基于角度檢測的拖拉機懸掛耕深電液監控系統研究

夏俊芳 李 棟 劉國陽 程 健 鄭 侃 羅承銘

(1.華中農業大學工學院， 武漢 430070； 2.農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室， 武漢 430070)

0 引言

耕作深度(耕深)及其穩定性對土壤物理特性、作物生長具有重要影響[1]，長江中下游地區土壤多為黏土，因其土壤含水率大而造成收獲后地表平整度差、耕作時耕深穩定性差[2]。傳統機械式耕深力調節、位調節及力位綜合調節等方式往往無法滿足田間作業要求，通常需要人工來控制耕深，不但勞動強度大，而且作業質量得不到保證[3-4]。因此實時監測耕深、獲取耕深變化數據、再進行精準調節是保證拖拉機耕深穩定的關鍵[5-6]。

為了提高耕深穩定性，研究人員對拖拉機三點懸掛高度調節、力調節、位調節、力位綜合調節、滑轉率調節、壓力調節等進行了大量研究[7-9]。其中高度調節是在農具一側或兩側安裝限深輪通過仿形調節耕作深度[10]，這種方式用于旱田耕作機具，但隨著土壤含水率的增加，限深輪粘土量和滑移增大，使耕深調節效果變差[11]。文獻[12]提出一種基于力傳感器和位移傳感器綜合控制耕深的耕深電液控制系統，位移傳感器反饋耕深，力傳感器反饋工作阻力，阻力控制系統用于維持作用在農具上的阻力恒定，拖拉機發生傾仰時，入土農具受到的阻力發生變化，當農具阻力大于給定值時，便提升農具、減小耕深，當農具阻力小于給定值時便增加耕深。文獻[13]提出一種基于傾角傳感器的耕深測量方法，根據懸掛機構的幾何關系和傾角傳感器的輸出特性，得出耕深與測量電壓之間呈線性關系，并通過轉換獲得實際耕深。文獻[14]研究了拖拉機電控液壓懸掛系統自動控制方法，提出一種基于模糊控制的液壓懸掛系統耕深自動控制方法和綜合度系數的概念，設計了耕深模糊控制器。模糊控制規則是通過總結拖拉機駕駛員的實踐操作經驗來制定，而這些操作經驗則通過模糊控制規則表達出來，控制規則必須保證被控系統的動靜態性能達到最佳[15-17]。在實際作業中，因地表平整度差、拖拉機俯仰而造成的耕深變化對耕深穩定性產生一定影響，但未見相關研究報道。

本文提出一種基于提升臂轉角和拖拉機傾仰角度調節的拖拉機耕深監測與控制方法，通過建立耕深控制模型、開發電液監控系統、對耕深進行自動檢測、實時精準調節耕深來提高工作效率，降低因地表平整度差產生的干擾。采用PID控制策略并利用Simulink仿真分析該系統，并進行系統準確性試驗和田間旋耕試驗，以測試其作業性能。

1 耕深電液監控系統整體結構

基于角度檢測的懸掛耕深電液監控系統采用控制面板實現輸入和顯示耕深功能，系統執行部分采用電磁比例換向閥。傳感器采集實時狀態信息，控制器接收拖拉機手的輸入指令和傳感器的反饋信息，經過程序算法處理后輸出命令指令控制電磁比例換向閥，調整三點懸掛裝置升降，實現耕深監測與控制。基于角度檢測的懸掛耕深電液監控系統結構如圖1所示，其結構主要包括：控制器、控制面板、提升臂、角位移傳感器、傾角傳感器、同步帶傳動機構和電磁比例換向閥。

耕深電液監控系統工作原理為：將設定的耕深輸入耕深電液監控系統，耕深控制執行系統根據目標信號轉動提升臂，帶動旋耕作業機到達設定耕深。提升臂轉角發生變化，耕深自動檢測系統則反饋實時耕深給耕深電液控制系統，若拖拉機因地表平整度差產生傾仰，則反饋實時耕深的同時反饋由于車身傾仰產生的耕深誤差給耕深電液控制系統。控制器處理后，發送目標信號給執行系統，液壓裝置中電磁比例換向閥閥口開關操控液壓油的流動，推動液壓缸活塞的運動，帶動提升臂轉動，控制三點懸掛機構提升或下降。循環執行信號發送與接收，形成耕深電液監控系統。

