山地履帶拖拉機(jī)與農(nóng)具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

楊福增 牛瀚麟 孫景彬 劉志杰 李軼林 褚宏麗

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院， 陜西楊凌 712100； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部北方農(nóng)業(yè)裝備科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站， 陜西楊凌 712100；3.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部蘋果全程機(jī)械化科研基地， 陜西楊凌 712100)

0 引言

丘陵山區(qū)環(huán)境復(fù)雜，其面積約占我國國土面積的69.4%，且多為6°～15°的坡地作業(yè)環(huán)境[1]。山地拖拉機(jī)坡地作業(yè)時(shí)，需對(duì)車身橫向姿態(tài)進(jìn)行調(diào)平，傳統(tǒng)的后懸掛機(jī)構(gòu)與拖拉機(jī)的位置相對(duì)固定[2]，在車身調(diào)平過程中，其橫向角會(huì)隨拖拉機(jī)車身發(fā)生改變，從而導(dǎo)致拖拉機(jī)兩側(cè)耕深不均勻，影響拖拉機(jī)的作業(yè)質(zhì)量。目前，國內(nèi)外對(duì)丘陵山地拖拉機(jī)的車身調(diào)平、農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整等關(guān)鍵技術(shù)已開展了大量研究，并取得了較多的成果。在車身調(diào)平方面：久保田、大同等公司生產(chǎn)的履帶聯(lián)合收獲機(jī)，通過履帶升降機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)單側(cè)履帶的高度來補(bǔ)償車身的橫向傾斜[3-8]；文獻(xiàn)[9-11]設(shè)計(jì)了基于液壓差高機(jī)構(gòu)的微型山地履帶拖拉機(jī)，運(yùn)用PID算法實(shí)時(shí)控制車身的調(diào)平角。齊文超等[12]設(shè)計(jì)了基于雙閉環(huán)PID的山地拖拉機(jī)姿態(tài)主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)，精度和穩(wěn)定性基本能夠滿足實(shí)際使用需求。農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整方面：范永奎等[13]設(shè)計(jì)了一款電液懸掛仿形機(jī)構(gòu)，采用帶死區(qū)的經(jīng)典PID算法控制農(nóng)具的橫向傾角，使其與地面保持平行；周浩等[14]設(shè)計(jì)的旋耕機(jī)自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，通過PID控制器控制電磁換向閥，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)具的自動(dòng)調(diào)平。劉林[15]設(shè)計(jì)的農(nóng)具自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，通過液壓換向閥來控制液壓缸運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)具的自動(dòng)調(diào)平，其控制精度有待提高。姿態(tài)協(xié)同調(diào)整方面：張錦輝等[16]采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID同步控制算法，設(shè)計(jì)了一種山地拖拉機(jī)姿態(tài)同步控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了車身和農(nóng)具姿態(tài)的同步調(diào)整，其控制精度和調(diào)整速度均可以達(dá)到作業(yè)要求。目前國內(nèi)外的成果主要是針對(duì)車身調(diào)平或農(nóng)具姿態(tài)控制單獨(dú)進(jìn)行研究的，缺乏對(duì)車身與農(nóng)具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)的研究。同時(shí)，現(xiàn)有的農(nóng)具姿態(tài)主動(dòng)調(diào)整系統(tǒng)控制方案單一，大多采用經(jīng)典PID控制，精度和穩(wěn)定性有限。本文設(shè)計(jì)一種山地拖拉機(jī)車身與農(nóng)具姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)，對(duì)車身和農(nóng)具的姿態(tài)控制分別采用PID算法和雙閉環(huán)模糊PID算法，并以PID算法作為對(duì)比，進(jìn)行仿真試驗(yàn)和實(shí)地試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)工作原理

山地拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)主要由車身調(diào)平機(jī)構(gòu)和農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)兩部分組成，如圖1所示。

圖1 山地拖拉機(jī)姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖Fig.1 Attitude adjustment mechanism of mountain tracked tractor1.臺(tái)車架 2.橫向調(diào)平液壓缸 3.下層車架 4.左下拉桿 5.右下拉桿 6.上拉桿 7.左提升臂 8.右提升臂 9.左姿態(tài)調(diào)整液壓缸 10.右姿態(tài)調(diào)整液壓缸

