耕深均勻性的拖拉機電控液壓懸掛系統

宋 玲，謝志勇

(1.懷化職業技術學院 機械系，湖南 懷化 418000；2.婁底職業技術學院 機電工程系，湖南 婁底 417000)

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耕深均勻性的拖拉機電控液壓懸掛系統

宋 玲1，謝志勇2

(1.懷化職業技術學院 機械系，湖南 懷化 418000；2.婁底職業技術學院 機電工程系，湖南 婁底 417000)

耕深均勻性是拖拉機作業過程中一個重要的衡量指標，為此提出了一種耕深均勻性的拖拉機電子液壓懸掛系統的控制方法。首先介紹了該系統的結構組成及耕深控制原理，然后建立了系統的物理模型，并分析了耕深值和提升臂轉角存在的關系，以便利用提升臂轉角來間接測量實際的耕深值。以設定的耕深值為輸入，實際耕深值為負反饋，采用PID控制算法對該系統的耕深控制過程進行了仿真分析，實現了在線校正實際耕深與設定值的偏差。最后，通過田間試驗分別驗證了156mm耕深值和200mm耕深值的控制過程，證明了該控制方法的可行性。結果表明：提出的控制方法能夠保證耕作過程中耕深的均勻性，也大大降低了駕駛員的操作強度。

拖拉機；電液懸掛系統；耕深均勻性；PID控制

0 引言

拖拉機在田間牽引農具作業時，其耕深的均勻性是衡量拖拉機作業水平高低的一個重要指標[1-2]，特別是現代農業對作物的耕深均勻性要求愈來愈高。傳統的拖拉機液壓懸掛系統具備位置調節功能，能使得農具與拖拉機相對位置不變[3]。其機械控制裝置的原理是：當外提升臂的轉角發生變化時，提升臂就會通過相應的機構推動控制閥的主閥芯，使其偏離中位，液壓油進入油缸推動活塞帶動提升臂轉動直至原有位置；但由于機械桿件和彈簧存在遲滯及摩擦因素會導致該類機械系統存在控制精度低和響應慢的缺陷[4-5]。所謂位置控制，就是要保證作業的耕深均勻控制策略，這對淺耕作業是極其重要的，現代拖拉機懸掛系統采用電子控制方法實現田間作業的多種目標控制。從控制的角度來看，位置控制是一個典型的閉環控制，將實際耕深作為負反饋，輸入值是目標耕深，輸出是控制閥的電壓信號，控制閥調節油缸來帶動農具升降。由于實時測量耕深值比較困難，通常做法是采集外提升臂轉角信號，再經過比例換算得出耕深值。針對位置控制方法，謝斌等[6]提出了利用傾角傳感器農具耕深的方法，根據懸掛機構幾何關系出傾角傳感器值和實際耕深。朱思洪等[7]采用PID控制策略并利用MatLab仿真分析了該系統。李明生等[8]設計了模糊PID自適應控制器，進行了位置控制和牽引力控制分析，并搭建了試驗平臺。魯植雄等[9]設計了耕深模糊控制器，進行了力位綜合控制研究，最后實現了雙參數控制；但這些控制方法過于復雜，并不適合真實的作業過程控制。為此，提出了一種基于外提升臂轉角的耕深控制方法，用提升臂轉角間接測量實際耕深值，并以此構建電控液壓懸掛系統，實現了耕深的自動控制。最后，通過仿真實驗和田間實驗驗證了該控制策略能夠保證耕深的均勻性，且具有較高的測量精度和較快的響應時間，證明了系統的可行性。

1 電液懸掛系統結構及控制方法

1.1 系統結構及原理

拖拉機電子液壓懸掛系統一般由液壓泵、換向閥、油缸、電子控制單元、傳感器、懸掛機構、顯示器和控制面板構成[10]，如圖1所示。

具備多種控制方法的電控系統通常有位置控制、阻力控制、滑轉率控制及3種參數的綜合控制。因此，傳感器涉及到轉角傳感器、拉壓力傳感器、轉速傳感器和低速雷達等。傳感器的安裝位置如圖1所示。液壓泵由發動機帶動運轉，油缸為單向缸，農具下降時可以利用自重。比例換向閥為三位三通閥。

當拖拉機在田間作業時，駕駛員根據作業要求在控制面板上設置耕深值，系統開始執行位置控制策略。當出現地面不平整或油路泄漏等原因導致當前耕深與設置耕深不相當時，系統會計算出差值，根據PID算法輸出信號給比例閥，由比例閥控制油缸的升降，保證耕深的均勻性。

