拖拉机电控液压悬挂系统的建模与仿真分析

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1、江苏大学硕士学位论文摘要拖拉机电液悬挂控制技术是二十世纪七十年代逐步发展起来的比较先进的悬挂技术，正越来越受到广泛的重视，日益成为拖拉机悬挂系统的主要配置和发展方向。本论文从当前我国拖拉机悬挂系统的发展现状出发并结合电控液压悬挂系统的先进技术，根据电控液压悬挂系统的工作原理，建立了电控液压悬挂系统的动态数学模型，基于当前悬挂系统常用的元件的分析和参数的选择和参考资料，求出了悬挂系统简化后的传递函数。其次，根据当前拖拉机电液悬挂系统控制技术的研究，设计出了应用于电控液压悬挂系统的模糊P I D 控制器，并分别建立了电控液压悬挂模糊P I D 的位置控制系统、阻力控制系统和力位综合控制系统，运用图

2、形化仿真工具S I M U L I N K 和M A T L A B 模糊逻辑工具箱对电控液压悬挂系统进行了仿真分析，并与P I D 控制系统的仿真结果进行了比较，仿真后的结果表明模糊P I D 控制应用于电控液压悬挂系统是可行的。本论文最后以某型号轮式拖拉机为研究平台，将原机械式液压悬挂系统改造为易于实现的电液悬挂控制系统，焊制了模拟农具支架，进行了室内仿真试验，成功地实现了拖拉机液压悬挂系统的多种控制方式，并将采集的试验数据经过处理后所得的试验曲线与仿真模型所得到的仿真曲线进行分析对比，试验结果表明电控液压悬挂系统基本能够满足耕作要求，并与理论分析的结果相一致，说明所选择的电液悬挂控制方法

3、是合适的和有效的。同时这也为今后进一步分析电控液压悬挂系统和设计开发电控液压悬挂系统控制器提供了一定的参考价值。关键词：拖拉机，电液悬挂系统，模糊P I D 控制，M 觚A B S i I n u l i I l l【，建模，M A T L A B 仿真江苏大学硕士学位论文T h et r a c t o re l e c t r o n i c-h y d r a u l i ch i t c ht e c h n o l o g ya r i s e df 幻m7 0 so fl a s tc e n t u r ya n di sb e c o m i n gar a t h e rm

4、o d e mh i t c ht e c h n o l o g y N o wi ti st h em a i ne q u i p m e n to ft r a c t o r Sh i t c hs y s t e ma n dg e t sm o r ea n dm o r ee x t e n s i v er e g a r d I nt h i sp a p e r，a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo fd e v e l o p m e n to ft h et r a c t o r Sh i t c hs y s t

5、e mc o m b i n e dw i t ht h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y，a n di nt h el i g h to ft h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo fe l e c t r o n i ch y d r a u l i ch i t c hs y s t e m，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e mi sf o u n d e d，a n dt h e n，b a s e do nt h ec o m p

6、o n e n t sa n dp a r a m e t e r sw h i c hi sc u r r e n t l yu s e di nt h ee l e c t r o n i c-h y d r a u l i ch i t c h，t h et r a n s f e rf u n c t i o no fe l e c t r o n i ch y d r a u l i ci sc a l c u l a t e d S e c o n d l y，t h eF u z z y-P I Dc o n t r o l l e rb a s e do nat r a c t

7、 o r Sh y d r a u l i ch i c t c hp a r a m e t e r si sf o u n d e da n du s e di nt h ec o n t r o lo fe l e c t r o n i ch y d r a u l i c衄c hs y s t e m T h ef u z z yl o g i cc o n t r o l l e rc a nb ed e s i g n e db yF U Z Z YT O O LB O Xo fM A T L A Ba n dS Ot h eF u z z y-P I Dl o g i cc o

8、 n t r o ls y s t e mw i l lb es e tu pi nM A T L A B T h i r d l y，C a r r y i n go u tt h es i m u l a t i o na n da n a l y z i n gt h eF u z z y-P I Dc o n t r o la c t i o n，t h ee l e c t r o n i ch y d r a u l i cs i m u l a t i o nm o d e lw h i c hw i l lb eu s e di nt h eh y d r a u l i ch

9、 i t c hi sv e r i f i e da n dt h eF u z z y P I Dc o n t r o lw h i c hi su s e di nt h eh y d r a u l i ch i t c hi sf e a s i b l e B a s e do naw h e e l e d-t r a c t o r，t h ep r i m a r yh y d r a u l i ch i t c hi sr e p l a c e db yt h ee l e c t r o h y d r a u l i ch i t c h，a n dt h e n

10、t h ee x p e r i m e n ti sc a r r i e do n I nt h ee x p e r i m e n t，t h em e a s u r e m e n to ft h ep l o u g hd e p t hi sh i g h l i g h t e d B yc o m p a r i n gt h ee x p e r i m e n tc u l N ew h i c hi sg o tf r o mt h ee x p e r i m e n tw i t h江苏大学硕士学位论文t h es i m u l a t i o nt c L l

11、 r v ew h i c hi sg a i n e df r o mt h es i m u l a t i o nm o d e l，t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t sa r es a t i s f a c t o r ya n dc o n s i s t e n tw i t ha n a l y s i s T h a tm e a n st h ed e s i g no ft h ee l e c t r o-h y d r a u l i cc o n t r o lm e t h o di sp r o p e

12、r T h er e s u l t sa l s op r o v i d er e f e r e n c e dv a l u e sf o rt h ed e s i g n so fe l e c t r o n i ch y d r a u l i ch i t c hs y s t e m K e yw o r d s：T r a c t o r，E l e c t r o n i ch y d r a u l i ch i t c hS y s t e m，F u z z y-P I Dc o n t r o l，M A T L A B S i m u l i n k，M o