車身調(diào)平機(jī)構(gòu)通過橫向調(diào)平液壓缸活塞桿的伸縮，帶動(dòng)下層車架運(yùn)動(dòng)，通過運(yùn)動(dòng)所形成的高度差，調(diào)整下層車架橫向角，進(jìn)而使得車身保持水平。

農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)通過左、右姿態(tài)調(diào)整液壓缸的伸縮，驅(qū)動(dòng)農(nóng)具相對(duì)于車身旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向傾角，使得農(nóng)具在工作過程中與耕作區(qū)域地面保持平行。

1.2 車身橫向姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

山地拖拉機(jī)車身調(diào)平機(jī)構(gòu)采用基于“平行四桿”的調(diào)平原理對(duì)拖拉機(jī)進(jìn)行橫向調(diào)平[17]。如圖2a所示，“平行四桿機(jī)構(gòu)”主要由臺(tái)車架、從連桿、主連桿、下層車架組成。點(diǎn)A、B分別為從連桿、主連桿與臺(tái)車架的鉸接點(diǎn)；點(diǎn)E、F分別為從連桿、主連桿與下層車架的鉸接點(diǎn)；點(diǎn)D、G分別為橫向調(diào)平油缸與主連桿、下層機(jī)架的鉸接點(diǎn)。

圖2 車身橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)Fig.2 Body’s lateral attitude adjustment mechanism1.臺(tái)車架 2.從連桿 3.拉桿 4.下層車架 5.橫向調(diào)平油缸 6.主連桿 7.斜坡 8.行走系

如圖2b所示(以左側(cè)調(diào)平為例)，橫向調(diào)平油缸為原動(dòng)件，為主連桿擺動(dòng)提供動(dòng)力，主連桿通過拉桿帶動(dòng)從連桿擺動(dòng)，改變?cè)搨?cè)主從連桿機(jī)構(gòu)的高度，形成高度差Δh，完成車身單側(cè)的橫向調(diào)平，進(jìn)而保證車身在橫向斜坡上處于水平狀態(tài),此時(shí)有

(1)

式中α——地面坡度，(°)

B——山地拖拉機(jī)軌距，mm

Δh——車身單側(cè)高度差，mm

山地拖拉機(jī)橫向姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)安裝實(shí)物圖如圖3a所示。主要由平行四桿機(jī)構(gòu)、測(cè)距傳感器、行程開關(guān)和車身傾角傳感器組成。車身傾角傳感器安裝于拖拉機(jī)下層車架上，測(cè)距傳感器和行程開關(guān)安裝于拖拉機(jī)臺(tái)車架上。

如圖3b所示(定義地面左低右高時(shí)橫向坡度為正)，實(shí)線表示傾角為α的斜坡上未調(diào)平的拖拉機(jī)，虛線表示橫向姿態(tài)調(diào)整一定角度后的拖拉機(jī)。姿態(tài)調(diào)整后，車身機(jī)架平行線OB與水平線OC之間的夾角為α1。

為了保證車身水平，需驅(qū)動(dòng)橫向調(diào)平油缸，使得車身的橫向姿態(tài)角調(diào)整Δα，即：Δα=α1。車身傳感器檢測(cè)車身的橫向傾角、測(cè)距傳感器獲取車身的高度差，根據(jù)圖4提出的車身調(diào)平控制策略，根據(jù)行程開關(guān)的反饋信息控制器對(duì)當(dāng)前車身的姿態(tài)進(jìn)行判斷，按照車身雙側(cè)調(diào)平液壓油缸能下降就不上升的原則，結(jié)合CAN總線實(shí)時(shí)獲取的車身傾角傳感器的信息，控制電磁閥的輸入電流，通過單側(cè)液壓油缸的伸縮帶動(dòng)平行四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在傾角連續(xù)變化的坡地上，山地拖拉機(jī)車身橫向姿態(tài)不斷調(diào)整。

