基于偏差率的懸掛式深松機(jī)力位綜合控制策略探析

楊少奇 張磊 李玲玲

摘要 ? ?為了能夠有效地克服深松作業(yè)中單獨(dú)位控制時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定和單獨(dú)力控制時(shí)耕深不均勻的缺點(diǎn)，本文提出了一種基于耕深偏差率和牽引阻力偏差率之比的力位綜合控制策略，不僅可以保證耕深的均勻性，而且還能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定性。通過理論分析和計(jì)算提出的這種力位綜合控制策略，以期為拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)的力位綜合控制提供參考，進(jìn)而提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞 ? ?懸掛式深松機(jī);偏差率;耕深;力位綜合控制;策略

中圖分類號(hào) ? ?TP273;S233.1 ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ? ?A

文章編號(hào) ? 1007-5739（2019）23-0149-02 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）

與傳統(tǒng)機(jī)械式液壓懸掛系統(tǒng)相比，電控液壓懸掛系統(tǒng)利用控制器、傳感器和智能算法等先進(jìn)的儀器和技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)力控制、位控制和力位綜合控制等多種控制方式，有利于提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量[1]。其中，力位綜合控制不僅可以保證耕深的均勻性，還能兼顧發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定性，有效地克服了單獨(dú)位控制時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定和單獨(dú)力控制時(shí)耕深不均勻的缺點(diǎn)。

現(xiàn)有力位綜合控制的實(shí)現(xiàn)方式是先把力傳感器測(cè)得的牽引阻力通過土壤比阻換算為等價(jià)耕深[2]，再利用綜合系數(shù)（也稱權(quán)重系數(shù)，在0～1之間）把換算后的等價(jià)耕深值與位傳感器測(cè)得的實(shí)際耕深值進(jìn)行加權(quán)和，得到一個(gè)綜合耕深值，最后將綜合耕深值與目標(biāo)耕深值進(jìn)行比較，通過控制器的智能控制算法，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)耕深的自動(dòng)控制[3-8]。不過，這種控制方式在對(duì)牽引阻力進(jìn)行等價(jià)耕深換算時(shí)需事先假定一個(gè)常數(shù)，即土壤比阻。這種將牽引阻力值通過固定的土壤比阻值進(jìn)行換算的方式難以適應(yīng)復(fù)雜的土壤環(huán)境以及土壤比阻波動(dòng)范圍比較大的工作環(huán)境。

事實(shí)上，可以利用傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)獲得的牽引阻力值和實(shí)際耕深值計(jì)算出實(shí)時(shí)的土壤比阻。在獲取實(shí)時(shí)土壤比阻數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，本文探索一種基于偏差率的力位綜合控制策略，以期提高力位綜合控制的適用性。

1 ? ?系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

力位綜合控制系統(tǒng)主要包括拖拉機(jī)、懸掛式深松機(jī)、拉力傳感器、傾角傳感器和控制器。其中拉力傳感器有3個(gè)，分別安裝在上拉桿、左下拉桿和右下拉桿上;傾角傳感器有2個(gè)，分別安裝在上拉桿和左下拉桿上。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

2 ? ?力位測(cè)量原理

2.1 ? ?牽引阻力測(cè)量原理

田間深松作業(yè)時(shí)，通過對(duì)電液懸掛的受力分析，易知上拉桿受壓力，左、右下拉桿受拉力。以懸掛式深松機(jī)為研究對(duì)象，作用于懸掛式深松機(jī)的水平方向上的受力圖以及各作用力的受力方向如圖2所示。F1的大小等于中拉桿上拉力傳感器測(cè)得的數(shù)值，方向沿著中拉桿的軸線方向;F2和F3的大小分別是左下拉桿和右下拉桿上的拉力傳感器測(cè)得的數(shù)值，方向沿著下拉桿的軸線方向[9]。

由深松機(jī)在水平方向上受力平衡可得關(guān)系式，即：

F1cosβ+（F2+F3）cosα+F4=0（1）

由式（1）可求得牽引阻力F4。

2.2 ? ?耕深測(cè)量原理

建立下拉桿角度α與深松機(jī)耕深h的數(shù)學(xué)關(guān)系模型，即可通過采集到下拉桿的傾角數(shù)值，可以得到耕深數(shù)值。懸掛式深松機(jī)的三點(diǎn)懸掛運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。其中A為下鉸接點(diǎn)，B為上鉸接點(diǎn)，C為上懸掛點(diǎn)，D為下懸掛點(diǎn)，A、B、C、D組成四連桿機(jī)構(gòu)，A、B視為機(jī)架固定不動(dòng)，桿CD（即深松機(jī)）通過拉桿BC和拉桿AD的連接可以繞著機(jī)架旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)深松機(jī)的提升或降落。