13、d e l i n g，M A T L A Bs i m u l a t i o n江苏大学硕士学位论文1 1 课题研究的意义第1 章绪论现代拖拉机的技术发展趋势是广泛采用高新技术，提高拖拉机性能、可靠性、操作方便性、舒适性、安全性及外观质量等。近年来，电子技术与计算机技术结合形成的智能控制技术的发展以及先进的机械制造技术、新材料的涌现，为农业机械带来了新的技术变革，推动了农业机械向智能化、自动化方向发展，极大地促进了农业机械产品性能的提高。随着信息技术、网络技术、人工智能技术在工业上的广泛应用，在传统农业装备上引入信息化、智能化技术是2 1 世纪农业现代化发展的必然趋势。农业机械向智能化、精

14、准化和实现可持续农业方向发展，以逐步实现农业机械作业的高效、高质量和低成本，并提高操作者的舒适性和安全性。随着世界人口和人民提高生活水平的需求不断增长，农业机械化在更高的水平上继续发展是必然的趋势。农业机械正向大型、高效、低耗、自动化和智能化发展。发展高生产率的农业机械必须提高作业机组的生产率。因此，大功率拖拉机逐年增加，作业机械的工作幅宽也相应加大，机组速度普遍提高。近几年来，一些发达国家不断将高、新、尖技术应用到农业机械上来，使农业机械不断向智能化发展。如美国纽荷兰大功率拖拉机与割晒机、收集机、法国库恩免耕播种机等n。我国对农用拖拉机的研究和发展虽然取得一定成就，但是与发达国家相比，仍有很

15、大差距。就我国当前拖拉机生产和实际应用而言，机电液一体化技术的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题，如拖拉机液压系统的发热问题、液压冲击性问题、液压系统中的泄漏问题等，尚缺乏系统和深入的研究，没有形成可行的解决方案。在液压技术的发展上，仍然处于以液压悬挂的推广完善为代表的液压悬挂阶段，并且更多的研究都是针对传统机液控制系统的仿真和实验研究n。本项研究拟选择拖拉机液压悬挂装置及其农具配套机组为主要对象，探讨和研究其在实现机电液智能控制方面的关键技术，从而有助于提高我国农业机械的自动化和智能化水平，有助于提高农业机械的生产效率和精确农业的发展。江苏走学硕士学位论文1 2 拖拉机电控液压悬挂

16、系统的结构及特点电控液压悬挂系统当前比较常见的系统配置如图1 1 所示。通过控制面板来对电控液压悬挂系统进行控制，控制单元根据控制面板发出的指令和内部所储存的发出指令(电流信号)来控制电液比例方向阀和阀芯位移达到控制液压油的流量和方向，从而控制工作油缸和安装了农机具的悬挂杆的上升和下降来达到控制的目的。K蓼困1 1 电拉洼压悬挂系统在拖拉机上的布置图H 9 1 1 T h e l a y o u t o f e l e c t r o n i c h y d r a u i c h i t c h在图1 1 中，控制面板用柬对整个悬挂系统进行控制：位置传感器用来测量悬挂杆件的转角，吼此来测量出

17、悬挂在悬挂杆件上的农机具的作业耕深；力传感器是用来测量悬挂杆件在作业时受到的牵引阻力。其中控制面板实现对滑转率的控制是利用在微处理器中设定的阈值的方法来实现对其控制的“”1 17 1 因此在本文中也采用这种方法对拖拉机耕作时的滑转率采用给定阐值的方法。传统的拖拉机液压悬挂机组的控制方式是机液控制系统，从七十年代它逐渐被电液控制系统代替。这是因为电液控制系统具有以下优点：a 通过按钮等控甫0 改善了操作性能，减轻了驾驶员的劳动强度，并提高了驾驶员的舒适度；b 利用电液控制技术提高了控制精度：c 结合实际情况，可咀方便地实现多种控制；d 容易实现控制灵敏度和控制范围的调节；e除力调节、位调节外，电

18、控回路可以自由进行多种控制组合，克服了单项调节的缺点，并且信号测量简单，传递容易，合成简单：f 结构简单，在原有的机械式液压控制牵引力传感器部件的基础上，容易江苏大学硕士学位论文安装电液悬挂系统的传感机构；g 利用控制技术和微处理机来控制整机，有利于拖拉机组向智能化方向发展。1 3 电控液压悬挂系统的研究及发展趋势1 3 1 电控液压悬挂系统研究动态拖拉机作为一种农业动力机械发明于2 0 世纪的早期。一个典型的里程碑就是由H a r r yF e r g u s o n 在2 0 世纪2 0 年代发明的拖拉机机械悬挂装置，之后经过不断完善和发展，逐渐在拖拉机上得到了广泛的应用。从3 0 年代起

19、农用拖拉机开始采用液压悬挂装置，它利用液压作为提升和控制悬挂农具的动力，液压悬挂装置包括三部分：悬挂机构、液压系统和操纵机构。悬挂机构：用于连接农具的由杆件组成的空间机构。通常用简化投影到纵向平面内的平面六连杆机构代替空间机构。液压系统：由液压泵、液压缸、控制阀和其他液压元件组成。与一般的液压系统一样，用液压泵和液压缸来将发动机的动力转换为提升农具所需要的动力。操纵机构：有简单的操纵机构和伺服操纵机构两种。前者的液压系统控制阀由驾驶员直接手动操纵；后者的液压系统控制阀由伺服机构(随动机构)来操纵，它可由驾驶员操纵也可自动控制。自2 0 世纪7 0 年代电子技术和微机控制技术的出现、发展和成熟，

20、机电体化技术逐步被应用到拖拉机上，取得了良好的效果。尤其是近几年来，汽车电控技术的迅猛发展，在一定程度也带动了电控技术在拖拉机上的应用，使现代新型拖拉机产品同益朝着自动化和智能化的方向发展。世界各大拖拉机生产企业都在积极开展这一领域的研究探索，并把机电一体化技术的应用作为其产品向高级化发展的一个象征性战略。自7 0 年代以来，拖拉机上采用了大量的机电一体化技术，在液压悬挂系统的基础上，开发出了拖拉机电控液压悬挂系统。随着大规模集成电路技术的发展和应用，逐步将拖拉机电液悬挂系统的控制与拖拉机总体性控制起来，使拖拉机控制系统具备了一定得信息处理能力，为智能化技术在拖拉机上的应用开辟了道路，从而实现

