大，浪费能源。但如果此时适当增加油门开度，使发动机工作于速度特性1的最低油耗点E，则可以大大降低发动机燃油消耗，节约能源。反之，如果负荷减小，发动机转速将增大（假设C点为新的工作点），燃油消耗率将增大。但如果此时减小油门开度，使发动机工作于速度特性3的最低油耗点D，则可以降低发动机燃油消耗，节约能源。其他工况节能原理与此类似，不赘述。与国内外大多数的工程机械类似，甘蔗联合收割机的节能系统也采用分工况控制。即先根据负载大小选择工况模式（分轻载、中载、重载三种模式），尔后，油门控制器将随负载的变化自动调节发动机油门开度，使发动机转速始终在事先设定的小范围（该范围根据发动机的负荷速度特性曲线、燃油消耗率曲线及该工况下的负载实际变化范围确定）内波动。实践表明，发动机转速的稳定是实现节约燃油的关键。
2 油门控制器系统的组成与原理
2.1 系统组成系统组成如图2所示。因甘蔗联合收割机作业时要一次性完成切割、断尾、剥叶、输送、集蔗等工序，负载变化复杂，故可将所有工况分为三种模式。在三种模式下，根据收割机所用发动机的负荷速度特性曲线和燃油消耗率曲线及该工况下的负载大小，分别设定发动机转速为：轻载（坡度不超过50的蔗地）1200rpm；中载（坡度为50～120的蔗地）1700rpm；重载（坡度超过120或地面较为泥泞的蔗地）2200rpm。
2.2 系统工作原理油门控制系统的控制流程如图3所示。在甘蔗收割机进行田间作业时，首先根据选定的工况模式，通过操作油门拉杆使油门处于相应的开度，将二通阀切换至右位并接通触点开关1、2的电路，此后，油门控制器即可根据负载情况自动调节发动机油门，使发动机始终在设定的转速n0附近工作。如果负载变大，则发动机转速下降，由此导致计量泵流量减少并使计量油缸活塞左移，此时活塞上的挡铁将接通触点开关1，直线电机将开关1的电信号转变为直线位移，从而带动油门拉杆增大发动机喷油量，致使发动机转速又上升到原来所设定的n0附近。反之，如果负载变小，则与上述过程相反，直线电机将带动油门拉杆减小发动机喷油量，致使发动机转速又降回n0附近。
从稳定发动机转速的角度考虑，上述触点开关1、2之间的距离d应该越小越好，但考虑到甘蔗联合收割机为多泵系统，执行机构比较多，负载变化较为频繁，d值若取得太小将会使系统过于敏感。因此，d的取值需适宜。具体而言，应根据可允许的发动机的转速波动范围来确定：假定所选模式为中载，n0=1700rpm，且允许发动机转速在n1=1600rpm与n2=1800rpm之间波动，则在模式不变（亦即比例节流阀输入电流不变）的情况下，可测得与n1、n2相对应的压力p1 、p2，再由计量缸活塞面积A和弹簧刚度K及相应压缩量x1、x2可得活塞受力平衡方程：
p1A=K x1
p2A=K x2
从而，开关1、2之间的距离
d= x2- x1=（p2 -p1）/K
又因为
n0 -n1 =n2 -n0
所以两触点开关在安装时应与活塞挡铁等距，即对称布置（根据n1、n2的取值不同，也可非对称布置）。
当收割机因蔗地工况变化而改变模式时，因不同模式下所设定的发动机转速n0不同，致使计量缸内压力及活塞位移也发生相应变化。为避免重新布置两触点开关的麻烦，可采用调节比例节流阀电流进而改变节流阀开口的办法来保证计量缸内压力与模式改变之前相同。模式选择开关的作用即在于此。
3 油门控制器系统的建模与仿真
3.1 柴油机模型的简化
由于柴油机是一个多变量、时变的非线性系统，其动态过程涉及到复杂的流动、燃烧以及动力学等理论，要想建立其精确的数学模型实现定量分析是十分困难的。研究表明，无论是外特性曲线还是部分负荷特性曲线，发动机的输出扭矩T都是油门开度α和转速n的函数，即：
T=f（α，n）
从图1可以看出，柴油机的调速特性曲线基本上是一系列的平行线，直线的位置和油门拉杆的位置成线性关系。由此，本文根据甘蔗联合收割机所配柴油机的特性曲线，对柴油机速度一扭矩特性曲线用直线方程进行拟和，建立了柴油机的近似模型。
为简化模型，本文以增减发动机扭矩的办法来近似替代发动机油门的增减（为此，模型中没有出现直线电机），扭矩增减的数值即是实际扭矩N与所选定模式下发动机调速特性曲线上在设定转速n0处所对应的扭矩N0之差的绝对值，即|N -N0|。这样做在本质上并不违背油门控制器的控制原理，因为增加（减小）油门的目的就在于增加（减小）发动机扭矩，两者是一致的。
3.2 系统建模
基于AMESim平台所搭建的发动机油门控制系统模型如图4所示。3.3 模型仿真
因控制系统存在节流损失，无论在哪一种模式下比例节流阀的开口都不应过小。为减少系统功率损耗，计量泵的排量也要尽量取小一些，由此决定弹簧刚度K的取值不能太大，但K也不应过小，否则会使活塞的行程（即d值）过长，安装不便。
仿真中用到的主要参数如表1所示。 表1 主要仿真参数 （图片） | |
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