穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)液壓變速器控制仿真研究

王林生，林衛(wèi)國，劉志剛

( 1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070；

3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌　330031)

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穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)液壓變速器控制仿真研究

王林生1，林衛(wèi)國2，劉志剛3

( 1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽473000；2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070；

3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031)

摘要：在穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)液壓變速系統(tǒng)中引入了無級(jí)變速控制策略，設(shè)計(jì)了液壓機(jī)械無級(jí)變速器的機(jī)械結(jié)構(gòu)，建立了CATIA三維模型，并對(duì)其傳動(dòng)比特性、效率特性以及模糊控制特性進(jìn)行了深入分析。利用MatLab軟件建立了MatLab和CATIA的數(shù)據(jù)接口，設(shè)計(jì)了傳動(dòng)比的Simulink仿真模型，通過計(jì)算得到了液壓效率曲線、傳動(dòng)比隨排量變化曲線、等燃油三維擬合曲線和模糊控制曲線。由計(jì)算結(jié)果可以看出：聯(lián)合仿真可以得到可靠的無級(jí)變速控制參考數(shù)據(jù)，提高了秧苗移栽作業(yè)的穩(wěn)定性與高效性,以及整車的自動(dòng)化水平，對(duì)農(nóng)作物操作的突變環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，為穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種新的計(jì)算機(jī)方法。

關(guān)鍵詞：穴盤苗；移栽機(jī)；無級(jí)變速；模糊控制；Simulink工具箱；CATIA軟件；MatLab

0引言

穴盤育苗技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期由歐美國家發(fā)展起來的一種適合于大型生產(chǎn)的現(xiàn)代化秧苗培育方式，受到了種植業(yè)者的歡迎，代表了育苗技術(shù)的發(fā)展方向，對(duì)于實(shí)施大量蔬菜作物和經(jīng)濟(jì)作物生產(chǎn)的機(jī)械化和規(guī)模化及保障其持續(xù)高效發(fā)展具有非常重要的意義。作為穴盤育苗的重要環(huán)節(jié)—秧苗移栽，其作業(yè)方式主要分為人工移栽和機(jī)械移栽兩種方式。目前，我國的農(nóng)作物移栽絕大部分是由人工來完成的，但是這種作業(yè)方式不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低，而且栽植質(zhì)量差、移栽成本高，難以實(shí)現(xiàn)大面積移栽，制約了穴盤育苗技術(shù)的發(fā)展。因此，采用機(jī)械移栽取代人工移栽已成為穴盤育苗移栽作業(yè)中的一種迫切需求，實(shí)現(xiàn)作物移栽的機(jī)械化和自動(dòng)化是我國目前農(nóng)業(yè)種植中急需解決的一個(gè)問題。

無級(jí)變速通過機(jī)-電-液結(jié)合的控制方式，可以使機(jī)械系統(tǒng)有效地避免效率較低的工作區(qū)間，減少功率循環(huán)的影響，具有減輕傳動(dòng)系動(dòng)載、衰減振動(dòng)及減少噪音的優(yōu)點(diǎn)。將無級(jí)調(diào)速控制策略應(yīng)用到穴盤苗移栽機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以使變速器自動(dòng)調(diào)節(jié)適應(yīng)車速和負(fù)載的變化，連續(xù)的傳動(dòng)比可以確保發(fā)動(dòng)機(jī)工作在所需最佳工作點(diǎn)，提高了作業(yè)的穩(wěn)定性與高效性，在一定程度上提高了整車的自動(dòng)化水平，減少了誤操作，對(duì)農(nóng)作物的操作環(huán)境具有良好的適應(yīng)性。

1無級(jí)變速控制系統(tǒng)

1.1總體設(shè)計(jì)

隨著穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的不斷提高，穴盤苗移栽機(jī)除了可控制同時(shí)傳輸多盤穴盤秧苗及實(shí)現(xiàn)末端執(zhí)行器的數(shù)目可調(diào)整之外，還設(shè)計(jì)有專門的視覺識(shí)別系統(tǒng)。例如，利用CCD來識(shí)別不健康的幼苗以及空的穴孔，該系列的移栽系統(tǒng)具有較好的可開發(fā)性，能夠滿足不同用戶的需求。但是，穴盤苗動(dòng)力機(jī)械的工作受到環(huán)境影響較大，因此需要設(shè)計(jì)專門的控制系統(tǒng)，使動(dòng)力系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到最佳匹配，最終實(shí)現(xiàn)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1為穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的基本框架。其工作的精度和效率對(duì)穴盤苗的成活率影響較大，而工作精度和效率受機(jī)器移動(dòng)速度關(guān)系密切。本文采用液壓無級(jí)變速系統(tǒng)對(duì)穴盤苗動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使其能夠適應(yīng)不同的工作環(huán)境。

