全液压甘蔗收割机功率匹配节能控制系统的研究

【摘要】：甘蔗是我国南方的一种主要经济作物,是生产食糖和生物乙醇的重要原料。全球甘蔗种植面积大约3亿亩,我国位居世界第三。由于甘蔗收割机存在着宿根破头率高、含杂率高、油耗高、可靠性差等问题,使得甘蔗收割作业机械化难以推广,目前仍以人工收割作业为主。因此,研究高效、可靠、节能的甘蔗收割机将大幅度提高生产效率。甘蔗收割机作为一种大功率的农用机械,作业工序复杂,执行元件庞杂。甘蔗收割机在实际作业过程中,负载频繁变化,导致整个液压系统的压力、流量不断变化,溢流节流损失严重。本文分析了甘蔗收割机能量损失的主要原因:液压泵所提供的压力、流量与负载所需不匹配,且往往大于负载的实际需求,于是这部分多余的液压能就以节流、溢流的形式被损耗掉;液压泵吸收功率与发动机输出功率不匹配,导致发动机经常工作在高能耗工作点。为减少能量的无功损耗,认为必须合理匹配收割机动力系统的功率。本文结合整杆式甘蔗收割机的收割工艺及典型工况,通过比较独立控制、集中控制、分类组合控制三种电液控制系统的优缺点,设计出适合整杆式甘蔗收割机的电液控制系统。依据液压系统及发动机特性提出了一种基于发动机转速感应控制的恒功率-变功率协调控制的全局功率匹配方法:通过监测各子系统的输出功率,计算发动机所需输出的功率;依据发动机BSFC曲线,找到发动机满足所需功率时的最佳工作区域;根据发动机转速差调节油门开口度、液压泵排量、各执行机构的转速,使发动机输出功率与系统有效功率之间相互匹配。分析发动机—液压系统结构,建立了基于仿真软件AMESim的仿真模型。通过负载阶跃响应分析了系统的动态特性;模拟甘蔗收割机作业工况,验证控制策略的有效性及可靠性。以4ZL-160整杆式甘蔗收割机为实验对象,做了相关实验测试,实验结果与仿真分析相一致。 【关键词】：甘蔗收割机 节能控制 负载敏感 功率匹配 恒功率-变功率控制 转速感应控制
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：S225.53
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-18
• 1.1 课题研究的背景与意义11-12
• 1.2 国外节能技术研究概况12-14
• 1.3 国内节能技术研究概况14-15
• 1.4 节能技术发展趋势15-17
• 1.5 本课题研究的主要内容及技术路线17-18
• 第2章 甘蔗收割机液压系统及能量损失分析18-30
• 2.1 甘蔗收割机简介18-22
• 2.1.1 甘蔗收割机系统构成18-21
• 2.1.2 甘蔗收割机工况分析21-22
• 2.2 液压系统分析22-25
• 2.2.1 独立控制型电液控制系统22-23
• 2.2.2 集中控制型电液控制系统23-25
• 2.2.3 分类组合型电液控制系统25
• 2.3 甘蔗收割机能量损失分析25-27
• 2.3.1 机械损失25-26
• 2.3.2 管路损失26
• 2.3.3 泵—负载功率不匹配造成的损失26-27
• 2.3.4 发动机—液压泵不匹配造成的损失27
• 2.4 液压系统设计27-28
• 2.5 本章小结28-30
• 第3章 发动机-液压系统功率匹配设计30-40
• 3.1 发动机特性30-33
• 3.1.1 发动机速度特性30-31
• 3.1.2 发动机负荷特性31
• 3.1.3 发动机万有特性31
• 3.1.4 发动机调速特性31-32
• 3.1.5 柴油机转速稳定性对能耗的影响32-33
• 3.2 发动机-液压系统功率匹配33-37
• 3.2.1 功率匹配理论分析33-35
• 3.2.2 发动机转速感应控制35-36
• 3.2.3 恒功率与变功率协调控制36-37
• 3.3 甘蔗收割机全功率匹配控制策略37-39
• 3.3.1 闭式比例变量泵37
• 3.3.2 负载敏感变量泵37-38
• 3.3.3 全功率匹配控制策略38-39
• 3.4 本章小结39-40
• 第4章 系统建模及仿真分析40-57
• 4.1 发动机建模40-42
• 4.2 液压系统建模42-48
• 4.2.1 负载敏感变量泵建模42-45
• 4.2.2 负载敏感多路阀建模45-47
• 4.2.3 闭式系统建模47-48
• 4.2.4 系统仿真模型48
• 4.3 PID控制算法48-52
• 4.3.1 理想PID控制49-51
• 4.3.2 带死区PID控制51-52
• 4.4 仿真结果分析52-55
• 4.4.1 负载阶跃响应分析52-54
• 4.4.2 模拟收割仿真分析54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第5章 甘蔗收割机功率匹配系统实验研究57-69
• 5.1 实验目的与内容57
• 5.2 实验设备简介57-63
• 5.2.1 传感器58
• 5.2.2 控制器58-61
• 5.2.3 DI3显示器61-62
• 5.2.4 软件平台62-63
• 5.2.5 CAN总线网络63
• 5.3 试验过程及结果分析63-68
• 5.3.1 实验设备安装调试63-66
• 5.3.2 转速与油门拉线位移反馈值关系标定66-67
• 5.3.3 功率匹配控制算法验证67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 结论69-70
• 参考文献70-74
• 攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果74-75
• 致谢75-76
• 作者简介76

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