木薯塊根收獲機機電液聯合仿真模型

楊　望 ,鄭　賢 ,陳科余 ,楊　堅 , 王　晗 , 李冠男 , 肖夢琪

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧　530004;2 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室， 南寧　530004)

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木薯塊根收獲機機電液聯合仿真模型

楊望1，2,鄭賢1,陳科余1,楊堅1, 王晗1, 李冠男1, 肖夢琪1

(1.廣西大學 機械工程學院，南寧530004;2 廣西制造系統與先進制造技術重點實驗室， 南寧530004)

摘要：以一種新型的挖拔式木薯收獲機為對象，采用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件分別建立木薯收獲機的機械系統、液壓電氣系統和控制系統的模型，并在MatLab/Simulink平臺下通過接口文件將機械系統、液壓電氣系統和控制系統的模型進行連接，構建聯合仿真模型，且進行了物理試驗驗證。結果表明：建立的木薯塊根收獲機機電液一體化聯合仿真模型精度較高，可用于木薯收獲機控制系統的優化研究。

關鍵詞：木薯收獲機；機電液聯合仿真；建模方法

0引言

控制系統的研究通常是利用數學軟件建立控制系統和控制對象的數學模型，進行仿真分析研究；而這種方法要進行繁瑣的數學建模[1-2]，同時對于涉及機、電、液多學科領域的復雜系統，采用常規的數學建模方法進行仿真研究，存在建模困難、精度受限等問題。近年來，隨著計算機仿真技術的發展，使復雜系統建模變簡單、高效成為可能[3-4]。本文以一種新型的挖拔式木薯塊根收獲機為對象，利用SolidWorks、ADAMS、AMESim和Matlab/Simulink軟件，研究基于物理模型圖形化的木薯收獲機機電液一體化聯合仿真模型的建模方法，為后續木薯收獲機的控制系統參數優化研究提供一個技術平臺，且可為其他農業機械機電液聯合仿真建模提供參考。

1木薯收獲機結構及工作原理

1.1系統結構

木薯收獲機硬件系統主要由機械系統、液壓電氣系統和控制系統3大部分組成。其中，機械系統為功能執行裝置，液壓電氣系統為動力裝置，控制系統為控制裝置，且采用模糊控制方法進行控制。

機械系統主要由松土鏟、機架、莖稈夾持裝置、凸輪抖動機構、平行四桿拔起機構等6部分組成，其結構簡圖如圖1所示。

1.松土鏟　2.機架　3.抖動機構　4.平行四桿拔起機構

其中，莖稈夾持裝置由莖稈導向裝置、夾子、油缸、拉桿和抖動桿等組成，用于夾持木薯莖稈；凸輪抖動機構主要由凸輪、凸輪軸和直流電機等組成，通過和抖動桿連接實現莖稈夾持裝置上下抖動；平行四桿拔起機構主要由前搖桿、平臺、后搖桿、錐齒輪傳動系及擺動液壓缸組成，實現莖稈夾持裝置升降運動；凸輪抖動機構和平行四桿拔起機構組成木薯收獲機的塊根拔起機構，通過控制兩機構的運行速度實現木薯收獲機按一定速度規律將木薯塊根拔起。

液壓電氣系統主要由液壓泵、溢流閥、比例方向閥、擺動液壓缸、減壓閥、電磁換向閥、壓力繼電器、液壓鎖、夾持液壓缸及直流電機等元件組成，其原理如圖2所示。其中，液壓泵由拖拉機動力輸出軸帶動工作；擺動液壓缸的擺動方向和擺動轉速由比例方向閥控制；電磁換向閥控制夾持液壓缸壓力油的流向，使夾持液壓缸執行伸縮動作；液壓鎖實現夾持液壓缸的伸縮運動，執行夾持和張開動作，確保系統油壓波動時能有效夾持木薯莖稈；壓力繼電器在夾持液壓缸無桿腔壓力達到一定值時向單片機控制系統發出信號，使單片機控制系統執行相應的控制。直流電機以拖拉機車載電池為動力源，由固態繼電器控制，帶動凸輪抖動機構運轉。

1.拖拉機發動機　2.液壓泵　3.溢流閥　4.單向閥　5.壓力表

單片機控制系統主要由單片機最小系統、電源模塊、傳感器及輸入輸出轉換模塊等部分組成，硬件結構如圖3所示。測力傳感器由貼在莖稈夾持裝置抖動桿上的電阻應變片組成，其橋路接法為全橋接法，用于測量木薯塊根的拔起力；擺動液壓缸轉速編碼器安裝在擺動液壓缸輸出軸的尾部，用于測定擺動液壓缸的擺動轉速；入夾傳感器行程開關安裝在莖稈夾持裝置導向部件的兩個開口上，用于檢測是否有木薯莖稈進入莖稈夾持裝置； 上、 下限位傳感器為非接觸式開關傳感器，分別安裝在后搖桿的上極限位置和下極限位置，用于檢測平行四桿拔起機構是否處于上、下極限位置；壓力繼電器安裝在夾持液壓缸無桿腔的入口管道上，用于檢測夾持液壓缸無桿腔的壓力，確定木薯莖稈是否被夾持??；3路輸出分別用于控制液壓電氣系統的比例方向閥、電磁換向閥和直流電機。

