摘要
拖拉机是量大面广的重要农业动力装备，“中国制造2025”及“农机装备发展行动方案(2016-2025)”对拖拉机产品创新发展提出了以智慧农业、精准农业为目标，以网络化、数字化、智能化技术为核心，拖拉机新产品向大功率、高速、低耗、智能方向和高效复式的现代作业方式发展的新要求。动力换挡传动系(PST)是拖拉机的关键动力传动部件，可实现作业过程中动力不中断自动换挡，被广泛应用于大功率拖拉机，使拖拉机的动力性、经济性、舒适性、安全性及作业效率得到了显著提高。 试验验证作为先进产品开发研制的重要技术之一，贯穿于产品需求分析、设计、研制、使用等全生命周期。虚拟试验将计算机仿真技术、测控技术、通信技术相结合，为产品的性能试验、指标考核、品质评价提供了试验新技术，将试验环境、试验系统和试验产品转换为数字化模型，测试参数的修改、控制策略的优化、试验过程的控制等在计算机上运行，消耗少、周期短、零排放，可为产品创新设计提供有效的先验指导。 本研究为提高PST虚拟试验的系统可扩展性、模型重用性、模型互操作性及实时性，设计了基于体系架构的PST虚拟试验系统。通过研究PST虚拟试验关键技术，研发了涵盖模型构建、试验设计、试验运行、试验管理及试验结果评价功能的虚拟试验支撑平台，对开展拖拉机PST性能试验验证奠定了基础。 研究了PST虚拟试验体系构建关键技术。根据PST试验特征，分析了PST虚拟试验功能和性能需求，研究了PST虚拟试验系统构建及运行原理。在对比分析高层体系结构(HLA)与数据分发服务(DDS)的基础上，构建了基于HLA-DDS复合体系的PST虚拟试验系统框架，开发了基于以太网的分布式虚拟试验系统支撑平台，为提高系统可扩展性、模型重用性、模型互操作性和实时性提供了框架支撑。 研究了PST虚拟试验体系互连关键技术。在分析HLA、DDS数据交互机理及数据映射关系的基础上，对比了3种HLA与DDS互连方案，制定了基于桥接组件的PST虚拟试验系统数据交互方案。基于元模型理论和Rational Rose平台建立了桥接组件元模型和组件UML模型，制定了模型映射规则。利用Rational Rose双向工程功能，对桥接组件UML模型进行了代码转换，生成了插件框架代码。提出了基于桥接组件的虚拟试验时间推进方式和基于最小时间戳下限(LBTS)的虚拟试验时间推进算法，完善了PST虚拟试验系统数据交互机制。 研究了PST虚拟试验体系建模关键技术。分析了模型改造的体系建模方法，在PST多领域仿真模型的基础上，建立了PST机械组件、PST液压组件、PST控制组件和基于Access数据库的载荷组件。分析了组件间消息对应关系，对仿真组件和载荷组件进行了HLA封装。建立了PST试验台架组件和PST控制器组件，对其进行了DDS数据类型和主题封装。实现了PST仿真组件、载荷组件和物理组件与PST虚拟试验系统的融合。 研究了PST虚拟试验管理与人机交互关键技术。分析了试验管理组件运行原理，对虚拟试验基本指令格式进行了定义，开发了试验流程基本指令集库，利用XML Schema语言定义了标准的虚拟试验流程文件格式。分析了PST虚拟试验结果数据特征及数据管理原理，利用实体-联系图(E-R图)描述了数据管理数据库的逻辑结构，开发了基于数据库与版本控制系统(VCS)的试验管理组件数据管理功能。利用UML统一建模语言，建立了试验管理组件静态类图和动态活动图，开发了界面友好的试验管理组件。对试验监控组件运行原理进行了分析，基于LabVIEW软件开发了试验监控组件。 研究了PST虚拟试验验证关键技术。测取了拖拉机机组犁耕、旋耕和驱动耙3种作业田间实验的PST输出轴转矩载荷，采用经验模态分解软阈值降噪方法对载荷进行了预处理，采用边界局部特征尺度延拓算法抑制了载荷分解过程中出现的端点效应。通过对载荷频次外推与合成，建立了典型单工况、综合多工况下PST虚拟试验验证载荷环境。对试验数据中隐含的PST挡位、作业工况和换挡信息等关键参数进行了提取。研究了基于灰度关联法和经验模态分解法的虚拟试验与台架试验结果一致性检验方法。对桥接组件数据传输时延和传输吞吐量性能进行了测试，测试结果表明，桥接组件满足系统设计需求。对PST电控单元性能、换挡离合器接合规律、起步品质和换挡品质进行了虚拟试验，虚拟试验与台架试验结果具有高度一致性，证明了PST虚拟试验系统的有效性。研发的虚拟试验系统具有可扩展、模型重用、模型互操作及实时的优势，为拖拉机新产品的开发验证提供了新方法与技术。
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