水田激光平地机调平系统动力学建模

为实现基于动态过程模型的控制,提高平地机调平控制系统控制精度和稳定性,该文建立平地机调平系统动力学模型。水田激光平地机调平系统是一种典型的机械电控液压一体化结构,该文建立其从比例阀输入电流至平地铲水平倾角的动力学模型。首先根据平地机调平物理系统结构与工作原理,在简化和假定条件下,建立平地机调平系统受力分析图,以此分析和建立基于微分一代数方程的动力学模型,即DAE(differential—algebraic equations)模型。通过求解DAE模型,得出输入电流与输出平地铲角度的仿真结果,并用试验方法将仿真结果与实际结果对比来验证模型。结果表明该文提出的系统模型能较好地描述平地机调平系统动态响应。该文提出的研究方法不仅对不同机型的平地机机械设计与控制系统设计有指导意义,还对其他机电液一体的农机作业机械动力学建模与试验验证提供参考。     

水田平地机刚柔耦合多体动力学建模及验证

针对将水田平地机视为纯刚体多体结构不能反映其实际动力学特性,且机械系统动力学计算机仿真结果难以有效验证手段.该文提出刚柔耦合的平地机多体动力学模型及一种基于高速相机的模型运动学参数验证方法.其特点是结构与力学分析来对物理对体系统进行动力学建模,再通过计算机软件实现仿真,及非接触式的刚体质心与其姿态角的动态确定方法.从水田平地机机械结构、工作原理与实践结果出发,将平地机作业时变形较大杆件平行连杆作为柔性体,建立其多体机械系统的刚柔部件与运动副约束,即确定其动力学模型,以调平系统动力学部分为例借助多体动力学建模软件MapleSim对模型进行仿真,得到典型动态激励作用下的平地铲质心位置点的三维坐标与平地铲的姿态角;然后在实际激励信号作用下利用高速相机及其图像分析软件TEMA测得平地铲表面不在同一直线上的3个目标点的三维坐标,基于这些点的坐标求解平地铲质心位置与姿态角度作为测量结果,与仿真结果对比实现模型验证.验证结果表明:平地铲仿真结果与实际测量结果运动规律基本一致,平地铲质心位置误差最大误差约为10 cm.验证平地机建模方法可行性,该文提出的结构与理论分析建模-计算机仿真-基于图像分析的运动参数测量实现模型验证的机械系统设计方法对农机作业机械动力学建模与验证具有普遍适用性.     

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。     

油气悬架囊式蓄能器真实气体多变指数模型建立及验证

蓄能器内氮气多变过程模型的精度是影响油气悬架系统特性分析的关键因素之一。为了更加精准地描述蓄能器内氮气的真实多变过程,该文利用蓄能器试验台开展了蓄能器不同振幅和频率的正弦激励试验,通过试验数据综合分析发现氮气体积压缩率和体积压缩速率与气体压力呈一定线性关系。在此基础提出了一种基于体积压缩率和体积压缩速率的真实气体多变指数模型。为了验证模型的正确性和准确性,通过蓄能器试验数据对提出的多变指数模型中的2个变量系数进行辨识和模型仿真结果的对比验证,并利用6个悬挂缸的整车油气悬架系统试验平台对模型进行试验验证,结果表明：仿真预测结果与试验数据的平均误差为5.12%,最大误差小于10.9%,满足工程设计的要求。该囊式蓄能器的气体多变指数模型为更加准确研究油气悬架系统真实特性奠定了基础。     

丘陵山区履带式作业机全向调平系统设计与性能试验

针对丘陵山区农业机械作业时机身倾角变化大,工作品质和安全性较差的问题,该研究设计了一种履带式作业机全向调平系统。首先,提出了基于“三层车架”的铰接式全向调平系统结构方案,给出了调平系统液压回路与工作原理。其次,进行了全向调平性能关于关键结构参数的敏感度分析。并在此基础上,以调平系统关键结构参数为优化变量,液压油缸平均推力和调平时间为优化目标,设计了多目标遗传算法优化关键结构参数。然后,建立了全向调平整机倾翻模型,通过分析履带式作业机静态极限横向倾翻角、静态纵向极限倾翻角以及动态极限行驶速度验证整机倾翻稳定性。与未调平履带式作业机相比,调平后的作业机静态横/纵向极限倾翻角分别提高了7.1%和13.5%,动态极限行驶速度提高了3.4%。最后,进行了履带式作业机全向调平性能试验。结果表明,静态试验下,履带式作业机横向和纵向调平时间为分别3.4和3.6 s;动态试验下,全向调平履带式作业机能够明显减小最大机身倾角,并迅速调平,在平地路面以及完成调平后的机身倾角能够保持在±1.5°以内,满足丘陵山区性能需求,验证了全向调平系统的工作有效性。     