圖4 車身調(diào)平控制策略Fig.4 Diagram of body leveling control scheme

1.3 農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

山地拖拉機(jī)在丘陵山地作業(yè)過程中，需要對(duì)農(nóng)具的橫向姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，使之與作業(yè)地面保持平行。農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖5所示。農(nóng)具與拖拉機(jī)通過上拉桿和兩個(gè)下拉桿進(jìn)行球銷連接，左、右提升桿為雙作用單桿液壓油缸，分別由兩個(gè)獨(dú)立的電磁閥控制。液壓缸尾部耳環(huán)與左、右提升臂進(jìn)行銷軸連接，液壓桿與左、右下拉桿用球銷進(jìn)行連接，通過雙側(cè)液壓缸的伸縮，帶動(dòng)左、右下拉桿運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整。

圖5 農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic of horizontal posture adjustment mechanism of farm tools1.左提升臂 2.上拉桿 3.右提升臂 4.懸掛左側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸 5.懸掛右側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸 6.左下拉桿 7.右下拉桿

農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的安裝實(shí)物圖如圖6a所示。主要由位移傳感器、農(nóng)具傾角傳感器、農(nóng)具橫向姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)等組成，傾角傳感器安裝在農(nóng)具上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)具橫向傾角，拉線位移傳感器安裝在液壓油缸側(cè)方，用于檢測(cè)農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整油缸的位移。

如圖6b所示，點(diǎn)A、B分別為左、右懸掛姿態(tài)調(diào)整油缸與左、右提升臂的鉸接點(diǎn)，C2E為AB連線投影的延長線，θ為農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角。點(diǎn)C1、D1分別為姿態(tài)調(diào)整油缸的初始位置，C1D1為姿態(tài)調(diào)整油缸兩球鉸接點(diǎn)之間的距離,點(diǎn)O為C1D1連線的中點(diǎn)，C2D2分別為姿態(tài)調(diào)整后左、右姿態(tài)調(diào)整油缸的位置。由于雙側(cè)液壓缸的選型參數(shù)完全一樣，采用中心調(diào)平的方法，即在農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整的過程中，假定點(diǎn)O位置固定，點(diǎn)O與提升臂的相對(duì)高度始終保持不變，農(nóng)具以點(diǎn)O為中心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整，左側(cè)油缸伸長Δl，右側(cè)油缸縮短Δl，計(jì)算式為

Δl=|l1-l0|=|l2-l0|

(2)

式中 Δl——AC2與AC1長度差值，mm

l1——左側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸AC2的長度，mm

l2——右側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸BD2的長度，mm

l0——左右兩側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸AC1、BD1的初始長度，mm

農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角θ與左右兩側(cè)姿態(tài)調(diào)整油缸位移變化量Δl的函數(shù)關(guān)系為

(3)

式中l(wèi)——農(nóng)具下懸點(diǎn)C1D1長度，mm

為保證農(nóng)具與作業(yè)路面保持平行，農(nóng)具的目標(biāo)傾角應(yīng)該為當(dāng)前的地面傾角?？刂破鹘Y(jié)合車身測(cè)距傳感器、農(nóng)具傾角傳感器和位移傳感器的信息，控制電磁閥的輸入電流，從而控制農(nóng)具相對(duì)于拖拉機(jī)車身旋轉(zhuǎn)，完成姿態(tài)調(diào)整。

1.4 姿態(tài)協(xié)同控制原理

山地拖拉機(jī)協(xié)同控制原理框圖如圖7所示，設(shè)拖拉機(jī)在丘陵山區(qū)作業(yè)時(shí)車身調(diào)平的期望角度為α1=0°，α0為當(dāng)前時(shí)刻傾角傳感器檢測(cè)到的車身橫向傾角，Iα為車身橫向調(diào)平裝置電磁閥輸入電流，電磁閥不斷工作，直到達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值；同時(shí)系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前車身調(diào)平機(jī)構(gòu)的姿態(tài)進(jìn)行判斷，計(jì)算出農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整的目標(biāo)傾角γ，γ0為當(dāng)前時(shí)刻傾角傳感器檢測(cè)到的農(nóng)具橫向傾角；l1、l2分別為后懸掛裝置左右液壓缸位移的目標(biāo)值、l3、l4分別為當(dāng)前時(shí)刻后懸掛裝置左右液壓缸的位移，I1、I2為農(nóng)具后懸掛裝置左、右液壓缸電磁閥的輸入電流。