1.液壓泵 2.比例換向閥 3.低速雷達 4.輪速傳感器 5.拉力傳感器 6.懸掛機構 7.農具 8.位置傳感器 9.控制單元 10.控制面板 11.顯示器

1.2 耕深控制方法

位置控制實際上為一個閉環反饋控制[11]，如圖2所示。

圖2 位置控制框圖

駕駛員在控制面板上設置的耕深值為輸入參考量，傳感器間接測得的耕深值為實際量，輸入參考量與實際量的差值作為PID控制的輸入，從而使得偏差盡可能地接近零；PID算法計算出一個輸出值給比例閥，比例閥通過閥芯的移動以便切換油路的通斷。若偏差為正，則實現油缸的下降，農具下放至設置的耕深值；若偏差為負，則說明耕深超過了設置值，此時油缸上升，農具上提，在拖拉機作業過程中，駕駛員只需要根據作業要求設置好耕深，無需繁瑣操作。采用PID算法實現位置自動控制，簡單有效，并且能夠保證較高的精度。

2 系統建模及仿真分析

農具的升降通過懸掛機構實現，角度傳感器的安裝在提升臂鉸鏈處，用于測量提升臂的轉角。實際耕深值是通過和換算而來，因此提升臂的轉角與耕深值的關系必須事先明確。

2.1 系統建模

拖拉機電控液壓懸掛系統的建模有數學建模和物理建模兩種方法。這里用Simulation X軟件進行了系統的物理建模。系統分為懸掛機構、液壓系統和控制信號部分[12]。懸掛機構采用的是三點懸掛，該機構沿拖拉機行走方向的中心線左右對稱，所以做理論分析時通常簡化為一個平面六連桿機構，如圖3所示。

圖3 懸掛機構平面示意圖

機構主要由外提升臂AD、上拉桿CG、下拉桿BF、提升臂DE、內提升臂AJ等組成。其中，將轉角傳感器安置在外提升臂轉角與機體的鉸接點A處，用于測量外提升臂相對初始位置的轉角值，并計算出與農具垂直方向的位移差值，即實際農具耕深關系。通常中大型拖拉機由主副兩個油缸共同控制農具升降，因此建模時也采用了兩個油缸。

液壓系統構成如圖4所示。液壓泵由發動機帶動，通常根據設計要求選用相應型號的定量齒輪泵；液壓系統都有一個額定壓力；安全閥用于保護系統過載；換向閥是用來控制液壓缸的行程和速度。電控液壓懸掛系統采用的均是電液比例換向閥，由電信號控制換向閥的閥芯行程，實現流量的比例控制。

圖4 液壓系統構成

當換向閥的主閥芯在中位時，換向閥的所有通道都關閉，此時閥打開，液壓油回到油箱；當閥芯在左位時，液壓油進入油缸左腔，推動活塞運動，農具隨之提升；當閥芯在右位時，油缸左腔和油箱相通，農具會在自重的作用下開始下降，油缸左腔內的油液回流到油箱中。

2.2 提升臂轉角與耕深關系

模型中，設外提升臂順時針旋轉為正，逆時針為負，外提升臂水平狀態記為0°，耕深記為農具質心相對初始位置垂直方向的位移。將外提升臂從水平位置逐漸順時針旋轉至30°，每隔2°記錄一次耕深值。用線性關系擬合出數據趨勢線，可以得到如圖5所示的關系圖。

圖5 外提升臂轉角與耕深關系

耕深與外提升臂轉角的線性關系為

y=7.3849x+8.3199

(1)

擬合的公式相關系數接近1，說明耕深值與提升臂轉角的線性關系較為接近。因此，實際耕深測量時，只需要傳感器測出外提升臂相對初始位置的轉角，經過線性關系換算即可得出相應的耕深值。

2.3 耕深控制仿真分析

PID算法由比例、積分和微分算子組成[12]。比例控制器的輸出和輸入的偏差成比例，通過調整比例系數的大小使系統趨于穩定；積分項表示系統輸入偏差的累積，有利于減小穩態誤差；微分項表示輸入偏差的變化率，通過預測變化的趨勢，便于提前縮小偏差，有效提高系統的動態性能，通過這3項配合使用能夠解決大部分工業中的控制問題。

對于簡單的拖拉機電液懸掛系統位置控制，PID算法可以進行精確的控制，利用Simulation X軟件中建立的模型[13-15]，預先設置外提升臂轉角值，并將外提升臂的實際相對轉角作為反饋，調整比例、積分、微分3參數，仿真得到系統響應值。圖6為位置控制下系統響應圖。

圖6 位置控制系統響應

設置外提升臂轉角初始為20°，然后變為26°，以測試系統的響應。圖6中，粗實線表示設置的轉角值，帶十字細實線表示實際外提升臂轉角值，即系統響應結果。結果表明：PID算法能夠快速響應，1.2s后外提升臂轉角達到設置的20°；當設置轉角變為26°后，系統經過1.4s后達到設置的26°。此時，相應的耕深變化情況見圖7所示。

