基于AMESim的拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)建模與仿真

郝希陽 王玉林 徐統(tǒng)偉 李志明 張健 耿超

摘要： 針對(duì)中小型拖拉機(jī)耕深控制系統(tǒng)精度較低的問題，本文設(shè)計(jì)了一種新型拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)。以AMESim軟件為平臺(tái)，搭建拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)的仿真模型，通過Adams建模仿真軟件建立1L225型犁具懸掛模型，并進(jìn)行特性分析，得到犁鏵耕深與液壓缸位移的變化曲線、犁鏵水平受力與力傳感器受力和液壓缸受力的變化曲線，在土壤擾動(dòng)工況下進(jìn)行模擬仿真。仿真結(jié)果表明，在土壤不平度的擾動(dòng)下，該懸掛系統(tǒng)的耕深誤差在17%以內(nèi)。該設(shè)計(jì)提高了拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)耕深控制的精度，滿足拖拉機(jī)犁耕作業(yè)的實(shí)際要求。

關(guān)鍵詞： 拖拉機(jī)； 電控液壓懸掛系統(tǒng)； AMESim； Adams； 模型； 仿真

中圖分類號(hào)： S 219.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

收稿日期： 20170612； 修回日期： 20170904

作者簡(jiǎn)介： 郝希陽（1992），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橐簤号c電控。

通訊作者： 王玉林（1964），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)檐囕v液壓與電控。Email： wangyuln@163.com在拖拉機(jī)后置懸掛機(jī)組中，耕深控制裝置使犁鏵上升和下降，從而控制犁鏵迅速達(dá)到耕深要求，合理進(jìn)行田間作業(yè)，是最重要的裝置之一。目前，國(guó)內(nèi)拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)多為機(jī)械式，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，調(diào)節(jié)性能受彈性元件遲滯、摩擦和桿件脹縮的影響。進(jìn)入21世紀(jì)，拖拉機(jī)向著智能化、自動(dòng)化、高效性和舒適性等方面發(fā)展，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已不再適用[13]。近年來，計(jì)算機(jī)、傳感器等新興科技行業(yè)取得了巨大的發(fā)展，其信號(hào)傳遞準(zhǔn)確、快捷、可靠和易于實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動(dòng)控制的特點(diǎn)使拖拉機(jī)的工作性能得到較大提升[4]。國(guó)外對(duì)電控液壓懸掛系統(tǒng)的研究起步較早，德國(guó)博世公司投入巨大成本，著力研發(fā)電液控制提升器，并廣泛應(yīng)用在戴姆勒奔馳、道依茨、麥賽福格森等公司生產(chǎn)的大中型拖拉機(jī)上。福格森公司也開發(fā)了3000系列大型農(nóng)用拖拉機(jī)，研發(fā)了配置在該拖拉機(jī)上的閉環(huán)控制系統(tǒng)，對(duì)耕深進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)[56]。目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)也作了一些研究，謝斌等人[7]提出了利用傾角傳感器檢測(cè)提升臂的水平傾角變化，得到犁具實(shí)際耕深的方法；宋玲等人[8]采用比例積分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法對(duì)懸掛系統(tǒng)的耕深控制過程進(jìn)行了仿真分析，保證耕作過程中耕深的均勻性；袁越陽等人[911]設(shè)計(jì)了基于控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線的拖拉機(jī)電控液壓懸掛電子控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了通過CAN網(wǎng)絡(luò)對(duì)拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)的操作，以及對(duì)其工作狀態(tài)的監(jiān)測(cè)與調(diào)控?；诖?，本文以IL225型拖拉機(jī)懸掛機(jī)組為例，提出一種適用于中小型拖拉機(jī)懸掛耕深控制的牽引力傳感機(jī)構(gòu)，開發(fā)用于耕深控制的電控液壓整體閥塊，并通過AMESim仿真軟件，分析了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)性能[12]。仿真結(jié)果表明，該新型電控液壓懸掛系統(tǒng)的耕深精度有了較大的提高，保證了農(nóng)業(yè)耕作可以合理高效地進(jìn)行。該研究具有廣闊的應(yīng)用前景。

1電控液壓懸掛系統(tǒng)方案

拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)原理圖如圖1所示，拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)主要包括液壓和懸掛兩部分。液壓部分包括油箱、定量泵、流量閥、上升主閥、單向閥、下降主閥、溢流閥和控制單元；懸掛部分包括提升臂、上拉桿、立柱、角度傳感器和角度傳感器。在上拉桿上安裝力傳感機(jī)構(gòu)，將上拉桿上的力傳給齒扇和齒輪放大機(jī)構(gòu)，從而將位移量轉(zhuǎn)換為便于用角度傳感器測(cè)量的角度量，這樣上拉桿所受的力可以間接地通過測(cè)量角度量獲得[13]。圖1中，虛線表示液壓部分的控制回路。溢流閥的作用是防止A口即工作口過載，保證其壓力在系統(tǒng)的承受范圍內(nèi)。A口為系統(tǒng)的工作油口，設(shè)計(jì)A口的額定壓力為20 MPa，當(dāng)A口工作壓力突然增大超過20 MPa時(shí)，通過溢流閥卸油，整個(gè)系統(tǒng)由定量泵供油。

