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。     

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。     

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。     

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。     

基于倾角传感器的拖拉机悬挂机组耕深自动测量方法

在拖拉机悬挂机组耕深自动控制系统中,位置测量具有重要的作用,该文提出了一种基于倾角传感器自动测量农机具耕深的方法。通过检测提升臂的水平倾角变化,由悬挂机构几何关系和倾角传感器输出特性推导出耕深值与测量电压值之间的线性关系并换算得到实际耕深。与其他传感方式相比,该方法具有封装小、集成度高、安装和维护方便、标定易操作的特点,测量综合精度为±1.4mm;虚拟终端显示装置可直观反映耕作过程中耕深控制的实时状况,为操作者提供有效的判断依据。田间试验结果表明,耕深稳定在-200mm时的标准差为8.19,低于五轮仪测量方式,测量稳定;耕深从-100mm下降到-200mm时响应时间为3.5s,少于五轮仪测量方式,动态特性更好;耕深稳定性变异系数为3.34%,满足农艺要求。论文提出的耕深测量方法、显示界面和自动控制系统对拖拉机设计具有一定的参考意义。     

基于最优滑转率的电动车辆驱动防滑控制策略

针对目前大功率运输车辆在起步阶段车轮容易出现打滑空转现象,提出了基于最优滑转率的驱动防滑控制策略,将驱动防滑控制系统应用到重载运输车辆上。通过监测车辆行驶滑转率,由模糊控制系统控制电机调整转矩,将轮胎的滑转率控制在最优滑转率附近。在Matlab/Simulink建立仿真模型,并进行一系列在不同路面工况下的仿真试验。结果表明模糊控制能够有效控制滑转率,能够将滑转率稳定控制在0.2左右,并且提高利用附着系数,使其接近路面自身的附着系数。在低附路面仿真结果中,将车身加速度从0.8提高到了0.95 m/s2左右,并使其稳定在0.95 m/s2,达到了提高车辆的动力性的目的。最后,依据工业级的嵌入式系统Compact RIO-9024和PXI8110搭建了硬件在环仿真系统。通过对该系统的硬件在环仿真研究,整车在不同路面上的响应时间小于1 s,能够满足实车行驶时的实时性要求,验证了模糊控制算法的实时性。该研究可为大型工程运输车辆的驱动防滑设计提供参考。     

山地果园索道张紧调节自动控制装置的设计

为进一步提高山地果园中果品农资运输的安全性和可靠性,解决传统索道张紧调节依赖于人力或机械的方法受到使用强度限制,无法对索道运行过程中驱动链张紧进行实时检测,导致张紧调节具有滞后性、自适应不强等问题,该文设计了一种山地果园索道张紧调节自动控制装置,张紧调节采用PID控制算法,可适用于不同负载条件下,实时检测驱动链张紧力变化调整索道驱动链张紧程度。试验结果表明：索道运行过程中,张紧控制系统工作在无控制和PID控制条件下,驱动链分别承受的张紧力均值变化范围为：653.5944～763.4059 N和508.1988～568.7609 N,能有效地实现驱动链张紧自动调节,控制系统最大跟踪误差为104 N,平均误差为13.6417 N。     

联合收获机单神经元PID导航控制器设计与试验

针对联合收获机在田间直线跟踪作业中在维持高割幅率条件下易产生漏割的问题,设计了一种基于单神经元PID(Proportion Integration Differentiation)的联合收获机导航控制器。以轮式联合收获机为平台,通过对原有液压转向机构进行电控液压改装,搭载相关传感器构建了导航硬件系统。开展了常规PID控制和单神经元PID控制的仿真以及实地对比试验,仿真结果表明单神经元PID控制具有超调小和进入稳态快等特点;路面试验表明,当收获机速度为0.7 m/s时,单神经元PID控制最大跟踪偏差为6.10 cm,平均绝对偏差为1.21 cm;田间试验表明,收获机速度为0.7 m/s时,单神经元PID控制田间收获最大跟踪偏差为8.14 cm,平均绝对偏差为3.20 cm。试验表明所设计的联合收获机导航控制器能够满足自动导航收获作业要求,为收获作业自动导航提供了技术参考。     

基于GNSS的农机自动导航路径搜索及转向控制

为提高农机自动导航系统性能,提出了一种基于全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)的农机自动导航路径搜索方法和基于预瞄点搜索的纯追踪模型。根据农机不同作业需求,导航系统可选择直线路径搜索或曲线路径搜索,实现农机直线和曲线自动导航作业;建立基于预瞄点搜索的纯追踪模型,并将其用于农机转向控制,该模型不涉及复杂的控制理论,适用性较强。为验证路径搜索方法和纯追踪模型性能,以John Deere拖拉机为试验平台,进行了农机直线跟踪和转向控制导航试验。结果表明:直线路径跟踪导航试验,车速为0.8、1.0和1.2 m/s时,导航均方根误差分别为3.79、4.28和5.39 cm;转向导航试验,车速为0.6 m/s时,在弓形转弯和梨形转弯导航方式下,导航均方根误差分别为25.23和14.42 cm;与模糊控制方法对比试验,直线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为4.30和5.95 cm,在曲线路径导航方式下,应用该文方法和模糊控制方法的导航均方根误差分别为13.73和21.40 cm;基于GNSS的农机自动导航路径搜索方法和预瞄点搜索的纯追踪模型可以得到较好的定位控制精度,可满足田间实际作业的要求。     

