基于AMESim的旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)仿真分析與試驗(yàn)研究

吳帆， 蔣蘋， 胡文武， 金生， 陳庚

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410128)

旋耕機(jī)作為一種高效的耕整機(jī)具已成為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要部分，旋轉(zhuǎn)式犁耕機(jī)具有作業(yè)后土體破碎能力強(qiáng)、打破犁底層、提升土壤保水能力、平整地表等功能，同時(shí)還可以切碎深埋地表以下的根茬，方便后續(xù)播種作業(yè)，耕整作業(yè)后的土壤為作物發(fā)育生長(zhǎng)提供了良好的條件[1]。

自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)最早應(yīng)用于工業(yè)等領(lǐng)域，近些年隨著傳感器的精度不斷提高，自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)系統(tǒng)漸漸被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械底盤以及機(jī)具的調(diào)節(jié)[2-4]。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)大部分的拖拉機(jī)作業(yè)機(jī)具未裝備調(diào)平系統(tǒng)，耕整作業(yè)后的地表平整度不達(dá)標(biāo)，尤其是農(nóng)田中存在較多坑洼或斜坡時(shí)，拖拉機(jī)車體傾斜行進(jìn)，作業(yè)機(jī)具與拖拉機(jī)相對(duì)固定，傾斜作業(yè)造成耕整作業(yè)后的土地未達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的水平[5]。此外，為了保證旋耕機(jī)機(jī)具田間作業(yè)的實(shí)時(shí)平整性，通常采用手動(dòng)調(diào)整左右桿長(zhǎng)度來(lái)保證其平整性，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)甚至傷及性命。周浩等[6]基于姿態(tài)傳感器設(shè)計(jì)了一種旋耕機(jī)實(shí)時(shí)水平控制系統(tǒng)，根據(jù)拖拉機(jī)的橫滾角驅(qū)動(dòng)電磁閥來(lái)調(diào)節(jié)調(diào)平油缸的行程，以保證旋耕機(jī)在田間作業(yè)時(shí)水平。章鐵成等[7]設(shè)計(jì)了一種新型調(diào)平油缸活塞桿位置檢測(cè)傳感器，并采用比例換向閥來(lái)控制調(diào)平油缸的行程，從而控制機(jī)具作業(yè)時(shí)保持水平。但是，對(duì)于當(dāng)前因田間路面連續(xù)不平整時(shí)電磁閥需頻繁調(diào)節(jié)而造成閥芯損壞，調(diào)平響應(yīng)速度、精度相對(duì)不理想，比例閥價(jià)格較高不利于大規(guī)模應(yīng)用等問題的研究相對(duì)較少。

AMESim平臺(tái)可分析常規(guī)PID與模糊PID兩種控制方法對(duì)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平響應(yīng)時(shí)間以及調(diào)平精度的變化規(guī)律[8-12]?；诖?，本研究設(shè)計(jì)了一種機(jī)具自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，通過田間作業(yè)對(duì)比有、無(wú)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)作業(yè)后土地的耕深穩(wěn)定性與平整性，分析了作業(yè)過程中采集的實(shí)時(shí)傾角變化規(guī)律，驗(yàn)證了仿真控制方法的可行性以及作業(yè)效果，提高了調(diào)平控制精度、調(diào)平響應(yīng)時(shí)間。該研究結(jié)果為農(nóng)業(yè)機(jī)具調(diào)平控制提供了重要依據(jù)，能夠有效縮短控制響應(yīng)時(shí)間，提升調(diào)平響應(yīng)速度，解決比例閥的價(jià)格相對(duì)較高、頻繁往復(fù)調(diào)整容易損壞閥芯等問題。

