耕深均勻性的拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)

宋 玲，謝志勇

(1.懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，湖南 懷化 418000；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 婁底 417000)

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耕深均勻性的拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)

宋 玲1，謝志勇2

(1.懷化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械系，湖南 懷化 418000；2.婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系，湖南 婁底 417000)

耕深均勻性是拖拉機(jī)作業(yè)過程中一個重要的衡量指標(biāo)，為此提出了一種耕深均勻性的拖拉機(jī)電子液壓懸掛系統(tǒng)的控制方法。首先介紹了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成及耕深控制原理，然后建立了系統(tǒng)的物理模型，并分析了耕深值和提升臂轉(zhuǎn)角存在的關(guān)系，以便利用提升臂轉(zhuǎn)角來間接測量實(shí)際的耕深值。以設(shè)定的耕深值為輸入，實(shí)際耕深值為負(fù)反饋，采用PID控制算法對該系統(tǒng)的耕深控制過程進(jìn)行了仿真分析，實(shí)現(xiàn)了在線校正實(shí)際耕深與設(shè)定值的偏差。最后，通過田間試驗(yàn)分別驗(yàn)證了156mm耕深值和200mm耕深值的控制過程，證明了該控制方法的可行性。結(jié)果表明：提出的控制方法能夠保證耕作過程中耕深的均勻性，也大大降低了駕駛員的操作強(qiáng)度。

拖拉機(jī)；電液懸掛系統(tǒng)；耕深均勻性；PID控制

0 引言

拖拉機(jī)在田間牽引農(nóng)具作業(yè)時，其耕深的均勻性是衡量拖拉機(jī)作業(yè)水平高低的一個重要指標(biāo)[1-2]，特別是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對作物的耕深均勻性要求愈來愈高。傳統(tǒng)的拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)具備位置調(diào)節(jié)功能，能使得農(nóng)具與拖拉機(jī)相對位置不變[3]。其機(jī)械控制裝置的原理是：當(dāng)外提升臂的轉(zhuǎn)角發(fā)生變化時，提升臂就會通過相應(yīng)的機(jī)構(gòu)推動控制閥的主閥芯，使其偏離中位，液壓油進(jìn)入油缸推動活塞帶動提升臂轉(zhuǎn)動直至原有位置；但由于機(jī)械桿件和彈簧存在遲滯及摩擦因素會導(dǎo)致該類機(jī)械系統(tǒng)存在控制精度低和響應(yīng)慢的缺陷[4-5]。所謂位置控制，就是要保證作業(yè)的耕深均勻控制策略，這對淺耕作業(yè)是極其重要的，現(xiàn)代拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)采用電子控制方法實(shí)現(xiàn)田間作業(yè)的多種目標(biāo)控制。從控制的角度來看，位置控制是一個典型的閉環(huán)控制，將實(shí)際耕深作為負(fù)反饋，輸入值是目標(biāo)耕深，輸出是控制閥的電壓信號，控制閥調(diào)節(jié)油缸來帶動農(nóng)具升降。由于實(shí)時測量耕深值比較困難，通常做法是采集外提升臂轉(zhuǎn)角信號，再經(jīng)過比例換算得出耕深值。針對位置控制方法，謝斌等[6]提出了利用傾角傳感器農(nóng)具耕深的方法，根據(jù)懸掛機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系出傾角傳感器值和實(shí)際耕深。朱思洪等[7]采用PID控制策略并利用MatLab仿真分析了該系統(tǒng)。李明生等[8]設(shè)計了模糊PID自適應(yīng)控制器，進(jìn)行了位置控制和牽引力控制分析，并搭建了試驗(yàn)平臺。魯植雄等[9]設(shè)計了耕深模糊控制器，進(jìn)行了力位綜合控制研究，最后實(shí)現(xiàn)了雙參數(shù)控制；但這些控制方法過于復(fù)雜，并不適合真實(shí)的作業(yè)過程控制。為此，提出了一種基于外提升臂轉(zhuǎn)角的耕深控制方法，用提升臂轉(zhuǎn)角間接測量實(shí)際耕深值，并以此構(gòu)建電控液壓懸掛系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了耕深的自動控制。最后，通過仿真實(shí)驗(yàn)和田間實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略能夠保證耕深的均勻性，且具有較高的測量精度和較快的響應(yīng)時間，證明了系統(tǒng)的可行性。

1 電液懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制方法

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

拖拉機(jī)電子液壓懸掛系統(tǒng)一般由液壓泵、換向閥、油缸、電子控制單元、傳感器、懸掛機(jī)構(gòu)、顯示器和控制面板構(gòu)成[10]，如圖1所示。