基于MEMS惯性传感器融合的水田激光平地机水平控制系统

激光平地技术是农业生产中一项重要的节本增效措施,为了使激光平地机在水田中作业时平地铲保持水平,设计了一种低成本的水田激光平地机水平控制系统,采用MEMS陀螺仪与加速度计通过信息融合测定平地铲实时倾角,通过脉冲宽度调节普通电磁阀实现平地铲水平控制.文章分析了控制系统的构成,传感器的工作原理与安装方法,阐述了两种传感器融合测量实时倾角的方法.采用了基于ARM7内核的微处理器设计了水平控制系统硬件,并给出了软件实现流程.采用AHRS(姿态航向参考系统)对系统性能进行了实验室测试与田间试验验证,测试结果表明,该水平控制系统能在动态条件下准确地测定平地铲实时倾角,可以较好地实现平地铲水平控制.     

丘陵山地轮式拖拉机车身调平系统设计与物理模型试验

为解决丘陵山地拖拉机在复杂工况下作业时车身难保水平、容易倾翻等问题,该文设计了一种新型拖拉机车身调平系统。基于数字化虚拟样机技术建立了具有该调平系统的丘陵山地拖拉机多体动力学模型,并对其进行了运动学和动力学仿真分析。运动学仿真分析结果表明,山地拖拉机车身调平系统结构能够实现调平运动且工作部件之间不发生干涉现象;通过动力学仿真分析得到车身调平系统中各个油缸以及关键零部件的动态受力和扭矩等关键数据,结果表明各部件受力能够满足强度以及刚度要求,证明了所设计的丘陵山地拖拉机车身调平机构的正确性。设计并搭建了具有调平功能的模型车体试验台,通过试验与仿真对比分析,最大误差为15%,最大平均误差为10.20%,验证了拖拉机车身调平系统仿真方法具有较高的精度,为拖拉机车身调平系统的设计提供了有效的理论支撑。     

电液流量匹配装载机转向系统特性分析

为降低小型装载机负荷传感液压转向系统在流量方面的能量损失,提出用伺服电机独立驱动定量泵的电液流量匹配转向控制方法。该文首先在Simulation X中建立了装载机整机联合仿真模型,对采用负荷传感转向系统的装载机在原地转向工况下进行仿真。构建了装载机试验测试系统,通过对比仿真与试验结果,验证了仿真模型的准确性。进一步将电液流量匹配转向方法应运于此仿真模型。维持与负荷传感系统相同转向特性的条件下,该系统在低速空载工况下使液压泵能量消耗相对负荷传感系统降低36%,高速空载为37%,中速正载为39%,中速偏载为28%,电液流量系统平均降低了转向过程中泵输出能耗约30%。该文提出的研究方法对装载机转向节能研究提供了参考。     

低压宽温状态下气体流量的动态测量方法

针对气体绝对压力小于40kPa的低压、宽温(-70～+80℃)状态下流量的测量,目前仍无简便有效的质量流量测量手段的问题,该文基于动态平衡原理提出了一种流量测量方法,设计了一套流量标定装置,其原理为低压、宽温状态下,流经调节阀的流量取决于阀前、后压力、阀门开度、气流温度4个变量。通过对由流量标定装置采集的原始数据样本的分析,利用BP神经网络方法建立了流量与阀前、后压力、阀门开度、气流温度的关系表达式。试验结果表明模型计算值与实测流量偏差小于1.8%,验证了该文所提出的流量测量方法有效性。     

Calculation and simulation of air mass flow forturbocharged diesel engines

在进行增压器与柴油机匹配及柴油机系统动态仿真时,需要准确计算柴油机进气流量。为确定最佳的进气流量计算模型,对进气流量平均值模型进行比较分析,综合考虑增压中冷、废气再循环率、充量系数及工况变化的影响并建立相应的修正模型,利用Matlab/Simulink对所有模型进行了仿真验证。仿真和试验结果表明：修正后的进气流量模型计算结果与试验数据相吻合,最优模型的平均相对误差为2.96%,模型设计合理准确。研究结果可为准确计算涡轮增压柴油机进气流量及其模型的选择提供指导和依据。     

