摘要
农业机械化是实现农业现代化的关键和基础，而拖拉机是应用最广的农业机械，几乎涵盖了每个农业作业环节。随着农业现代化的推进，现代拖拉机朝着智能化、无人化和机电液一体化方向发展。液压机械无级变速器（Hydro-Mechanical Continuously Variable Transmission, HMCVT）是智能拖拉机的核心组成部分，通过与发动机联合控制，可以使发动机在最佳运行特性曲线上工作，从而减少尾气排放，提高燃油经济性，并提升驾驶性能以及作业质量。本文以一种新型液压机械无级变速器为研究对象，开展对其传动特性、自动换挡控制模式、换挡质量和无级变速控制等方面的研究，重点解决 HMCVT 结构参数优化设计和精确换挡控制等问题。本文的主要研究内容如下： （1）拖拉机动力系统建模：建立了一个以 HMCVT 为重点的时域动力系统模型，包括 5个主要子系统，分别为发动机稳态模型、HMCVT机械系统模型、液压驱动控制系统模型、拖拉机纵向动力学模型和牵引负载模型。发动机稳态模型包括输出转矩模型和燃油消耗率模型。HMCVT 机械系统实现了一种新型快速动力换向功率分流液压机械无级变速器的传动方案，其模型包括旋转动力学模型、变量泵控定量马达系统模型和动态离合器摩擦模型。液压驱动控制系统的数学模型包括压力调节系统和离合器驱动系统两部分。所建模型为后续拖拉机HMCVT自动换挡控制模式和换挡质量的研究奠定基础。 （2）新型液压机械无级变速器传动方案设计与传动特性研究：推导了 HMCVT 速度特性、转矩特性、循环功率特性和功率分流特性的理论表达式，并运用克莱伊涅斯方法计算 HMCVT 传动效率。采用图像分析法研究了四个关键变量（静液压单元排量比??、行星齿轮机构特性参数???1、传动比积??1??2??3和静液压单元效率????）对 HMCVT传动效率的影响。在 AMESim仿真平台建立了 HMCVT仿真模型，并对 HMCVT的传动特性进行了仿真验证，结果与理论推导一致。随后通过台架试验验证了 HMCVT 的无级调速特性和效率特性，证明了 HMCVT 传动方案的正确性。研究成果表明，提出的四段式 HMCVT传动方案适用于轮式拖拉机等农用机械，为此类设备的传动系统设计提供了理论依据。 （3）拖拉机 HMCVT 自动换挡控制模式制定与换挡质量研究：针对轮式拖拉机的不同作业需求，从经济性和动力性出发，制定了四种自动换挡控制模式。这些模式包括：适用于运输作业的最佳经济性自动换挡模式；适用于田间牵引作业的最低牵引燃油消耗率模式；适用于多种作业的最佳动力性自动换挡模式；以及基于自适应牵引力控制的动力性模式。应用循环优化算法生成了各模式下的控制图，为精确控制拖拉机的无级变速传动系统提供理论支撑。考虑到常用换挡质量评价指标的局限，引入了新的评价指标????????，综合考虑了振幅、经历时间和频率对换挡质量的影响。针对典型的换挡过程 HM1段升至HM2段，使用参数分析法研究了发动机转速、拖拉机牵引载荷、离合器油压和阻尼孔直径对段间换挡质量的影响，发现这些参数均对段间换挡质量影响显著，呈现出正相关性。采用均匀设计法探究了不同组合参数对段间换挡质量的影响，并通过多元线性回归和二次回归模型分析了数据。发现拖拉机牵引载荷是主要影响因素，且离合器油压与阻尼孔直径之间的负交互作用对段间换挡质量有显著影响。台架试验进一步验证了均匀设计法的有效性，并为提高HMCVT换挡质量提供了重要的理论和技术支持。 （4）拖拉机 HMCVT无级变速控制研究：将 HMCVT无级变速机构（电液比例变量泵控定量马达系统）的动态响应过程划分为4个阶段建立动力学模型，得到系统的总传递函数。使用 BP神经网络 PID控制方法（Backpropagation Neural Network PID, BPNN-PID）对系统的输出转速进行数值仿真试验，仿真结果显示，系统动态响应平稳，但调整时间过长。随后引入了一种先进的基于神经网络的预测控制方法（Neural Network Predictive Control, NNPC），并在 Simulink平台上设计了神经网络预测控制器。通过系统辨识和预测控制两个步骤，完成了对系统无级变速控制的仿真试验，获得了良好的控制效果。选择均方根误差（Mean Square Error, RMSE）和平均绝对误差（Mean Absolute Error, MAE）作为性能评价指标，NNPC的RMSE和MAE分别为6.7193和1.0040，显著优于BPNN-PID的 14.2746 和 5.7754，分别提升了 52.92%（RMSE）和 82.61%（MAE）。结果表明， NNPC在追踪性能和鲁棒性方面均表现优越，可以实现对电液比例变量泵控定量马达系统输出转速的精确控制。 综上所述，本文开发了一种新型液压机械无级变速器，并通过理论、仿真和试验验证了其传动特性。制定了四种自动换挡控制模式，并深入探讨了 HMCVT 换挡质量与无级变速控制性能。该研究对于提升我国拖拉机的整体性能、推动智能农机学术领域的发展及支持大功率农业车辆、工程机械和军用车辆等液压机械产品的研发，具有重要的理论和实际价值。
NETL