拖拉机耕深模糊自动控制方法与试验研究

研究了拖拉机电控液压悬挂系统耕深自动控制方法,提出了一种基于模糊控制的电控液压悬挂系统耕深自动控制方法和综合度系数的概念,设计了耕深模糊控制器,并利用综合度系数将力位综合调节转化为对耕深的模糊控制。试验研究了阻力在不同综合度系数下对耕深的影响,试验结果表明：耕深从0到20 cm的响应时间低于1.7 s,当综合度系数分别为0.7、0.5和0.3时,耕深受阻力的影响分别减少了3.2、3.8和5.6 cm,过渡时间分别为0.79、0.93和1.21 s,该控制方法能够满足耕深自动控制的要求。论文提出的基于模糊控制的力位综合调节方法,利用综合度系数,以耕深和阻力为控制参数,可以实现耕深的双参数控制,为拖拉机电控液压悬挂系统耕深进行力位综合控制提供理论依据。     

线性拟合与Kalman预测法修正耕深测量误差

为精确控制耕深及保证耕深均匀,基于耕深测量方法及误差产生原因,对耕深测量值进行修正。该文对耕深间接和直接测量原理进行分析,通过田间试验探讨耕深测量误差产生机理。试验表明,间接测量出的耕深始终小于实际耕深,目标耕深增大,耕深偏差也增加;直接方法由于受土壤不平度、植物残差等因素影响,导致测量值波动较大。该文分别采用线性拟合和Kalman预测对耕深间接和直接测量结果进行修正。结果表明,线性拟合能够降低耕深偏差(补偿前:3.20、4.48、5.61、6.90 cm,补偿后:0.14、0.19、0.16、0.17 cm),Kalman预测能够减少测量值中的噪声(预测前标准差:1.60、1.83、1.33、1.83 cm,预测后标准差:0.032、0.010、0.042、0.092 cm),使修正结果趋于真实耕深。该研究为实现电控悬挂位控制及保证播种深度提供了新的解决方案。     

后轮驱动大功率拖拉机牵引力-滑转率联合自动控制方法

针对后轮驱动大功率拖拉机犁耕作业工况,提出了大功率拖拉机牵引力-滑转率联合自动控制方法。基于Freescale MC9S12XS128型微处理器开发了联合控制器硬件系统;采用PID(proportion integral derivative)控制算法,制定了牵引力PID控制和滑转率开关控制的联合控制策略,基于模块化设计开发了联合控制软件系统;进行了牵引力控制、牵引力与滑转率联合控制的田间实车对比试验,分析了2种不同控制方法下滑转率、牵引力和耕深的控制效果,验证了联合控制系统的性能。试验结果表明:当设定滑转率阀值区间0.1~0.2,牵引力阀值6 000 N时,联合控制下的实际耕深平均误差为1.45 cm,均方根误差为2.79 cm;实际牵引力平均误差为270.73 N,均方根误差为366.23 N;滑转率采样时间50 s,阀值区间以内43.78 s,有效控制时间范围为88%。与单独的牵引力控制相比,实际耕深、牵引力的平均误差和均方根误差均明显减小,实际滑转率的控制效率有较大提高。结果表明,该文提出的大功率拖拉机牵引力-滑转率联合自动控制方法,可以实现牵引力和滑转率的双目标联合控制,能够满足实际生产的农艺要求。     

拖拉机后悬挂横向位姿调整的模糊PID控制

针对传统拖拉机后悬挂机构无法实现横向位姿自动调整,难以适应丘陵山地复杂地形作业需求,导致耕深均匀性差、作业效率低等问题,该文设计了—种采用双液压缸进行横向位姿调整的后悬挂系统。首先,对提升臂、提升杆、农具三脚架等构件进行运动学分析,并运用MATLAB对液压缸活塞杆位移与农机具倾斜角度进行仿真,得出当横向倾角为-15°~15°时,液压缸活塞杆位移与角度的函数关系;其次,设计了横向位姿调整机构液压系统,并建立了该液压系统的数学模型;运用Simulink搭建了横向位姿调整系统的液压系统仿真模型,并采用模糊PID控制方法对仿真模型进行控制性能仿真;最后,搭建了拖拉机后悬挂系统控制试验平台,进行了拖拉机后悬挂横向位姿调整试验。结果表明：在预定目标内（±2°~±15°）,最大误差为1%,平均误差为0.7%,仿真的系统调整时间较短,不足0.2 s,试验的调整时间为1 s左右,系统稳定时间仿真和试验都很小,在0.1 s左右,试验和仿真超调量为0 ,符合设计目标,能够满足山地丘陵作业的横向角度调节需求。     

犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转率控制方法

针对犁耕作业时大马力拖拉机驱动轮易产生过度滑转的问题,该研究以大马力拖拉机电液悬挂机组为研究对象,考虑"拖拉机-农具-土壤"系统的强非线性特征,在建立大马力拖拉机犁耕作业机组非线性系统动力学模型的基础上,提出基于滑模变结构控制的大马力拖拉机驱动轮滑转非线性控制方法;并以模糊PID控制为对比,采用Matlab/Simulink验证本文动力学模型的正确性和控制算法的有效性;以Lovol-TG1254型大马力拖拉机为载体,搭建犁耕作业大马力拖拉机驱动轮滑转控制平台,开展田间对比试验,并分析不同控制方法下的滑转控制效果,验证滑模变结构控制算法的控制精度和稳定性。试验结果表明:在2.17m/s的犁耕作业工况下,与模糊PID控制算法相比,滑模变结构控制算法将拖拉机驱动轮滑转率有效控制在最优值0.2,平均绝对值偏差为0.008,减小了约27%,最大偏差为0.028,减小了约49%;耕深、液压缸位移和水平牵引力调节变化量分别减小了27%、36%、42%。该研究提出的基于滑模变结构的大马力拖拉机驱动轮滑转控制方法可实现犁耕作业驱动轮滑转最优目标控制。     

农机具自动调平控制系统设计与试验

为了使农机具在田间作业时保持水平,该文设计了一种农机具自动调平控制系统。采用拖拉机横向倾角卡尔曼滤波算法融合加速度计和陀螺仪2个传感器数据获得拖拉机实时倾斜角度,直线位移传感器测量调平液压油缸伸长量并建立农机具和拖拉机的相对倾斜角度转换函数,通过控制电磁换向阀实现农机具水平控制。在三轴多功能转台上对拖拉机倾角实时测量算法进行了测试,并在田间对农机具自动调平系统进行了试验,结果表明,拖拉机横滚角传感系统能在动态条件下准确地测量拖拉机实时倾角,在转台上测量角度平均绝对误差≤0.15°,均方根误差≤0.18°,在水田激光平地机作业时测量角度平均绝对误差0.40°;自动调平控制系统能较好地实现平地铲调平控制,平地铲倾斜角度平均绝对误差0.52°,均方根误差0.24°,最大误差1.15°,相对于原水田激光平地机水平控制系统控制精度提高了0.5°。该研究为农机具水平自动调平提供了方法,能够提升农机具作业质量。     

基于拖拉机作业轨迹的农田面积测量

为了精确测量拖拉机在农田作业时的作业面积,以评价拖拉机的作业效率。该文选用双星定位(GPS卫星和伽利略卫星)接收机采集定位数据,采用自适应卡尔曼滤波算法提高接收机单点定位精度,利用高斯投影算法将GPS接收机采集经纬度转化成平面坐标来计算面积。选用回耕法、梭形耕法、套耕法3种方法旋耕地块,利用安装拖拉机上的GPS识别出作业轨迹,利用图像处理计算3种方法的有效作业面积、实际作业面积和重漏耕面积。试验表明:卡尔曼滤波提高了GPS单点定位精度;面积测量相对误差为2.09%;地块1(回耕法)漏耕率为14.29%,重耕率为6.19%,地块2(梭形耕法)漏耕率为10.72%,重耕率为5.54%,地块3(套耕法)漏耕率为1.80%,重耕率为6.82%。随测量面积增加,测量精度越高;套耕法效率最高,梭形耕法其次;回耕法的漏耕率最大,作业效率最低。     