協(xié)同控制系統(tǒng)框圖的車身PID控制環(huán)和農(nóng)具雙閉環(huán)模糊PID控制環(huán)使得拖拉機(jī)與農(nóng)具協(xié)同運(yùn)動(dòng)到目標(biāo)角度。結(jié)合式(2)、(3)可得農(nóng)具傾角-液壓缸位移換算器的計(jì)算公式為

(4)

(5)

(6)

1.5 液壓系統(tǒng)工作原理

如圖8所示，山地拖拉機(jī)姿態(tài)協(xié)同控制液壓系統(tǒng)由齒輪泵、濾清器、兩位兩通電磁閥、溢流閥、壓力表、減壓閥、單向閥、單向節(jié)流閥、三位四通比例電磁閥、液壓油缸等組成。

圖8 姿態(tài)控制液壓系統(tǒng)原理圖Fig.8 Attitude control hydraulic system diagram1.油箱 2.濾清器 3.齒輪泵 4.溢流閥 5.壓力表 6.減壓閥 7.單向閥 8.左側(cè)橫向調(diào)平油路 9.右側(cè)橫向調(diào)平油路 10.三點(diǎn)懸掛提升油路 11.懸掛左側(cè)姿態(tài)調(diào)整油路 12.懸掛右側(cè)姿態(tài)調(diào)整油路

兩位兩通電磁閥和溢流閥組成一個(gè)電磁溢流閥，斷電時(shí)液壓系統(tǒng)卸荷、通電時(shí)保持液壓系統(tǒng)壓力恒定起到過載保護(hù)的作用；車身橫向調(diào)平油路用來控制車身的橫向調(diào)平油缸的伸縮實(shí)現(xiàn)對(duì)車身的橫向調(diào)平；懸掛姿態(tài)調(diào)整油路用來控制三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)的姿態(tài)調(diào)整油缸，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)具橫向傾角的調(diào)整；減壓閥對(duì)主油路進(jìn)行壓力補(bǔ)償，使得液壓系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)不受負(fù)載影響[18]，提高了丘陵液壓系統(tǒng)的剛性及山地拖拉機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

2 系統(tǒng)建模與控制器設(shè)計(jì)

2.1 閥控液壓缸系統(tǒng)建模

被控對(duì)象為閥控液壓缸系統(tǒng)，故建立閥控液壓缸系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型[19]。

閥的流量方程為

QL=Kqxv-KcpL

(7)

式中QL——負(fù)載流量，m3/s

xv——閥芯位移，m

Kq——閥的穩(wěn)態(tài)流量增益，m2/s

Kc——閥的穩(wěn)態(tài)壓力-流量系數(shù)，m5/(N·s)

pL——液壓缸的負(fù)載壓降，Pa

液壓缸的流量連續(xù)性方程為

(8)

式中Ap——液壓缸工作的有效面積，m2

xp——液壓缸活塞桿的位移，m

Vt——液壓缸總?cè)莘e，m3

βe——體積彈性模量，m5/(N·s)

Ct——泄漏系數(shù)之和，m5/(N·s)

液壓缸的力平衡方程為

(9)

式中k——活塞桿和負(fù)載的剛度之和，N/m

Mt——活塞及負(fù)載的總質(zhì)量，kg

Bp——粘性阻尼系數(shù)，kg/s

FL——液壓缸承受的外部負(fù)載，N

式(9)考慮了彈性負(fù)載、粘性摩擦等因素，但在實(shí)際過程中，閥控液壓缸系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，以慣性負(fù)載為主，彈性負(fù)載往往很小，可以忽略，因此，聯(lián)立式(7)、(8)消去中間變量，對(duì)閥控液壓缸的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，并進(jìn)行拉普拉斯變換，得到閥控液壓缸的傳遞函數(shù)為

