输入受限的植保机悬架喷杆系统位置跟踪控制

针对目前大型植保机作业中喷杆跟随冠层高度控制效果不好及实际控制器未考虑输入受限的问题,提出了一种悬架喷杆系统位置跟踪控制策略。首先,建立了植保机悬架喷杆系统的非线性模型,利用双曲正切函数对输入饱和函数进行处理,并构造稳定的辅助控制信号;其次,采用改进反步控制方法,结合Nussbaum技术抑制虚拟控制增益的不确定性,实现对悬架喷杆系统位置控制器的设计;最后,通过构造适当的Lyapunov函数使各误差子系统实现最终一致有界,保证了植保机悬架喷杆系统的稳定性。仿真结果表明,所提出的控制策略具有良好的跟踪控制性能。     

双钟摆主被动悬架式大型喷雾机喷杆动力学仿真与试验

大型喷杆式喷雾机在田间作业时,喷杆运动严重影响了喷雾分布,悬架系统是控制喷杆动力学行为的关键装置,既要隔离来自车体的高频扰动,又要使喷杆跟踪低频的地面坡度变化,时刻保持与地面(或作物冠层)平行。为了研究双钟摆主、被动悬架机构的动力学特性,综合考虑车体运动耦合作用、地形坡度变化、摩擦等因素,使用第二类拉格朗日动力学方法建立描述喷杆动力学行为的数学模型。首先进行被动悬架动态特性研究,分析阻尼、摩擦、摆钟长度等因素对响应特性的影响;然后建立基于液压比例控制的主动悬架Matlab/Simulink仿真模型,揭示控制系统增益系数、时间常数、悬架结构参数等对喷杆响应特性、跟踪误差的影响规律。利用Stewart六自由度运动模拟平台及动态测试系统,对28 m大型喷杆悬架系统进行瞬态响应测试和频响测试,频响试验值与数学模型预测值均方根误差为0.087,表明模型可用于预测喷杆动态响应特性,指导悬架参数科学配置。     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制分析

在国民经济迅速发展的大时代背景下，大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制分析一直是社会广泛关注的热点话题之一。基于此，本文首先说明了喷杆式喷雾机结构及相关内容，在悬架系统动力学建模方法后；其次对控制器设计与性能进行论述，最后进行了试验分析，希望能够给同行提供一定的参考价值。     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制研究

针对大型喷雾机喷杆钟摆式主被动悬架系统存在的参数不确定性和随机干扰导致控制精度低、稳定性差的问题，对基于模型补偿的自适应鲁棒控制算法进行研究。建立了钟摆式主被动悬架的非线性动力学模型和调节机构几何方程，基于模型设计了自适应鲁棒控制器，综合悬架系统和电液位置伺服系统模型中存在的参数不确定性，同时兼顾系统未补偿的摩擦力和外部扰动等不确定非线性因素，通过理论分析和试验证明，在同时存在模型参数不确定和不确定非线性的情况下，设计的控制器可以保证系统输出跟踪控制的暂态性能和稳态精度。以单出杆液压作动器驱动的28m大型喷杆主被动悬架为例，借助建立的大型喷杆悬架半实物仿真平台进行了控制算法的试验验证，并使用Stewart六自由度运动平台模拟底盘的运动干扰，与反馈线性化控制器、鲁棒反馈控制器、PID控制器进行了试验对比，结果表明，设计的基于模型补偿的自适应鲁棒控制器最大跟踪误差0.148°，而反馈线性化控制器最大跟踪误差0.201°，鲁棒反馈控制器最大跟踪误差0.51°，PID控制器最大跟踪误差0.48°。设计的控制器在同时存在参数不确定性和扰动的情况下，使用较小的反馈增益能够保证渐进跟踪性能和稳态跟踪精度。     