1.2聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)框架

Simulink是MatLab最重要的組件之一，提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。在該環(huán)境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單、直觀的鼠標(biāo)操作，就可構(gòu)造出復(fù)雜的系統(tǒng),被廣泛應(yīng)用于控制理論和數(shù)字信號(hào)處理的復(fù)雜仿真和設(shè)計(jì)。本文利用CATIA軟件的建模與Simulink的數(shù)據(jù)接口建立了穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)無級(jí)變速液壓機(jī)械的聯(lián)合仿真，其主要框架架構(gòu)如圖2所示。該框架采用CATIA軟件進(jìn)行參數(shù)化建模，將模型導(dǎo)入到MatLab的Simulink工具箱中進(jìn)行聯(lián)合仿真，最后得到一系列的結(jié)果曲線。

圖1　穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)基本框架

圖2　無級(jí)變速聯(lián)合仿真框架

2無級(jí)變速控制算法

2.1無級(jí)變速基本原理數(shù)學(xué)模型

無級(jí)變速通過將發(fā)動(dòng)機(jī)的液壓流和機(jī)械流分流之后，再利用行星排匯流實(shí)現(xiàn)連續(xù)的傳動(dòng)比，基本結(jié)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3　無級(jí)變速機(jī)構(gòu)原理圖

為了方便分析和控制仿真，本文中定義無級(jí)變速的傳動(dòng)比為輸出軸轉(zhuǎn)速與輸入軸轉(zhuǎn)速之比，則

(1)

其中，ib為無級(jí)變速的傳動(dòng)比；Tout、Tin為輸出和輸入軸的轉(zhuǎn)速。將變量泵的變量比定義為實(shí)際泵的排量和額定排量之比,有

(2)

對(duì)于圖3所示的傳動(dòng)比，其公式為

(3)

其中，i0為多檔位的變速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；i1為分流齒輪副的傳動(dòng)比；i2為液壓匯流齒輪副的傳動(dòng)比；k為行星機(jī)構(gòu)的特性常數(shù)。一般情況下，通過改變液壓泵傾斜盤的傾斜角便可以實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)性變化。

2.2無級(jí)變速模糊控制算法設(shè)計(jì)

無級(jí)變速主要是為了實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)比的連續(xù)性變換，主要通過調(diào)整變量泵的排量和各段的傳動(dòng)比來實(shí)現(xiàn)?？刂茽顟B(tài)主要包括穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的前進(jìn)、雙向移動(dòng)和后退，其離合器的狀態(tài)如表1所示。

表1　離合器接合狀態(tài)表

表1中，在行駛方向可以形成無級(jí)調(diào)速段位F1，倒車方向只需增加反向齒輪，從而形成后退段R1；當(dāng)離合器L3和L4同時(shí)使用時(shí)，動(dòng)力只通過液壓流，此時(shí)可形成連續(xù)變速的雙向純液壓段H1。其中F1段的傳動(dòng)比為

(4)

在純液壓調(diào)速Hl段時(shí)，離合器L3 、L4 、L5接合，此時(shí)傳動(dòng)比為

(5)

為了實(shí)現(xiàn)穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的自動(dòng)化控制，本文在無級(jí)變速系統(tǒng)中引入了模糊控制原理，并利用MatLab軟件對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)仿真模擬實(shí)驗(yàn)，仿真的框架結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，主要是對(duì)輸入油門踏板的變化量和變化率進(jìn)行量化，其變化量的取值域?yàn)閇0,100]，變化率的取值域?yàn)閇0,200]。動(dòng)力因子的取值域?yàn)閇0,1]，其主要是駕駛員對(duì)動(dòng)力或者車速的模糊控制。根據(jù)模糊規(guī)則，動(dòng)力因子在MatLab中的設(shè)置如圖5所示。

圖4　模糊控制結(jié)構(gòu)框圖

圖5　動(dòng)力性因子

假設(shè)油門踏板的變化量、變化率和動(dòng)力因子的模糊論域相同且都為{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，則其量化因子可以由以下公式確定，即

k=[(b-a)/(c-d)e*][e*-(c-d)/2] (6)

通過計(jì)算，得到量化因子分別為：k1=10/100，k2=10/200，k3=10。在第3節(jié)中，通過仿真模擬實(shí)驗(yàn)得到模糊控制的結(jié)果。

3穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)無級(jí)變速控制系統(tǒng)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的無級(jí)變速基本模型和模糊控制算法的有效性和可靠性，本節(jié)利用CATIA和MatLab聯(lián)合仿真的方法對(duì)無級(jí)變速器的變速性能和模糊控制性能進(jìn)行模擬研究，通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)和測試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性。

3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)穴盤自動(dòng)移栽機(jī)液壓無級(jí)變速箱的結(jié)構(gòu)，建立了無級(jí)變速箱機(jī)械部分的CATIA三維模型，如圖6所示。為了聯(lián)合仿真，在模型中簡化了離合器，在仿真時(shí)只考慮齒輪傳動(dòng)的齒輪副，將齒輪的轉(zhuǎn)速作為輸出值。