2 耕深自動監控系統設計

2.1 耕深自動檢測系統

耕深自動檢測系統主要以檢測懸掛裝置提升臂轉角和拖拉機車身俯仰角為目標，對懸掛裝置連接旋耕機作業時姿態進行分析，建立耕深與角度之間的幾何關系式，構建耕深檢測模型，利用角位移傳感器和傾角傳感器分別測量提升臂轉角和拖拉機車身俯仰角的變化來間接確定耕深。

2.1.1旋耕作業機組姿態分析

懸掛裝置連接旋耕機結構如圖2所示，其主要結構為提升臂、旋耕機、上拉桿和下拉桿等[18-19]。

拖拉機懸掛裝置連接旋耕機提升或下降以及車身發生傾仰時的運動規律如圖3所示，其中點A為拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點，點B為拖拉機后輪接觸地面點；點A2為拖拉機車身下傾姿態時下拉桿懸掛點，L1為下傾時實際高度；點A1為拖拉機車身上仰姿態時下拉桿懸掛點，L2為上仰時實際高度；r為提升臂轉動角。當提升臂轉動時，r變大，旋耕機耕深變小；r變小，旋耕機耕深變大；當拖拉機下傾，拖拉機后懸掛裝置抬升，下拉桿懸掛點A運動到點A2，此時實際高度L1變大，控制器為保證耕深穩定，需減少后懸掛裝置的高度，降低下傾產生的高度影響；當拖拉機上仰，下拉桿懸掛點A運動到點A1，拖拉機后懸掛裝置變低，此時實際高度L2變小，控制器為保證耕深穩定，需增加后懸掛裝置的高度，減弱上仰產生的高度影響。

2.1.2耕深檢測模型建立

將提升臂轉動角設定一個百分比行程，提升臂到達上極限位置標定為100%，到達下極限位置，標定為0%。選取旋耕機與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為H1，將提升臂從下極限位置提升至上極限位置。每隔10%記錄一次耕深，用線性關系擬合出數據趨勢線，得到如圖4所示的提升臂提升百分比與高度H1關系曲線圖。

由圖4可知，旋耕機與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1與提升臂提升百分比x的線性關系式為

H1=6.037 3x+343.77

(1)

拖拉機提升臂轉動的上極限位置轉動到下極限位置之間的角位移為70°，對應提升臂轉動角行程百分比為100%，故百分比變化1%，提升臂對應轉動0.7°。得到拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1與角r之間線性關系。

如圖5所示，當拖拉機發生傾仰時，后輪胎與地面接觸點B為基準點，點A轉動到點A1位置，此時角r未發生變化。監測得到傾角q，耕深發生變化，點B到下拉桿懸掛點距離為1 100 mm，設拖拉機發生下傾時，角q為負；拖拉機發生上仰時，角q為正；將拖拉機傾仰角從0°轉動到-10°，再從0°轉動到10°；每轉動1°，記錄一次傾仰時高度變化值H2，得到如圖6所示的拖拉機傾仰角與高度變化值關系圖，將q轉換得到拖拉機發生傾仰時高度變化值H2

(2)

實際工況下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度L由H1和H2在不同耕深狀況經運算得出。拖拉機懸掛旋耕機進行作業時，三點懸掛下拉桿懸掛點到旋耕機最底端的實際高度H、實際工況下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度L和耕深h關系式為

h=H-L

(3)

其中L=H1-H2

2.1.3耕深檢測系統設計

耕深自動檢測系統的耕深測量為間接方式，將角位移傳感器和傾角傳感器連接控制器安裝于拖拉機上。提升臂轉角處不易安裝角位移傳感器，因此采用同步帶傳動機構，連接傳感器與提升臂轉角，傳遞角位移變化值。若地面平整度良好，采用角位移傳感器，通過監測懸掛裝置提升臂轉角的變化量得到耕深。傾角傳感器安裝位置在拖拉機底盤水平于地面處，拖拉機車身發生傾仰時，耕深發生變化，傾角傳感器測量拖拉機車身傾仰產生的水平夾角，將傾仰角變化量轉換為電壓變化量輸入至控制器。控制器接收角位移傳感器和傾角傳感器發出的反饋信號后，對電控液壓轉向閥進行調控，保持拖拉機耕深穩定在設定值。

2.2 耕深電液控制系統

耕深電液控制系統作為耕深電液監控系統的控制機構，實現耕深的監測和處理傳感器反饋的信號，保證拖拉機在地表平整度差時耕深穩定，系統由硬件系統和軟件系統兩部分組成。其硬件結構基本框架圖如圖7所示[20-24]。