喷杆喷雾机等腰梯形悬架改进与验证

对喷杆喷雾机等腰梯形悬架进行了改进,通过对等腰梯形悬架平衡条件进行理论分析,得到了等腰梯形悬架的平衡方程,提出了基于变单拉杆长度悬架的控制方法,并得出了控制方程。将该变单拉杆长度悬架机构应用于3WZC-2000型超高地隙自走式喷杆喷雾机上,进行了实验室与田间实验。结果表明:当喷雾机在倾斜角度为±10°的路面行走时,该悬架系统能够满足调节平衡的要求。     

大型自走式喷雾机喷杆研究现状及发展趋势分析

高地隙自走式喷杆喷雾机是田间施药机械的主要机型,而喷杆是实现喷雾稳定作业的关键机构。近年来,为提高高地隙自走式喷雾机喷杆的精准施药水平,喷杆结构不断得到优化,喷杆减振、平衡技术日趋成熟。本文阐述了喷杆的平面、三角形立体和梯形立体等3种桁架结构,分析国内外自走式喷雾机喷杆的主要结构参数以及减振装置和智能控制系统的技术现状,概述了喷杆在减振、平衡和位姿检测方面的主要研究成果。据统计20m以上喷幅的喷雾机仅占比6.79%,10~14.9m喷幅占比73.30%,表明国内以小型喷杆为主,大型喷雾机占比小。分析了国内喷杆存在的主要问题,指出我国喷杆的发展趋势,即优化喷杆结构、加强喷杆系列产品开发、设置多级多点减振机构、提高自平衡控制水平、实现位姿智能监测调整,为我国喷杆进一步的结构优化和性能提升提供了参考。     

基于专家控制的喷杆高度智能调节系统研究

针对喷杆喷雾机作业过程中，因田间地表起伏和土壤硬度不同导致喷杆与施药靶标面无法始终保持适当距离、影响施药均匀性和防治效果的问题，设计了一种喷杆高度智能调节系统。该系统采用3个超声波测距传感器获取喷杆不同位置的高度信息并用限幅滑动平均滤波算法对传感器数据进行预处理，同时将双轴倾角传感器分别安装于车体底盘中部和喷杆上，以实时获取喷雾机和喷杆的姿态信息。然后采用基于加权平均的多传感器融合算法对喷杆高度信息进行融合处理。利用专家知识和经验，综合考虑当前喷雾机姿态信息和喷杆高度信息，设计使用不同的控制参数和控制规则，再由专家控制推理机按照制定的控制策略进行推理输出。然后控制机构通过PWM控制电磁比例换向阀动作，驱动喷杆调节油缸对喷杆高度进行调节，使喷杆高度误差快速稳定在允许误差范围内。给出了喷杆系统的机械结构，阐述了系统硬件系统组成、工作原理和喷杆高度智能调节系统的专家控制算法和软件实现。系统通过CAN总线实时获取外部变量施药系统的工作状态信息，实现与变量施药系统的工作同步，同时由触摸屏实现人机交互，设定放大系数、衰减系数、动作阈值等控制参数，再通过CAN总线输送至控制器用于喷杆高度控制。系统应用于课题组研制的3WZG-3000A型大型喷雾机，并针对喷杆高度智能调节系统的调节性能进行了试验。试验结果表明，该系统可以快速跟随阶跃激励引起的喷杆高度调节需求，当喷杆高度控制允许误差设定为8%、阶跃激励为20cm时，最大调节时间不大于0.75s。     

喷杆式喷雾机关键部件设计与研究

随着保护性耕作技术的推广,大型喷杆式喷雾机的需求逐渐增加,为克服目前国内普遍使用的喷杆式喷雾机喷幅小、喷杆架升降连续性差、喷杆平衡机构复杂等突出问题,对3WF-1000型喷杆式喷雾机的关键部件进行了设计,通过对升降、喷杆架平衡等机构进行了理论分析和机构设计,使之具有升降机构工作更加连续稳定、平衡调节简单有效等优点。同时,进行了不同压力对分布均匀性影响的试验,结果表明,在喷雾机标准工作压力0.4MPa、喷雾高度500mm时,沿喷杆方向的多喷头雾量叠加均匀性变异系数为3.5%,喷雾均匀性较好。该研究为后续喷杆式喷雾机的研究提供了一定的参考。     