21、拖拉机的各个子系统高精度、3江苏大学硕士学位论文高实时性的自动控制，而且使拖拉机的控制系统具有一定的逻辑判断能力，提高拖拉机对外界环境的适应能力，使其能在复杂多变的工作条件下自适应地选择最佳的工作方式，最大限度地提高拖拉机各个子系统的工作效能，实现发动机、传动系及其悬挂机构各子系统的自动控制以及各个子系统之间的优化匹配，从而更好的满足对拖拉机的各项使用要求协3 8 1。1 3 2 国外拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状福格森公司(F e r g u s o n)早在3 0 年代首创了三点悬挂机构，最初在T E-F 2 0拖拉机上采用阻力控制，以后在M F 3 5 拖拉机上增加位置控制，进入6

22、0 年代，在新的1 3 5 和1 6 5 等机型上又增加了压力控制1 1 1。对拖拉机的悬挂系统进行了电子化自动控制早在上世纪7 0 年代就有研究，并有产品投放市场，如日本芝浦公司的I C 控制系统具有位调节、力调节控制功能外，还具有旋耕作业时控制旋耕深度的功能，拖拉机左右倾斜作业时，还具有在控制农机耕深的同时还保证农机具左右倾斜角的功能以保证耕作质量。博世(B O S C H)公司提供的电液控制提升器已配置在戴姆勒奔驰、芬特、万国、史律特、道依茨、麦塞、福格森等公司的大功率拖拉机上，它有利于提高拖拉机的效率，该系统具有位调节、力调节、力位综合调节和高度调节控制功能。以福格森公司3 0 0 0

23、 系列拖拉机所用的电液调节系统为例：它是利用一个小型微处理器把力、位传感器输出信号与驾驶室仪表盘上给定的数据进行均衡，自动完成必要的调节，系统中装有深度控制指针、传感器开关、灵敏度指示盘和升降指示灯。上世纪7 0、8 0 年代广泛研究的悬挂牵引力测力仪以及在液压悬挂系统中进行计算机辅助设计。在牵引力控制系统中采用电液比例阀时，理论上算出的控制器的增益往往比较保守，通过土槽试验发现，实际增益可以取得比理论值大，这为建立控制系统的传递函数提供了参考。文献n 2 1 提出以拖拉机的滑转率来自动控制发动机状况、变速档位、工作装置的力调节，使各方面配合以达到机器耕作高效低耗的目的。以牵引力数学模型来描述

24、耕深、速度、土壤阻力三变量对牵引部分的影响，并考察了“耕深力、“速度力”、“土壤阻力力三模型的动态特性，将其作为设计液压悬挂控制系统的基础。电液比例阀逐渐被应用于农用机械中，例如在播种机深度调节中的应用，文献“2 1 首先对控制系统建模，4江苏大学硕士学位论文然后进行了开环、闭环传递函数分析、室内试验和计算机仿真优化来验证及对比，得出系统在优化后对2 5 m m 的阶跃信号的响应时间为2 5 5 m s，比经验值提高了2 3，控制精度也有增加。在实际应用产品方面，各国纷纷推出新式控制系统。德国B O S C H 公司研制的农用拖拉机电子控制式液压悬挂机构采用带有数字信号处理设备的H E R-D

25、 提升调节装罨，其核一t l,是一个由带有8 路模拟量输入输出通道的微处理器和程序存储器，系统使用的传感器有：安装在下拉杆的磁滞伸缩式测力销、安装在提升臂上的角位移传感器、液压系统中采用了应变式压力传感器、在变速箱输出轴上安装了转速传感器、实际车速由安装于车架底部的雷达速度传感器获得。电子控制装置通过对各传感器上送来的数据进行分析，驱动液压执行元件，实现阻力调节、位置调节、压力调节和滑转率调节。为了与拖拉机上的其他电子控制系统进行数据交换，B O S C H 公司还专门开发了C A N 总线结构。对悬挂系统的所有控制操作均可以通过安装于驾驶室内的控制面板来完成。该系统不仅可以维持耕深，而且可以

26、调节车桥载荷，控制驱动轮的滑转率。奔驰、芬特、万国、福格森等多个拖拉机生产厂家均在其生产的几种大功率拖拉机上装备了此种电液控制装置，对于提高拖拉机的作业效率和质量、降低燃油消耗起到了很好的作用。此外，其它知名的拖拉机厂商，如约翰迪尔(J o h nD e e r e)、新荷兰(N e wH o l l a n d)等也都各自开发了相应的数字化控制系统。综上所述，目I；在国外拖拉机上，机电液一体化技术已经获得了广发的应用，例如，麦塞、福格森、雷诺、萨姆、约翰迪尔、菲亚特、新荷兰、道依茨等公司近期推向市场的大功率拖拉机基本上都装备了电液悬挂系统，使电液悬挂产品已经进入主流市场。还有一些拖拉机上还采

27、用了基于C A N 总线的多路传输网络系统，使得机电液控制系统在拖拉机上的应用达到很高的水平。但是同时，也还存在着许多有待于进一步研究探讨的问题，主要表现在系统的灵敏度、可靠性和实用化方面。1 3 3 国内拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状我国拖拉机工业经过几十年的发展，已经取得了很大的进展，但是与国外高新技术拖拉机相比，仍存在较大差距，拖拉机悬挂系统更是如此。国内在拖拉机5江苏大学硕士学位论文上应用带有力调节、位调节、综合调节的液压悬挂系统比较晚。按时间划分为以下三个阶段：第一阶段为初步研究阶段。在7 0 年代中期，我国一些高等院校和科研机构对一些型号的拖拉机液压悬挂系统的性能进行了田间耕作

28、试验，希望从中找出一些有规律的东西来，但是由于种种原因，如季节的影响，试验周期长，试验条件复杂，从而没有达到预期的效果。到7 0 年代后期，国内才有人从理论上对力控制系统的动态性能进行初步研究。在这方面，原吉林工业大学、洛阳拖拉机研究所、原北京农业工程大学、原洛阳工学院、原江苏工学院都作了一些有益的工作。第二阶段为机液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入8 0 年代开始了拖拉机液压悬挂系统室内仿真试验，如基于动态性能的分析，提出一种拖拉机力调节系统建模与优化设计的方法，包括建立数学模型，分析稳定性和动、静态品质，求取动力机构的最佳匹配参数和系统的其他设计参数；定性地分析了土壤阻力干扰对耕深的影响

