随着农业技术的不断进步，拖拉机作为农业生产中不可或缺的工具，其发动机控制系统的复杂性也在不断增加。为了满足不同工况下的需求，拖拉机发动机扭矩管理系统需要具备多功能、高效能和燃油经济性的特点。

拖拉机在农业生产中承担着多种任务，如耕作、运输和牵引。因不同任务对发动机的扭矩要求各不相同，拖拉机发动机扭矩管理系统的设计目标是在各种工作条件下确保发动机能够提供适当的扭矩输出，以实现高效的工作效率[1-3]。拖拉机发动机扭矩管理系统通常配备多种传感器和执行器，用于测量和调节发动机的扭矩。传感器可以监测拖拉机的速度、负载和其他相关参数，而执行器则可以控制燃油喷射、进气阀等发动机部件，以调整扭矩输出。通过精确控制和管理发动机扭矩，系统能够使拖拉机在各种工况下实现高效能利用[4-5]。例如，在牵引重载时，系统可以提供更大的扭矩输出，以确保拖拉机能够顺利完成任务；而在轻负荷或高速运输时，系统可以调整扭矩输出，以提供更好的燃油经济性。

目前，国内外相关人员主要集中在开发先进的控制算法和优化策略，以提高拖拉机发动机扭矩管理系统的性能。其中，一些研究采用模型预测控制(Model Predictive Control, MPC)算法，通过建立准确的发动机模型和优化问题，实现对发动机扭矩的精确控制[6-9]。另外，一些研究采用基于模糊逻辑和神经网络的智能控制方法，以适应不同工况下的扭矩需求，并提高系统的自适应性和鲁棒性，也有不少研究针对拖拉机发动机扭矩管理系统展开。一些研究侧重于系统的硬件设计和传感器技术，通过引入高精度传感器和先进的信号处理技术，实现对发动机扭矩的准确测量和控制[10-11]。同时，一些研究关注于系统的软件开发和控制算法优化，通过改进控制策略和优化算法，提高系统的响应速度和性能。此外，还有一些研究关注于拖拉机发动机扭矩管理系统的能量利用和燃油经济性优化，通过优化发动机的燃烧过程、燃料喷射策略和排气系统设计等方面，降低能量损失并提高燃油利用效率。

但是，目前上述研究方法不能针对拖拉机不同工作条件灵活地调整发动机扭矩，也无法实现对发动机扭矩的精确控制。针对以上问题，提出了基于双回路速度跟踪控制的拖拉机发动机扭矩管理系统，可以解决传统系统在多工况需求、复杂性、功能性，以及精确控制和调节等方面存在的问题。

1、基于双回路速度跟踪控制的系统设计

1.1 系统设计及工作原理

系统主要由速度跟踪回路和扭矩调节回路两个部分组成，控制原理如图1所示。速度跟踪回路负责跟踪期望的发动机转速，并生成相应的控制信号[12]。其中，速度传感器用于测量实际转速，误差计算器用于计算转速误差，控制器用于生成控制指令，执行器用于调节油门或燃油喷射量来实现期望的转速。

图1 速度跟踪控制结构示意图

扭矩调节回路根据速度跟踪回路的控制指令，调节发动机的扭矩输出。其中，扭矩传感器用于测量实际扭矩输出，误差计算器用于计算扭矩误差，控制器用于生成调节指令[13],执行器用于调节燃油供给或气缸进气量来实现期望的扭矩输出。

通过这两个回路的协调工作，系统能够实现对发动机转速和扭矩的精确控制和调节。速度跟踪回路确保发动机转速按照预设的期望值进行跟踪，保持稳定和精确性。扭矩调节回路根据速度跟踪回路的控制指令，调节发动机的扭矩输出，以满足不同工况下的需求。当期望转速发生变化时，速度跟踪回路会通过比较实际转速和期望转速，生成控制指令来调节油门或燃油喷射量，使实际转速逐渐趋近于期望转速[14]。同时，扭矩调节回路会根据速度跟踪回路的指令，通过调节燃油供给或气缸进气量来实现期望的扭矩输出，故系统能够在不同工况下保持稳定的转速并实现所需的扭矩输出。