1 材料與方法

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)與原理

旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)為分置式液壓系統(tǒng)，主要包括齒輪泵、溢流閥、閥塊、電磁閥、調(diào)平油缸、舉升油缸、轉(zhuǎn)向油缸、液壓轉(zhuǎn)向機(jī)、油箱，通過油管互相連通，分別置于拖拉機(jī)上。調(diào)平結(jié)構(gòu)采用三點(diǎn)懸掛執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傾角傳感器安裝在上旋耕機(jī)的水平面上，通過傳輸線和控制器連接。旋耕機(jī)通過柱銷調(diào)懸掛在懸臂拉桿一端，連接桿另一端固定在拖拉機(jī)尾部，調(diào)平油缸替代其中一個(gè)調(diào)平支撐桿，旋耕機(jī)具通過油缸伸縮實(shí)現(xiàn)其上下擺動(dòng)。主要部件分布位置以及車體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注：1—油箱；2—齒輪泵；3—電磁閥與閥塊；4—電機(jī)；5—主控制器；6—電機(jī)控制器；7—全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)；8—舉升油缸；9—位移傳感器；10—調(diào)平油缸；11—懸臂拉桿；12—傾角傳感器；13—機(jī)具。Note: 1—Oil tank; 2—Gear pump; 3—Solenoid valve and valve block; 4—Motor; 5—Main controller; 6—Motor controller; 7—Full hydraulic steering gear; 8—Lifting oil cylinder; 9—Displacement sensor; 10—Leveling oil cylinder; 11—Cantilever rod; 12—Inclination sensor; 13—Implement.圖1 整機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic of the whole machine

旋耕機(jī)具具有自動(dòng)調(diào)平[13-14]功能，在田間作業(yè)時(shí)，旋耕機(jī)具上的傾角傳感器實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)到控制器，若角度超出預(yù)先設(shè)定的范圍，控制器將發(fā)送命令給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)其命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度調(diào)整液壓轉(zhuǎn)向機(jī)的進(jìn)出油量來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸的伸縮對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度，從而調(diào)節(jié)旋耕機(jī)具與地面的角度。位移傳感器實(shí)時(shí)采集油缸伸出或縮短長(zhǎng)度反饋給控制器，控制器根據(jù)其數(shù)據(jù)及結(jié)構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)化為角度值(實(shí)際值)，判斷實(shí)際值與目標(biāo)值的誤差，再根據(jù)其誤差繼續(xù)控制旋耕機(jī)具，達(dá)到對(duì)機(jī)具的閉環(huán)控制，保持機(jī)具處于預(yù)設(shè)值。

圖2 簡(jiǎn)化調(diào)平結(jié)構(gòu)Fig.2 Flattening structure simplified

作業(yè)機(jī)具調(diào)平簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)原理如圖2所示，調(diào)平支撐臂固定，調(diào)平油缸伸縮運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)旋耕機(jī)調(diào)節(jié)相對(duì)于田地的角度。其中，A、C為調(diào)平支撐臂的固定點(diǎn)，B、D為調(diào)平油缸化簡(jiǎn)的搖塊，CD1為調(diào)平油缸縮短，CD2為調(diào)平油缸伸長(zhǎng)；θ為旋耕機(jī)具相對(duì)田地的傾角；L1為調(diào)平油缸縮短后長(zhǎng)度，L2為調(diào)平油缸伸長(zhǎng)后長(zhǎng)度。調(diào)平油缸伸縮量L0(mm)與旋耕機(jī)相對(duì)田地的傾斜角度θ(°)的關(guān)系如下。

(1)

式中,θ為∠D1CD,∠D2CD；CD為兩端固定點(diǎn)的長(zhǎng)度；L為初始位置調(diào)平油缸行程；L0為調(diào)平油缸伸長(zhǎng)或縮短長(zhǎng)度。

1.2 自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.2.1液壓系統(tǒng) 農(nóng)業(yè)機(jī)具自動(dòng)調(diào)平液壓系統(tǒng)由齒輪泵、溢流閥、電機(jī)、調(diào)平模塊、舉升模塊、轉(zhuǎn)向模塊、PTO模塊等組成，如圖3所示。通過對(duì)液壓系統(tǒng)各部分計(jì)算，本系統(tǒng)工作壓力為16 MPa。由一個(gè)三位四通電磁閥作為總開關(guān)，配合電機(jī)、液壓轉(zhuǎn)向器[15]及調(diào)平油缸作為調(diào)平油路，一個(gè)電動(dòng)推桿控制手動(dòng)舉升閥作為舉升油路，三位四通電磁閥控制一個(gè)30 mm行程的小油缸作為PTO控制模塊，三位四通電磁閥控制SJ-JZXG轉(zhuǎn)向油缸作為轉(zhuǎn)向油路，并通過小型液壓站單獨(dú)供油，保證其不受其他油路干擾，使拖拉機(jī)能夠正常行駛、轉(zhuǎn)向。