29、以及机组在实际耕作过程中诸信号之间的传递关系，并建立了室内试验系统，进行了室内仿真试验，论述了仿真试验原理和模拟加载装置的设计要点等等，不断取得一批新的研究成果。八十年代后期为了跟踪国外先进技术，开始了电子化自动控制技术的研究，在原机型液压系统的基础上进行改造，增加电液控制装置和器材，并做了初步的实验工作。第三阶段探索电液摔制系统的研究开发。9 0 年代，随着电子技术的飞速发展，计算机模拟、电子控制、微计算机控制蓬勃兴起并应用于拖拉机液压悬挂系统的控制中。首先在室内试验中，提出了一种新的纯牵引力传感器，而且试验台的模拟加载控制和性能测试由一台微机来完成，对原机型的机液控制系统进行了测试和评价其

30、动态品质。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，比较了原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，而且提出了位置控制、阻力控制、耕深控制和力位综合控制四种方式，进行了电液控制的初步探索。还进行了伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较。文献4 幻认为悬挂系统的工作特性一般属于继电器开关型，并在此基础上采用开关型电磁阀进行了试验研究。文献“进一步研究了微机控制系统，采用液压伺服系统取代拖拉机原有的液压系统，运用M C S 5 1 单片机控制器对拖拉机耕作作业中的耕深进行自动控制，取代传统的机械式调节装置，并进行了田间试验。同时期的一些研究者提出了一种新的在室内研究和评价悬挂系统耕作性能的方法哪

31、!和建立耕作过程中土壤阻力数学模型以及阻力控制系统的6江苏大学硕士学位论文室内模拟试验系统的方法。文献对悬挂系统进行了加载性能的研究，同时提出了悬挂系统的模糊控制方法1 1 0 l。综上所述，就我国当前的情况而言，对拖拉机作业机组电液一体化技术的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题尚缺乏系统和深入的研究，在液压技术的发展上，仍然处于以液压悬挂的推广完善为代表的液压悬挂阶段，并且更多的研究都是针对传统机液控制系统的仿真、试验和改进研究。归结起来主要还存在以下几个方面的问题1 1 7|a 基本上对悬挂系统进行单个研究，对拖拉机发动机、变速箱、液压系统、电控系统等的综合控制方面研究的比较少；

32、b 控制对象主要是牵引力阻力和耕深，对多参数，如滑转率、行驶速度、发动机转速和发动机负荷的联合控制研究的比较少；c 控制工具由单片机组成，还是在实验室试验阶段，因传感器、控制总线和信息显示技术还没有形成成熟的产品，只能从国外进口成套的系统使用；d 多在室内仿真试验研究，由于还没有应用于实际中，因而在田间作业方面还没有取得自动控制系统的性能评价指标。1 4 本课题的主要研究内容和目的1 4 1 课题研究的目的当前我国国内拖拉机电控液压悬挂系统还处于起步阶段，在电控液压悬挂系统控制技术的开发和设计上来说更是比较薄弱。由于电控液压系统的设计和开发在实际中需要很长的时间试验标定，时间长而且费用高。对电

33、控液压悬挂系统的仿真控制技术的研究可通过软件在环(S I L)方式进行控制系统开发，不仅能够在设计过程中调整参数，实现一系列的设计开发，而且缩短了设计开发周期和减少了开发费用，尤其是通过虚拟仿真可以为现实的设计开发提供理论研究的依据和特性分析，从而可以为实际设计开发提供参考依据。本课题基于某型号轮式拖拉机电控液压悬挂系统开发项目，首先对电控液压悬挂系统进行分析，结合常用的系统元件建立起系统的数学模型，选择合适的控制策略，并将建立的数学模型和控制策略结合起来，研究电控液压悬挂系统在对耕深调节过程时的特性和动态7江苏大学硕士学位论文响应，并与试验结果相比较，进而分析所建立的系统模型的正确性和合理性

34、，以及所设计的模糊P I D 控制应用于拖拉机电控液压悬挂系统的可行性和适用性，从而为电控液压悬挂系统的设计开发和系统控制器的设计提供理论依据和参考价值。1 4 2 课题研究的主要内容本论文所要完成的主要内容是拖拉机液压悬挂的性能分析和控制方法的研究。研究的具体内容包括以下几点：1 在某型号轮式拖拉机液压悬挂系统开发的基础上，结合当前在拖拉机液压悬挂系统上常用的方向比例控制阀和传感器等元件，对拖拉机电控液压悬挂系统进行动力学分析和性能分析，在分析和参考相关资料的基础上确立整个系统的数学模型。2 根据建立的数学模型，结合当前模糊控制技术，利用M A T L A B 7 0 中的模糊逻辑工具箱F

35、u z z yL o g i cC o m r o lT o o l b o x 设计一种适合电控液压悬挂系统的控制算法，并在S i m u l i n k 仿真环境下建立系统的模糊P I D 控制仿真模型。3 根据建立的系统数学模型和模糊P I D 控制模型，在模拟实际情况(土壤的比阻的变化和耕作过程中遇到突然外界力增加或者减少的情况)下，结合具体的电控液压悬挂系统元件进行实验仿真分析，通过对建立的仿真控制模型前后的仿真对比分析，初步验证建立数学模型的正确性和合理性以及将所设计的仿真控制模型应用于电控液压悬挂系统的合适性和可行性。4 结合电控液压悬挂系统的室内仿真试验，根据试验采集的数据处理

36、后的曲线与建立的仿真控制模型的仿真曲线进行分析对比，进一步验证所设计的仿真控制器应用于拖拉机电控液压悬挂系统的可行性和适用性，从而为电控液压悬挂系统动态性能分析和控制策略的研究和开发提供一定的参考价值。1 5 本章小结1 介绍了电控液压悬挂系统的结构及特点。2 对国内外液压悬挂系统的研究动态进行了综述。3 阐明了本课题研究的主要任务。8江苏大学硕士学位论文第2 章电液悬挂控制系统2 1 传统液压悬挂系统耕深控制方式拖拉机悬挂机组耕作深度指农具入土耕作后犁沟底面与地面之间的高度差。耕作深度的均匀性是衡量耕作质量的指标之一。操作和调节农具是拖拉机悬挂系统的主要功能，也是控制耕作深度的重要组成部分，

