串联式柴电混合动力拖拉机加载试验台的设计与试验

摘要

在面临能源短缺，环境污染以及气候异常的全球大背景下，我国作为传统的农业大国，节能又环保的拖拉机的研发对于减小环境破坏，实现能源可持续发展具有十分重要的意义。电动拖拉机和混合动力拖拉机作为节能环保农用车辆中的佼佼者，也将势必成为未来拖拉机发展的趋势之一。鉴于电动拖拉机受限于电池技术的发展，短时间内很难突破，混合动力拖拉机无疑是当下既满足农业发展需求，又符合节能环保主题的最佳选择。 本文针对计算机仿真平台构造模型难度大，且可靠性未知，而实车试验平台开发周期长、成本高昂的特点，提出了一种多功能的串联式混合动力拖拉机加载试验平台的设计搭建方案。在进行混合动力拖拉机试验台的总体设计时，针对试验台所需实现的功能，采用模块化思想，将实验台划分为驾驶员操作、发动机测试、电源、轮毂电机控制及测试、模拟加载以及数据采集六大模块，进而设计构建试验台的结构模型，根据结构模型搭建整体台架，完成试验台的实际布局。其中，重点对模拟加载模块即加载试验平台做了一系列试验研究。同时为了实现试验台的测试功能，设计了试验台的测控方案，发动机作为动力源，通过发电机和控制器可带动电机部分实现模拟工况试验，电池组可单独也可配合发电部分同时驱动电机部分实现作业功能，所测信号通过数据采集卡反馈上位机，用户可以根据需要进行控制，达到调节优化的目的。 针对所设计搭建的混合动力拖拉机模拟加载平台，在对转矩转速传感器、电流电压传感器、磁粉制动器等主要设备进行标定以及对轮毂电机负载特性的预备试验完成后，分别进行了道路运输、犁耕和突加载荷等三种典型拖拉机工况的模拟加载试验，结果如下:(1)在该试验中，轮毂电机的输出外特性曲线近似为双曲线，并且轮毂电机的转速随着其转矩的增大而降低，其输出功率随着转速增大而下降，效率则随着转速的增加而上升。轮毂电机能够独立驱动，且拥有较大的调速范围和过载能力，以及减速增矩的特性，满足大型拖拉机田间作业的要求。(2)在进行匀速道路运输作业时，驱动扭矩恒定，而在加速或减速作业行驶时，驱动扭矩为了克服惯性力而增大或减小;当匀速犁耕作业时，不同的田间条件，输出扭矩也有较大差别，与道路运输时相比，转矩明显增大，说明混合动力拖拉机各部件的转矩时随着外部载荷的增大而增大的。(3)基于PID控制的混合动力拖拉机加载系统相比没有经过控制优化的加载系统，输出响应精度明显提高，响应时间明显缩短。 通过本课题的试验研究，可以为后续混合动力拖拉机驱动系统及控制系统的设计开发提供理论依据和技术支持，并且为实车试验提供重要参考。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1选题背景及意义

1．1．1混合动力车辆的研究背景

1．1．2本课题的研究意义

1．2混合动力拖拉机的研究现状

1．2．1混合动力拖拉机国内外的发展历程

1．2．2混合动力车辆研究发展现状总结

1．3混合动力车辆的类型

1．3．1串联式混合动力车辆

1．3．2并联式混合动力车辆

1．3．3混联式混合动力车辆

1．4课题研究目标与内容

1．5本章小结

第二章混合动力拖拉机试验台的总体设计

2．1试验台的功能分析与设计

2．1．1试验台的功能分析

2．1．2试验台布局的方法选择

2．1．3试验台的模块设计与划分

2．2．1试验台的设计原则

2．2．2试验台的结构方案设计

2．2．3试验台的控制方案设计

2．3各测试模块设计

2．3．1发动机测试模块

2．3．2发电机测试模块

2．3．3高频直流电源开关测试模块

2．4新型混合动力拖拉机模拟加载系统构成

2．4．1锂电池组

2．4．2电池管理系统

2．4．3轮毂电机

2．4．4转矩转速传感器

2．4．5磁粉制动器

2．4．6磁粉制动器控制器

2．4．7数据采集设备的选择

2．5本章小结

第三章混合动力拖拉机加载试验台测控系统开发

3．1虚拟仪器软件开发平台

3．1．1 LabVIEW平台简介

3．1．2 LabVIEW平台的人机交互界面

3．1．3 LabVIEW平台的调试技术

3．2测控系统参数模块设置

3．2．1采样设置

3．2．2滤波器设置

3．2．3信号类型和连接方式

3．3数据处理模块

3．4显示模块

3．5试验台测控系统的设计与实现

3．6本章小结

第四章混合动力拖拉机模拟加载试验研究

4．1主要试验设备的标定与初步试验

4．1．1试验目的

4．1．2转矩转速传感器的静态标定

4．1．3磁粉制动器的输出电压-转矩特性试验

4．2轮毂电机外特性试验研究

4．2．1试验目的及设备

4．2．2试验方案

4．2．3试验结果

4．3道路运输作业模拟试验研究

4．3．1试验目的及设备

4．3．2试验方案

4．3．3试验结果及分析

4．4田间犁耕作业模拟试验研究

4．4．1试验目的及设备

4．4．2试验方案

4．4．3试验结果及分析

4．5．1试验目的及设备

4．5．2试验方案

4．5．3试验结果及分析

4．6本章小结

第五章基于PID控制的模拟加载试验研究

5．1混合动力拖拉机加载控制方法

5．1．1 PID控制方法

5．1．2 PID控制器的参数整定

5．2基于模拟加载系统的PID参数整定仿真

5．2．1仿真的目的及仿真设备

5．2．2仿真方案

5．2．3仿真结果及分析

5．3基于PID控制的运输作业的模拟加载试验

5．3．1试验目的及设备

5．3．2试验方案

5．3．3试验结果及分析

5．4基于PID控制的田间犁耕作业的模拟加载试验

5．4．1试验目的及设备

5．4．2试验方案

5．4．3试验结果及分析

5．5基于PID控制的田间突加载荷的模拟加载试验

5．5．1试验目的及设备

5．5．2试验方案

5．4．3试验结果及分析

5．5本章小结

第六章结论与展望

6．1工作总结

6．2主要创新内容

6．3后续研究建议及展望

参考文献

致谢

研究生期间撰写发表的论文