负载敏感变量泵结构建模与性能分析

作为现代农业装备液压系统关键零部件,负载敏感变量泵为农业绿色生产提供了保障。为深入研究负载敏感变量泵的工作性能,该文重点分析了其内部机械结构和工作机理,充分考虑了各运动部件的有效行程范围,应用现代控制理论状态空间法建立了基于边界条件的负载敏感变量泵非线性数学模型,基于Matlab/Simulink软件,采用四阶龙格-库塔算法对其稳态和动态性能进行了仿真分析,并搭建闭心式负载敏感液压系统试验平台,完成其性能试验,通过对比分析负载敏感变量泵动态特性试验与仿真结果,得到负载补偿压力误差约为0.1 MPa,验证了负载敏感变量泵非线性数学模型的正确性。试验结果表明:负载敏感变量泵输出流量和压力可实时与负载相适应,补偿压力约为1.5 MPa,可有效提高液压系统效率,减少系统发热,满足现代农业装备作业机组的田间作业需求。     

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。     

果园高位作业平台自动调平前馈PID控制方法

为提高果园高位作业平台自动调平控制系统性能,该研究基于已开发的果园高位作业平台调平机构,提出了前馈PID控制的自动调平控制方法。首先对果园高位作业平台自动调平控制系统进行动力学分析,建立被控对象数学模型。然后在数学模型的基础上设计前馈PID控制算法,并对控制系统进行仿真分析。仿真结果表明,前馈PID较传统PID的控制性能更优,系统上升时间缩短18%,调节时间缩短19%,稳态误差控制在0.6%以内。最后,搭建果园高位作业平台自动调平控制系统,并对调平系统进行静态与动态试验。试验结果表明：前馈PID控制的调平性能优于传统PID控制,静态调平中,前馈PID上升时间平均缩短20%,调节时间平均缩短30%,稳态误差控制在0.6%以内;动态调平中,果园高位作业平台以2 km/h的速度行驶于起伏较大的路面,工作台俯仰角绝对值差最大为2.99°,平均绝对误差为0.79°,均方差误差为0.58°,工作台倾角稳定在±3°以内,较好地实现了果园高位作业平台自动调平控制,满足果园作业需求。     

果园升降平台自动调平控制系统设计与试验

为提高果园升降平台调平精度和稳定性,设计了一种自动调平控制系统。通过调平机构动力学分析,建立了调平控制系统数学模型;利用融合卡尔曼滤波的模糊PID控制电磁阀驱动油缸伸缩调整工作台姿态,实现其自动调平。对控制系统进行仿真,结果表明:模糊PID控制较PID控制性能好,峰值时间缩短47.82%,调节时间缩短48.10%,最大超调量减小52.78%,经卡尔曼滤波后控制误差降低44.57%;对系统响应时间和调平效果进行测试,结果表明:自动调平控制系统响应时间为0.078 s;在平台不升降和升降2种工况下,最大坡度满载下自动调平最大误差分别为1.08°和1.74°,调平精度相对原果园升降平台调平系统分别提高了1.69°和1.91°,较好的实现了工作台自动调平控制。该研究为农业机具调平控制提供参考。     

深松铲叶脉状内通道分支出口流速影响因素分析与试验

针对叶脉状内通道深松铲内部结构的液体流速变化会影响深松铲的自润减阻与改良液层施的效果的问题，该研究采用基于计算流体动力学的仿真分析并结合物理试验，研究了结构参数（内通道孔径、孔间距、孔数）和工作参数（主通道入口流速）对分支出口液体出流速度的影响。首先利用仿真方法开展单因素试验，优选出试验因素的水平范围值，其次开展Box-Behnken试验，以各分支出口液体出流速度最大值为目标值，对叶脉状内通道多分支出口管的结构参数和工作参数进行优化取值，建立各影响因素与分支出口流速之间的二阶回归模型，并对模型进行优化求解，进而得到最优参数组合为：内通道分支出口孔径为6 mm、孔间距为110 mm、孔数为4、主通道入口流速为7 m/s。在此工况下，内通道分支出口平均流速为3.264 m/s。按最优参数组合条件对叶脉状内通道进行设计加工并进行相应的物理试验，试验结果为内通道分支出口平均流速2.971 m/s，与仿真结果的误差为8.97 %。由此，检验了叶脉状内通道结构优化设计的效果，同时为具有自润减阻与改良液层施的深松铲叶脉状内通道结构的优化设计提供一定的理论基础。     