通过双回路速度跟踪控制的设计，拖拉机发动机扭矩管理系统能够实现高精度的转速和扭矩控制，提高拖拉机的整体性能和燃油经济性，以适应不同工况下的要求，并提供高效能和高可靠性的发动机运行。

1.2 回路1:速度跟踪控制

速度跟踪控制主要包括速度传感器、误差计算器、控制器和执行器。速度传感器用于测量发动机的实际转速，并将其反馈给控制系统；然后，误差计算器将期望转速与实际转速进行比较，计算出转速误差；同时，控制器根据转速误差，采用控制算法(PID控制器),生成速度控制指令；最后，执行器根据速度控制指令，调节油门或燃油喷射量来控制发动机的转速。

速度跟踪控制系统整体架构(见图1)分为上位控制器和下位控制器两个部分。

1)上位控制器：

负责高级的控制功能和决策，通常由计算机或嵌入式系统实现，接收用户输入、环境参数和期望转速等信息，并生成速度控制策略和指令[15]。本文使用MPC算法来自适应调节期望加速度的大小。MPC算法基于系统的动态模型和性能指标，通过对未来一段时间内的系统行为进行预测，优化当前控制决策。

2)下位控制器：

负责实际的控制执行和信号处理，通常由微控制器或专用控制芯片实现。它接收上位控制器的指令，通过传感器获取实际转速信息，并控制执行器调节油门或燃油喷射量。

上位控制器和下位控制器之间通过通信接口进行信息交换和指令传递。上位控制器根据系统需求和控制策略生成速度控制指令，并通过通信接口将指令传递给下位控制器；下位控制器接收指令后，使用传感器获取实际转速信息，并根据指令调节执行器，实现对发动机转速的精确控制[16]。

1.3 回路2:发动机扭矩调节

发动机扭矩调节回路通常包括以下主要组件：

1)扭矩传感器。

用于测量发动机输出的扭矩，可以基于电子测力传感器或其他相关传感器技术。

2)扭矩调节器。

根据上位控制器的指令和扭矩传感器的反馈，通过控制油门或调节燃油喷射量来实现扭矩调节。

3)控制算法。

根据上位控制器的指令和扭矩传感器的反馈，控制算法计算出扭矩调节器的控制指令。常见的控制算法包括比例积分控制(PI)、模糊控制、自适应控制等。

4)执行器。

根据控制指令，执行器将控制信号转换为相应的操作，如调节油门开度或控制燃油喷射量。

通过上述组件的协调工作，发动机扭矩调节回路实现对发动机扭矩的精确控制和调节。上位控制器根据系统需求和工况指定期望的扭矩输出，控制算法根据反馈信号计算出相应的控制指令，扭矩调节器通过执行器将指令转换为实际的扭矩调节操作。通过这种方式，系统能够实现对发动机扭矩的动态调节，以适应不同的工作负载和工作条件，并实现高效能和燃油经济性的要求。

2、变参数PID控制算法的设计

2.1 拖拉机发动机控制算法

发动机控制(Engine Torque Control, ETC)是一种基于车辆微控制器的控制技术，用于调节发动机的扭矩输出，通过车辆微控制器实时监测和控制发动机的工作参数，以满足车辆的驾驶需求和优化性能。在ETC系统中，车辆微控制器可以根据不同的驾驶条件和工况要求，调节发动机扭矩的大小和分配方式。例如，在拖拉机需要加速或爬坡时，微控制器可以增加发动机的扭矩输出，以提供更多的动力。在平稳或经济驾驶模式下，微控制器可以降低发动机扭矩，以实现燃油经济性的优化。拖拉机发动机控制原理如图2所示。

图2 拖拉机发动机扭矩控制架构图

发动机输出扭矩Te为

Te=Tbase-ΔTωe-Tfast(1)

