基于角度檢測的拖拉機懸掛耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)研究

夏俊芳 李 棟 劉國陽 程 健 鄭 侃 羅承銘

(1.華中農(nóng)業(yè)大學工學院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

耕作深度(耕深)及其穩(wěn)定性對土壤物理特性、作物生長具有重要影響[1]，長江中下游地區(qū)土壤多為黏土，因其土壤含水率大而造成收獲后地表平整度差、耕作時耕深穩(wěn)定性差[2]。傳統(tǒng)機械式耕深力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)及力位綜合調(diào)節(jié)等方式往往無法滿足田間作業(yè)要求，通常需要人工來控制耕深，不但勞動強度大，而且作業(yè)質(zhì)量得不到保證[3-4]。因此實時監(jiān)測耕深、獲取耕深變化數(shù)據(jù)、再進行精準調(diào)節(jié)是保證拖拉機耕深穩(wěn)定的關鍵[5-6]。

為了提高耕深穩(wěn)定性，研究人員對拖拉機三點懸掛高度調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)、滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)等進行了大量研究[7-9]。其中高度調(diào)節(jié)是在農(nóng)具一側或兩側安裝限深輪通過仿形調(diào)節(jié)耕作深度[10]，這種方式用于旱田耕作機具，但隨著土壤含水率的增加，限深輪粘土量和滑移增大，使耕深調(diào)節(jié)效果變差[11]。文獻[12]提出一種基于力傳感器和位移傳感器綜合控制耕深的耕深電液控制系統(tǒng)，位移傳感器反饋耕深，力傳感器反饋工作阻力，阻力控制系統(tǒng)用于維持作用在農(nóng)具上的阻力恒定，拖拉機發(fā)生傾仰時，入土農(nóng)具受到的阻力發(fā)生變化，當農(nóng)具阻力大于給定值時，便提升農(nóng)具、減小耕深，當農(nóng)具阻力小于給定值時便增加耕深。文獻[13]提出一種基于傾角傳感器的耕深測量方法，根據(jù)懸掛機構的幾何關系和傾角傳感器的輸出特性，得出耕深與測量電壓之間呈線性關系，并通過轉(zhuǎn)換獲得實際耕深。文獻[14]研究了拖拉機電控液壓懸掛系統(tǒng)自動控制方法，提出一種基于模糊控制的液壓懸掛系統(tǒng)耕深自動控制方法和綜合度系數(shù)的概念，設計了耕深模糊控制器。模糊控制規(guī)則是通過總結拖拉機駕駛員的實踐操作經(jīng)驗來制定，而這些操作經(jīng)驗則通過模糊控制規(guī)則表達出來，控制規(guī)則必須保證被控系統(tǒng)的動靜態(tài)性能達到最佳[15-17]。在實際作業(yè)中，因地表平整度差、拖拉機俯仰而造成的耕深變化對耕深穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，但未見相關研究報道。

本文提出一種基于提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機傾仰角度調(diào)節(jié)的拖拉機耕深監(jiān)測與控制方法，通過建立耕深控制模型、開發(fā)電液監(jiān)控系統(tǒng)、對耕深進行自動檢測、實時精準調(diào)節(jié)耕深來提高工作效率，降低因地表平整度差產(chǎn)生的干擾。采用PID控制策略并利用Simulink仿真分析該系統(tǒng)，并進行系統(tǒng)準確性試驗和田間旋耕試驗，以測試其作業(yè)性能。

1 耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)整體結構

基于角度檢測的懸掛耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)采用控制面板實現(xiàn)輸入和顯示耕深功能，系統(tǒng)執(zhí)行部分采用電磁比例換向閥。傳感器采集實時狀態(tài)信息，控制器接收拖拉機手的輸入指令和傳感器的反饋信息，經(jīng)過程序算法處理后輸出命令指令控制電磁比例換向閥，調(diào)整三點懸掛裝置升降，實現(xiàn)耕深監(jiān)測與控制?；诮嵌葯z測的懸掛耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)結構如圖1所示，其結構主要包括：控制器、控制面板、提升臂、角位移傳感器、傾角傳感器、同步帶傳動機構和電磁比例換向閥。

耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)工作原理為：將設定的耕深輸入耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)，耕深控制執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)目標信號轉(zhuǎn)動提升臂，帶動旋耕作業(yè)機到達設定耕深。提升臂轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，耕深自動檢測系統(tǒng)則反饋實時耕深給耕深電液控制系統(tǒng)，若拖拉機因地表平整度差產(chǎn)生傾仰，則反饋實時耕深的同時反饋由于車身傾仰產(chǎn)生的耕深誤差給耕深電液控制系統(tǒng)。控制器處理后，發(fā)送目標信號給執(zhí)行系統(tǒng)，液壓裝置中電磁比例換向閥閥口開關操控液壓油的流動，推動液壓缸活塞的運動，帶動提升臂轉(zhuǎn)動，控制三點懸掛機構提升或下降。循環(huán)執(zhí)行信號發(fā)送與接收，形成耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)。

2 耕深自動監(jiān)控系統(tǒng)設計

2.1 耕深自動檢測系統(tǒng)

耕深自動檢測系統(tǒng)主要以檢測懸掛裝置提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機車身俯仰角為目標，對懸掛裝置連接旋耕機作業(yè)時姿態(tài)進行分析，建立耕深與角度之間的幾何關系式，構建耕深檢測模型，利用角位移傳感器和傾角傳感器分別測量提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機車身俯仰角的變化來間接確定耕深。

2.1.1旋耕作業(yè)機組姿態(tài)分析

懸掛裝置連接旋耕機結構如圖2所示，其主要結構為提升臂、旋耕機、上拉桿和下拉桿等[18-19]。

拖拉機懸掛裝置連接旋耕機提升或下降以及車身發(fā)生傾仰時的運動規(guī)律如圖3所示，其中點A為拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點，點B為拖拉機后輪接觸地面點；點A2為拖拉機車身下傾姿態(tài)時下拉桿懸掛點，L1為下傾時實際高度；點A1為拖拉機車身上仰姿態(tài)時下拉桿懸掛點，L2為上仰時實際高度；r為提升臂轉(zhuǎn)動角。當提升臂轉(zhuǎn)動時，r變大，旋耕機耕深變小；r變小，旋耕機耕深變大；當拖拉機下傾，拖拉機后懸掛裝置抬升，下拉桿懸掛點A運動到點A2，此時實際高度L1變大，控制器為保證耕深穩(wěn)定，需減少后懸掛裝置的高度，降低下傾產(chǎn)生的高度影響；當拖拉機上仰，下拉桿懸掛點A運動到點A1，拖拉機后懸掛裝置變低，此時實際高度L2變小，控制器為保證耕深穩(wěn)定，需增加后懸掛裝置的高度，減弱上仰產(chǎn)生的高度影響。

2.1.2耕深檢測模型建立

將提升臂轉(zhuǎn)動角設定一個百分比行程，提升臂到達上極限位置標定為100%，到達下極限位置，標定為0%。選取旋耕機與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為H1，將提升臂從下極限位置提升至上極限位置。每隔10%記錄一次耕深，用線性關系擬合出數(shù)據(jù)趨勢線，得到如圖4所示的提升臂提升百分比與高度H1關系曲線圖。

由圖4可知，旋耕機與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1與提升臂提升百分比x的線性關系式為

H1=6.037 3x+343.77

(1)

拖拉機提升臂轉(zhuǎn)動的上極限位置轉(zhuǎn)動到下極限位置之間的角位移為70°，對應提升臂轉(zhuǎn)動角行程百分比為100%，故百分比變化1%，提升臂對應轉(zhuǎn)動0.7°。得到拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1與角r之間線性關系。

如圖5所示，當拖拉機發(fā)生傾仰時，后輪胎與地面接觸點B為基準點，點A轉(zhuǎn)動到點A1位置，此時角r未發(fā)生變化。監(jiān)測得到傾角q，耕深發(fā)生變化，點B到下拉桿懸掛點距離為1 100 mm，設拖拉機發(fā)生下傾時，角q為負；拖拉機發(fā)生上仰時，角q為正；將拖拉機傾仰角從0°轉(zhuǎn)動到-10°，再從0°轉(zhuǎn)動到10°；每轉(zhuǎn)動1°，記錄一次傾仰時高度變化值H2，得到如圖6所示的拖拉機傾仰角與高度變化值關系圖，將q轉(zhuǎn)換得到拖拉機發(fā)生傾仰時高度變化值H2