(10)

其中

式中ωh——液壓的固有頻率，rad/s

ξh——液壓阻尼系數(shù)

A——液壓缸活塞有效面積，m2

Kce——總流量壓力系數(shù)

2.2 控制器設(shè)計(jì)

在參數(shù)變化和外界干擾不大的控制系統(tǒng)中，最普遍采用的控制方法是PID控制，因其具有算法設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)電、機(jī)械、冶金等行業(yè)中。

PID控制算法為

(11)

式中u(t)——控制器輸出量

e(t)——控制器輸入量

kp——比例增益ki——積分增益

kd——微分增益

農(nóng)具姿態(tài)控制采用具有較高精度和穩(wěn)定性的控制策略是保證耕深均勻性，提高作業(yè)質(zhì)量的前提。實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，丘陵山地拖拉機(jī)常面對(duì)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，農(nóng)具除了自身作業(yè)和拖拉機(jī)行走抖動(dòng)的影響外，還有地中石塊、作物根茬等引起的負(fù)載突變及農(nóng)具擺動(dòng)所帶來的影響。農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)的作業(yè)過程表現(xiàn)出非線性、時(shí)變、隨機(jī)干擾強(qiáng)的特點(diǎn)。常規(guī)的PID控制算法往往采用定值常參進(jìn)行調(diào)定，受到擾動(dòng)將產(chǎn)生較大的控制誤差，在控制穩(wěn)定性方面不佳，難以在農(nóng)具姿態(tài)控制系統(tǒng)中發(fā)揮理想作用[20-21]。因此，運(yùn)用模糊控制原理對(duì)PID進(jìn)行改進(jìn)，以滿足農(nóng)具姿態(tài)控制系統(tǒng)在復(fù)雜工作環(huán)境下的控制需求。

如圖9所示，農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角偏差e及其變化率ec作為輸入量，進(jìn)行模糊化處理后，模糊控制器根據(jù)制定的模糊規(guī)則對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線調(diào)定，即

圖9 模糊PID控制框圖Fig.9 Fuzzy PID control block diagram

(12)

式中kp0、ki0、kd0——PID參數(shù)初始值

農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角偏差e及其變化率ec的基本論域?yàn)閇-15，15]，修正系數(shù)Δkp、Δki、Δkd的論域?yàn)閇-1，1]。設(shè)輸入、輸出論域都為[-3，3]。因此，偏差e及其變化率ec的量化因子為0.2，Δkp、Δki、Δkd的量化因子為3，隸屬度函數(shù)選取為三角形函數(shù)[22-24]。

通常情況下，模糊PID的3個(gè)參數(shù)kp、ki、kd的自整定原則如下：

(1)當(dāng)農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角度與目標(biāo)角度的偏差e偏大時(shí)，忽略ec，選取較大的kp,同時(shí)選取較小的ki及kd，抑制積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的影響，使得系統(tǒng)能夠迅速地減少偏差。

(2)當(dāng)農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角接近目標(biāo)角時(shí)，即偏差e適中時(shí)，為了防止系統(tǒng)出現(xiàn)過大的超調(diào)量，kp、ki取值適中，防止系統(tǒng)超調(diào)并保持理想的響應(yīng)速度。

(3)當(dāng)農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整角度基本達(dá)到目標(biāo)角度并趨于穩(wěn)定時(shí)，應(yīng)取適中的ki和kd，減少系統(tǒng)振蕩及穩(wěn)態(tài)誤差。

根據(jù)上述的模糊PID自整定原則，建立Δkp、Δki、Δkd的模糊規(guī)則如表1所示(以Δkp為例)。

表1 Δkp模糊規(guī)則Tab.1 Δkp fuzzy rule

3 仿真分析

利用Matlab的Simulink仿真工具箱，建立丘陵山地拖拉機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)的仿真模型。仿真模型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 仿真模型參數(shù)Tab.2 Simulation model parameters