喷杆运动与喷雾沉积分布变异系数关系试验研究

喷杆式喷雾机被广泛用于作物病虫草害的防治和液态化肥的喷施,可以增大农作物的产量;然而,喷雾机在起伏不平的田间行驶时,地面起伏会导致喷杆发生无规律运动。为了探明喷杆运动对喷雾沉积分布的影响规律,通过在喷杆末梢安装超声波测距传感器和加速度传感器,测量喷杆的滚转运动及垂向振动加速度,同时在田间布置水敏纸,测量沿着喷杆方向和行驶方向的雾滴分布均匀性变异系数。使用双GPS辅助的惯性测量系统获取喷雾机底盘的运动姿态和运动轨迹,将测得的喷杆运动与水敏纸测得的沉积分布量对应起来,通过对试验数据分析车体晃动、喷杆运动、喷雾分布变异系数之间的关系。结果表明:对无减振悬架的喷杆喷雾机底盘晃动越剧烈,喷杆的不规律运动及弹性变形越大;A组覆盖率试验采样位置处喷杆两侧高度差374mm,对应的横向喷雾分布变异系数为80.38%;B组位置处喷杆高度差118mm,对应的横向喷雾分布变异系数为65.48%;喷臂两侧高度差越大,雾滴分布的变异系数越大。同时,喷雾机垂向振动加速度比前进方向的加速度大,喷杆垂直面内的振动较大,导致测得的沿喷杆方向的雾滴覆盖率变异系数大于行驶方向的变异系数。     

高地隙自走式喷杆喷雾机研究现状及展望

高地隙自走式喷杆喷雾机作为一种重要的植保机械,具有工作效率高、生产成本较低以及工作稳定等优点,在国内外得到广泛应用,我国对高地隙自走式喷杆喷雾机关键技术也进行了研究.本文综述了国内外高地隙自走式喷杆喷雾机的研究与应用现状,讨论了当前面临的一些问题与不足,并对其发展趋势进行了探讨.     

高地隙喷雾机主动空气悬架减振控制与实验

高地隙自走式喷雾机在接近于系统固有频率的地面条件下工作时,由于车身重心高、喷杆质量大且展开后较长,导致工作时车身与喷杆大幅剧烈摆动,影响作业质量甚至危及安全。针对此,本文提出适时开启的主动空气悬架减振方案。方案实施过程中,一方面需要解决空气弹簧充放气过程中的非线性控制问题,另一方面则需面对车身加速度与位移多变量同时控制以及最大控制力和悬架行程受限的传统问题。为此,制定了一种空气悬架H∞状态反馈与时频非线性联合减振控制策略。首先求解系统在约束条件下的H∞状态反馈控制器增益,基于此控制器可计算系统在地面扰动下的空气弹簧所应实施的目标压力;然后设计时频非线性控制器,依靠该控制器实时调节比例电磁阀开度进而控制空气弹簧压力使其跟随目标。基于室内台架实验,在模拟地面条件接近于系统固有频率以及田间随机路面激励两种工况下,对所提策略进行了验证。结果表明,系统在一阶共振频率的激励下,被动悬架簧载质量最大加速度达8.5 m/s2左右,半主动悬架的最大加速度约为7 m/s2,而主动空气悬架的最大加速度降低至2.5 m/s2,并在主动控制过程中,悬架位移始终保持在限制范围内,激振结束后悬架位移逐渐恢复至零初始位置;在随机田间路面激励工况下,主动控制悬架的车身加速度亦显著降低,证明了主动减振方案的有效性。     