(2)

實際工況下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度L由H1和H2在不同耕深狀況經(jīng)運算得出。拖拉機懸掛旋耕機進行作業(yè)時，三點懸掛下拉桿懸掛點到旋耕機最底端的實際高度H、實際工況下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度L和耕深h關系式為

h=H-L

(3)

其中L=H1-H2

2.1.3耕深檢測系統(tǒng)設計

耕深自動檢測系統(tǒng)的耕深測量為間接方式，將角位移傳感器和傾角傳感器連接控制器安裝于拖拉機上。提升臂轉(zhuǎn)角處不易安裝角位移傳感器，因此采用同步帶傳動機構，連接傳感器與提升臂轉(zhuǎn)角，傳遞角位移變化值。若地面平整度良好，采用角位移傳感器，通過監(jiān)測懸掛裝置提升臂轉(zhuǎn)角的變化量得到耕深。傾角傳感器安裝位置在拖拉機底盤水平于地面處，拖拉機車身發(fā)生傾仰時，耕深發(fā)生變化，傾角傳感器測量拖拉機車身傾仰產(chǎn)生的水平夾角，將傾仰角變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量輸入至控制器?？刂破鹘邮战俏灰苽鞲衅骱蛢A角傳感器發(fā)出的反饋信號后，對電控液壓轉(zhuǎn)向閥進行調(diào)控，保持拖拉機耕深穩(wěn)定在設定值。

2.2 耕深電液控制系統(tǒng)

耕深電液控制系統(tǒng)作為耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)的控制機構，實現(xiàn)耕深的監(jiān)測和處理傳感器反饋的信號，保證拖拉機在地表平整度差時耕深穩(wěn)定，系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其硬件結構基本框架圖如圖7所示[20-24]。

為實現(xiàn)耕深電液控制器系統(tǒng)實時監(jiān)測耕深和快速處理反饋信號，確保拖拉機耕深穩(wěn)定。通過采用位置式PID控制算法，將偏差的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd通過線性組合構成控制量，對液壓執(zhí)行系統(tǒng)進行控制，使拖拉機進行田間作業(yè)，三點懸掛系統(tǒng)在田間地表平整度差時耕深穩(wěn)定。按模擬PID控制算法[25-28]，得離散PID表達式為

(4)

其中

ki=kp/TIkd=kpTD

式中T——采樣周期

TI——積分時間常數(shù)

TD——微分時間常數(shù)

k——采樣序號，k=1，2，…

error(k-1)——第k-1時刻所得的偏差信號

error(k)——第k時刻所得的偏差信號

圖8為耕深控制原理圖，輸入目標耕深到控制器，控制器輸出控制信號調(diào)整電液比例換向閥閥芯移動，執(zhí)行機構帶動農(nóng)具到達目標耕深。提升臂轉(zhuǎn)動升降農(nóng)具時，角位移傳感器接收到的電壓發(fā)生了變化。當?shù)乇砥秸炔顣r，三點懸掛裝置距離地面高度發(fā)生變化，傾角傳感器接收到的電壓信號也發(fā)生改變，綜合角位移傳感器和傾角傳感器反饋實際耕深信號值。控制器對實際信號值與目標信號值誤差比較，按照控制算法得出控制量，調(diào)節(jié)電磁比例換向閥閥芯，對提升臂轉(zhuǎn)動進行調(diào)整，控制農(nóng)具升降。農(nóng)具的耕深發(fā)生變化后，傳感器信號又會發(fā)送實際耕深信號反饋給控制器形成閉環(huán)控制。

3 基于Simulink的耕深監(jiān)控系統(tǒng)動態(tài)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

經(jīng)上述模型設計出一種基于提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機傾仰角度調(diào)節(jié)的拖拉機耕深監(jiān)測與控制系統(tǒng)，自動檢測并實時精準調(diào)節(jié)耕深，減少因地表平整度差產(chǎn)生的干擾。利用建立的拖拉機耕深電液監(jiān)控裝置物理模型進行仿真試驗。檢驗耕深自動檢測系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)對PID控制信號的反應時間；通過Simulink軟件中SimHydraulics液壓和液壓機械系統(tǒng)模塊庫[29-31]構建仿真模型，其中重點由控制模塊、液壓模塊、懸掛機構模塊和拖拉機傾仰產(chǎn)生的干擾模塊組成。驗證拖拉機耕深監(jiān)控系統(tǒng)快速精準達到設定耕深，當?shù)乇砥秸炔睿侠瓩C車身發(fā)生俯仰，導致耕深發(fā)生變化時，實現(xiàn)快速調(diào)整三點懸掛系統(tǒng)，以維持田間的整體耕深穩(wěn)定性的效果。構建的仿真模型如圖9所示。