為了對(duì)比兩種不同的控制算法對(duì)農(nóng)具的控制性能，在仿真模型中分別建立基于雙閉環(huán)PID算法和雙閉環(huán)模糊PID算法的農(nóng)具姿態(tài)控制系統(tǒng)模型，并采用相同的PID參數(shù)進(jìn)行仿真。PID參數(shù)初始值如表3所示。

表3 PID參數(shù)Tab.3 PID parameters

根據(jù)丘陵山地最大作業(yè)角和山地拖拉機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，仿真前，設(shè)定車身和農(nóng)具橫向傾角的初始值分別為15°和0°，給定15°的階躍信號(hào)。仿真結(jié)果如圖10所示，圖10a為PID算法控制下的車身姿態(tài)調(diào)平仿真結(jié)果，上升時(shí)間為2.14 s，基本無超調(diào)；圖10b為雙閉環(huán)PID控制下的農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整仿真結(jié)果，姿態(tài)調(diào)整時(shí)間為2.84 s，超調(diào)量為0.43°；圖10c為雙閉環(huán)模糊PID控制下的農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整仿真結(jié)果，姿態(tài)調(diào)整時(shí)間為1.2 s，基本無超調(diào)。仿真試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)山地拖拉機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)的正確性和可行性，同時(shí)雙閉環(huán)模糊PID算法控制農(nóng)具能夠減少超調(diào)量并增加姿態(tài)調(diào)整速度。

圖10 仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results

4 試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)備與條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)機(jī)試驗(yàn)坡地，試驗(yàn)平臺(tái)為團(tuán)隊(duì)自研的山地拖拉機(jī)，控制系統(tǒng)的主控制器為STM32F407，從CAN總線上讀取傳感器數(shù)據(jù)信息。使用杭州卓客電液科技有限公司生產(chǎn)的US-DAS2型比例放大模塊驅(qū)動(dòng)比例電磁閥；使用2個(gè)邁得豪電子科技有限公司生產(chǎn)的行程開關(guān)，分別安裝在車身兩側(cè)的臺(tái)車架上；使用2個(gè)電應(yīng)普公司生產(chǎn)的測(cè)距傳感器，分別安裝在車身兩側(cè)的臺(tái)車架上；使用2個(gè)四方科技公司生產(chǎn)的拉線位移傳感器，安裝在三點(diǎn)懸掛裝置兩側(cè)的姿態(tài)調(diào)整油缸上；使用2個(gè)青島有田測(cè)控公司生產(chǎn)的CQ-400D型動(dòng)態(tài)抗振型傾角傳感器，分別安裝在拖拉機(jī)車身和農(nóng)具上，實(shí)時(shí)測(cè)量車身橫向傾角和農(nóng)具橫向傾角。

4.2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.2.1靜態(tài)試驗(yàn)

山地拖拉機(jī)靜止在坡度為±15°的路面上，分別啟動(dòng)PID協(xié)同控制程序和模糊PID協(xié)同控制程序進(jìn)行靜態(tài)試驗(yàn)，驗(yàn)證控制方案的可行性及控制效果，靜態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖11所示。

圖11 靜態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.11 Static test site

圖12a為PID算法控制下車身調(diào)平靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果：調(diào)平時(shí)間約為1.9 s，車身橫向傾角最大誤差為1.10°，基本無超調(diào)現(xiàn)象。

圖12 靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.12 Static test results

圖12b、12c分別為雙閉環(huán)PID算法和雙閉環(huán)模糊PID算法控制下的農(nóng)具姿態(tài)角靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果。在雙閉環(huán)PID和雙閉環(huán)模糊PID控制下，農(nóng)具橫向傾角最大誤差分別為0.76°和0.46°,姿態(tài)調(diào)整時(shí)間分別為1.3 s和1.1 s。同雙閉環(huán)PID算法對(duì)比，雙閉環(huán)模糊PID算法控制下，農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整過程基本無超調(diào)、且姿態(tài)調(diào)整時(shí)間更短，調(diào)平誤差更小。在協(xié)同控制程序的控制下，車身和農(nóng)具橫向傾角偏差均控制在±1.5°以內(nèi)，有效驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制算法的有效性和準(zhǔn)確性。