拖拉机自动导航变曲度路径跟踪控制

针对当前拖拉机自动导航曲线跟踪控制精度不能满足生产需要的问题,该研究提出一种基于前轮转角前馈补偿策略的变曲度路径跟踪控制方法。综合考虑农机作业速度和目标路径曲度对前视距离的影响,通过调整前视区域和计算预瞄点,动态调整前视距离和前轮转角前馈量,在追踪预瞄点的过程中,利用农机与目标路径偏差设计变曲度路径跟踪模糊控制器,通过实时调整拖拉机前轮转角补偿量减小稳态误差。以DF2204无级变速拖拉机为试验平台,设计并研发了自动导航系统,开展21组变曲度路径跟踪控制试验。试验结果表明,拖拉机以1、1.5、2和3 m/s速度行驶时的平均绝对误差的平均值分别为2.7、2.7、3.3和4.0 cm,均方根误差的平均值分别为3.4、3.7、4.6和5.0 cm,满足农业生产需求。所提方法可有效提高农机曲线路径跟踪精度,减少漏耕,提高农田利用率。     

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。     

重型拖拉机电液提升器插装式比例提升阀性能仿真与试验

为更准确地反映重型拖拉机电液提升器比例提升阀的本质特性,该文剖析了比例提升阀中各液压组件的内部结构和工作机理,并应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的比例提升阀非线性数学模型,应用MATLAB/Simulink搭建其仿真模型,基于四阶龙格库塔算法对其动、静态性能进行了仿真分析,揭示了其内部阀芯的运动规律。仿真结果表明:在静态性能方面,比例提升阀平均负载补偿压力约为1.5MPa,流量基本稳定在62L/min附近,具有良好的负载压力补偿和稳态调速特性;在动态性能方面,比例提升阀系统输出流量波动受负载变化影响小,且具有良好的动态调速性能。基于闭心式负载敏感液压系统试验平台,开展了比例提升阀稳态流量特性和动态性能试验,试验结果表明:比例提升阀静态流量输出平稳,回程误差小于5%,当负载阶跃变化时,比例提升阀可实时进行压力补偿,补偿压力约为1.5 MPa,液压冲击小,具有良好的稳态调速特性,满足重型拖拉机电液提升器田间作业需求,该研究可为拖拉机液压系统关键零部件建模仿真和试验分析提供参考。     

电动拖拉机田间巡航作业驱动转矩管理模型

针对电动拖拉机整机控制中与驱动转矩相关且通用性较强的功能环节,在驱动系统上层搭建了一种通用型的驱动转矩管理控制模型。以满足田间作业需求、提升作业质量为目标,将输入信号标定为期望作业车速,并进一步转化为电机目标转速。根据实际转速与目标转速的偏差,计算电机目标输出转矩,以使电机需求功率与作业负载相平衡。进一步考虑巡航作业过程中驱动转矩变化引起的整机冲击度、当前转速下电机可用最大转矩以及驱动系统过温、电池放电欠压的影响,依次搭建了针对目标输出转矩的斜坡限制、基于转速的转矩容量限制和极端工况下的比例减载限制模型。搭建了包括电池、驱动电机以及整机纵向动力学在内的电动拖拉机模型。基于驱动转矩管理模型设计了目标控制器,并搭建了dSPACE硬件在环测试平台,分别对转矩管理模型中的各个参数进行了标定,并对牵引作业工况下驱动系统的输出特性进行了测试,结果表明:在牵引作业时,实际车速可平稳跟踪期望作业车速,跟踪误差主要取决于驱动轮的滑转程度,当期望车速改变时,实际车速按标定斜率向期望值平缓过渡;作业过程中,模型输出转矩始终处于电机转矩容量范围以内,且转矩变化率不超过35N·m/s,与未经斜坡限制处理的原始目标转矩相比,转矩变化趋于缓和;当电池输出电压低于欠压报警阈值时,驱动转矩管理模型根据电池欠压程度将模型输出转矩比例缩减10%～27%,确保电池输出电压不低于停机阈值。所搭建的驱动转矩管理模型可为电动拖拉机整机控制器的设计提供技术参考。     

采用滑转率-阻力区间划分法的拖拉机双流传动系统调速控制

为解决拖拉机作业过程中因作业阻力波动而导致生产效率降低的问题,该研究以自主开发设计的液压机械无级变速器(Hydraulic Mechanical Continuously Variable Transmission,HMCVT)为研究对象,通过对滑转率区间划分确定了滑转率控制和车速控制的优先级;通过对作业阻力范围划分确...     