1.2整機工作原理

木薯收獲機為單行木薯塊根收獲機，其松土鏟可根據木薯種植地土壤的軟硬程度選擇是否安裝，本文不考慮松土鏟的作業。木薯收獲作業前，將木薯莖稈砍斷，留下30cm左右高的木薯莖稈。作業時，木薯收獲機由拖拉機牽引前進，當入夾傳感器受到木薯莖稈擠壓時產生開關信號，傳送給單片機控制系統，控制夾持液壓缸電磁換向閥，使夾持液壓缸活塞桿快速伸出，帶動左、右夾持部件執行夾持動作將木薯莖稈夾持?。磺译S著夾緊力的增大，油壓上升，壓力繼電器產生動作信號，將信號傳給單片機控制系統，對直流電機和比例方向閥的輸入電流進行控制，使直流電機和擺動液壓缸按一定的規律同時運轉，拔起機構的平行四桿機構轉動，夾持部件提升，同時抖動，完成木薯塊根拔起和土薯分離作業。木薯莖稈被夾持后提升30cm時，上限位傳感器產生信號傳給單片機控制系統，控制電磁換向閥和直流電機的電壓，使電磁換向閥換位，夾持液壓缸活塞桿縮回，帶動左、右夾持部件執行張開動作，將木薯塊根放下，凸輪抖動機構停止運轉。同時，單片機控制系統控制比例方向閥的輸入電流使擺動液壓缸反向擺動，拔起機構的平行四桿機構反向轉動，夾持部件向下運動。當夾持部件回到初始位置時，下限位傳感器產生信號傳給單片機控制系統，控制比例方向閥的電壓，使比例方向閥回到中位，平行四桿拔起機構在重力作用下回位到最低點位置。

圖3　單片機控制系統硬件結構圖

2聯合仿真模型的建立

2.1機械系統仿真模型

本文先采用SolidWorks軟件建立木薯收獲機的三維模型，后導入ADAMS中，最后定義零部件的材料屬性并添加相應的約束、驅動、力及力矩的方法建立木薯收獲機機械系統模型。同時，在地面上建立2棵木薯模型(株距為80cm)，建立的木薯收獲機機械系統仿真模型如圖4所示。

圖4　機械系統仿真模型

2.2液壓電氣系統仿真模型

本文采用AMESim軟件，根據木薯收獲機的液壓電氣系統原理圖，建立其仿真模型如圖5所示, 液壓電氣系統仿真模型的主要參數如表1所示。

圖5　液壓電氣系統仿真模型

元件名稱仿真參數系統油源油壓力16MPa,流量15L/min電磁換向閥最高壓力35MPa,額定電流24mA比例方向閥最高壓力35MPa,額定電流10mA擺動液壓缸額定壓力16MPa,缸徑32mm,齒輪模數3.5,齒輪齒數20,擺動角度180°夾持液壓缸額定壓力16MPa,缸徑32mm,行程63mm直流電機額定電壓24V,額定功率200W,額定轉速3600r/min,減速比為10∶1

2.3控制系統仿真模型

本文先根據擺動液壓缸擺動轉速模糊控制器的結構原理，在Simulink建立擺動液壓缸擺動轉速模糊控制器模型；再根據塊根拔起收獲作業過程的初始、夾持、拔起和回位4種工作狀態及與傳感器的信號傳輸關系，建立木薯收獲機的工作過程控制模塊，最后將擺動液壓缸擺動轉速模糊控制器模型和木薯收獲機工作過程控制模塊進行連接組合，并加入木薯塊根拔起阻力設定模塊、拔起力測量處理模塊、濾波模塊、木薯塊根約束控制模塊和比例方向閥控制模塊等，構建木薯收獲機控制系統仿真模型，如圖6所示。