采用倾角传感器的水田激光平地机设计

研制的采用倾角传感器的激光平地系统用于南方水田土壤的平整。平地机具通过三点式悬挂机构与拖拉机相连接，用左右两个油缸实现升降，由普通三位四通电磁换向阀控制油缸，分别采用激光与倾斜传感器实现平地机具左右侧升降控制。试验结果表明，采用倾角传感器的水田激光平地机在水田的平整精度能基本满足农艺要求。     

拖拉机自动转向系统容错自适应滑模控制方法

为提高拖拉机自动转向系统的可靠性,该文提出了一种具有前轮转角容错检测能力的径向基函数(radial basis function,RBF)网络自适应滑模控制方法。综合考虑拖拉机姿态信息和控制输出,基于卡尔曼滤波算法推导得出拖拉机前轮转角的两个估计值,并结合角度编码器实际测量值设计了前轮转角容错检测输出算法;以容错输出算法的输出值作为状态量,提出一种利用RBF网络进行干扰补偿的前轮角度自适应滑模控制方法,并通过仿真试验验证了算法的有效性。开展了拖拉机前轮转角容错检测和自动控制试验,结果显示:基于侧向加速度的转角预估值最大误差为2.94?,均方根误差为0.81?;基于横摆角速度的转角预估值的最大误差为1.73?,均方根误差为0.12?;当人为施加故障干扰时,算法可以提供容错的转角输出;拖拉机转向控制系统可以快速跟踪期望前轮角度且超调量较小,最大控制误差为0.21?,均方根误差为0.07?。试验结果表明,容错自适应滑模控制方法提高了自动转向控制系统的可靠性和准确性,有助于解决拖拉机前轮转角测量装置故障率高的问题。     

不同耕作方式下旱作玉米田土壤呼吸及其影响因素

为揭示不同耕作方式对旱作玉米田土壤呼吸的影响,对比研究深松耕、免耕、旋耕和翻耕4种耕作方式下土壤呼吸速率的动态变化及其与土壤水分、温度、有机质、全氮、pH值等的关系。结果表明,夏玉米生长季,4种耕作方式下土壤呼吸速率随生育时期均呈先增加后降低的趋势,平均土壤呼吸速率为深松耕>翻耕>旋耕>免耕;播种前至拔节期土壤温度为翻耕>深松耕>旋耕>免耕,抽雄期至成熟收获期为免耕>旋耕>深松耕>翻耕;各耕作方式下0～20cm层土壤有机质、全氮均逐渐增加,与免耕比较,翻耕有机质和全氮均降低;生育前期土壤pH值波动明显,抽雄期后趋于平缓,土壤pH值平均值为翻耕>旋耕>免耕>深松耕。各影响因素与土壤呼吸速率相关分析表明,深松耕和翻耕土壤水分、温度与土壤呼吸速率呈显著或极显著正相关;有机质与土壤呼吸速率呈负相关,且与深松耕措施下土壤呼吸速率呈显著负相关;除免耕外,其他耕作方式下土壤全氮、pH值与土壤呼吸呈负相关。该研究可为补充完善土壤呼吸排放机理、评估区域碳收支平衡及制定科学有效的土壤碳调控管理措施提供依据。     

基于电液悬挂系统的拖拉机主动减振控制

大功率拖拉机的减振问题对于确保拖拉机的行驶安全性及舒适性起着决定性作用。该文基于电液悬挂系统对拖拉机进行了主动减振控制系统的设计,设计了带位置校正环节的离散滑模控制方法。该方法仅利用电液悬挂系统已有的牵引力传感器及位置传感器采集振动信息,而不需增加其他振动传感器。之后该文对系统进行了仿真和试验验证,结果表明:与不加控制前相比,主动减振控制使拖拉机的振动强度及前轮胎动载荷均显著降低,在受到水泥路障冲击后的整个过程中,农具振动加速度的均方根值降低了51.2%,后轮轴心的垂直加速度均方根值降低了20.1%;拖拉机质心的垂直加速度均方根值降低了16.6%;前轮胎的平均动载荷降低了39%;农具的存在引起的10~15 Hz的振动被完全抑制,农具的存在所加强的约5 Hz的俯仰振动也几乎消失;位置校正环节使液压缸活塞的运动轨迹保持在期望位置范围内。实车试验中,振动加速度测量信号的均方根值降低了25.7%;驾驶室内测点的垂直加速度的均方根值降低了26.4%。证明了所设计的主动减振控制器的有效性和可行性。     