具備多種控制方法的電控系統(tǒng)通常有位置控制、阻力控制、滑轉(zhuǎn)率控制及3種參數(shù)的綜合控制。因此，傳感器涉及到轉(zhuǎn)角傳感器、拉壓力傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和低速雷達(dá)等。傳感器的安裝位置如圖1所示。液壓泵由發(fā)動機(jī)帶動運(yùn)轉(zhuǎn)，油缸為單向缸，農(nóng)具下降時可以利用自重。比例換向閥為三位三通閥。

當(dāng)拖拉機(jī)在田間作業(yè)時，駕駛員根據(jù)作業(yè)要求在控制面板上設(shè)置耕深值，系統(tǒng)開始執(zhí)行位置控制策略。當(dāng)出現(xiàn)地面不平整或油路泄漏等原因?qū)е庐?dāng)前耕深與設(shè)置耕深不相當(dāng)時，系統(tǒng)會計算出差值，根據(jù)PID算法輸出信號給比例閥，由比例閥控制油缸的升降，保證耕深的均勻性。

1.液壓泵 2.比例換向閥 3.低速雷達(dá) 4.輪速傳感器 5.拉力傳感器 6.懸掛機(jī)構(gòu) 7.農(nóng)具 8.位置傳感器 9.控制單元 10.控制面板 11.顯示器

1.2 耕深控制方法

位置控制實(shí)際上為一個閉環(huán)反饋控制[11]，如圖2所示。

圖2 位置控制框圖

駕駛員在控制面板上設(shè)置的耕深值為輸入?yún)⒖剂?，傳感器間接測得的耕深值為實(shí)際量，輸入?yún)⒖剂颗c實(shí)際量的差值作為PID控制的輸入，從而使得偏差盡可能地接近零；PID算法計算出一個輸出值給比例閥，比例閥通過閥芯的移動以便切換油路的通斷。若偏差為正，則實(shí)現(xiàn)油缸的下降，農(nóng)具下放至設(shè)置的耕深值；若偏差為負(fù)，則說明耕深超過了設(shè)置值，此時油缸上升，農(nóng)具上提，在拖拉機(jī)作業(yè)過程中，駕駛員只需要根據(jù)作業(yè)要求設(shè)置好耕深，無需繁瑣操作。采用PID算法實(shí)現(xiàn)位置自動控制，簡單有效，并且能夠保證較高的精度。

2 系統(tǒng)建模及仿真分析

農(nóng)具的升降通過懸掛機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，角度傳感器的安裝在提升臂鉸鏈處，用于測量提升臂的轉(zhuǎn)角。實(shí)際耕深值是通過和換算而來，因此提升臂的轉(zhuǎn)角與耕深值的關(guān)系必須事先明確。

2.1 系統(tǒng)建模

拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)的建模有數(shù)學(xué)建模和物理建模兩種方法。這里用Simulation X軟件進(jìn)行了系統(tǒng)的物理建模。系統(tǒng)分為懸掛機(jī)構(gòu)、液壓系統(tǒng)和控制信號部分[12]。懸掛機(jī)構(gòu)采用的是三點(diǎn)懸掛，該機(jī)構(gòu)沿拖拉機(jī)行走方向的中心線左右對稱，所以做理論分析時通常簡化為一個平面六連桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 懸掛機(jī)構(gòu)平面示意圖

機(jī)構(gòu)主要由外提升臂AD、上拉桿CG、下拉桿BF、提升臂DE、內(nèi)提升臂AJ等組成。其中，將轉(zhuǎn)角傳感器安置在外提升臂轉(zhuǎn)角與機(jī)體的鉸接點(diǎn)A處，用于測量外提升臂相對初始位置的轉(zhuǎn)角值，并計算出與農(nóng)具垂直方向的位移差值，即實(shí)際農(nóng)具耕深關(guān)系。通常中大型拖拉機(jī)由主副兩個油缸共同控制農(nóng)具升降，因此建模時也采用了兩個油缸。

液壓系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。液壓泵由發(fā)動機(jī)帶動，通常根據(jù)設(shè)計要求選用相應(yīng)型號的定量齒輪泵；液壓系統(tǒng)都有一個額定壓力；安全閥用于保護(hù)系統(tǒng)過載；換向閥是用來控制液壓缸的行程和速度。電控液壓懸掛系統(tǒng)采用的均是電液比例換向閥，由電信號控制換向閥的閥芯行程，實(shí)現(xiàn)流量的比例控制。

