（机械电子工程专业论文）小型农业作业机测试系统的动态加载研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 小型农业作业机测试系统的动态加载研究 摘要 本课题是隶属于小型多功能作业机整机综合性能计算机辅助测 试系统的一个子系统，其研究目的是优化设计动态加载系统，实现 准确、实时地模拟小型农业作业机不同的行驶路面( 水田、沙地、硬 地等) 情况下的实际负载阻力矩。 本文首先分析了小型作业机工作时的受力情况，确定了要实现模 拟负载阻力矩所必需的一些参数。在此基础上，参考与借鉴了其它相 关行业的实验设备设计经验，并结合小型作业机自身的特点，设计了 动态加载测控试验台架，确定了加载装置。为了满足动态加载系统的 控制要求以及考虑加载装置的自身控制特性，分别设计了模糊自适应 p i d 控制算法和普通p i d 控制算法，并且用m a t l a b 的s i m u l i n k 语言进行仿 真，得到了较为满意的控制效果。在控制系统的设计过程中，根据需 要选择了数据采集卡、各类传感器，确定了采样频率。最后，应用 l a b v i e w 语言开发了动态加载控制系统的控制软件，实现了试验台数 据的监控、自动采集和处理，以及根据所给载荷谱自动进行加载试验。 本课题首次提出了小型农业作业机的整体与综合测试概念，在借 鉴其他相关行业的测试技术与经验基础上，设计了整体测试中的动态 加载系统与控制策略，并进行了相关的仿真，为小型农业作业机的设 计与制造提供技术数据服务和理论指导，具有非常积极的意义。同时， i i 本课题也是机电一体化技术在测控领域的成功应用。 关键词：小型作业机，动态加载，模糊控制，p i d ，l a b v i e w i i i 浙江工业大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nd y n a m i cl o a d i n go f m e a s u i u n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m f o rs m a l la g r i c u i j u r em a c h e a bs t r a c t t h er e s e a r c h e dt o p i cb e l o n g st ot h ep r o je c to fc o m p u t e ra i d e dt e s t i n g m e a s u r i n gs y s t e mf o rs m a l lm u l t i f u n c t i o nc u l t i v a t o r , a n dt h er e s e a r c h o b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st od e s i g na n do p t i m i z et h ed y n a m i cl o a d i n g s y s t e mt oa c c u r a t e l yr e a l i z et h es i m u l a t i o no ft h ea c t u a ll o a dm o m e n to n t h es m a l la g r i c u l t u r em a c h i n e ( s a m ) w h e nt h em a c h i n e w o r k so nd i f f e r e n t f i e l d s ( j u s tl i k ep a d d yf i e l d ，s a n d ya r e a s ，r o c k ye a r t h ) i nt h ep a p e r , t h es t r e s so nt h es a mi nw o r k i n gh o u r si sa n a l y z e d f i r s t l y , a n dt h en e c e s s a r yp a r a m e t e r sf o rt h es i m u l a t i o no fd y n a m i cl o a d i n g h a v eb e e nf i x e d o n t h e n ，b ya s s i m i l a t i n gm e a s u r i n ge q u i p m e n t s d e v e l o p m e n te x p e r i e n c e so fo t h e rt r a d ea sar e f e r e n c ea n dc o m b i n i n gt h e c h a r a c t e r i s t i co fs a m ，t h ea u t h o rh a sd e s i g n e dt h et e s tb e df o rd y n a m i c l o a d i n g a n ds e l e c t e d a p p r o p r i a t el o a d i n gd e v i c e s f o rm e e t i n gt h e r e q u i r e m e n to fd y n a m i cl o a d i n gc o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h ec o n t r o l l i n g a t t r i b u t e so fl o a d i n gd e v i c e s ，p i dc o n t r o l l e ra n df u z z yl o g i cc o n t r o l l e ra r e d e s i g n e dt oo p t i m i z ec o n t r o ls y s t e m , a n ds i m u l i n kt o o li n v o l v e di nm a t l a b i v 浙江工业大学硕士学位论文 i su s e dt os i m u l a t ea n do b s e r v et h ec o n t r o l l i n gp r o c e s st og e taf a v o r a b l e o u t c o m e m e a n w h i l e ，k i n d so fs e n s o r sa n dd a t aa c q u i s i t i o nc a r da r e s e l e c t e d ，a sw e l la ss o m ef r e q u e n c yo fs a m p l e sh a v eb e e nf i x e do n f i n a l l y , t h ec o n t r o ls o f t w a r ei s d e v e l o p e dw i t hl a b v i e ws o f t w a r e t or e a l i z et h e d a t aa c q u i s i t i o n ，s u p e r v i s i n g ，a n dt o o p e r a t ed y n a m i cl o a d i n gc o n t r o l s y s t e ma u t o m a t i c a l l ya c c o r d i n gt ol o a d e ds p e c m n n i t i st h ef i r s tt i m ei no u rc o u n t r yt h a tt h