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拖拉机电_液悬挂系统耕深自动控制的研究.pdf

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拖拉机电_液悬挂系统耕深自动控制的研究.pdf

2012年1月第40卷第1期机床与液压MACHINETOOL&HYDRAULICSJan.2012Vol.40No.1DOI10.3969/j.issn.1001-3881.2012.01.014收稿日期2010-12-14作者简介刘义1985,男,在读研究生,从事机电液一体化设计及结构优化方面的学习研究。E-mailytld2008163.com。拖拉机电-液悬挂系统耕深自动控制的研究刘义,高翔,王寅晓,沈泽方江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江212013摘要介绍拖拉机电-液悬挂系统的结构及工作原理,建立该系统数学模型,并对该液压悬挂耕深自动控制系统进行了位置控制、牵引力控制和力位综合控制的试验研究,实现了拖拉机电控液压悬挂系统的耕深自动控制。关键词拖拉机电-液悬挂系统耕深自动控制中图分类号THS219.032.4文献标识码A文章编号1001-388120121-051-3ResearchonPlowingDepthAutomaticControlforTractorElectrichydraulicHitchSystemLIUYi,GAOXiang,WANGYinxiao,SHENZefangSchoolofAutomobileandTrafficEngineering,JiangsuUniversity,ZhenjiangJiangsu212013,ChinaAbstractThestructureandworkingprincipleoftractorelectrichydraulichitchsystemwereintroduced.Itsmathematicalmodelwasbuilt.Experimentalresearchonloadcontrol,positioncontrolandloadpositioncontrolweremade.Theexperimentalresultsshowthatplowingdepthautomaticcontrolwasrealized.KeywordsTractorElectrichydraulichitchsystemPlowingdepthautomaticcontrol拖拉机液压悬挂系统的控制方式直接影响着拖拉机的作业质量。现有的拖拉机液压悬挂系统多为机械式,该系统由杆件和弹性元件组成,存在着结构比较复杂,弹性元件的迟滞、机械摩擦和杆件的胀缩会影响调节性能等缺点。而新兴的电液控制系统广泛采用现代液压、传感器、微电子等新技术,具有响应速度快、控制精度高和操作舒适灵便等优点,是拖拉机悬挂系统的发展方向。1电控液压悬挂系统的工作原理电控液压悬挂系统由液压悬挂系统、自动控制系统和信号检测与处理系统组成如图1所示。图1电控液压悬挂系统原理图工作中,当电液比例换向阀左端电磁铁通电时,液压泵输出的高压油经过电液比例方向阀,再经过单向节流阀的单向阀进入液压缸的无杆腔,使农机具提升当电液比例换向阀右端电磁铁通电时,同时控制电磁溢流阀的电磁铁断电,则液压泵输出的油液经过电磁溢流阀流回油箱,液压泵处于卸荷状态。而在农机具自重作用下,液压缸无杆腔的液体被排出,使农机具下降,被排出的液体经单向节流阀的节流阀和比例方向阀流回油箱。2液压悬挂系统数学模型的建立2.1比例电磁铁数学模型电液比例阀中的电-机械转换元件是耐高压直流比例电磁铁。通电以后电磁铁产生电磁吸力,克服弹簧力推动比例阀阀芯运动,其实质是电-力-位移的转换关系。比例电磁铁在其额定行程范围内的电磁吸力与通入其线圈的电流成正比。设xv为阀芯位移,ui为电磁比例阀输入电流,则电磁铁关系可表示为xvKiui式中Ki为电流位移转换系数,m/V。对上式进行拉氏变换可得XvsKiUis12.2比例方向阀控制液压缸数学模型2.2.1电液比例阀流量数学模型由图1可以看出,电液比例阀由两个控制阀组成,卸油阀为二位二通阀,进油阀为二位三通阀,数学建模时可将电液比例阀看作三位三通阀。假定控制阀节流口开启面积是对称的,设控制阀阀芯位移为xv,死区重叠量为δ。则当阀芯的位移-δ<xv<δ时,控制阀没有负载流量即QL0当阀芯位移xv>δ时,高压油流入液压缸进油腔,农具上升当阀芯位移xv<-δ时,油液流出液压缸,农具下降,则流量QL分别可表示为QLCdωxvd2ρps-pL槡xv>δQL0|xv|<δQLCdωxv-d2ρp槡Lxv<-δ2式中Cd为流量系数ω为面积梯度,mρ为油液密度,kg/m3ps为油泵压力,MPa。当阀芯离开死区后,对上式在设定耕深附近进行线性化QLQLxv0xvQLpL0pLKqxv-KcpL3式中Kq为阀流量增益,m2/sKc为阀流量压力增益,m5/Ns。