圖1液壓懸掛系統(tǒng)原理圖2PID控制液壓懸掛系統(tǒng)建模以軟件AMESim為平臺(tái)，建立電控液壓懸掛系統(tǒng)模型，閉環(huán)系統(tǒng)PID控制仿真模型如圖2所示。其中，C是控制量，Vd是下降主閥，Vu是上升主閥。在閉環(huán)系統(tǒng)PID控制仿真模型中，犁鏵實(shí)耕深h受兩個(gè)參數(shù)的影響[1415]。第一個(gè)參數(shù)是犁鏵耕深h0。液壓缸安裝于拖拉機(jī)懸掛機(jī)組的提升臂上，提升臂控制犁鏵的上升和下降，所以當(dāng)各元件安裝位置固定后，犁具的耕深h0與液壓缸位移L存在表達(dá)關(guān)系h0（L），因此可以根據(jù)液壓缸活塞桿的位移信號(hào)L反映耕深h0；第2個(gè)參數(shù)是地面不平度引起的的擾動(dòng)量hd。擾動(dòng)量表示為拖拉機(jī)行程x的函數(shù)關(guān)系hd（x），本文采用了GB/T10910—2004的推薦值[16]。以上兩個(gè)參數(shù)的共同作用，得到犁鏵的實(shí)際耕深h[1718]。

犁鏵實(shí)際耕深h與增益k1作用后，得到犁鏵的實(shí)際受力，拖拉機(jī)實(shí)際犁耕時(shí)，耕深不同，犁鏵受力不同。其中，犁鏵水平受力Fx與傳感器受力Fs存在表達(dá)關(guān)系Fs（Fx），犁鏵水平受力Fx與液壓缸受力Fc存在表達(dá)關(guān)系Fc（Fx）（如圖2所示）。F0為設(shè)定耕深處的傳感器受力預(yù)設(shè)值，控制系統(tǒng)將傳感器實(shí)際受力Fs和預(yù)設(shè)值F0相比較后，輸出二者的差值，并定義為響應(yīng)函數(shù)，差值經(jīng)過PID比例調(diào)節(jié)控制保持在合適的數(shù)值，最終輸出兩種控制信號(hào)分別控制上升主閥Vu和下降主閥Vd。Vu和Vd不斷開啟和斷開的過程即是犁鏵不斷上升和下降的過程。

在耕深調(diào)節(jié)過程中，由于PID控制模塊不斷接受來自上拉桿傳感器的力信號(hào)，因此，即使在操作員不對(duì)預(yù)設(shè)耕深進(jìn)行改變的情況下，系統(tǒng)也會(huì)根據(jù)阻力（犁鏵受力）信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)設(shè)耕深的調(diào)整。

3仿真與分析

3.1參數(shù)設(shè)置

根據(jù)系統(tǒng)中元件的實(shí)際情況，對(duì)元件結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。本文選取了型號(hào)為東方紅400的拖拉機(jī)和型號(hào)為1L225的懸掛犁。設(shè)置拖拉機(jī)耕作前進(jìn)速度為1 m/s，由于選取不平整路面的長(zhǎng)度為100 m，因此，設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為100 s。

，最小波谷值為-58 mm。

當(dāng)擾動(dòng)值相對(duì)于水平基線的坐標(biāo)升高量為正值時(shí)，拖拉機(jī)耕深變淺，犁鏵受力減小，下降系統(tǒng)開始工作；當(dāng)擾動(dòng)值相對(duì)于水平基線的坐標(biāo)升高量為負(fù)值時(shí)，拖拉機(jī)耕深加大，犁鏵受力增大，上升系統(tǒng)開始工作。系統(tǒng)的力傳感器感應(yīng)犁鏵受力變化，通過力反饋控制，控制耕深在300 mm附近上下波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)耕深的穩(wěn)定性。

3.3懸掛機(jī)構(gòu)特性分析

懸掛機(jī)構(gòu)特性分析主要包括：確定犁鏵耕深h0與液壓缸位移L的函數(shù)關(guān)系h0（L）；犁鏵水平受力Fx與力傳感器受力Fs的函數(shù)關(guān)系Fs（Fx）；犁鏵水平受力Fx與液壓缸受力Fc的函數(shù)關(guān)系Fc（Fx）。本研究借助Adams建模仿真軟件，建立1L225型犁具及懸掛模型，通過模擬仿真確定以上3個(gè)函數(shù)關(guān)系。