其中，Tbase为拖拉机发动机输出扭矩数值，决定了拖拉机能够提供的牵引力大小，对于牵引和推动农用机械、耕作设备等具有重要意义，可以通过查询MAP图(Meaningful Air Pressure图)来获取；Tfast为发动机减少扭矩目标值；ΔTωe为拖拉机发动机扭矩修正系数。

其中，Je为曲轴转动惯量参数，反映了曲轴对于外界扭矩变化的响应能力；

为拖拉机发动机转速动态补偿因子；ωe为拖拉机发动机转速。

2.2 变参数 PID 发动机扭矩调节算法

在ETC(Engine Torque Control)算法中，选取拖拉机车轮的轮速vnom作为控制变量是常见的做法之一。这是因为车轮的轮速与滑移率之间存在数学关系，且轮速可以通过轮速传感器进行实时采集。通过监测车轮的轮速，ETC算法可以获取车辆的动态信息，进而对发动机的扭矩输出进行精确的调节。通过与目标轮速进行比较，ETC算法可以计算出需要调整的扭矩大小，从而实现对车辆的动力控制。计算公式为

其中，λnom=f(λp)KTCS_flag+λcorr;vref为拖拉机发动机参考速度；KTCS_flag为拖拉机驱动防滑控制(Traction Control System, TCS),当车轮滑转率超过TCS门限值时，该标志位被置为1,反之则该标志位被置为0;λcorr为 ETC 介入时滑移率的修正参数；f(λp)为TCS 介入时拖拉机车轮在当前行驶工况下的最佳滑转率。TCS(驱动防滑控制)介入时，拖拉机车轮在当前行驶工况下的最佳滑转率是指在最优牵引力和稳定性的条件下车轮应该达到的滑转率，一般情况下最佳滑转率介于0.1～0.2之间。

ETC 采用可变参数的 PID 控制算法，算法公式为

其中，vT为驱动轴同轴两个车轮轮速的平均值，vT=(v1+vr)/2。

KP(比例增益)、KI(积分时间常数)和KD(微分时间常数)是PID控制器中的3个重要参数，对控制系统的性能和响应特性具有影响。在ETC的变参数PID算法中，KP的调整可以根据车速变化率Δv来调整发动机扭矩的响应速度和灵敏度，具体如表1所示。当Δv较大时，可以增大KP,以快速调整扭矩输出；当Δv较小时，可以减小KP,以保持平稳的控制响应。

KI的调整与积分时间常数有关，对应着积分控制器的响应速度和稳定性。在ETC中，根据当前路面的附着系数，可以调整KI参数以控制发动机扭矩的积分效果。在高附着路面上，可以适当增大KI以提供更强的驱动能力；而在低附着的冰雪路面上，可以减小KI以减少积分效应，提高驾驶舒适度和稳定性。

KD的调整与微分时间常数有关，对应着微分控制器的响应速度和抑制振荡的能力。根据Δv和当前路面的附着系数，可以调整KD参数以控制发动机扭矩的微分效果。在高附着路面上，适当增大KD可以更好地抑制振荡现象；而在低附着的冰雪路面上，可以减小KD以避免过度响应和不稳定性。

通过根据Δv和当前路面附着系数来动态调整KP、KI和KD参数。ETC的变参数PID算法能够使发动机扭矩控制系统在不同路面条件下表现出适应性和优化性能，以提供强劲的驱动能力和驾驶舒适度。

3、系统运行结果与分析

3.1 试验平台

为了验证基于双回路速度跟踪控制的拖拉机发动机扭矩管理系统的设计，选择东方红拖拉机DFH404作为试验平台(见图3),配备了1台高性能工业控制计算机(工控机),用于实时数据采集、控制算法计算和系统状态监测等功能；同时，安装专用的电控单元和高精度的GPS导航系统，用于接收和处理来自传感器的信号，并输出控制指令给发动机和其他相关执行器。环境感知传感器可以实时获取周围环境信息，拖拉机配备了多种环境感知传感器，如倾斜传感器、温度传感器、湿度传感器等，用于监测工况和环境变化。