圖3 液壓系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic system

1.2.2調(diào)平系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)主要包括自主研制的主控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)板、六軸傾角傳感器等，如圖4所示。其中主控制器的主控芯片為宏晶科技公司的STC8A8K64S4A12，擴(kuò)展了16通道的開關(guān)量控制、8通道的A/D和D/A功能、無(wú)線通信以及232、485通信功能；電機(jī)控制板的主控芯片與主控制器相同，并擴(kuò)展了8通道的PWM控制與232、485通信功能；傾角傳感器的主控芯片為宏晶科技公司的STC15W4K48S4，傾角芯片為WT901C，擴(kuò)展了485通信功能。傾角傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板使用RS485串口與主控制器通信，波特率115 200 kps。

圖4 調(diào)平控制系統(tǒng)Fig.4 Leveling control system

1.2.3調(diào)平系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)預(yù)設(shè)作業(yè)機(jī)具水平角度為零，使用傾角傳感器檢測(cè)機(jī)具實(shí)時(shí)角度，以位移傳感器轉(zhuǎn)化后角度作為反饋信號(hào)，通過模糊PID算法控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)全液壓轉(zhuǎn)向器的進(jìn)出油量，從而調(diào)整油缸的行程，達(dá)到機(jī)具水平的目的，其閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 閉環(huán)控制系統(tǒng)Fig.5 Closed loop control system

由于車身與機(jī)具懸掛結(jié)構(gòu)有較小擺動(dòng)，因此，當(dāng)機(jī)具傾角在±0.75 °以內(nèi)，不對(duì)機(jī)具進(jìn)行調(diào)平；當(dāng)機(jī)具傾角超出±0.75 °時(shí)，對(duì)機(jī)具進(jìn)行調(diào)平。

1.2.4模糊PID控制器設(shè)計(jì) 模糊控制器采用雙輸入三輸出的形式，通過傾角傳感器的角度偏差e和偏差變化率ec為模糊參數(shù)輸入，kp、ki、kd為控制器的輸出。在輸入語(yǔ)言變量的論域內(nèi)分別用{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}表示，即{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}。系統(tǒng)輸入誤差e和誤差變化率ec和輸出的kp、ki、kd大小都量化為7個(gè)等級(jí)，論域?yàn)閧-3,-2,1,0,1,2,3}，采用三角形隸屬度函數(shù)。模糊PID控制器原理如圖6所示。

圖6 模糊PID控制器原理Fig.6 Fuzzy PID controller schematic

(2)

式中,u(k)為系統(tǒng)輸出；e(k)為系統(tǒng)輸入偏差信號(hào)；kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td為微分時(shí)間常數(shù)。

PID控制算法的三個(gè)重要系數(shù)分別是比例系數(shù)(kp)、積分作用系數(shù)(ki)、微分作用系數(shù)(kd)。kp越大，系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，精度越高，但是容易產(chǎn)生超調(diào)。kp越小，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，精度越低，調(diào)節(jié)時(shí)間越長(zhǎng)。ki能夠消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，ki越大，誤差消除越迅速，但ki過大，由于系統(tǒng)響應(yīng)開始時(shí)出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，易引起系統(tǒng)超調(diào)，若ki過小，靜態(tài)誤差無(wú)法消除。kd能夠提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，在響應(yīng)過程中能抑制偏差增大。根據(jù)PID控制參數(shù)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)如表1所示的模糊控制規(guī)則表[12,16]。

參數(shù)的控制規(guī)則表建好后，根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型，應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)的模糊矩陣表，查出修正參數(shù)，并代入下式即可得出kp、ki、kd的值。其在線自校正工作流程如圖7所示。

圖7 在線自校正工作流程Fig.7 Online self-correction work flow

kp(k)=kp(k-1)+{ep,ecp}

(3)

ki(k)=ki(k-1)+{ei,eci}

(4)

kd(k)=kd(k-1)+{ed,ecd}

(5)

式中， {ei,eci}p、{ei,eci}i、{ei,eci}d是經(jīng)模糊推理后的參數(shù)校正量。

1.3 AMEsim仿真

1.3.1硬件設(shè)計(jì) 如圖8所示，在AMEsim軟件中選擇元件庫(kù)中相應(yīng)功能的構(gòu)件連接，按照步驟構(gòu)建調(diào)平系統(tǒng)仿真模型[17-18]。