在MatLab界面中，可以通過建立命令的形式實(shí)現(xiàn)其與CATIA的數(shù)據(jù)接口。在命令窗口輸入controlspid、ADAMS_sys命令后，從窗口中選擇ADAMS模型，建立傳動(dòng)比的Simulink模型，如圖7所示。

圖6　CATIA模型設(shè)計(jì)

圖7　MatLab和CATIA聯(lián)合仿真結(jié)構(gòu)

在Simulink仿真模擬工具箱中需要設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及變量泵的排量，實(shí)現(xiàn)CATIA的動(dòng)力學(xué)仿真，如圖8所示。

圖8　Simulink模型設(shè)置

圖8中，將發(fā)動(dòng)機(jī)的輸入轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000r/min，變量泵的排量比設(shè)置為-1→+1 變化，可以在Communication Interval中調(diào)整MatLab和ADAMS之間進(jìn)行一次數(shù)據(jù)交換的時(shí)間間隔。

3.2測試數(shù)據(jù)

為了驗(yàn)證不同排量比下液壓系統(tǒng)是否能正常工作，利用MatLab仿真得到了液壓系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速和油壓恒定的情況下效率隨排量比變化曲線，如圖9所示。

圖9　液壓效率排量比測試曲線

由圖9可以看出：在不同排量比下，液壓泵效率最低達(dá)到了0.86。這說明，系統(tǒng)的工作效率比較高，系統(tǒng)是有效的。將得到的傳動(dòng)比數(shù)據(jù)點(diǎn)在 Simulink 中利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到無級(jí)變速傳動(dòng)比隨排量的變化曲線，如圖10所示。由圖10可以看出：隨著排量比的不同，傳動(dòng)比也有所不同，傳動(dòng)比隨排量比連續(xù)變化。

圖10　不同排量比工況下的傳動(dòng)比

圖11為燃油消耗率與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。在MatLab中利用Mesh命令生成等燃油消耗曲線的三維擬合圖，結(jié)合曲線使用模糊控制，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)和燃油的最佳匹配。

圖12為油門腳踏板和傳動(dòng)比的模糊控制曲線。由圖12可以看出：為了適應(yīng)不同環(huán)境，使穴盤苗在移栽過程中具有連續(xù)變化的轉(zhuǎn)速，利用腳踏板排量比的模糊控制成功實(shí)現(xiàn)連續(xù)的傳動(dòng)比控制，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化控制。

圖11　等燃油消耗曲線

圖12　傳動(dòng)比模糊控制曲線

4結(jié)論

1)設(shè)計(jì)了穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)的無級(jí)液壓機(jī)械變速系統(tǒng)，并在系統(tǒng)中引入了模糊控制策略，提高了移栽機(jī)的自動(dòng)化作業(yè)水平。

2)利用CATIA和MatLab相結(jié)合的方法對(duì)液壓無級(jí)變速系統(tǒng)進(jìn)行了聯(lián)合仿真，建立了CATIA三維模型，并利用MatLab的Simulink工具箱對(duì)其傳動(dòng)比特性、效率特性及模糊控制特性進(jìn)行了深入分析。

3)仿真模擬表明：無級(jí)變速系統(tǒng)可以有效提高穴盤苗自動(dòng)移栽機(jī)作業(yè)的穩(wěn)定性與高效性，在一定程度上提高了整車的自動(dòng)化水平，對(duì)農(nóng)作物的操作環(huán)境具有良好的適應(yīng)性，是一種可靠的動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化策略。

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Simulation Research on Speed Variator of Hydraulic Machinery in Transplanting Machine of Plug Seedlings

Wang Linsheng1, Lin Weiguo2, Liu Zhigang3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.College of Engineering Technology, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China； 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：The seedlings transplanting machine hydraulic automatic transmission system is introduced in the stepless speed control strategy. Firstly,It designed the mechanical structure of hydraulic machinery for stepless speed variator,established the three-dimensional model by CATIA, and analyzed the ratio characteristic, efficiency characteristic and fuzzy control characteristi. Then,it established the data interface of Matlab and CATIA by using the Matlab software, designed the Simulink simulation model of transmission ratio, the calculated hydraulic efficiency curve, transmission ratio with the displacement curve, such as fuel and fuzzy control curve 3D curve fitting. By the calculation results,it can be seen that the united simulation can get the reliable reference data for stepless speed control,which can improve the stability and effectiveness of seedling transplanting operation, improve the level of automation of the vehicle, the mutation operation environment to crops with good comfort. The results provides a new method for the optimization design of transplanting seedlings machine for computer automatic control.

Key words：plug seedlings; transplanting machine; stepless speed change; fuzzy control; simulink toolbox; CATIA software; MatLab

文章編號(hào)：1003-188X(2016)02-0039-05

中圖分類號(hào)：S233.92；TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51305152)

收稿日期：2015-01-06