由圖7可以看出：在這一過程中，耕深值從160mm快速響應變為200mm。仿真結果表明：PID控制算法能夠實現耕深變化的快速響應，且能夠維持耕深的均勻性，也保證了作業過程中的穩定性。采用外提升臂轉角間接測量耕深值，滿足了對耕深均勻性的控制要求。

圖7 位置控制耕深

3 田間試驗及分析

為了驗證設計系統的可行性，需要進行田間試驗，通過安裝電液比例閥、角度傳感器、DSP處理器和控制面板等，將原有機械式液壓懸掛系統改裝為電控液壓懸掛系統。首先，需要標定控制面板旋鈕輸出電壓值，標記對應的耕深值；然后，標定角度傳感器，測出機械轉角與輸出電壓關系，并按照外提升臂轉角與耕深關系，得到電壓與對應耕深；最后，將程序下載至DSP處理器中并調試[16-17]。在測試過程時，先將農具下放至犁尖與地面接觸處，拖拉機開始前行，并保持6km/h的時速。設定外提升臂轉角為20°，按照轉角與耕深關系，可以得到此時耕深應為156mm；待拖拉機行駛18s后，再將轉角設置為26°，通過計算此時的耕深應為200mm。試驗取拖拉機行駛40s的過程進行分析和研究。通過對農具后方的耕溝進行測量，就可以得到實際的耕深值。為了比對系統設定理論耕深、仿真結果和實際測量的耕深是否存在偏差，將三者的試驗數據融合到圖8中進行直觀比較分析。

圖8 試驗結果與仿真結果對比

由圖8可以看出：在前0～18s，耕深設為156mm時，實際耕深為156mm左右，只有較小幅度的波動；當將耕深設為200mm后，外提升臂下降，農具自動下放，此時耕深開始增加，由于慣性作用，當耕深達到200mm時，農具還會繼續下放，隨后回到200mm處，并始終維持在200mm左右，從耕深的切換到穩定工作時間小于2s。在實際的過程中，耕深存在較小的偏差是由于田間土地的不平整原因引起的，但整體趨于穩定。試驗結果表明：采用外提升臂轉角作為耕深值的間接測量方法也同樣具備了較高的精度，并且簡單易行；采用PID算法作為位置控制算法，能夠很好地保持耕深的均勻性，且波動幅度較小。

4 結論

從耕深均勻性的耕作要求出發，設計開發了一種基于位置控制的拖拉機電控液壓懸掛系統，通過測量外提升臂轉角間接得到耕深值，保證了提升臂轉角的穩定性。采集實際外提升臂轉角作為負反饋，并應用PID控制算法，消除設定值與實際反饋值的偏差。仿真結果與田間試驗結果均表明：提出的方法能夠使農具準確、快速到達設定的耕深位置，響應速度快，并能夠保證耕深的均勻性，大大降低了駕駛員的勞動強度。此外，還可以從燃油經濟性的角度出發，基于牽引力均勻性提出阻力控制方法和滑轉率控制方法，或者兼顧耕深均勻性和燃油經濟性，提出位置與阻力的綜合控制方法等。

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Electronic-Control Hydraulic Hitch System of Tractor with Tillage Depth Uniformity

Song Ling1, Xie Zhiyong2

(1.Department of Mechanical, Huaihua Vocational and Technical College, Huaihua 418000, China;2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Loudi vocational technical college, Loudi 417000, China)

As the tillage depth uniformity is an important measure in the process of tractor’s work, a control method of tractor’s electronic hydraulic hitch system with tillage depth uniformity is proposed. Firstly, the system structure and depth control principle are introduced. Secondly, a physical model of the system is established, and the relationship between the lifting arm angle and tillage depth is analyzed, thereby lifting arm angle is used to indirectly measure actual depth value. PID control algorithm for the system of the depth control process is simulated and analyzed. The tillage depth value is set as an input, actual depth value is negative feedback, and the correction of actual deviation with the set value of deep tillage is implemented online. Finally, the field testverifies the 156mm and 200mm depth value of the deep tillage control process, and proves the feasibility of the control method. The results show that the proposed control method can ensure uniformity of the process of cultivating deep tillage, and also reduce the intensity of the driver's operation.

tractor; electronic-control hydraulic hitch system; tillage depth uniformity; PID control

2016-06-14

國家自然科學基金項目(51175173)；湖南省農業機械管理局企業創新項目(2014-3)

宋 玲(1982-)，女，湖南懷化人，講師，碩士，(E-mail)sling82@126.com。

S219.033；TH173

A

1003-188X(2017)08-0237-05