4.2.2動(dòng)態(tài)試驗(yàn)

如圖13所示，山地拖拉機(jī)掛接旋耕機(jī)具，在坡面上進(jìn)行作業(yè)。作業(yè)地面的傾角變化如圖14所示，路面坡度為14°～16°，為丘陵山地拖拉機(jī)常見的作業(yè)工況。

圖13 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.13 Dynamic test site

圖14 作業(yè)地面傾角變化曲線Fig.14 Variation curve of working ground inclination

圖15為PID控制下山地拖拉機(jī)車身調(diào)平效果，車身橫向傾角最大誤差為1.90°，平均絕對(duì)誤差為0.72°，均方根誤差為0.83°，調(diào)平后車身的橫向傾角在-2°～2°內(nèi)變化，能夠滿足山地拖拉機(jī)常見作業(yè)工況的需求。

圖15 車身橫向傾角變化曲線Fig.15 Changing curve of roll angle

圖16a為兩種不同算法控制下農(nóng)具橫向傾角調(diào)整情況，在兩種不同的控制算法下，農(nóng)具橫向傾角的調(diào)整范圍為14°～16°。圖16b為兩種算法控制下，農(nóng)具橫向姿態(tài)角與坡度絕對(duì)值誤差曲線。計(jì)算可得：雙閉環(huán)PID控制下，農(nóng)具橫向傾角的最大誤差為1.42°，平均絕對(duì)誤差為0.54°,均方根誤差為0.40°；雙閉環(huán)模糊PID控制下，農(nóng)具橫向傾角最大誤差為0.93°，平均絕對(duì)誤差為0.52°,均方根誤差為0.34°；雙閉環(huán)模糊PID控制下的農(nóng)具橫向傾角的最大誤差、平均絕對(duì)誤差、均方根誤差均有所減少，提高了農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整的控制精度和穩(wěn)定性。

圖16 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果Fig.16 Dynamic test results

根據(jù)上述結(jié)果和表4中的評(píng)價(jià)指標(biāo)[25]，可以得出所設(shè)計(jì)的山地拖拉機(jī)姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)具有良好的響應(yīng)速度、精度和穩(wěn)定性，能夠滿足丘陵山地等高線作業(yè)需求。

表4 山地拖拉機(jī)協(xié)同控制系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab.4 Evaluation indexes of tractor collaborative control system

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了山地拖拉機(jī)姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)，由車身姿態(tài)PID控制系統(tǒng)和農(nóng)具姿態(tài)雙閉環(huán)模糊PID控制系統(tǒng)兩部分組成。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的山地拖拉機(jī)姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)能夠滿足丘陵山地等高線作業(yè)的實(shí)際需求，其中雙閉環(huán)模糊PID算法對(duì)農(nóng)具的控制效果優(yōu)于雙閉環(huán)PID。

(2)靜態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，車身初始姿態(tài)角為±15°的情況下，PID控制下的車身調(diào)平時(shí)間約為1.9 s，車身橫向傾角最大誤差為1.10°，基本無超調(diào)現(xiàn)象；農(nóng)具姿態(tài)調(diào)整時(shí)間為1.1 s，農(nóng)具橫向傾角最大誤差為0.46°，無超調(diào)現(xiàn)象，雙閉環(huán)模糊PID算法對(duì)農(nóng)具的控制效果優(yōu)于雙閉環(huán)PID算法。

(3)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，進(jìn)行坡度15°等高線作業(yè)時(shí)，在PID控制下，車身調(diào)平后，車身橫向傾角最大誤差為1.90°；在雙閉環(huán)模糊PID控制下，農(nóng)具橫向傾角最大誤差為0.93°。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的山地拖拉機(jī)姿態(tài)協(xié)同控制系統(tǒng)調(diào)整的快速性、精度和穩(wěn)定性，能夠滿足丘陵山地等高線作業(yè)需求。