37、农具调节方法是否适应各种配套农具和不同作业条件，对机组的动力性能和作业质量有十分重要的影响。悬挂系统使拖拉机与农具结合成一个机组，其突出的优越性是农具可由拖拉机驾驶员不离座位进行操纵。为了不分散驾驶员的精力，耕作过程中农具的耕作深度，应由他预选和调定，然后由液压悬挂装置自动控制。传统耕深控制方法，常用的主要有以下几种：高度控制、阻力控制、位置控制和力位综合控制。我国悬挂式作业机组中一般配置上拉杆传感器的阻力控制、位置控制和力位综合控制三种调节方式为一体的控制机构(如图2 1 所示)。1中立1 操纵手柄2 伺服杆3。传感杆4 主控制阀5 滑槽导板6 选择杆图2 1 力位综合控制简图F i g 2

38、 1D r a f ta n dp o s i t i o nc o n t r o l图2 1 中，当移动操纵手柄1 的位置使农具下降到耕深设定值日后，固定不动，此时伺服杆2 上端的a 点固定不动，b 点将随着传感杆3 作前后移动，使控制阀4 离开“中立”位置相应地前后移动，提升或下降农具，从而减小或增大作业阻力的合力疋。9江苏大学硕士学位论文2 1 1 位置控制位置控制用来保持农具与拖拉机的相对位置不变。如果相对位置发生变化，位置控制系统自动地将农具调回到原来的预定位置。其优点是：(1)适用于浅耕，还可以用于要求保持离地距离确定的农机具(如悬挂式旋转割草机、喷雾器)；(2)只要液压泵工作，

39、农具能停留在任何位置；(3)耕作时农具的重力能转移到拖拉机驱动轮上；(4)传统位置控制输入信号是提升臂转角的变化量秒，与牵引阻力无关，受外界干扰引起的变化频率较低，故液压泵压力比较稳定，位置控制比较稳定。其缺点是：(1)只能在平坦地表上农具保持预定入土深度或离地高度作业，农具不能随地面仿形；(2)不能保持发动机负荷稳定。2 1 2 阻力控制耕作中如果土壤阻力变化，则需相应地稍加升降农具，以便保持拖拉机的牵引力基本不变，使发动机负荷稳定，这种控制称之为阻力控制，其优点是：(1)能自动保持拖拉机牵引力的稳定，使发动机的负荷保持稳定；(2)农具虽无地轮，但在地表起伏变化下仍有一定的仿形作用，且在平坦

40、的熟耕地上能保持耕深均匀；(3)耕作时农具的重力能转移到拖拉机的驱动轮上，有利于改善拖拉机的附着性能；(4)不要求有坚实地面作为耕作深度的基准，因此能适应水田耕作需要。其缺点是：(1)因为传统悬挂系统采用上拉杆力作为控制信号，故不适宜用在浅耕或离地作业农具上；(2)在土壤比阻差异很大的田间作业时，对耕深均匀性影响很大；(3)传统阻力控制的输入信号采集上拉杆传力弹簧变形量的变化，与土壤比阻和地表起伏有关，受外界干扰引起的变化频率较高，液压泵压力变化急1 0江苏大学硕士学位论文剧，农具被频繁地升降，故阻力控制系统不能在复杂多变的工作条件下保证耕作质量。2 1 3 力位综合控制力位综合控制是将弹簧变

41、形的变化量和提升臂转角变化量秒加权处理后作为输入信号的控制方法。力位综合控制过程(如图2 1)：设当操纵手柄1 固定在某一位置后，农具到达预定耕作深度H，主控制阀4 处于“中立 位置；又设此时阻力控制弹簧的压缩变形量为厂、提升臂转角为秒。如果土壤阻力增大，阻力控制弹簧压缩量增大值为，农具提升。这是一方面随土壤阻力的减小，阻力控制弹簧变化量掣相应减小，使主控制阀4 后移；另一方面，由于提升臂转角增大秒，也使主控制阀后移。在这两个输入信号同时作用下，控制阀回到“中立 位置。与单纯阻力控制相比，阻力控制弹簧变化量中只有部分值传到传感杆3 上用于移动主控制阀4，故阀的移动量相对减小了，即控制阀的开口量

42、减小，因此农具提升速度减缓；又由于增加了秒，使控制阀额外的向后移，所以没有等到阻力控制弹簧变化量完全消除，即阻力控制弹簧还没有恢复到原定的厂值之前，控制阀就回到“中立 位置，提前终止了农具的提升。故阻力控制弹簧的实际压缩量大于厂，提升臂的实际转角大于0 值。如果土壤阻力减小，其原理相同，过程相反。力位综合控制的整个过程表明，当农具阻力变化时，拖拉机牵引负荷并不保持不变，农具虽然升降，但是阻力控制弹簧压缩量并未恢复到预定的厂值，农具升降动作和升降速度受到一定得抑制，避免耕作深度的差别过大，其目的是要在牵引负荷稳定性和耕作深度均匀性两方面得到合理调整。根据以上所述，我们设输入信号的权重系数为a，输

43、入信号目的权重系数为b，综合控制指标S 可用以下数学模型描述：f S：a 人，工6 A 0 p-s1口+-y 6：i1(2 J)指标S 反映了上述两种输入信号按照不同的比例，各自对操纵机构起的“综合作用。式中：(1)当a=1，b=0 时，控制装置按力调节方式工作；1 1江苏大学硕士学位论文(2)当a=0，b=1 时，控制装置按位调节方式工作；(3)当口 l，b 1 时，控制装置按力位调节方式工作：(4)当g O，a 6 1 时，控制装置位调节作用大于力调节；(5)当b 0，b a 1 时，控制装置力调节作用大于位调节。2 1 4 高度控制高度调节是采用地轮来限制农具的入土深度保证耕作深度均匀的