由簡(jiǎn)易經(jīng)驗(yàn)公式，得牽引阻力為

P=kab（1）表2土壤的犁耕比阻k值

土壤類型k/（N·cm-2）土壤類型k/（N·cm-2）輕質(zhì)土2～3粘土6～8一般土壤4～5重粘土9～12式中，a為耕深；b為耕寬；k為耕作比阻。

通常情況下，土壤的犁耕比阻k值如表2所示。在實(shí)際耕作過程中，k受多種因素的影響，因此只有在各種因素的作用較為均衡的條件下，k值才較為準(zhǔn)確。

現(xiàn)選取一般土壤，k=5 N/cm2，耕深300 mm，耕寬500 mm，得牽引阻力P=7 500 N，牽引阻力是耕深和增益作用的結(jié)果，因此，耕深增益k1=25/N。1L225型懸掛農(nóng)機(jī)具的Adams簡(jiǎn)化模型如圖4所示。

在犁鏵受力點(diǎn)設(shè)置水平向右的牽引力SFORCE_1=25h（N），其中h為實(shí)際耕深；設(shè)置豎直向下的阻力SFORCE_2=25×h×023（N），設(shè)置豎直向下的犁鏵自身重力SFORCE_3=1 250 N。

在液壓缸移動(dòng)副處施加驅(qū)動(dòng)，運(yùn)行仿真6 s，得到耕深h0與液壓缸位移L隨時(shí)間變化曲線如圖5所示。由圖5可以看出，犁鏵的耕深h0與液壓缸位移L變化呈線性關(guān)系h0（L）。

犁鏵水平受力Fx與上拉桿力傳感器的受力Fs變化曲線如圖6所示，犁鏵水平受力Fx與力傳感器受力Fs呈線性比例比例增加，一定范圍內(nèi)，當(dāng)拖拉機(jī)耕深加大時(shí)，拖拉機(jī)犁鏵水平受力Fx隨之增加，傳感器受力Fs先減小后增加。由圖6可以看出，犁鏵水平受力Fx與力傳感器受力Fs之間存在線性變化的函數(shù)關(guān)系Fs（Fx）。

犁鏵水平受力Fx與液壓缸受力Fc隨時(shí)間變化曲線如圖7所示，液壓缸受力Fc與犁鏵水平受力Fx呈非線性，隨著犁鏵水平受力的逐漸增加，液壓缸受力先增大后減小。由圖7可以看出，犁液壓缸受力Fc與犁鏵水平受力Fx之間存在線性變化的函數(shù)關(guān)系Fc（Fx）。

3.4仿真結(jié)果

閉環(huán)系統(tǒng)PID控制仿真模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置[1920]：kp=08，ki=5，kd=0。啟動(dòng)閉環(huán)系統(tǒng)PID控制仿真模型，在土壤擾動(dòng)量hd作用下，犁鏵實(shí)際耕深變化與土壤擾動(dòng)量關(guān)系如圖8所示，設(shè)定犁鏵實(shí)際耕深h，其在300 mm的耕深處上下波動(dòng)。在不考慮土壤硬度變化、傳感器誤差等因素影響下，施加土壤擾動(dòng)hd后，拖拉機(jī)懸掛電控液壓系統(tǒng)控制懸掛機(jī)組實(shí)時(shí)動(dòng)作，由圖8可以看出，與設(shè)定的耕深300 mm相比，耕深浮動(dòng)基本保持在295～305 mm之間，誤差17%，滿足系統(tǒng)工況要求。

4結(jié)束語

本文借助AMESim仿真建模平臺(tái)，對(duì)設(shè)計(jì)的新型電控液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行力反饋工況模擬，建立了PID控制液壓懸掛系統(tǒng)仿真模型，保證了系統(tǒng)會(huì)根據(jù)阻力（犁鏵受力）信號(hào)自動(dòng)進(jìn)行預(yù)設(shè)耕深的調(diào)整，然后利用Adams軟件對(duì)1L225型犁具懸掛模型進(jìn)行了仿真，分析得到犁鏵耕深h0與液壓缸位移L的變化曲線、犁鏵水平受力Fx與力傳感器受力Fs的變化曲線、犁鏵水平受力Fx與液壓缸受力Fc的變化曲線，并在土壤擾動(dòng)工況下進(jìn)行模擬仿真。結(jié)果表明，耕深誤差保持在17%以內(nèi)，滿足拖拉機(jī)犁耕作業(yè)的實(shí)際要求。

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