犁旋一体机自动调平系统设计与试验

为了解决犁旋一体机作业过程中调节机具问题,设计了一种犁旋一体机自动调平系统,该系统包括执行机构、控制系统、液压系统。根据犁旋一体机自身的特点,提出了一种确定调平角度范围的方法,并根据实际田间作业情况,运用EDEM仿真软件进行田间作业的虚拟仿真,仿真结果表明:地表平整度小于2 cm,满足农艺要求。在设计和仿真的基础上,进行田间试验,将手动调平的犁旋一体机的作业情况和自动调平的犁旋一体机的作业情况进行对照,分析了作业过程中机具的角度变化和作业后的耕深及其稳定性,地表平整度。结果表明:自动调平犁旋一体机相对于手动调平犁旋一体机,在耕深的稳定性和耕后地表平整度上有较为明显的提高,前者耕深稳定系数达到87.31%,后者为84.76%。前者地表平整度为1.97 cm,后者为2.56 cm。     

Computer Simulation of Tractor Single-point Drawbar Performance

A computer algorithm has been developed to predict single-point drawbar performance of a tractor taking into account all the necessary variables during field operation. The performance of tractor–implement system with a single-point hitch involves the effect of a number of variables on the whole tractor–implement–soil system. Considering all these, the developed computer algorithm is able to predict the performance of whole operation. This model is capable of determining the maximum pull available in the given field condition and matches the performance of trailed implements, such as a disc harrow and two-axle trailer. The model was able to predict maximum load and slope climbing ability of tractor with single- and two-axle trailers under different conditions. It was predicted by the model that the maximum pull developed by a tractor is limited by gross traction in the soft soil whereas it was limited by the power available from the tractor in hard soil. The longitudinal stability of the tractor taken for analysis varied with hitch point position. Appropriate determination of disc harrow performance was possible using the developed model.     

悬挂农具对电液悬挂系统拖拉机振动的影响

悬挂农具设备的拖拉机在行驶过程中的振动会加剧,有时甚至产生很大的俯仰运动。为了研究悬挂农具的存在对拖拉机振动特性的影响,该文在对拖拉机进行运动学和动力学分析的同时,首次详细分析了悬挂机构的运动及受力情况,从而建立了带有悬挂农具的大功率拖拉机整机振动数学模型;用Matlab仿真了拖拉机受到条形水泥障碍激励时的振动情况。研究表明:农具的存在使拖拉机前轮动载系数由O.26增大到0.55;空载拖拉机垂直振动频率为3 Hz,带农具的拖拉机垂直振动频率为2.5 Hz;农具的存在使得拖拉机的俯仰振动显著增加,频率为4.8 Hz;由于悬挂系统的运动与拖拉机机体振动的非线性耦合,一定条件下会表现出频率为10~15 Hz的第3振型的振动;农具的振动使得电液悬挂系统下拉杆铰接点处的力发生相应变化,其垂直分量的大小与农具质心垂直加速度之间存在较好的线性关系。仿真结果与试验结果相吻合,验证了所建数学模型的正确性。所得到的上述结论为拖拉机主动减振控制提供了理论依据。     

拖拉机作业机组模糊综合控制模型及仿真试验

拖拉机作业机组是一个复杂的非线性且有惯性的控制系统，系统参数间存在耦合关系，建立精确数学模型进行综合控制比较困难，通过对拖拉机作业机组动态特性的研究，建立了基于发动机负荷率、驱动轮滑转率和作业阻力3参数的综合控制仿真模型，并应用模糊控制技术实现了机组的综合控制。试验结果表明，该仿真模型能够根据作业阻力的变化自动推理输出档位、油门位置或耕深控制信号，由下位机执行机构完成控制，实现了由计算机模拟驾驶员对机组进行综合自动控制。由计算机实现机组综合自动控制，能根据选定的控制策略使发动机按最低油耗曲线运行，获得了很好的动力性和经济性，而且计算机自动控制摆脱了人工经验控制，控制更精确，比人工控制效果好，且控制具可重复性和试验结果具可比性。因此，所设计的拖拉机作业机组模糊综合控制模型对拖拉机作业机组综合自动控制研究有一定的实用和参考价值。