注：1—液壓泵；2—電機(jī)；3—溢流閥；4—信號(hào)源；5—溢流塊；6—位移信號(hào)；7—溢流或轉(zhuǎn)向選擇塊；8—供油塊；9—轉(zhuǎn)向塊；10—模擬定量轉(zhuǎn)子泵；11—位移傳感器；12—調(diào)平油缸；13—質(zhì)量塊；14—彈簧減震器；15—模糊pid模塊。Note: 1—Hydraulic pump; 2—Motor; 3—Overflow valve; 4—Signal source; 5—Overflow block; 6—Displacement signal; 7—Overflow or steering selection block; 8—Oil supply block; 9—Steering block; 10—Analog quantitative rotor pump; 11—Displacement sensor; 12—Leveling oil cylinder; 13—Mass block; 14—Spring damper; 15—Fuzzy PID module.圖8 AMESim仿真模型Fig.8 AMESim simulation model

表1 PID模糊參數(shù)控制規(guī)則Table 1 PID parameter fuzzy control rule

1.3.2仿真模型的參數(shù)設(shè)置 在參數(shù)設(shè)置模式下，依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)：液壓泵1的轉(zhuǎn)速2 000 r·min-1，排量6.3 cc·r-1；電機(jī)2額定轉(zhuǎn)速2 400r·min-1；溢流閥3的溢流壓力180 bar，閥門額定電流400 mA；信號(hào)源4為1階段，起始到結(jié)束都為400；調(diào)平油缸12行程s=100 mm，活塞的初始位移為50 mm處，活塞直徑d=25 mm，活塞桿直徑d=12 mm；質(zhì)量塊13的質(zhì)量為150 kg，上位移限制50 mm，下位移限制50 mm；模擬閥塊的孔徑為2.5 mm，液壓轉(zhuǎn)向機(jī)在中間位置時(shí)，向左右各旋轉(zhuǎn)2.5圈時(shí)，達(dá)到極限位置，即打1圈時(shí)對(duì)應(yīng)桿移動(dòng)1 mm；通過試湊法，確定PID控制參數(shù)為kp=1.2、ki=0.03、kd=0.01，初始模糊PID控制參數(shù)為kp=0.9、ki=0.01、kd=0.02。

1.3.3精度分析 預(yù)設(shè)液壓缸初始位置50 mm處，將其調(diào)至到75 mm處，對(duì)常規(guī)PID與模糊PID兩種控制方法進(jìn)行仿真。將75 mA的階躍信號(hào)分別輸入控制系統(tǒng)，仿真時(shí)間設(shè)置為5 s，測(cè)定其油缸行程變化。為了分析兩種控制方法需要連續(xù)調(diào)節(jié)下的性能，在其達(dá)到穩(wěn)定的狀況下(1 s內(nèi))，輸入40 mA的階躍信號(hào)進(jìn)行仿真。

1.4 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2019年9月20日在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)耘園實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行，田地為未經(jīng)平整處理的南方煙田，長(zhǎng)50 m，寬20 m。試驗(yàn)車輛為1GDZ-150型履帶式拖拉機(jī)，試驗(yàn)機(jī)具旋耕機(jī)整機(jī)質(zhì)量為300 kg，試驗(yàn)平均作業(yè)速度為0.45 m·s-1。采用兩臺(tái)自主研制水平度傳感器(模塊為WT901C)檢測(cè)車身和旋耕機(jī)具的傾斜角度，其靜態(tài)測(cè)量平均值誤差在±0.01°左右，開啟旋耕刀有一定振蕩后，最大誤差不超過0.3°。通過自制遙控器(無(wú)線模塊為RFM96)與自制控制器進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)遙控直線行走、轉(zhuǎn)向、旋耕機(jī)整體舉升等操作，便于田間試驗(yàn)。此外，還有激光測(cè)距儀、水平尺、卷尺、秒表、電腦等設(shè)備或工具。