為實現耕深電液控制器系統實時監測耕深和快速處理反饋信號，確保拖拉機耕深穩定。通過采用位置式PID控制算法，將偏差的比例系數kp、積分系數ki、微分系數kd通過線性組合構成控制量，對液壓執行系統進行控制，使拖拉機進行田間作業，三點懸掛系統在田間地表平整度差時耕深穩定。按模擬PID控制算法[25-28]，得離散PID表達式為

(4)

其中

ki=kp/TIkd=kpTD

式中T——采樣周期

TI——積分時間常數

TD——微分時間常數

k——采樣序號，k=1，2，…

error(k-1)——第k-1時刻所得的偏差信號

error(k)——第k時刻所得的偏差信號

圖8為耕深控制原理圖，輸入目標耕深到控制器，控制器輸出控制信號調整電液比例換向閥閥芯移動，執行機構帶動農具到達目標耕深。提升臂轉動升降農具時，角位移傳感器接收到的電壓發生了變化。當地表平整度差時，三點懸掛裝置距離地面高度發生變化，傾角傳感器接收到的電壓信號也發生改變，綜合角位移傳感器和傾角傳感器反饋實際耕深信號值。控制器對實際信號值與目標信號值誤差比較，按照控制算法得出控制量，調節電磁比例換向閥閥芯，對提升臂轉動進行調整，控制農具升降。農具的耕深發生變化后，傳感器信號又會發送實際耕深信號反饋給控制器形成閉環控制。

3 基于Simulink的耕深監控系統動態仿真

3.1 系統建模

經上述模型設計出一種基于提升臂轉角和拖拉機傾仰角度調節的拖拉機耕深監測與控制系統，自動檢測并實時精準調節耕深，減少因地表平整度差產生的干擾。利用建立的拖拉機耕深電液監控裝置物理模型進行仿真試驗。檢驗耕深自動檢測系統和液壓執行系統對PID控制信號的反應時間；通過Simulink軟件中SimHydraulics液壓和液壓機械系統模塊庫[29-31]構建仿真模型，其中重點由控制模塊、液壓模塊、懸掛機構模塊和拖拉機傾仰產生的干擾模塊組成。驗證拖拉機耕深監控系統快速精準達到設定耕深，當地表平整度差，拖拉機車身發生俯仰，導致耕深發生變化時，實現快速調整三點懸掛系統，以維持田間的整體耕深穩定性的效果。構建的仿真模型如圖9所示。

系統包括控制信號部分、液壓系統和懸掛機構。其中控制信號部分主要包含PID控制信號，控制電磁閥閥芯移動以及接收位移傳感器和傾角傳感器的反饋信號。控制系統取比例系數kp=10，積分系數ki=8，微分系數kd=6。液壓系統參數選用了東方紅LX954型拖拉機。電磁比例換向閥固有頻率10 Hz，阻尼0.8 N·s/m，安全壓力設置為18 MPa，溢流閥安全壓力設置為16 MPa[32-34]。

由于懸掛機構中液壓油缸活塞桿平移，推動提升臂發生轉動，提升三點懸掛改變耕深。因此將仿真中耕深變化轉換為液壓油缸活塞桿位移。三點懸掛下拉桿懸掛點下降到最低點，獲取此時活塞桿位于液壓油缸的位置，隨機提升三點懸掛裝置并量取下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度，獲取活塞桿的位移。得到如圖10所示的活塞桿移動距離y和拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1關系圖。

由圖10可知，活塞桿移動距離y與拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度H1的線性關系式為

y=0.215 4H1-81.238

(5)

仿真模型在1.1 s輸入拖拉機上仰信號，上仰角由0°增到5°，1.6 s后上仰角回到0°，拖拉機車身保持水平；由式(2)、(3)、(5)可知，當上仰角為5°時，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度降低，為補償高度變化值，活塞桿移動距離應增加20.97 mm。

3.2 仿真結果與分析

基于建立的拖拉機耕深電液監控系統模型及設置相關的參數，通過Simulink軟件仿真，驗證控制系統在地表平整度差時仍能保持耕深穩定性。在耕深自動控制系統和液壓系統的液壓驅動力、懸掛機構重力載荷、拖拉機車身俯仰產生干擾等作用下，可以得到液壓油缸活塞桿移動距離隨著時間的變化情況。圖11為控制系統的輸出波形。