喷杆式喷药机喷杆高度调控系统设计与试验

为提高大田喷雾药液利用率,喷杆式喷药机作业过程中喷杆需要与作物冠层顶端保持某一设定距离并保持近似平行。为此,针对大田喷药喷杆仿形控制应用需求,设计了一种喷杆高度调节闭环控制系统。系统由喷杆机械机构、喷杆高度探测模块、液压调控系统、控制电路和控制软件组成,使用超声波传感器实时探测喷头与作物冠层之间的距离,与用户设定目标距离进行比较后控制液压阀动作,以实时调节喷杆高度。对喷杆高度调控系统调节性能进行了试验,结果表明:调节高度为20～60cm时,系统调节过程无超调,最大调节时间为10.1s,最大稳态误差为3.1%。系统调节精度高,运行稳定,可有效实时调节喷杆高度,为喷杆喷雾机仿形喷雾控制提供了算法支持。     

大型高地隙喷雾机喷杆减振试验与优化

针对大型高地隙喷雾机喷杆振动大,减振元件减振效果差的问题,采用二次正交旋转组合的试验方法,对悬架上减振元件进行四因素三水平的田间振动试验,得到各因素对振动影响显著性及趋势变化；对减振组合参数进行优化和试验验证,得到最优减振组合为：喷雾机行驶速度为2.125m/s、垂向弹簧刚度系数为78.14N/mm、垂向阻尼器复原阻尼系数为8.23N.s/mm和水平方向阻尼器复原阻尼系数为8.74N.s/mm,优化后的喷杆行进方向振动加速度0~6m/s₂^区间占比85.26%,提高了4%以上、翻滚倾角0~0.6°区间占比88.37%,提高了4%以上、垂直方向振动加速度0~6m/s₂^区间占比87.96%,提高了3%以上,喷杆的振动和翻滚明显减小,通过喷杆悬架减振组合试验和优化验证试验,为喷雾机作业参数设置和减振元件参数选取提供参考。     

喷雾机喷杆结构的研究现状及展望

由于目前喷雾机的喷杆仍存在振动强、倾斜严重等问题,严重影响到喷雾机施药过程中的药液均匀性和作业效率,因此需要对喷雾机的喷杆进行结构优化。本文结合当前国内外喷杆结构研究的主要技术,从喷杆的结构特征入手,分析了目前喷杆结构存在的主要问题及相应的解决方式,总结了未来喷杆结构优化的发展方向,并对提高我国喷雾机效率的喷杆结构优化技术进行了展望。     

大田蔬菜高地隙自走式喷杆喷雾机的研制

针对我国缺乏大田蔬菜地高效施药机具的现状,研制出一种小型、高效、安全的防治大田蔬菜与水稻病虫草害的轻便型自走式高地隙喷杆喷雾机。该机具集成高地隙自走式底盘、喷雾系统、机电液中央控制系统,自走式底盘主要由机架、动力系统、行走转向系统以及液压系统几个方面组成。该机具四轮驱动、四轮转向、行驶稳定、转向灵活、适应性强,喷杆前置、药箱后置,保证了整机重心平衡,采用电动推杆实现喷杆的折叠,减轻了喷杆质量,作业效率高,不仅满足大田蔬菜施药农艺要求,还可应用于水田施药作业。     

喷杆高度在线调控设计与试验研究

随着化学农药成本的上涨及对环境问题的日益关注,要求生产出更加先进的喷雾设备以提高喷雾均匀性。喷杆式喷雾机在田间作业时,为保证施药效果,喷杆与作物冠层之间始终保持近似平行保持距适当距离,以避免喷杆倾斜刮伤作物,因而设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器和角度传感器相结合的方法,利用超声波测距传感器实时检测喷杆两端与植株冠层的距离并与系统设定的高度值进行比对来控制油缸的伸缩,角度传感器控制喷杆与水平面的倾斜角。本文给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,并对喷杆高度在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。     

喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统

为保证喷杆式喷雾机工作过程中,喷杆与冠层之间始终保持近似平行并相距适当距离,以保证施药效果,并避免喷杆倾斜刮伤作物,设计了一套喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统。该系统采用超声波测距传感器实时检测喷杆两端的实际对地距离,并根据其与喷杆设定作业高度的差别,控制油缸动作,对喷杆高度及喷杆平衡进行实时调整。给出了喷杆式喷雾机样机的总体结构,介绍了喷杆高度液压调节系统的组成和工作原理,详细阐述了喷杆高度及平衡在线调控系统的软、硬件设计方法,设计了一种对地距离检测信号枝叶遮挡干扰的滤波算法,并对喷杆高度及平衡在线调控系统的调节性能进行了场地和田间试验。场地试验表明,该调控系统可以有效改善阶跃激励路面引起的喷杆高度变化,并可以将喷杆高度变化值控制在±3 cm范围内。田间试验表明,喷杆高度信号滤波程序可以有效滤除分行器下方偶有棉花枝叶的干扰,实现喷杆高度及平衡的在线调控。     

3WPZ—2000型自走式喷杆喷雾机的设计研究

随着新疆、东北等地区大田经济作物种植面积的逐年增加,现有的中小型喷雾机存在作业效率低、种植行距限制、作物植株高低限制等诸多缺点,现代化大型精量喷雾机的开发迫在眉睫。本文设计一款自走式喷杆喷雾机,整车采用静液压驱动行走系统;驾驶室和喷杆高度液压可调,轮距液压可调,满足2 200mm以下作物高度的喷雾作业,作业效率高、适应性强。样机田间试验表明:作业工况下最高速度12km/h,转场工况下最高速度25km/h;药箱容量2 000L,传感器容量显示误差±4%;喷杆喷幅21m;轮距1 900~2 700mm液压可调,两侧变距误差≤2.5%;驾驶室和喷杆离地高度500~3 000mm液压可调;喷药系统可实现变量喷雾,整车结构性能稳定。     

变量喷雾设备特性分析及其控制系统应用研究

随着社会经济不断发展,我国农业种植由传统多区域小面积逐渐转变为单区域大面积种植模式,为适应农业发展趋势,由传统人工喷雾转变为变量喷雾,可作用大面积区域,且可根据种植区域农作物状况合理控制流量,降低喷雾成本。为此,针对当前最常见变量喷雾设备结构及控制系统展开研究,因喷雾设备采用可舒展延伸型喷杆结构,对其悬架及喷杆进行运动分析,结合实际找出影响喷雾效果的因素,得出不同运动状态及系统传递函数。同时,选择合适节流阀,根据流量及喷雾特点采用自使用模糊PID控制原理设计喷雾系统,基于PID算法基础利用推理条件得出模糊控制规则表控制喷雾系统实现喷雾变量控制。     

单旋翼植保无人机喷杆悬架机构设计与分析

传统单旋翼植保无人机其喷杆固定在悬架上,作业时随无人机飞行姿态变化,喷杆倾角也发生相应的变化,为研究其对喷雾效果的影响程度,改进喷杆连接方式是研究的首要任务。根据建湖田间试验采集得到的单旋翼植保无人机飞行姿态谱,采用欧拉角法和四元数法解算出单旋翼植保无人机在作业过程中pitch方向的角度变化范围为-18°～18°,roll方向的角度变化范围为-15°～14°,并根据机身姿态变化范围、无人机机身结构和最佳旋翼风场条件建立喷杆悬架机构模型,其中对喷杆角度调节范围进行合理放大,时roll方向的角度调节范围为-20°～20°,pitch方向的角度调节范围为-30°～30°。使用ANSYS workbench对机构模型进行静力学分析和模态分析,在静力学分析中得到机构的最大应力发生在俯仰支架上,且最大应力为13.33 MPa,而铝合金的许用应力为280 MPa,表明结构满足要求;在模态分析中可以得出,从第5阶开始机构的固有频率明显增大,从振型云图上可以看出除喷杆的最大变形为60.153 mm,而其他连接结构变形较小,满足振动要求。