田間作業(yè)分為6個(gè)行程，其中行程1～3為無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)(行程3為遙控手動(dòng)調(diào)平控制)，行程4～6為有自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)(模糊PID算法)，分別采集每個(gè)行程20 m作業(yè)過程中的實(shí)時(shí)車身傾角和機(jī)具傾角數(shù)據(jù)。沿著拖拉機(jī)作業(yè)行進(jìn)方向，每隔2 m，在其左、中、右三點(diǎn)各用耕深尺測(cè)量每處的耕深，每個(gè)行程測(cè)量10組。沿著拖拉機(jī)作業(yè)垂直方向，在地表最高點(diǎn)上選擇一點(diǎn)做水平基準(zhǔn)線，在基準(zhǔn)線上取機(jī)具耕寬長(zhǎng)度，均分為10分，測(cè)出各等分點(diǎn)至地表距離，每個(gè)行程測(cè)定一點(diǎn)。

以機(jī)具作業(yè)后耕深穩(wěn)定性(≥85%)以及地表平整度(≤5 cm)2個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)和無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的旋耕機(jī)田間作業(yè)效果[19-20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 AMESim仿真分析

2.1.1響應(yīng)時(shí)間與精度分析 調(diào)平油缸作用在機(jī)具上的位移情況如圖9所示。可以看出，初始時(shí)間下兩種控制方法的調(diào)平油缸沒有位移，在0.19 s時(shí)，調(diào)平油缸才開始動(dòng)作，說(shuō)明系統(tǒng)各個(gè)連接處建壓都有過程，轉(zhuǎn)向器開啟需要時(shí)間以及轉(zhuǎn)向器存在死區(qū)，最終反映到調(diào)平油缸上。常規(guī)PID算法超調(diào)量較為明顯，調(diào)平時(shí)間超過2 s，有一定振蕩和滯后性，而模糊PID算法響應(yīng)迅速、精度高，基本不超調(diào)，調(diào)平時(shí)間相比也縮短了1 s，系統(tǒng)性能有一定提升。

圖9 油缸位移Fig.9 Cylinder displacement

2.1.2連續(xù)響應(yīng)時(shí)間與精度分析 從圖10可以看出，常規(guī)PID算法超調(diào)非常明顯，且連續(xù)調(diào)平穩(wěn)定時(shí)間超過2 s，整體調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)不到系統(tǒng)所需要求，而模糊PID算法響應(yīng)時(shí)間為1 s左右，基本不超調(diào)，到達(dá)目標(biāo)時(shí)間、且穩(wěn)定時(shí)間明顯更短。因此，模糊PID控制的連續(xù)調(diào)節(jié)性能明顯優(yōu)于PID控制算法。

圖10 油缸位移Fig.10 Cylinder displacement

仿真結(jié)果表明，本研究中模糊PID算法的油缸行程控制精度在±2.5 mm以內(nèi)，即傾角為 ±1.6° 以內(nèi)，可以達(dá)到旋耕機(jī)具連續(xù)調(diào)平的實(shí)時(shí)性與控制精度的要求。該算法超調(diào)量小、響應(yīng)迅速、精度高、連續(xù)調(diào)節(jié)性能高，明顯優(yōu)于常規(guī)PID算法。

2.2 機(jī)具作業(yè)效果分析

機(jī)具在田間作業(yè)后，分別采集行程1～3與4～6的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)耕深、平整度及傾角變化進(jìn)行比較分析。

2.2.1耕深 通過分析(表4)可知，無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的左、中、右耕深相差較大，高度差最大為9.4 cm，耕深平均值相比自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的耕深平均值要小，均方根誤差≤4.71 cm。而自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的左、中、右耕深相差小，高度差最大為2.3 cm，均方根誤差≤0.96 cm，且平均耕深穩(wěn)定性系數(shù)為94.7%，相比無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的平均耕深穩(wěn)定性系數(shù)81%要高13.7%，說(shuō)明自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)能有效的提高耕深穩(wěn)定性。

表4 耕深分析Table 4 Analysis of tillage depth

2.2.2平整度 通過表5數(shù)據(jù)比較可知，無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)在作業(yè)之后，各等分點(diǎn)至地表距離最大相差26 cm，均方根誤差≤8.42 cm，平整度≤2.8 cm。而自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)作業(yè)之后的各等分點(diǎn)至地表距離最大相差11 cm，均方根誤差≤3.24 cm，平整度≤1.08 cm。由此可得，裝有自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的拖拉機(jī)作業(yè)結(jié)果優(yōu)于無(wú)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。