系統(tǒng)包括控制信號部分、液壓系統(tǒng)和懸掛機構。其中控制信號部分主要包含PID控制信號，控制電磁閥閥芯移動以及接收位移傳感器和傾角傳感器的反饋信號。控制系統(tǒng)取比例系數(shù)kp=10，積分系數(shù)ki=8，微分系數(shù)kd=6。液壓系統(tǒng)參數(shù)選用了東方紅LX954型拖拉機。電磁比例換向閥固有頻率10 Hz，阻尼0.8 N·s/m，安全壓力設置為18 MPa，溢流閥安全壓力設置為16 MPa[32-34]。

由于懸掛機構中液壓油缸活塞桿平移，推動提升臂發(fā)生轉(zhuǎn)動，提升三點懸掛改變耕深。因此將仿真中耕深變化轉(zhuǎn)換為液壓油缸活塞桿位移。三點懸掛下拉桿懸掛點下降到最低點，獲取此時活塞桿位于液壓油缸的位置，隨機提升三點懸掛裝置并量取下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度，獲取活塞桿的位移。得到如圖10所示的活塞桿移動距離y和拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1關系圖。

由圖10可知，活塞桿移動距離y與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1的線性關系式為

y=0.215 4H1-81.238

(5)

仿真模型在1.1 s輸入拖拉機上仰信號，上仰角由0°增到5°，1.6 s后上仰角回到0°，拖拉機車身保持水平；由式(2)、(3)、(5)可知，當上仰角為5°時，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度降低，為補償高度變化值，活塞桿移動距離應增加20.97 mm。

3.2 仿真結果與分析

基于建立的拖拉機耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)模型及設置相關的參數(shù)，通過Simulink軟件仿真，驗證控制系統(tǒng)在地表平整度差時仍能保持耕深穩(wěn)定性。在耕深自動控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的液壓驅(qū)動力、懸掛機構重力載荷、拖拉機車身俯仰產(chǎn)生干擾等作用下，可以得到液壓油缸活塞桿移動距離隨著時間的變化情況。圖11為控制系統(tǒng)的輸出波形。

由圖11可知，液壓油缸活塞桿位移從0 mm快速響應，變?yōu)?6 mm，在約0.6 s后，響應到達并保持在終值96 mm的±5%內(nèi)；在1.1 s時由于拖拉機上仰信號的輸入，液壓油缸活塞桿位移從96 mm快速響應，變?yōu)?16.97 mm，在約0.2 s后，響應到達并保持在116.97 mm的±5%內(nèi)；在1.6 s時伴隨著拖拉機上仰信號的消失，液壓油缸活塞桿位移快速響應，變回96 mm，在約0.2 s后，響應到達并保持在96 mm的±5%內(nèi)。

仿真結果表明，當?shù)乇砥秸炔顚е峦侠瓩C產(chǎn)生車頭上仰5°時，傳感器產(chǎn)生信號給控制器，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度降低。為使高度保持穩(wěn)定，液壓油缸活塞桿位移發(fā)生變化，從96 mm移動到116.97 mm，提升三點懸掛下拉桿懸掛點，保證耕深穩(wěn)定。當轉(zhuǎn)動角為0°時，地表平整度良好，此時液壓油缸活塞桿回到調(diào)整前位置，系統(tǒng)控制調(diào)整時間約為0.2 s。仿真驗證了控制系統(tǒng)能保證良好的耕深均勻性，響應速度較快，當?shù)乇砥秸炔顣r，仍能在較短時間內(nèi)到達穩(wěn)定狀態(tài)，能滿足拖拉機耕深控制的基本要求。

