基于Matlab 的水田激光平地機系統(tǒng)模擬仿真

葉 娟,陳君梅*

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院，廣東廣州，510640）

0 引言

我國是農(nóng)業(yè)大國,發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)模化和精細化生產(chǎn)離不開土地平整技術(shù)。農(nóng)田表面平整狀況對地面灌溉質(zhì)量和效率有著重要影響, 應(yīng)用激光控制平地技術(shù)進行農(nóng)田土地平整, 可以有效改善農(nóng)田表面狀況, 提高農(nóng)田灌溉水的利用率, 實現(xiàn)精細地面灌溉。世界范圍內(nèi)的大量研究表明，土地被平整后可提高莊稼產(chǎn)量20 ～30%，可節(jié)水30 ～50%，水田土地利用率提高9%，并可減少農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用量。激光平地技術(shù)是現(xiàn)有的最先進、最有效的土地精平技術(shù)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項重要的節(jié)本增效措施，應(yīng)用前景開闊，對農(nóng)業(yè)機械化建設(shè)具有重要意義。

通過對水田激光平地機平地鏟工作原理的分析和數(shù)學(xué)推算，建立水田激光平地機平地鏟液壓伺服系統(tǒng)（電磁閥）傳遞函數(shù)模型。

水平平地鏟工作示意圖如圖1 所示，經(jīng)過初步推算，建立平地鏟傳遞函數(shù)模型為

擬對該模型使用Matlab 進行機械、液壓、電控系統(tǒng)仿真，以求達到理想控制效果。

圖1 平地鏟工作示意圖

1 系統(tǒng)模擬概述

系統(tǒng)模擬（亦稱系統(tǒng)仿真）是指通過建立和運行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，來模仿實際系統(tǒng)的運行狀態(tài)及其隨時間變化的規(guī)律，以實現(xiàn)在計算機上進行試驗的全過程。這是近年發(fā)展起來的一門新興技術(shù)學(xué)科。實際對象通常是復(fù)雜系統(tǒng)，難以通過真實的實驗來進行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術(shù)就成為十分重要甚至必不可少的工具。本文中介紹的水田激光平地機，有高程控制系統(tǒng)而且擁有獨立的水平控制系統(tǒng)，能較好地保持平地鏟水平，具有良好的平地效果，能滿足更廣泛、更實際的水田地形條件。但水田激光平地機功率大機身重，易受干擾而出現(xiàn)誤操作，在田埂轉(zhuǎn)彎處水平難以控制?，F(xiàn)場實踐操作工作不協(xié)調(diào)，相互干涉，工作效率偏低。我們采用系統(tǒng)模擬通過對水田激光平地機模擬運行過程的觀察和統(tǒng)計，得到被模擬系統(tǒng)的模擬輸出參數(shù)和基本特性，以此來估計和推斷實際系統(tǒng)的真實參數(shù)和真實性能，為真實系統(tǒng)問題的決策提供科學(xué)依據(jù)。

系統(tǒng)模擬作為系統(tǒng)研究和實踐中的一個重要技術(shù)手段，在求解水田激光平地機傳遞函數(shù)模型等復(fù)雜的系統(tǒng)問題中，具有下列幾個特點：

圖2 系統(tǒng)模擬的特點

2 激光平地機系統(tǒng)模擬分析

激光平地機工作時，激光發(fā)射器發(fā)出旋轉(zhuǎn)光束，在工作地塊的定位高度上形成一片光平面，此光平面就是憑證地的基準平面。激光接收器安裝在靠近刮土鏟鏟刃的固定桿上，從激光束到鏟刃之間的這段固定距離，即為標高定位測量基準。當(dāng)接收器檢測到激光信號后，不停的向控制箱發(fā)送電信號，控制箱接收到標高變化的信號后，進行自動修正，修正后的電信號控制液壓控制閥，以改變液壓油輸向油缸的流向與流量，自動控制刮土鏟的高度，使之保持定位的標高平面，即可完成高精度的土地平整作業(yè)。

激光不但發(fā)射頻率大而且傳輸速度也快，因此在實驗過程中，直接針對單個激光粒子或激光脈沖直接進行分析研究可行性較低，該仿真系統(tǒng)以可視化的激光傳輸過程、機械、液壓系統(tǒng)的動態(tài)管理和電控系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練為對象。通過模擬，實現(xiàn)位置偏差信號識別，可實時控制平地鏟的移動方向與幅度，完成一體化仿真。操作人員全面把握試驗過程中各元器件的安全狀態(tài)，并檢驗裝置的合理性等，通過計算軟件Matlab 的處理，記錄、對比實驗數(shù)據(jù)，獲得一個完整全面的分析結(jié)果，不斷改進和完善水平控制系統(tǒng)，直至達到最優(yōu)控制效果。因此，激光平地機系統(tǒng)模擬應(yīng)具備以下功能：

圖3 系統(tǒng)模擬的功能

3 編程方法實現(xiàn)

MATLAB 是由美國mathworks 公司開發(fā)的高科技計算環(huán)境，具有數(shù)值分析、矩陣計算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等強大功能。以高性能的數(shù)組運算（包括矩陣運算）為基礎(chǔ)，不僅實現(xiàn)了大多數(shù)數(shù)學(xué)算法的高效運行函數(shù)和數(shù)據(jù)可視化，而且提供了非常高效的計算機高級編程語言。在激光平地機的仿真系統(tǒng)中，通過分析和數(shù)學(xué)推算，建立電磁閥傳遞函數(shù)模型，以Matlab 實現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的后處理，建立了粒子系統(tǒng)進行管理，再對激光光束傳輸?shù)目梢暬?、傳遞函數(shù)模型計算機三維仿真驗證。

激光感應(yīng)系統(tǒng)的靈敏度較人工肉眼判斷和拖拉機上操作人員的手動液壓系統(tǒng)準確10 ～15 倍，采用水平控制算法，使水平控制精度提高20%以上，加入控制參數(shù)自適應(yīng)和自診斷功能，實現(xiàn)水平控制與高程控制協(xié)同工作。仿真流程為：

南方水田硬底層高低不平,水田激光平地機利用MATLAB軟件完成編程如下：

1）假設(shè)x,y,z 組成一組曲線的坐標參數(shù)，當(dāng)x,y,z 是同維向量時，則x,y,z 對應(yīng)元素構(gòu)成一條三維曲線。當(dāng)x,y,z 是同維矩陣時，則以x,y,z 對應(yīng)列元素繪制三維曲線，曲線條數(shù)等于矩陣列數(shù)。

2）MATLAB 具有極其強大的數(shù)據(jù)可視化功能，可制作激光平地機具有出版質(zhì)量圖形，在同一圖形窗口布置幾幅獨立的子圖，產(chǎn)生的子圖彼此獨立。

4 結(jié)論

在水田激光平地機中應(yīng)用Matlab 軟件實現(xiàn)系統(tǒng)模擬仿真，有助于我們實現(xiàn)高效的開發(fā)、調(diào)試，耗時短，耗資小，耗材少，通過仿真校驗分析，不斷地修訂算法和函數(shù)模型，做到了直觀顯示與復(fù)雜計算的統(tǒng)一，以獲取最佳狀態(tài)和最精準參數(shù)，實現(xiàn)控制效果最優(yōu)化。

圖4 系統(tǒng)仿真流程

圖5 曲面的繪制結(jié)果

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