图3 拖拉机试验平台

3.2 试验设计

试验开始前，进行基准测量，记录拖拉机的初始状态和参数。选择田间播种作为试验场景，根据设计的双回路速度跟踪控制系统，设定相应的控制参数和算法，如表2所示。

表2 参数设置

3.3 结果与分析

3.3.1 发动机转速控制精度

发动机转速控制精度试验中，测量了实际发动机转速并与设定值进行比较，试验结果如图4所示。由图4可知：在设定转速1 500、2 500 r/min时，实际转速分别低于设定值2～5 r/min。这可能是由于控制系统的响应时间和控制参数的调整导致的，在设定转速2 000～3 000 r/min时，实际转速分别高于设定值2～10 r/min。这表明，控制系统的响应时间和控制参数的调整对实现更精确的转速控制有一定的效果。

图4 发动机转速控制精度结果示意图

3.3.2 发动机扭矩控制精度

发动机扭矩控制精度试验结果如图5所示。

图5 发动机扭矩控制精度结果示意图

通过对比实际扭矩和设定扭矩可知：在设定扭矩1 000～2 000N·m时，实际扭矩分别低于设定值3 N·m和2 N·m, 可能是由于控制系统的响应时间和控制参数的调整导致的。在设定扭矩1 500 N·m和2 500 N·m时，实际扭矩分别高于设定值5 N·m和3 N·m, 表明控制系统的响应时间和控制参数的调整对实现更精确的扭矩控制有一定的效果。根据这些分析结果，可以考虑进一步调整控制参数和优化系统的响应时间，以提高发动机扭矩控制的精度。

4、结论

1)通过双回路速度跟踪控制，系统能够实现对发动机转速和扭矩的精确控制和调节。速度跟踪回路确保发动机转速按照设定值进行稳定控制，而扭矩调节回路根据工况需求动态调节发动机扭矩，以满足实际运行条件。

2)试验结果表明：基于双回路速度跟踪控制的系统能够有效地实现发动机转速和扭矩的精确控制，通过优化控制参数和系统响应时间，可以进一步提高控制精度。

3)发动机扭矩管理系统的应用可以显著提升拖拉机的整体性能和燃油经济性。精确的扭矩控制使得能量利用更高效，同时在不同工况下实现最佳的运行性能。

参考文献:

[2]罗森侨,王意东,王小龙.基于机器学习的拖拉机发动机扭矩的预测模型[J].农机化研究,2023,45(3):254-259.

[3]任淋.考虑坡道信息的智能型PHEV经济性车速规划与能量管理研究[D].重庆:重庆理工大学,2022.

[4]邢巍巍.农用拖拉机发动机技术及其排放特性研究[J].农机使用与维修,2022(8):87-89.

[6]白钰.基于CAN数据的拖拉机作业报告单生成技术研究[D].大庆:黑龙江八一农垦大学,2018.

[8]韦韬.基于CFD的拖拉机发动机冷却系统优化设计[J].农机化研究,2022,44(8):244-247.

[9]金号.面向驾驶性的汽车纵向运动闭环控制方法研究[D].长春:吉林大学,2021.

[12]刘西学.CVT并联式混合动力汽车瞬时优化能量管理策略研究[D].重庆:重庆大学,2020.

[14]李洋洋.基于行驶工况的整车能量流智能管理方法研究[D].长沙:湖南大学,2020.

[16]赵岩.拖拉机发动机常见故障诊断分析及排除方法研究[J].农机使用与维修,2021(9):87-88.

基金资助:全国电力职业教育研究项目(20212015);广西电力职业技术学院教学创新团队建设项目(2022);

文章来源:黎世锟.双回路控制下拖拉机发动机管理系统的设计[J].农机化研究,2025,47(02):249-253.