2.4機電液一體化聯合仿真模型

木薯收獲機機電液一體化聯合仿真模型的建立在MatLab/Simulink平臺下進行[5-6]。其建立的方法是先將機械系統仿真模型、液壓電氣系統仿真模型和控制系統仿真模型進行連接，后加入木薯收獲機前進速度設定模塊和7個Memory模塊進行組合。進行聯合仿真時，通過接口模塊將夾持液壓缸的推力、擺動液壓缸轉軸的扭矩、電機的扭矩從AMESim傳給Adams，夾持液壓缸的位移與速度、擺動液壓缸的轉角與轉速、電機的轉速從Adams傳給AEMSim，夾持液壓缸無桿腔油壓力從AMESim傳給Simulink，電磁換向閥、比例方向閥和電機開關的控制信號從Simulink傳給AMESim，擺動液壓缸轉速、拔起高度、測量拔起力和入夾傳感器信號從Adams傳給Simulink，拔起阻力設定力從Simulink傳給Adams，實現3個軟件之間的數據交換，形成閉環回路。建立的木薯收獲機機電液一體化仿真模型如圖7所示。其中，Memory模塊的作用是消除模型連接組合形成的代數環，避免仿真出錯。

圖6　控制系統仿真模型

圖7　機電液一體化聯合仿真模型

3模型的驗證

本文采用測定物理驗證樣機的擺動液壓缸擺動轉速及提升機構與抖動機構同時運動時的夾持裝置夾頭加速度與仿真模型的試驗結果進行對比，驗證模型的精度。

試驗設備: 木薯收獲機物理驗證樣機1臺，如圖8所示；擺動液壓缸轉速測試系統1套(包括光電編碼器、IPAM-7404計數模塊、USB/RS-485轉換器及筆記本電腦)；加速度測試系統1套(包括DH5938多通道并行數據采集與分析系統、DH131壓電式加速度傳感器及筆記本電腦)。試驗條件：樣機底部固定。仿真模型驗證原理圖如圖9所示。

圖10是擺動液壓缸的擺動轉速變化曲線圖。其中，實線為實測的擺動液壓缸的擺動轉速變化曲線，虛線是仿真的擺動液壓缸的擺動轉速變化曲線。由圖10可知：仿真的擺動液壓缸的擺動轉速變化曲線與實測的一致。

圖8　木薯收獲機物理驗證樣機

圖9　仿真模型驗證原理圖

圖10　擺動液壓缸擺動轉速對比圖

圖11是提升機構與抖動機構同時運動時的夾持裝置夾頭的加速度圖。其中，實線是實測加速度曲線，虛線是仿真加速度曲線。由圖11可知：提升機構與抖動機構同時運動時，物理驗證樣機加速度曲線變化趨勢與仿真模型的較一致。

圖11　夾持裝置夾頭加速度對比圖

綜上所述，聯合仿真模型與物理驗證樣機的試驗結果較一致，表明利用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件，構建的木薯收獲機機電液一體化聯合仿真模型精度高，可用于木薯收獲機的聯合仿真分析與優化。

4結論

采用SolidWorks、ADAMS、AMESim和MatLab/Simulink軟件先分別建立木薯收獲機的機械系統、液壓電氣系統和控制系統的模型，再在MatLab/Simulink平臺下通過接口文件將機械系統、液壓電氣系統和控制系統的模型進行連接，構建木薯收獲機機電液一體化仿真模型方法可行，精度較高。同時，模型可在Matlab/Simulink平臺下進行聯合仿真，使各軟件能分別使用各自的求解器對各自的模型進行計算，充分發揮了各仿真軟件的優勢，實現功能互補，仿真效率高。

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Hydromechatronics Co-simulation Model of Cassava Harvester

Yang Wang1,2， Zheng Xian1， Chen Keyu1， Yang Jian1， Wang Han1， Li Guannan1， Xiao Mengqi1

(1.College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China;2.Guangxi Key Laboratory of Manufacturing System & Advanced Manufacturing Technology, College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Nanning 530004, China)

Abstract：A new “dig-pull” cassava harvester was designed. Using SolidWorks, ADAMS,AMESim and Matlab/Simulink software,mechanical system model,hydraulic electric system model and control system model of the harvester were established,respectively.These simulation models were connected by interface files in Matlab/Simulink platform.And co-simulation model was built to carry out the simulation analysis and verified by physical experiment.The results show that the co-simulation model has high accuracy,which can be used on the optimization of the harvester’s control system.

Key words：cassava harvester; hydromechatronics co-simulation; modeling method

文章編號：1003-188X(2016)07-0100-06

中圖分類號：S225.7+1

文獻標識碼：A

通訊作者：楊堅(1957-)，男，廣西合浦人，教授。

作者簡介：楊望(1984-)，男，廣西合浦人，副教授，博士，碩士生導師，(E-mail)yanghope@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(51365005)；國家自然科學基金項目(51065003)；廣西制造系統與制造技術重點實驗室課題(13-051-09S01)；廣西大學大學生實驗技能和科技創新能力訓練基金項目(SYJN20130102)

收稿日期：2015-05-18