4 田間試驗

4.1 試驗目的

對上述系統(tǒng)設計、仿真驗證得到的耕深電液監(jiān)控裝置進行田間試驗，在平整度差的地表行進時，通過檢測拖拉機耕深電液控制系統(tǒng)下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量判斷耕深自動檢測系統(tǒng)的準確性和可行性。通過田間試驗對比分析電液監(jiān)控裝置和機械調(diào)節(jié)裝置在不同工況下，對拖拉機耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)采用旋耕作業(yè)后耕深標準差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)，驗證拖拉機耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)可行性、裝置控制精度及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2 試驗條件

2020年8月在華中農(nóng)業(yè)大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗基地試驗田進行試驗。該田塊為偏黏性旱地土壤，試驗前田塊長有雜草和秸稈殘茬，土壤狀況適耕，田塊各處試驗條件基本相同，試驗田塊面積滿足測試要求。試驗儀器主要包括東方紅LX954型拖拉機(中國一拖集團)、旋耕作業(yè)機、TJSD-750型土壤緊實度測定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度：±0.5‰FS)、電子秤、卷尺、直尺等；經(jīng)測量，拖拉機提升臂實際轉(zhuǎn)動角范圍為0°～70°，車載電壓為12 V，故采用米朗科技的WDA-D22-A型角位移傳感器，角度測量范圍(-41°，41°)，輸出信號電壓為0.5～4.5 V，電源電壓為10～12 V；采用青島有田測控公司工業(yè)級電壓型CQ-V傾角傳感器，角度測量范圍(-90°，90°)，電源電壓為10～12 V，輸出電壓信號為0～5 V，對應角度測量范圍(-90°，90°)；當輸出電壓為2.5 V時，對應為角度測量范圍中的0°；傾角傳感器安裝于拖拉機底盤平行于地面處接收信號，電壓信號通過控制器進行采集；耕前地表平整度為2 cm，試驗前田塊其他各項參數(shù)如表1所示。

表1 試驗前田塊各項參數(shù)

4.3 試驗方法

4.3.1耕深自動監(jiān)控系統(tǒng)準確性試驗

為了驗證拖拉機裝配了角度檢測的耕深電液監(jiān)控裝置在地表平整度差影響下，車身發(fā)生了傾仰，是否仍精準調(diào)整三點懸掛裝置，使下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度能夠保持穩(wěn)定，高度與地表平整度良好時高度一致。

如圖12所示，將拖拉機置于平整地面上，此時可得傾角傳感器電壓為2.5 V，測量拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度。將拖拉機置于凹坑內(nèi)，前輪凹陷車身下傾，傾角傳感器可得到車身下傾角度變化后的電壓，由此可知拖拉機發(fā)生下傾的實際角度。凹坑深度由淺入深6次，測得6次的車身下傾角和對應的拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度；同理，將拖拉機置于凸坡上，凸坡高度逐次升高6次，測得6次的車身上仰角和對應的三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度。對采集的數(shù)據(jù)進行處理，可以得到拖拉機在不同傾仰狀態(tài)下，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量。

4.3.2耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)田間作業(yè)性能試驗

為驗證耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)田間作業(yè)性能，分別采用電液監(jiān)控裝置和機械調(diào)節(jié)裝置在不同工況下對拖拉機耕深電液控制系統(tǒng)采用旋耕作業(yè)進行性能試驗。當速度過快，耕深較深時會導致拖拉機發(fā)動機熄火，因此拖拉機設2個平均作業(yè)速度0.52、0.84 m/s。

拖拉機分別采用電液監(jiān)控系統(tǒng)和機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行對比試驗，每種系統(tǒng)安裝后都分為4個工況進行，試驗工況如表2所示。

表2 耕深系統(tǒng)試驗工況

參考GB/T 5668—2017《旋耕機》，選用試驗田塊長度為60 m，取中間40 m為拖拉機穩(wěn)定工作區(qū)間，兩頭各留10 m作為拖拉機耕深達到設定深度的距離。每個工況重復3次，取其平均值作為該工況試驗結果。開始計時后，拖拉機行進，同時控制農(nóng)具達到指定耕深，記錄達到指定耕深所需最短時間。每隔3 s標記一次旋耕機經(jīng)過的點，測量時長45 s，共記錄16次，旋耕作業(yè)結束后，采用人工測量標記點的實際旋耕深度。