在深松機(jī)從最高點(diǎn)降落到最低點(diǎn)的過程中依次測(cè)量若干個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，{（αi，hi）}（i=0，1，…，n），利用最小二乘法求出擬合曲線，找出映射關(guān)系式，即：

h=b0+b1α（2）

式（2）中，b0為截距（cm）;b1為斜率;建立耕深測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算補(bǔ)償值。將深松機(jī)調(diào)到任意位置保持不動(dòng)，人工測(cè)量的實(shí)際耕深與通過下式計(jì)算的耕深之間的差值即為補(bǔ)償值。

h=b0+b1α+c（3）

式（3）中，c為補(bǔ)償值（cm）。

2.3 ? ?實(shí)時(shí)土壤比阻計(jì)算原理

實(shí)時(shí)的土壤比阻數(shù)據(jù)能夠?yàn)榱ξ痪C合控制提供控制依據(jù)?？刂破鲗?shí)時(shí)應(yīng)采集傾角傳感器和拉力傳感器的信號(hào)，經(jīng)過事先輸入的公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的耕深和牽引阻力，可以計(jì)算出實(shí)時(shí)的土壤比阻，計(jì)算公式如下：

3 ? ?力位綜合控制原理

3.1 ? ?等偏差率控制原理

首先，確定田間作業(yè)的基準(zhǔn)耕深h0。然后，通過田間預(yù)作業(yè)一定距離（30 m左右），利用控制器采集傳感器的數(shù)據(jù)并計(jì)算得到預(yù)工作的土壤比阻，其數(shù)值范圍為（k1，k2）。取其中位數(shù)（k1+k2）/2作為基準(zhǔn)土壤比阻。

力位綜合控制流程較為復(fù)雜，具體流程如圖5所示。建立牽引阻力測(cè)量模型和耕深測(cè)量模型，通過采集拉力傳感器信號(hào)和傾角傳感器信號(hào)計(jì)算得到實(shí)時(shí)牽引阻力和實(shí)時(shí)耕深，利用實(shí)時(shí)牽引阻力和實(shí)時(shí)耕深得到實(shí)時(shí)土壤比阻。在實(shí)際控制中，首先確定基準(zhǔn)耕深和p值，然后，進(jìn)行一定距離的田間預(yù)作業(yè)以獲得基準(zhǔn)土壤比阻，根據(jù)基準(zhǔn)土壤比阻確定基準(zhǔn)牽引阻力。此時(shí)，假定一個(gè)最優(yōu)耕深并分別表示出在最優(yōu)耕深時(shí)的耕深偏差率和牽引阻力偏差，令兩者之比的絕對(duì)值等于p，用解方程求解出的最優(yōu)耕深作為實(shí)際控制中的控制目標(biāo)，通過對(duì)比實(shí)時(shí)耕深與最優(yōu)耕深，輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)力位綜合控制。

4 ? ?結(jié)語

本文建立了牽引阻力測(cè)量模型和耕深測(cè)量模型，通過采集拉力傳感器信號(hào)和傾角傳感器信號(hào)計(jì)算得到實(shí)時(shí)牽引阻力和實(shí)時(shí)耕深，并利用實(shí)時(shí)牽引阻力和實(shí)時(shí)耕深獲得實(shí)時(shí)土壤比阻。通過建立最優(yōu)耕深時(shí)的耕深偏差率和牽引阻力偏差率之比為p的倍偏差率的方程，求解出最優(yōu)耕深值。提出了以最優(yōu)耕深為控制目標(biāo)的力位綜合控制策略，并畫出力位綜合控制流程，實(shí)現(xiàn)了力位綜合控制。

經(jīng)過理論分析和計(jì)算提出的這種力位綜合控制策略，為拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)的力位綜合控制提供了參考，以期提高深松作業(yè)效果和作業(yè)質(zhì)量。

5 ? ?參考文獻(xiàn)

[1] 魯植雄，郭兵，高強(qiáng).拖拉機(jī)耕深模糊自動(dòng)控制方法與試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2013，29（23）：23-29.

[2] 陳志.農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（下）[M].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2007：1858-1859.

[3] 趙國棟.電動(dòng)拖拉機(jī)電動(dòng)懸掛裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[D].北京：中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2019.

[4] 馬勇，李瑞川，李玉善，等.不同土壤比阻下拖拉機(jī)耕深均勻性研究[J].農(nóng)機(jī)化研究，2019，41（12）：156-160.

[5] 趙建軍，朱忠祥，宋正河，等.重型拖拉機(jī)電液懸掛比例控制器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2014，45（增刊1）：10-16.

[6] 謝凌云.大馬力拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)耕深自動(dòng)控制研究[D].鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.

[7] 王素玉，劉站，李瑞川，等.基于土壤比阻的大功率拖拉機(jī)變權(quán)重力位綜合控制研究[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2018，49（2）：351-357.

[8] 商高高，謝凌云，季順靜.拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)耕深自動(dòng)控制策略的研究[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2016，37（7）：136-140.

[9] 楊少奇.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的土壤比阻預(yù)測(cè)模型[D].長春：吉林大學(xué)，2019.