表5 平整度分析Table 5 Analysis of flatness

2.2.3傾角變化規(guī)律 田間作業(yè)過程中，分別采集了6個(gè)行程的車體與作業(yè)機(jī)具傾角實(shí)時(shí)變化數(shù)據(jù)，其中4個(gè)行程的傾角數(shù)據(jù)如圖11所示。通過比較圖中曲線可知，無(wú)調(diào)平控制模式下，車體傾角與作業(yè)機(jī)具傾角變化規(guī)律大致相同，車體傾斜角度較大時(shí)，機(jī)具傾角角度也隨之變大。遙控手動(dòng)調(diào)平控制模式下，對(duì)人工操作與視野范圍要求較高，難以有效地實(shí)時(shí)控制機(jī)具傾斜角度。自動(dòng)調(diào)平控制模式下，作業(yè)機(jī)具的傾斜角度變化范圍基本處于-1～1°，其誤差均方根分別為0.53°、0.73°、0.75°。因此，裝有自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的拖拉機(jī)田間作業(yè)質(zhì)量明顯好于無(wú)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)。相比仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，油缸行程的控制精度在±2.5 mm以內(nèi)，即傾角為±1.6°以內(nèi)，田間試驗(yàn)結(jié)果基本與其相符。

圖11 實(shí)時(shí)傾角數(shù)據(jù)變化Fig.11 Real-time dip data change

3 討論

目前我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)具無(wú)自動(dòng)調(diào)平功能或絕大數(shù)采用比例閥或換向閥控制油缸的方式，但存在比例閥成本相對(duì)較高，頻繁地調(diào)節(jié)電磁閥易造成閥芯損壞，控制策略的響應(yīng)速度、響應(yīng)精度不高等問題。本研究采用電機(jī)控制全液壓轉(zhuǎn)向機(jī)調(diào)節(jié)油缸的方法，可在短時(shí)間內(nèi)頻繁調(diào)節(jié)油缸的伸縮量，避免了閥芯損壞這一問題，且降低了材料成本。

模糊PID算法的優(yōu)劣關(guān)鍵在于其參數(shù)的自整定，旋耕機(jī)具調(diào)平系統(tǒng)調(diào)平過程比較繁瑣，具有非線性、滯后性與時(shí)變性的特性，因此難以構(gòu)建準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型對(duì)其系統(tǒng)進(jìn)行控制。所以，通過基于模糊集合論、模糊邏輯推理與模糊語(yǔ)言變量的控制方法進(jìn)行PID參數(shù)在線自整定，以滿足不同誤差與誤差變化率對(duì)控制參數(shù)不同的要求，使控制器有良好的自適應(yīng)性，同時(shí)計(jì)算量較小，單片機(jī)便于實(shí)現(xiàn)[16,21-23]。本研究通過AMESim軟件分別研究了常規(guī)PID與模糊PID的響應(yīng)時(shí)間與精度、連續(xù)響應(yīng)時(shí)間與精度，得出模糊PID算法超調(diào)量小、響應(yīng)迅速、精度高、連續(xù)調(diào)節(jié)性能高，能夠達(dá)到旋耕機(jī)具連續(xù)調(diào)平的實(shí)時(shí)性與控制精度的要求，為實(shí)際生產(chǎn)中提供了一定依據(jù)。

田間作業(yè)中，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的左、中、右耕深相差小，高度差最大為2.3 cm，其耕深平均值相比無(wú)自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)的耕深平均值要大，且平均耕深穩(wěn)定性系數(shù)為94.7%。自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)作業(yè)之后的各等分點(diǎn)至地表距離最大相差11 cm，平整度≤1.08 cm。通過AMESim仿真與田間試驗(yàn)驗(yàn)證，滿足旋耕機(jī)械作業(yè)效果的要求[19]。因此，本研究設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平是可行的。

田間作業(yè)中環(huán)境影響因素較多，土壤堅(jiān)實(shí)度不同對(duì)反饋回旋耕機(jī)的力也不同，后續(xù)有待進(jìn)一步根據(jù)反饋力的不同，調(diào)節(jié)相應(yīng)的土壤整體耕深，防止驅(qū)動(dòng)功率過大，保護(hù)電機(jī)控制器的使用壽命；進(jìn)一步提升調(diào)平響應(yīng)時(shí)間、調(diào)平精度；同時(shí)，雙調(diào)平油缸結(jié)構(gòu)在農(nóng)業(yè)機(jī)具調(diào)平中的應(yīng)用仍需進(jìn)一步研究。