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。     

东方红拖拉机自动转向控制器设计及试验

以东方红-X804拖拉机为试验平台,设计了基于双闭环控制方法的转向控制器,以提高农业机械导航的精度。首先阐述了系统整体结构及工作原理,使用角度传感器KMA199和角速率传感器ADIS16300分别测量转向角度、转向角速率,电控液压阀、换挡电磁阀和溢流阀作为执行单元实现自动转向。建立了数学模型,介绍了转向控制器的硬件电路实现,设计了CAN总线网络功能节点。结合拖拉机田间作业过程中系统非线性特性,提出了以角速度控制为内环、转向角度控制为外环的双闭环控制方法,给出了控制算法的推导过程,并使用Matlab工具箱进行系统辨识得到传递函数的参数。试验结果表明:ADIS16300角速度积分的角度值有较高准确度,平均误差为0.53°。方波信号的角度跟踪稳态时平均误差为0.40°,平均跟踪时间为1.3 s,角速率跟踪稳态时平均误差为1.25(°)/s,延时时间平均值为0.2 s;双闭环控制方法较好抑制了稳态时的震荡现象。     

基于Raspberry Pi的拖拉机通用自动驾驶系统

为了改善现阶段拖拉机自动化驾驶系统主要针对单个特定型号的拖拉机进行开发的局限性,该文设计了一套采用分布式控制方式的拖拉机自动化驾驶系统。该系统的作用在于同SAFAR系统（software architecture for agricultural robot,农业机器人的软件体系结构）整合,成为一个能够进行实际工作的系统。系统采用Raspberry Pi微型计算机作为系统的电子控制单元（electronic control unit,ECU）,在不同的ECU上分别处理不同的任务,利用通讯协议传输控制协议/互联网络协议来进行ECU之间的通讯。为了保障系统的安全,该系统采用激光测距传感器R2100来保障车辆和周围环境的安全,采用Heart Beat（心跳）检测机制来探测系统故障。该系统可以接收来自SAFAR的控制信号,并对拖拉机进行相应的操作来实现拖拉机的自动化驾驶。除此之外,该系统还提供了无线遥控的功能,能够方便操作人员进行简单、直观的操控。经过测试,该系统能够正确、快速地响应来自操作人员或SAFAR的控制,控制系统的响应时间低于0.5 s,电机转向角误差小于0.06;舵机角度偏差4°左右;系统各个ECU之间通讯稳定可靠,可在试验设定的4 h内稳定工作,每0.25 s检测一次工作环境并给予响应。该研究对农业机械自动化的实现提供了参考。     

基于拖拉机整机效率最大化的液压机械无级变速规律

为了实现对拖拉机多段液压机械无级变速传动(hydro-mechanical continuously variable transmission,HMCVT)在任意稳定行驶速度和许可牵引负载下经济性最佳的控制,该文对拖拉机经济性最佳的无级变速规律进行了研究。根据拖拉机能量传递的特点,考虑HMCVT在不同传动比下存在效率差异的特征,把研究拖拉机的经济性最佳转化为对整车效率最大的研究。在分析整机传动系统效率特性的基础上,针对效率最大的目标函数和约束条件,求解了整车效率数值,结果表明在任意目标车速和牵引负载下,优化后拖拉机整车效率在35%~40%之间,并得出了效率最大时HMCVT最佳传动比、发动机转速和转矩,确定了基于整车效率最大的拖拉机HMCVT传动变速原理。研究表明:基于整车效率最大化原则能够实现拖拉机在任意车速和牵引负载下的整车经济性最佳,根据整车效率最大化确定的拖拉机多段HMCVT经济性最佳无级变速规律,为下一步制定装备多段HMCVT的拖拉机的经济性最佳控制策略提供参考。     

基于myRIO的电动拖拉机驱动控制器设计与室内试验

由于传统的内燃机拖拉机污染严重,噪音大,不适合工作在温室大棚等空间封闭狭窄的场合,开发小型电动拖拉机的需求变得日益迫切。设计了一种小型电动拖拉机用的永磁直流无刷电动机控制器,该控制器以myRIO为控制核心,智能化程度高,满足电动拖拉机运输、作业时多种动力工况要求。控制器外围电路包括MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor,金属-氧化物半导体场效应晶体管)功率放大、栅极驱动、电流保护、低电压保护和温度保护等电路。运用Lab VIEW/FPGA图形化编程环境,编写了ARM实时处理器控制流程和FPGA(field-programmable gate array,现场可编程门阵列)I/O驱动程序,软件由启动、驱动、欠压保护、过流保护、过热保护等子VI程序组成。通过样机试验表明,电动拖拉机工作正常,空载时启动电流为120 A,带载时启动电流为164 A,驱动时序符合直流无刷电动机要求。该设计方案解决了驱动控制器开发困难的问题,为电动拖拉机智能化的发展提供了参考。