由圖11可知，液壓油缸活塞桿位移從0 mm快速響應，變為96 mm，在約0.6 s后，響應到達并保持在終值96 mm的±5%內；在1.1 s時由于拖拉機上仰信號的輸入，液壓油缸活塞桿位移從96 mm快速響應，變為116.97 mm，在約0.2 s后，響應到達并保持在116.97 mm的±5%內；在1.6 s時伴隨著拖拉機上仰信號的消失，液壓油缸活塞桿位移快速響應，變回96 mm，在約0.2 s后，響應到達并保持在96 mm的±5%內。

仿真結果表明，當地表平整度差導致拖拉機產生車頭上仰5°時，傳感器產生信號給控制器，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度降低。為使高度保持穩定，液壓油缸活塞桿位移發生變化，從96 mm移動到116.97 mm，提升三點懸掛下拉桿懸掛點，保證耕深穩定。當轉動角為0°時，地表平整度良好，此時液壓油缸活塞桿回到調整前位置，系統控制調整時間約為0.2 s。仿真驗證了控制系統能保證良好的耕深均勻性，響應速度較快，當地表平整度差時，仍能在較短時間內到達穩定狀態，能滿足拖拉機耕深控制的基本要求。

4 田間試驗

4.1 試驗目的

對上述系統設計、仿真驗證得到的耕深電液監控裝置進行田間試驗，在平整度差的地表行進時，通過檢測拖拉機耕深電液控制系統下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量判斷耕深自動檢測系統的準確性和可行性。通過田間試驗對比分析電液監控裝置和機械調節裝置在不同工況下，對拖拉機耕深電液監控系統采用旋耕作業后耕深標準差和耕深穩定性變異系數，驗證拖拉機耕深電液監控系統可行性、裝置控制精度及控制系統穩定性。

4.2 試驗條件

2020年8月在華中農業大學現代農業科技試驗基地試驗田進行試驗。該田塊為偏黏性旱地土壤，試驗前田塊長有雜草和秸稈殘茬，土壤狀況適耕，田塊各處試驗條件基本相同，試驗田塊面積滿足測試要求。試驗儀器主要包括東方紅LX954型拖拉機(中國一拖集團)、旋耕作業機、TJSD-750型土壤緊實度測定儀(浙江托普云農科技股份有限公司，精度：±0.5‰FS)、電子秤、卷尺、直尺等；經測量，拖拉機提升臂實際轉動角范圍為0°～70°，車載電壓為12 V，故采用米朗科技的WDA-D22-A型角位移傳感器，角度測量范圍(-41°，41°)，輸出信號電壓為0.5～4.5 V，電源電壓為10～12 V；采用青島有田測控公司工業級電壓型CQ-V傾角傳感器，角度測量范圍(-90°，90°)，電源電壓為10～12 V，輸出電壓信號為0～5 V，對應角度測量范圍(-90°，90°)；當輸出電壓為2.5 V時，對應為角度測量范圍中的0°；傾角傳感器安裝于拖拉機底盤平行于地面處接收信號，電壓信號通過控制器進行采集；耕前地表平整度為2 cm，試驗前田塊其他各項參數如表1所示。

表1 試驗前田塊各項參數

4.3 試驗方法

4.3.1耕深自動監控系統準確性試驗

為了驗證拖拉機裝配了角度檢測的耕深電液監控裝置在地表平整度差影響下，車身發生了傾仰，是否仍精準調整三點懸掛裝置，使下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度能夠保持穩定，高度與地表平整度良好時高度一致。

如圖12所示，將拖拉機置于平整地面上，此時可得傾角傳感器電壓為2.5 V，測量拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度。將拖拉機置于凹坑內，前輪凹陷車身下傾，傾角傳感器可得到車身下傾角度變化后的電壓，由此可知拖拉機發生下傾的實際角度。凹坑深度由淺入深6次，測得6次的車身下傾角和對應的拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度；同理，將拖拉機置于凸坡上，凸坡高度逐次升高6次，測得6次的車身上仰角和對應的三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度。對采集的數據進行處理，可以得到拖拉機在不同傾仰狀態下，三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量。

4.3.2耕深電液監控系統田間作業性能試驗

為驗證耕深電液監控系統田間作業性能，分別采用電液監控裝置和機械調節裝置在不同工況下對拖拉機耕深電液控制系統采用旋耕作業進行性能試驗。當速度過快，耕深較深時會導致拖拉機發動機熄火，因此拖拉機設2個平均作業速度0.52、0.84 m/s。