44、，其优点是：地轮与农具的相对位置一经调节确定，不论土壤比阻或地表起伏如何变化，耕作深度h 都保持不变。其主要缺点是：(1)耕作时农具的重力不能充分转移到驱动轮上，不利于提高拖拉机的牵引性能；(2)在松软土壤上，由于地轮下陷，耕作深度便不能保证均匀，地轮的滚动阻力相应增加，故不适宜水田作业；(3)耕作深度的确定值h，不能在耕作过程中由液压悬挂装置随时调节；(4)如果耕地的土壤比阻差别较大，则发动机负荷变化很大。2 2 电控液压悬挂系统设计方案在电控液压悬挂系统中，利用传感器采集到的农具作业深度和拖拉机对农具的牵引力等信号被输送到控制器，控制器将适时采集到的信号与拖拉机驾驶员设定的作业深度和或拖拉

45、机牵引力期望值进行比较。若适时信号与设定期望值之间的误差超过系统的允许的范围，控制器驱动电控比例阀，提升或降低农具，将作业深度和或牵引力调节到设定的范围内。与传统的液压悬挂系统比较，电控液压悬挂系统采用力传感器代替阻力传感弹簧以及力传感弹簧与提升阀之间的传动机构；采用角度位移传感器或线位移传感器代替偏心凸轮以及凸轮与提升阀之间的传动机构；采用调节旋钮或选择开关代替操纵手柄(如图2 2 所示)。根据上述特点，电控液压悬挂系统不同部件之间的机械连接很少，因此，系统在拖拉机上的布置方案更加灵活。由于本方案设计是在已有的机型上进行升级改造，必须充分考虑现有产品的结构特点。江苏大学硕士学位论文(1)尽可

46、能地采用原有的油缸、油泵以及上下提升臂等，仍旧采用分配器壳体作为液压提升系统的专用油箱；(2)采用外置电控比例阀取代现用提升阀器中的提升阀，取消提升器中的机械控制传动机构；(3)采用两个牵引销式力传感器代替原提升器中的上拉杆传感弹簧，用下拉杆传感代替上拉杆传感，并将上悬挂点与机体刚性连接；(4)采用提升臂的转轴上布置提升臂转角传感器，获得位置调节的农具耕深的位置信号。1 液压泵2 悬挂控制阀3 悬挂控制阀4 雷达速度传感器5 转速传感器6 牵引力传感器7 压力传感器8 提升油缸9 位置传感器1 0 悬挂控制面板1 1 电子控制单元图2 2 电控液压悬挂系统总图F i g 2 2E l e c

47、t r o-h y d r a u l i ch i t c hs y s t e m2 3 电控液压悬挂系统的工作原理拖拉机电控液压悬挂系统通过操纵控制面板上的操作按钮对悬挂系统进行控制。控制面板如图2 3 所示，其调节方式有：位调节、力调节及其他们之间的综合调节，另外还具有运输减震等功能。当选定一种调节方式时，拖拉机作业机组将按该控制模式执行，从而可以实现驾驶员不用下车即可以实现对所有的农具作业功能进行实时操作。江苏大学硕士学位论文。1 厂匿了百=可可-萄蔷-1 四位控制手柄(a 运输和提升位置b 件止位置c 调罄和下降位置d 中桩位置和返回位置)2 油路锁死开关(遥输状态口下降速度调节蘸

48、衄4 农具位置谩定旋钮5 提升拉王设定旋粗6 力位综合控制旋钮7 诊断显示灯8 提井显示灯9 下降显示灯1 幔运输域振开关n 运输战振显示灯固2 3 电控液压悬挂系统的控制面板F 嘧2 3 E 1 0 9 t _ o-h y f l r a u l i c h i t c h c o n t r o l p a n e l拖拉机电控液压悬挂系统的位置调节系统是一种位置控制系统，它能够实现悬挂农具与拖拉机的相对位置保持不变，当相对位置发生变化时，位置调节起作用，能自动使调节农机具回到原位。农具位置设定旋钮是由用户根据实际情况而设定耕深的期望值，拖拉机工作时的实际耕深则是由悬挂系统上的提升臂转角上

49、的感应角位移传感器问接测量得到，并作为反馈信号输送到微处理器处，微处理器经过采样，A D 转换和数据处理，与设定值比较得到搞差信号e，如果P 超过位置调节的控制范围1 0(参见国标G B l 5 9 3 7 9)，微处理器根据e 的大小从而控制输出一定的P W M 信号，经过驱动后形成由电磁阀的控制电流，从而使电磁铁产生一定得吸引力，克服阀芯上的回位弹簧力推动阀芯移动一定的距离，进而控制电磁阀方向敏感阀对于特定的要求形成开口量，从而输出油液使农机具提升或下降。农机具的上升和下降取决于偏差信号P 的正负。偏差信号P 越大，产生的控制电流越大，从而使阀芯的开口量越大，农机具动作就越迅速，其一般不用

50、于犁地，开荒等作业，否则不仅发动机负荷很不稳定，而且严重影响耕深均匀度甚至损坏农机具。当e 在范围内时，农机具处于稳定的工作状态，为提高控制精度，范围应降低为2 5。电液悬挂系统的力调节系统是一种阻力控制系统，它是以维持拖拉机发动江苏大学硕士学位论文机负荷平稳为目的的控制系统。力调节通过悬挂系统中的下拉杆牵引销的变形来测量悬挂机组受到的牵引阻力的变化，牵引阻力作用在作为下拉杆牵引销的力传感器上使其产生一定的绕度变形，使力传感器产生一定的电压差，输出的电压经过放大电路，送给微处理器，进行信号采样、刖D 转换和数据处理后，与设定牵引阻力比较，产生一个偏差信号e，根据偏差信号e 的大小，由微处理器发