圖4 液壓系統(tǒng)構(gòu)成

當(dāng)換向閥的主閥芯在中位時，換向閥的所有通道都關(guān)閉，此時閥打開，液壓油回到油箱；當(dāng)閥芯在左位時，液壓油進(jìn)入油缸左腔，推動活塞運(yùn)動，農(nóng)具隨之提升；當(dāng)閥芯在右位時，油缸左腔和油箱相通，農(nóng)具會在自重的作用下開始下降，油缸左腔內(nèi)的油液回流到油箱中。

2.2 提升臂轉(zhuǎn)角與耕深關(guān)系

模型中，設(shè)外提升臂順時針旋轉(zhuǎn)為正，逆時針為負(fù)，外提升臂水平狀態(tài)記為0°，耕深記為農(nóng)具質(zhì)心相對初始位置垂直方向的位移。將外提升臂從水平位置逐漸順時針旋轉(zhuǎn)至30°，每隔2°記錄一次耕深值。用線性關(guān)系擬合出數(shù)據(jù)趨勢線，可以得到如圖5所示的關(guān)系圖。

圖5 外提升臂轉(zhuǎn)角與耕深關(guān)系

耕深與外提升臂轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系為

y=7.3849x+8.3199

(1)

擬合的公式相關(guān)系數(shù)接近1，說明耕深值與提升臂轉(zhuǎn)角的線性關(guān)系較為接近。因此，實(shí)際耕深測量時，只需要傳感器測出外提升臂相對初始位置的轉(zhuǎn)角，經(jīng)過線性關(guān)系換算即可得出相應(yīng)的耕深值。

2.3 耕深控制仿真分析

PID算法由比例、積分和微分算子組成[12]。比例控制器的輸出和輸入的偏差成比例，通過調(diào)整比例系數(shù)的大小使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定；積分項(xiàng)表示系統(tǒng)輸入偏差的累積，有利于減小穩(wěn)態(tài)誤差；微分項(xiàng)表示輸入偏差的變化率，通過預(yù)測變化的趨勢，便于提前縮小偏差，有效提高系統(tǒng)的動態(tài)性能，通過這3項(xiàng)配合使用能夠解決大部分工業(yè)中的控制問題。

對于簡單的拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)位置控制，PID算法可以進(jìn)行精確的控制，利用Simulation X軟件中建立的模型[13-15]，預(yù)先設(shè)置外提升臂轉(zhuǎn)角值，并將外提升臂的實(shí)際相對轉(zhuǎn)角作為反饋，調(diào)整比例、積分、微分3參數(shù)，仿真得到系統(tǒng)響應(yīng)值。圖6為位置控制下系統(tǒng)響應(yīng)圖。

圖6 位置控制系統(tǒng)響應(yīng)

設(shè)置外提升臂轉(zhuǎn)角初始為20°，然后變?yōu)?6°，以測試系統(tǒng)的響應(yīng)。圖6中，粗實(shí)線表示設(shè)置的轉(zhuǎn)角值，帶十字細(xì)實(shí)線表示實(shí)際外提升臂轉(zhuǎn)角值，即系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果。結(jié)果表明：PID算法能夠快速響應(yīng)，1.2s后外提升臂轉(zhuǎn)角達(dá)到設(shè)置的20°；當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)角變?yōu)?6°后，系統(tǒng)經(jīng)過1.4s后達(dá)到設(shè)置的26°。此時，相應(yīng)的耕深變化情況見圖7所示。

由圖7可以看出：在這一過程中，耕深值從160mm快速響應(yīng)變?yōu)?00mm。仿真結(jié)果表明：PID控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)耕深變化的快速響應(yīng)，且能夠維持耕深的均勻性，也保證了作業(yè)過程中的穩(wěn)定性。采用外提升臂轉(zhuǎn)角間接測量耕深值，滿足了對耕深均勻性的控制要求。