拖拉機分別采用電液監控系統和機械調節系統進行對比試驗，每種系統安裝后都分為4個工況進行，試驗工況如表2所示。

表2 耕深系統試驗工況

參考GB/T 5668—2017《旋耕機》，選用試驗田塊長度為60 m，取中間40 m為拖拉機穩定工作區間，兩頭各留10 m作為拖拉機耕深達到設定深度的距離。每個工況重復3次，取其平均值作為該工況試驗結果。開始計時后，拖拉機行進，同時控制農具達到指定耕深，記錄達到指定耕深所需最短時間。每隔3 s標記一次旋耕機經過的點，測量時長45 s，共記錄16次，旋耕作業結束后，采用人工測量標記點的實際旋耕深度。

4.4 試驗結果

自動檢測系統準確性試驗記錄了12次測點的數據，當傾角傳感器電壓為2.5 V時，地表平整度良好，對應角度為0°，拖拉機三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為60.5 cm。設拖拉機下傾時角度為負，上仰時角度為正，試驗結果如表3所示。

表3 不同傾仰角下高度

根據GB/T 5668—2017《旋耕機》所規定農業機械作業標準可知，判斷旋耕作業質量的重要指標是耕深穩定性變異系數V，其計算式為

(6)

式中S——耕深標準差，cm

a——平均耕深，cm

耕深電液監控裝置田間作業性能試驗旋耕作業時，分別設置平均作業速度為0.84、0.52 m/s，耕深設定為12、18 cm，得出不同工況下的耕深穩定試驗結果如圖13所示。

各工況下電液監控裝置和機械調節裝置的平均耕深、標準差、耕深穩定性變異系數如表4所示。

表4 耕深電液控制系統的作業性能

4.5 結果分析

由表3可知，拖拉機傾仰時下拉桿距離地面高度與地表平整度良好時高度基本相符。最大誤差為0.8 cm，出現在測點1處，經計算可知，拖拉機下傾時，平均誤差為0.3 cm，上仰時，平均誤差為0.15 cm，總體平均誤差為0.075 cm，標準差為0.507 cm。本次試驗的最大誤差不超過0.80 cm，拖拉機在水平地面時，下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度為60.5 cm，綜合分析，誤差并不會對耕作質量產生較大影響。試驗表明，當地表平整度差導致拖拉機發生傾仰時，耕深電液監控裝置能得到三點懸掛下拉桿懸掛點相對于地面垂直方向高度變化量，精準調控高度穩定在設定值，驗證了耕深自動檢測系統準確性。

由表4可知，采用基于角度檢測的拖拉機耕深電液監控系統進行旋耕作業時，在不同速度、不同深度下，耕深標準差和耕深穩定性變異系數均低于機械調節系統。其在各工況中耕深穩定性變異系數最大為4.28%，根據GB/T 5668—2017《旋耕機》所規定農業機械作業標準可知，耕深穩定性變異系數需小于15%。拖拉機耕深電液監控系統進行旋耕作業時，耕深穩定性變異系數達到了農藝作業要求。在旋耕作業中，耕深為12 cm，平均作業速度為0.84 m/s，此時采用機械調節系統控制三點懸掛，耕深穩定性變異系數為各工況下最大，為8.20%。采用機械調節系統時耕深標準差較大，若坡度較高或地面平整度差，則機械調節系統耕深穩定性將達不到要求。采用電液監控系統，耕深穩定性更高，當地表平整度差時，仍可達到較好的穩定耕深效果。

5 結論

(1)采用角位移傳感器和傾角傳感器分別測量提升臂轉角和拖拉機車身俯仰角的變化，從而間接確定耕深。設計了耕深電液控制系統，該系統可預設和實時顯示耕深、處理傳感器反饋信號、對耕深控制執行系統進行調控，從而使耕深穩定在設定值。

(2)利用Simulink軟件構建系統仿真模型，結果顯示，系統能在0.6 s達到穩定狀態，說明耕深監控系統具有快速響應速度。當拖拉機車身發生俯仰、耕深不穩定時，可實現快速調整懸掛裝置，以維持田間整體耕深穩定性。

(3)通過耕深自動監控系統準確性試驗得出，系統能檢測因傾仰導致的三點懸掛下拉桿懸掛點高度的變化量，調控高度穩定在設定值，驗證了耕深自動檢測系統的準確性。對所設計的電液監控系統與原機械控制系統進行了對比試驗，結果顯示，電液監控系統進行旋耕作業時，在各工況中耕深穩定性變異系數不超過4.28%，耕深標準差和耕深穩定性變異系數均低于機械調節系統。