51、出一定占空比的P W M 波，再经过功率放大控制比例阀形成相应的开口量，输出油液提升或下降农具。农机具的升降取决于偏差信号的正负。当偏差信号e 的大小正好满足开口量与比例阀泄漏量相等时，系统处于平衡状态，农机具停止升降。阻力控制主要用于犁地、耙地、深耕以及其他耕地作业。其优点是：能自动保持拖拉机牵引力稳定。但是它的主要缺点是不适宜用在浅耕或离地作业农具上，在土壤比阻差异很大的地上作业时，对工作深度均匀性影响很大。电控液压悬挂系统力、位综合控制是将力调节和位置调节的特点综合应用的调节方法。当农具的工作阻力发生变化时，液压系统能够自动提升或降落农具，以免拖拉机牵引力负荷发生变化，但农具的升降动作又

52、受到一定程度的抑制，以免耕作深度变化太大。其目的是使牵引负荷的稳定性和耕作深度的均匀性两方面都得到照顾，使耕深自动控制的适应性提高，在各种不同的土壤条件下都能获得较高的耕作质量。在力调节的基础上加上滑转率控制，即拖拉机在作业中通过悬挂装置自动调节农机具工作阻力，使拖拉机的滑转率稳定在最优滑转率附近，就可以使拖拉机具有较高的牵引效率，而且使发动机负荷较为稳定，有利于进一步提高拖拉机生产率和经济性。这种控制方式称为滑转率牵引阻力联合控制。在力、位综合控制的基础上，加上滑转率控制，实现三参数的联合控制综合，其控制效果将会更理想。综合控制的原理只是几种控制方法的组合，既能保留各种调节方法各自的性能，又

53、能提高机组对不同作业条件的适应性。无论采用哪种控制方式，传统的机液控制方式将逐渐被电液控制技术代替。这是因为只有采用电控系统，各种复杂的综合控制才能成为可能，才能将拖拉机悬挂机组作为一个整体进行控制。江苏大学硕士学位论文2 4 悬挂电液控制系统介绍2 4 1 液压控制系统的组成悬挂系统的液压控制系统是提升农具的动力和控制装置，是悬挂装置中的动力部分，它一般由液压泵、提升液压缸及其他一些阀类和辅助装置组成。为了实现对液压悬挂系统的多种调节方式，液压悬挂系统必须采用电液悬挂控制方式，因此需要在按照国际标准的前提下，对某型号轮式轮式拖拉机液压控制系统的基础上进行改造，原拖拉机的分配器把主控制阀、回油

54、阀和安全阀集成于一体，组成了一个总成，其输入口与液压泵通过油管连接，输出口直接与单作用液压缸无杆腔相连，这样安装节省了空间，减小了油道的长度。因此，在设计中尽量采用原拖拉机的液压元件，例如液压泵、液压油缸、滤清器、油管等。本论文采用电液比例方向阀、电磁溢流阀、单向节流阀、压力表及压力传感器等，代替了原拖拉机的分配器，同样占用空间较小，对整体拖拉机各部件的配置影响不大。2 4 2 电磁比例控制阀电磁比例控制阀是在普通液压阀的基础上加上电子控制部分发展起来的。电子控制部分包括电放大器和比例电磁铁。比例控制放大器是用来对比例电磁铁提供特定性能电流并对电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是

55、电液比例控制元件或系统的重要组成单元。比例电磁铁的作用是将电信号转变为机械位移或力输出信号，其动态性能由线圈电流动态特性、输出力动态特性和位移动态特性决定。比例阀的控制模型包括阀芯位移模型和流量模型。比例阀控制面板一般由厂家配备，用户也可自行开发。控制面板接受来自计算机的电压控制信号，输出为控制驱动比例阀电磁铁动作的电流量。比例阀芯位移的响应时间一般在5 0 m s 以内，而液压执行系统响应一般比较慢。本课题根据该型号拖拉机的具体情况，采用S a u e rD a n f o s sD a i k i n 公司提供的液压控制阀系统构建电控液压悬挂系统。该液压悬挂系统控制阀系以通用型先导式三位四

56、通电磁比例阀P V G 3 2 的核心技术，根据拖拉机具体要求P V B Z-H S 专用单作用液压悬挂系统控制阀(如图2 4 所示1。除了P V B Z-H S 阀组以外整个液压悬挂系统包含泵侧模块。泵侧模块1 6皿苏大学硕士学位论文的功能是调整系统压力与主控阀块匹配。P V B Z-H S 专片j 单作用液爪悬挂系统控制阀由幸阀块、电挣先导阀和弹簧阀盖等组成，主阀块由=位州通滑阀、压力、流量补偿阀、出门单向阀、运输减振阻尼阀等组成。电挣先导阀采用液压桥路和藤成位置传感器实现对驱动。摔滑阀的精确州环挣制，以扶得卡摔阀的输出流量与控制电压的线件特性。电控先导阀采川液压桥路控制 阀的优点：是采用

57、很小的电流能够灵敏而稳定的控制卡挖滑阀的位置。通过弹簧阀盖瑚于柄则能够进行人L 操纵。减振伸簧盖任山扑佬嘲电控先：蚓图2 4P V B Z H S 专用单作用液压悬挂系统控制阀F i 9 24 H i t c hc o n t r o l v a l v eo f p V B Z-H SN2。一习?2 囤卜_ 爿团“I 擀1 三通压力补偿阀2 提升阁3 下降阔4 单向阀A 提升线圈B 下降线圈目2 5 电液比例阀原理囤F i 9 2 5 埘【c hc o n t r o lv a l v ep r i n c i p l ec h a r t江苏大学硕士学位论丈表2 1 电违比啻l 阀技术参数

58、T a b 2 1 H i t c h c o n t n 3 l v a l u e p a r a m e t e r类型电子控制比例阀外部温度(o c)-2 5 6 0粘度1 0 4 0 0 t m n Z s液压油温度范围()-2 5 过滤性经过压I=7 5 的滤油器过滤后，油的污染等级为1 0最大允许压力l ：2 5 0 b a r R：S b a r N：3 0 b 舡流速S O l a r i a：要求大于S 0 1 m i nA 端口的流量在压力1 2 墨mT t 大流速为4 m 3 a r i a控制方式1 2 v 的比例线圈控制阀芯2 4 3 传感器的选择拖拉机液压悬挂系统