4.4 試驗結果

自動檢測系統(tǒng)準確性試驗記錄了12次測點的數(shù)據(jù)，當傾角傳感器電壓為2.5 V時，地表平整度良好，對應角度為0°，拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為60.5 cm。設拖拉機下傾時角度為負，上仰時角度為正，試驗結果如表3所示。

表3 不同傾仰角下高度

根據(jù)GB/T 5668—2017《旋耕機》所規(guī)定農(nóng)業(yè)機械作業(yè)標準可知，判斷旋耕作業(yè)質(zhì)量的重要指標是耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)V，其計算式為

(6)

式中S——耕深標準差，cm

a——平均耕深，cm

耕深電液監(jiān)控裝置田間作業(yè)性能試驗旋耕作業(yè)時，分別設置平均作業(yè)速度為0.84、0.52 m/s，耕深設定為12、18 cm，得出不同工況下的耕深穩(wěn)定試驗結果如圖13所示。

各工況下電液監(jiān)控裝置和機械調(diào)節(jié)裝置的平均耕深、標準差、耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)如表4所示。

表4 耕深電液控制系統(tǒng)的作業(yè)性能

4.5 結果分析

由表3可知，拖拉機傾仰時下拉桿距離地面高度與地表平整度良好時高度基本相符。最大誤差為0.8 cm，出現(xiàn)在測點1處，經(jīng)計算可知，拖拉機下傾時，平均誤差為0.3 cm，上仰時，平均誤差為0.15 cm，總體平均誤差為0.075 cm，標準差為0.507 cm。本次試驗的最大誤差不超過0.80 cm，拖拉機在水平地面時，下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為60.5 cm，綜合分析，誤差并不會對耕作質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。試驗表明，當?shù)乇砥秸炔顚е峦侠瓩C發(fā)生傾仰時，耕深電液監(jiān)控裝置能得到三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量，精準調(diào)控高度穩(wěn)定在設定值，驗證了耕深自動檢測系統(tǒng)準確性。

由表4可知，采用基于角度檢測的拖拉機耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)進行旋耕作業(yè)時，在不同速度、不同深度下，耕深標準差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其在各工況中耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)最大為4.28%，根據(jù)GB/T 5668—2017《旋耕機》所規(guī)定農(nóng)業(yè)機械作業(yè)標準可知，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)需小于15%。拖拉機耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)進行旋耕作業(yè)時，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)達到了農(nóng)藝作業(yè)要求。在旋耕作業(yè)中，耕深為12 cm，平均作業(yè)速度為0.84 m/s，此時采用機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制三點懸掛，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為各工況下最大，為8.20%。采用機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)時耕深標準差較大，若坡度較高或地面平整度差，則機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)耕深穩(wěn)定性將達不到要求。采用電液監(jiān)控系統(tǒng)，耕深穩(wěn)定性更高，當?shù)乇砥秸炔顣r，仍可達到較好的穩(wěn)定耕深效果。

5 結論

(1)采用角位移傳感器和傾角傳感器分別測量提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機車身俯仰角的變化，從而間接確定耕深。設計了耕深電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可預設和實時顯示耕深、處理傳感器反饋信號、對耕深控制執(zhí)行系統(tǒng)進行調(diào)控，從而使耕深穩(wěn)定在設定值。

(2)利用Simulink軟件構建系統(tǒng)仿真模型，結果顯示，系統(tǒng)能在0.6 s達到穩(wěn)定狀態(tài)，說明耕深監(jiān)控系統(tǒng)具有快速響應速度。當拖拉機車身發(fā)生俯仰、耕深不穩(wěn)定時，可實現(xiàn)快速調(diào)整懸掛裝置，以維持田間整體耕深穩(wěn)定性。

(3)通過耕深自動監(jiān)控系統(tǒng)準確性試驗得出，系統(tǒng)能檢測因傾仰導致的三點懸掛下拉桿懸掛點高度的變化量，調(diào)控高度穩(wěn)定在設定值，驗證了耕深自動檢測系統(tǒng)的準確性。對所設計的電液監(jiān)控系統(tǒng)與原機械控制系統(tǒng)進行了對比試驗，結果顯示，電液監(jiān)控系統(tǒng)進行旋耕作業(yè)時，在各工況中耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)不超過4.28%，耕深標準差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于機械調(diào)節(jié)系統(tǒng)。