圖7 位置控制耕深

3 田間試驗(yàn)及分析

為了驗(yàn)證設(shè)計系統(tǒng)的可行性，需要進(jìn)行田間試驗(yàn)，通過安裝電液比例閥、角度傳感器、DSP處理器和控制面板等，將原有機(jī)械式液壓懸掛系統(tǒng)改裝為電控液壓懸掛系統(tǒng)。首先，需要標(biāo)定控制面板旋鈕輸出電壓值，標(biāo)記對應(yīng)的耕深值；然后，標(biāo)定角度傳感器，測出機(jī)械轉(zhuǎn)角與輸出電壓關(guān)系，并按照外提升臂轉(zhuǎn)角與耕深關(guān)系，得到電壓與對應(yīng)耕深；最后，將程序下載至DSP處理器中并調(diào)試[16-17]。在測試過程時，先將農(nóng)具下放至犁尖與地面接觸處，拖拉機(jī)開始前行，并保持6km/h的時速。設(shè)定外提升臂轉(zhuǎn)角為20°，按照轉(zhuǎn)角與耕深關(guān)系，可以得到此時耕深應(yīng)為156mm；待拖拉機(jī)行駛18s后，再將轉(zhuǎn)角設(shè)置為26°，通過計算此時的耕深應(yīng)為200mm。試驗(yàn)取拖拉機(jī)行駛40s的過程進(jìn)行分析和研究。通過對農(nóng)具后方的耕溝進(jìn)行測量，就可以得到實(shí)際的耕深值。為了比對系統(tǒng)設(shè)定理論耕深、仿真結(jié)果和實(shí)際測量的耕深是否存在偏差，將三者的試驗(yàn)數(shù)據(jù)融合到圖8中進(jìn)行直觀比較分析。

圖8 試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果對比

由圖8可以看出：在前0～18s，耕深設(shè)為156mm時，實(shí)際耕深為156mm左右，只有較小幅度的波動；當(dāng)將耕深設(shè)為200mm后，外提升臂下降，農(nóng)具自動下放，此時耕深開始增加，由于慣性作用，當(dāng)耕深達(dá)到200mm時，農(nóng)具還會繼續(xù)下放，隨后回到200mm處，并始終維持在200mm左右，從耕深的切換到穩(wěn)定工作時間小于2s。在實(shí)際的過程中，耕深存在較小的偏差是由于田間土地的不平整原因引起的，但整體趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：采用外提升臂轉(zhuǎn)角作為耕深值的間接測量方法也同樣具備了較高的精度，并且簡單易行；采用PID算法作為位置控制算法，能夠很好地保持耕深的均勻性，且波動幅度較小。

4 結(jié)論

從耕深均勻性的耕作要求出發(fā)，設(shè)計開發(fā)了一種基于位置控制的拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)，通過測量外提升臂轉(zhuǎn)角間接得到耕深值，保證了提升臂轉(zhuǎn)角的穩(wěn)定性。采集實(shí)際外提升臂轉(zhuǎn)角作為負(fù)反饋，并應(yīng)用PID控制算法，消除設(shè)定值與實(shí)際反饋值的偏差。仿真結(jié)果與田間試驗(yàn)結(jié)果均表明：提出的方法能夠使農(nóng)具準(zhǔn)確、快速到達(dá)設(shè)定的耕深位置，響應(yīng)速度快，并能夠保證耕深的均勻性，大大降低了駕駛員的勞動強(qiáng)度。此外，還可以從燃油經(jīng)濟(jì)性的角度出發(fā)，基于牽引力均勻性提出阻力控制方法和滑轉(zhuǎn)率控制方法，或者兼顧耕深均勻性和燃油經(jīng)濟(jì)性，提出位置與阻力的綜合控制方法等。

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Electronic-Control Hydraulic Hitch System of Tractor with Tillage Depth Uniformity

Song Ling1, Xie Zhiyong2

(1.Department of Mechanical, Huaihua Vocational and Technical College, Huaihua 418000, China;2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Loudi vocational technical college, Loudi 417000, China)

As the tillage depth uniformity is an important measure in the process of tractor’s work, a control method of tractor’s electronic hydraulic hitch system with tillage depth uniformity is proposed. Firstly, the system structure and depth control principle are introduced. Secondly, a physical model of the system is established, and the relationship between the lifting arm angle and tillage depth is analyzed, thereby lifting arm angle is used to indirectly measure actual depth value. PID control algorithm for the system of the depth control process is simulated and analyzed. The tillage depth value is set as an input, actual depth value is negative feedback, and the correction of actual deviation with the set value of deep tillage is implemented online. Finally, the field testverifies the 156mm and 200mm depth value of the deep tillage control process, and proves the feasibility of the control method. The results show that the proposed control method can ensure uniformity of the process of cultivating deep tillage, and also reduce the intensity of the driver's operation.

tractor; electronic-control hydraulic hitch system; tillage depth uniformity; PID control

2016-06-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51175173)；湖南省農(nóng)業(yè)機(jī)械管理局企業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目(2014-3)

宋 玲(1982-)，女，湖南懷化人，講師，碩士，(E-mail)sling82@126.com。

S219.033；TH173

A

1003-188X(2017)08-0237-05