59、需要检测的参数有农具位置(耕探)、牵引阻力C T 作阻力)，为了使拖拉机悬挂机组能够实现自动化控制必须采用电子式传感器进行检测耕深和牵引阻力。2 4 3 1 霍尔角度传感器曩妻拦月圈2 6 霍尔角度传感嚣囤2 7 角位移传瘟器-牲能曲线F i 9 2 6 H a l l 刮如dr o t a r y p o s i t i o nF,O n S O rF i 9 2 3 R o t a r p o s i t i o as e a s o r 辟矗m m a D c c c m e霍尔角度传感器是用来测量耕深的一种传感器，基于角位移传感器测量原理，将角位移变化量转换为电压信号，由于耕作深度在实

60、际工作过程中不方便测量，耕作深度与提Y t 臂的转角成一定的比例关系，因此一般将角位移传感器安装1 8江苏大学硕士学位论文于提升轴处，灏4 量提升臂转角的变化，将转角信号转换为电压信号传送给微处理器对型号进行处理(如图2 6 和2 7 所示)。表2,2 角位移传感嚣技术参数T a b,2 2 T h eD o t a r r p o s i t i o ns c o o t p a r a m e t e r类型霍尔角度传感器供电电压1 0 3 0 v供电电流1 5 m A精确度+-0 5。线性度2 5。测量范用土4 5。工作温度范围一2 5。C+8 5 0 C载荷阻力5 k n2 4 3 2

61、 牵引力传感器图2 8 压力侍感器F i g 2 8 D r a f ts e n f图2 9 压力传感嚣原理图F i g 2 9 D r a f t s e n f p r i n c i p l es k e t c h如图2 8 所示，牵引力传感器采用B C M 传感技术公司提供的应变式力传感器，其结构形式为轴销式。将农具作用在下拉杆前连接点的牵引力引起的剪切力转变成磁场力。无载荷时，初级线豳的两级之间形成对称的磁场，在压力或张力江苏大学硕士学位论文作用下，等方性磁场的磁场特性发生变化，因此磁场变为不对称，从而次级线圈的两极之问的磁场发生改变，这种改变将造成次级线圈中磁通量的变化，同时，

62、在次级线圈中产生感应电压。感应电压与外界拉力或压力的大小对应成比例，工作原理如图2 9 所示。表2 3 压力传感器技术参数T a b 2 3D r a f ts e n s o rt e c h n i c a ld a t a传感器类型K M B 0 6 0 A 3 阻1 5电源电压(电流)8 1 2 v工作温度范围-3 5 0+1 2 5 0温度灵敏度系数 0卜Y，)，p o故农具出土过程中，即炸0 时，近似有：a h=l 一,S s懈=黧?遣蜘嘞姻蚴嘞就可以得到转角和耕深等的变化关系。一队圳帆口Jf 一r 一：蕊-_一0 0 0 磐f，0 0f jf0 0-：衽卜-o、o一_，j 一；j

63、；!f；，j一：i 了专牲：护1 1 _ 。毒T r 7。瓦一。一ii焱曩F、：2 8江苏大学硕士学位论文此外，还得到了外提升臂转角与活塞位移、耕深变化率与活塞位移相互关系的性能曲线，如图3 4(c)和3 4(d)所示。由图可看出，外提升臂位置角与活塞位移基本成线性关系，从而为构建电控液压悬挂系统位置控制和选取相应的角位移传感器提供了参考依据。一。接翻盏索霎1 00-1 0j yj j，一-7I-。O1 07 01 0 0活塞位移s(-)8 艇柚一7 87 8*7 4篁 争(7 2磺蒋7 0HiII-一一 _ 墨7 一；O O柏为 活塞位移s(m)图3 4(c)外提升臂位置角与活塞位移的关系图

64、3 4(d)耕深变化率与活塞位移的关系F i g 3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo u t e rl i f ta r mp o s i t o na n g l ea n dt h ep i s t o ns t r o k eF i g 3 4(d)R r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et i l l a g ed e p t hc h a n g er a t ea n dt h ep i s t o ns t r o k e3 1 2 液压悬挂机构动力学分析3 1 2 1 土壤阻力模

65、型的建立如图3 5 所示，机组作业时，土壤对农具的综合作用阻力可分解为水平阻力R 和垂直阻力墨。研究表明，农具所受的土壤作用力与耕深的大小有关，其数学模型如下：水平阻力：R=置o h(3 3 8)垂直阻力：只，：马掣+B 2 五(3 3 9)x(f)式中：h 为耕作深度，(r a i n)马稳态水平土壤作用力对耕深的比例系数(哕缸)B 2 稳态垂直土壤作用力对耕深的比例系数(哕缸)色由运动速度决定的动态阻力系数(哕缸)江苏大学硕士学位论文y a)土壤对犁体作用力点的垂直运动速度(舢c)毒)机组前进速度(删)图3 5 农机具受力示意图F i g 3 5T h ef o r c ea n a l

66、y s i so fh i t c h由式(3 3 9)N 知，垂直阻力R y 由两部分组成：垂直阻力的动态分量：R m：色掣(3 4 0)f)垂直阻力的稳态分量：R=B 2o h(3 4 1)将垂直阻力的稳态分量和稳态的水平阻力合成，得到农具上总的稳态工作阻力R，即凡=口 l(3 4 2)式中，曰=厢R。与水平方向的夹角为够：a r c t a n 丝(3 一4 3 一)够=生()。且因土壤水平阻力系数置=k,w d，其中k 为土壤对犁体的比阻(N n u n 2)，w d 为农具的耕宽(I 姗)，代入(3 4 2)式可得：曰=厢=压丽=墨扛丽面：k w d 4 i+(t a n 0 2(3 4 4)可以看出稳态土壤作用力凡与土壤比阻七，耕宽w d 以及尺。作用线的位置有关。江苏大学硕士学位论文由此可得水平牵引阻力为：足=刀h c o s t p=k w d h,J l+(r a n t,o)2 c o 印(3 4 5)垂直阻力中的动态分量：屯：粤y i t)蔓t j 一动态土壤阻尼力，其方向与农具垂z(f)直运动方向相反，大小与动态垂直阻力系数马和牵引速度有关。若拖拉机牵引速度赤)