对式3进行拉氏变换得QLsKqXvs-KcPLs42.2.2液压缸流量连续性数学模型根据流量的连续性,可写出液压缸动态负载流量的连续性方程QLAdydtVt4βedpLdtCtpL5式中QL为进入液压缸的流量,Ly为为活塞位移,mCt为阀控动力机构总内、外泄漏系数,m5/NsA为液压缸活塞有效工作面积,m2βe为液压系统有效体积弹性模量,MPaVt为包括油道的总工作容积,m3pL为液压缸工作压力,MPa。对式5进行拉氏变换可得QLAYssVt4βePLsCtPLs62.2.3液压缸与负载的力平衡方程数学模型忽略静摩擦和动摩擦负载,液压缸与负载的力平衡方程可写为FpLAmd2ydt2BmdydtKyFL7其中F为液压缸活塞受力,NM为折算到活塞上的负载等效质量,kgBm为折算到活塞上的黏性阻尼系数,Ns/mK为折算到活塞上的负载弹性刚度,kgFL为作用在活塞上的任意外负载力,N。对式7进行拉氏变换得APLsmYss2BmYssKYsFL8根据上述式1、4、6、8绘制系统传递函数方块图,如图2所示。图2液压悬挂系统传递函数方块图2.3液压系统传递函数及传递函数的简化在动态方程式中,考虑了惯性负载、黏性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素,这样分析动态过程比较麻烦,在不影响动态过程分析的前提下可以忽略一些次要因素的影响,简化传递函数。因BpKcCtA2<<1,并令阀控动力机构的液压固有频率和阀控动力机构的液压阻尼比分别为ωnAβeVt槡m9ξnCtKc2AβemV槡tBm2AVtβ槡em10则根据上述液压系统动态方程和图2可写出简化后的液压系统传递函数1液压缸工作压力与阀芯位移之间传递函数PLsXvsKqA2ms2BmsKss2ω2n2ξnωns1112液压缸活塞位移与液压缸工作压力之间传递函数YsPLsAms2BmsK123液压缸活塞位移与阀芯之间的传递函数YsXvsKqA1ss2ω2n2ξnωns1134液压缸活塞位移与外载负荷的传递函数为YsFLs-KcCtVt4βesss2ω2n2ξnωns114因此,液压系统传递函数方块图可简化为图3所示。25机床与液压第40卷图3液压悬挂系统传递函数简化方块图3耕深自动控制系统试验与仿真分析3.1位置控制试验中,控制面板设定耕深值为0.26m,图4为位置控制耕深响应曲线。由仿真结果可见,对于预定耕深的阶跃信号,系统在2s左右达到预先设定耕深对于脉冲干扰信号,系统经6s后再回至指定耕深0.26m。当输入信号变化时实际耕深可即刻响应,均能在0.5s内达到设定的耕深并趋于稳定,满足耕深±10的控制要求。图4位置控制耕深响应曲线3.2牵引力控制试验中,控制面板牵引力设置为35kN,由图5牵引力响应曲线可知,牵引力基本保持在35kN不变,虽然当土壤比阻突然变大时,牵引力有些波动,随着比阻的增大而增大,但在很短的时间内可恢复至设定值35kN而由图6耕深响应曲线可知,土壤比阻不变时,耕深基本在0.26m左右波动,响应时间均在1s以内,并趋于稳定,能够满足耕深±10的控制要求,说明牵引力控制策略能够实时响应外界环境的变化。图5牵引力响应曲线3.3力位综合控制力位综合控制是由两种不同的控制方法综合而成的一种新的控制方法。此时液压悬挂系统,控制的是作用在悬挂机构拉杆上的力和农具相对于拖拉机位置变化量二者信号按一定比例组合以后的叠加量。试验中,控制面板设定比例系数为0.8,调节比阻值作为阶跃的干扰力,所得消扰动态特性曲线如图6所示。可以看出当土壤阻力发生变化时,耕深和牵引阻力同时发生变化,但变化都不是很大。图6牵引力、耕深和土壤比阻关系曲线4结论试验所用拖拉机为东方红-LG1604D大功率轮式拖拉机,电液控制系统采用EHR23OC电液比例阀、感应式位移传感器、HERB电子控制单元。将设计的控制方案嵌入到控制系统,进行田间试验。试验结果表明耕作犁在自重作用下能顺利入土,并在较短的时间内达到预定的耕深,耕深较均匀,误差能够控制在2cm之内,符合耕深±10的控制要求。试验结果还表明采用电液比例阀的液压悬挂系统的位调节和力调节都具有良好的动态性能,能达到拖拉机对农具控制的动态品质要求,为今后进一步对拖拉机进行设计和改进提供了理论依据。参考文献【1】高连兴.拖拉机与汽车下册[M].北京中国农业出版社,2000.【2】路俑祥,胡大弘.电液比例控制技术[M].北京机械工业出版社,1988.【3】刘思澜,陈雨洪.现代比例液压阀电控技术综述[J].机床与液压,1993139-44.【4】鄂卓茂,谭彧,谢斌.拖拉机作业机组电-液悬挂控制系统的研制[J].中国农业大学学报,2002,7664-67.【5】方昌林,吴建华.拖拉机悬挂系统电液控制的理论和试验研究[J].农业机械学报,1994,2536-11.【6】孙昌旺.电控液压悬挂系统的动力学分析及控制[D].镇江江苏大学,2007.12.35第1期刘义等拖拉机电-液悬挂系统耕深自动控制的研究

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