滩涂土壤离散元接触模型优化与现场铲削试验

为解决现有离散元接触模型对滩涂土壤特性表征准确性差的问题,该研究基于离散元仿真软件EDEM的API二次开发功能,以Hertz-Mindlin接触模型为基础,通过增加塑性、粘附特征并更改切向滑动摩擦力,得到优化后的高湿黏弹塑性（moist elasto-plastic adhesion, MEPA）模型。通过模拟活塞拔出试验,结合Plackett-Burman试验筛选出影响标定指标的显著参数,完成接触模型参数标定。搭建了铲削试验平台进行现场铲削试验,对比分析了MEPA模型、JKR模型、EEPA模型以及Bonding模型的土壤特性表征效果。试验结果表明,在铲削阻力方面,MEPA模型较JKR模型、EEPA模型和Bonding模型的仿真精度分别提升约65.957%、74.206%和59.326%;相较于现场试验结果,MEPA模型的堆积厚度与侧边距相对误差分别为5.598%和6.362%,两者均保持在10%以内,能够较好地模拟滩涂土壤,对滩涂工作装置的工况模拟和优化设计具有重要意义。     

基于全球导航卫星系统的智能化精细平地系统优化与试验

农田土地精细平整是中国现代地面精细灌溉的重要基础,能提高农田灌溉均匀度,改良土壤水盐分布,控制杂草,达到节水增产的效果。应用GNSS(global navigation satellite system,全球导航卫星系统)技术进行土地精细平整具有不受天气影响、测量速度快、工作效率高等优点,具有广泛应用前景。该文结合中国土地平整的实际情况和前期的研究成果,开发了适合国内应用的GNSS控制平地系统,降低了研发的设备成本,优化完善了平地系统的功能。为减少分立设备数量,提高系统集成度,设计了集成控制终端,集成GNSS接收模块、差分电台模块、核心处理平台和阀控制模块,并设计了集成控制终端的外壳,通过可旋转调整支架固定在拖拉机驾驶室内,具有良好的防尘、降温和牢固等优点;为完善地形测量功能,增加了测量轨迹的实时显示,以及农田面积等地势信息的计算,便于指导后续平整作业;优化了基准设计,建立了坡面平整的数学模型,实现了任意坡度坡面平整。优化后的系统主要由集成控制终端、自主差分GNSS接收设备、液压系统以及平地铲运设备几部分构成;以Visual Studio2008为系统软件开发环境,GNSS精细平整集成软件能够实现农田地势测量、基准设计及平整作业等功能。该智能平地系统在中国农业大学上庄试验站进行了长时间平整实验,平面平整后最大高程差从20.9降到10.5 cm,高程标准差从10.6降到5.5 cm,平地误差小于5 cm的测点累积百分比从77%上升到90%左右,平整效果良好。坡面平整的坡度从0.239%降到0.120%,符合设计要求。结果表明,系统工作稳定可靠,作业精度满足土地精细平整要求,适用于在中国推广应用。     

气力集排式排肥系统结构优化与试验

针对气力集排式排肥系统与分层深施肥铲配合作业时,进肥口处肥料落入不顺畅以及排肥口处气流速度过大导致肥料弹跳和地表扬尘等问题,该研究通过分析排肥系统各部件结构参数与工作参数之间的关系,对排肥系统进行结构优化,并设计了一种气-肥分离装置,将部分输送气流提前从排肥系统排出,从而降低排肥口处的气流速度,提高进肥口的进料稳定性。通过理论分析和参数计算,确定了排肥系统各组成部件的结构和基本工作参数,分析确定了影响排肥口和进肥口处气流速度的主要因素,并以排肥口和进肥口处的气流速度为试验指标,以气-肥分离装置的排气口面积、排肥系统入口气流速度和施肥速率为试验因素,进行二次正交旋转组合台架试验,建立了试验指标与各影响因素的数学回归模型。通过对试验结果的拟合和优化分析,得到气-肥分离装置排气口面积为798.0mm~2。排肥系统入口气流速度为28.10 m/s,施肥速率为0.28 kg/s时,排肥系统排肥口气流速度为5.91 m/s,进肥口气流速度为3.94 m/s,以得到的优化参数进行试验验证,测得排肥系统排肥口气流速度为6.02 m/s,进肥口气流速度为4.11 m/s,排肥系统进肥口肥料落入顺畅,工作稳定。