i sp a p e rp o s e st h ec o n c e p to f s y n t h e t i ct e s tf o rc o m p l e t es a m b ya s s i m i l a t i n gt e s t i n gt e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c eo fo t h e rr e v e r e n c et r a d e ，t h e a u t h o rh a sd e s i g n e dd y n a m i c l o a d i n gs y s t e ma n dc o n t r o ls t r a t e g yas u b s y s t e mo fs y n t h e t i ct e s ts y s t e mf o r s a m t h er e s e a r c hi nt h i sp a p e ri s m e a n i n g f u lt op r o v i d et e c h n o l o g y p a r a m e t e r sa n dt h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rd e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n gs a m m e a n w h i l e ，t h ea c h i e v e m e n to ft h i sp a p e ri sa l s oas u c c e s s f u le x a m p l et h a t m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nm e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gt e r r a i n k e y w o r d s ：s a m ，d y n a m i cl o a d i n g ，f u z z y , p i d ，l a b v i e w v 浙江工业大学硕士学位论文 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研 究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包 含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：声弓刍) 日期：2 0 返年6 月3 学位论文版权使用授权书 日 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：2 0 0 ? 年 日期加子年 ，月3 日 月多 日 荆蛇 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 1 1 1 课题来源 第一章概论 本课题来源于浙江工业大学重中之重开放研究基金项目小型多功能作业机 整机综合性能计算机辅助测试系统。 1 1 2 国内农机化现状 农业机械是现代农业的基础装备，对提高农业劳动生产率、增加农产品供给、 保证农业稳步发展起了到至关重要的作用【1 1 。改革开放以来，在市场经济体制的指 引下，我国的工业化水平有了一定发展，社会生产进入了工业反哺农业、城市支 持农村发展的新阶段。 目前，我国已经建立了从科研、开发、制造、销售到服务的一套比较完整的 农机工业体系，农机产品的服务对象涵盖了农、林、牧、副、渔等多个农业领域。 我国农业机械尤其是小型农业机械，生产起步早、产量大、质量稳定、价廉物美。 经过几十年的发展，已形成较大的生产能力，产品种类较为齐全，性价比适合于 当前我国农民的使用水平和支付能力。到目前为止，我国已能生产1 4 大类、9 5 小 类、3 0 0 0 多个品种的农机产品【2 】；全国共有农机制造企业8 0 0 0 多家，年销售收入 超过5 0 0 万元的企业有1 4 6 9 家。2 0 0 6 年底全国农机总动力达到7 1 9 亿千瓦，农机 装备结构得到明显改善。其中，大中型拖拉机保有量超过1 6 0 万台，联合收割机 保有量超过5 5 万台，水稻插秧机保有量超过1 1 万台。全年机耕、机播、机收的 总面积预计达到2 3 2 亿亩，机耕、机播、机收水平分别为5 1 4 、3 2 6 、2 5 6 。 但是必须清楚地认识到，几十年来我国农业装备产品在开发、研制、生产上 大多数还停留在中小功率、单机、结构简单、技术含量低的产品上，与发达国家 相比水平还很落后【3 j 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 , 3 时代和社会生产的要求 “推进社会主义新农村建设 是中央统揽全局、着眼长远而作出的一项重要决 策，更是坚持科学发展观、全面建设小康社会和社会主义和谐社会的必然选择。现 代化的农机装备作为先进的劳动工具，推动了社会生产力的快速发展。它更是建设 社会主义新农村的重要手段，是实现生产发展、生活宽裕的根本物质基础。 同时，人类社会进入了以微电子为基础的信息时代，在信息论、控制论和系统 论的基础上建立起来的综合技术“机电一体化技术 也成熟了起来。其实质是 指在机构的主功能、动力功能、信息处理功能和控制功能上引进电子技术，将机械 装置与电子化设计及软件结合起来所构成的系统【4 】。伴随着传感器技术和神经网络 等人工智能理论的发展，以及现代各种科学专业的交叉融合，机电一体化技术也向 着智能化、模块化、网络化、系统化的方向迈进，包括应用于各种现代化高技术含 量的测试控制系统中。 显然，在国家大力推行“新三农 和“自主创新”等政策的大背景下，在实 现农机装备现代化推进我国农业生产的高要求下，在科学技术进入微电子信息领 域、机械电子一体化技术日渐成熟的时代环境中，研发具有自主知识产权、符合 我国国情，以现代测试技术为基础、机电一体化的“多功能作业机整机综合性能 计算机辅助测试系统，为作业机的设计与制造提供技术数据服务和理论指导，是 非常必要与急迫的一项任务。 1 2 国内外农业作业机测控系统研究现状 目前，国内农业机械测试系统多为大型农用运输出或拖拉机的发动机、机架 等单项测试系统，尚无小型农业作业机综合测试系统及相关标准。整机综合测试 也多针对汽车、摩托车或助动车，专门针对小型农业作业机的整机测试系统基本 没有。 相关的研究如，中国农业大学的宗伯华、庞昌乐、鄂卓蒯5 卅等研制了拖拉机 作业负荷仿真装置，谭或、李庆和、谢斌等研制了拖拉机作业机组室内仿真的电 液加载系统【7 】；洛阳拖拉机研究所的党国军、张迎军、吴东红、李伦等研制了中小 型拖拉机动力输出轴功率试验刽8 】；江苏大学的周燕、江苏理工大学陈露等研究了 2 浙江工业大学硕士学位论文 田间作业机械牵引力负载模拟系统和可靠性研究 9 1 等等。 对于农业作业机测控系统的核心技术动态加载的研究，国内有哈尔滨工 业大学的王慧等人利用近年来发展起来的二次调节技术，研究了一种新型的二次 调节液压伺服模拟加载试验台，不仅具有良好的动静态特性，还可以实现能量的 回收和重新利用【m 1 1 】；洛阳轴承研究所的刘金秀等人将小二元回归数学模型与p i d 控制算法相结合，对轴承模拟试验加载系统的智能控制进行了试验研究，修改了 p i d 控制算式，提高了控制精度【1 2 1 ；中国农业大学的宗伯华、庞昌乐、鄂卓茂等 研究了拖拉机作业机组模糊综合控制【1 3 】；西安交通大学的曹阳、南京理工大学的 陈机林研究了电液加载试验台的自适应控制；上海交通大学的战兴群等、哈尔 滨工业大学的王慧等、辽宁工程技术大学李文华等研究了二次调节动态加载系统 动态特性、动态鲁棒补偿和仿人智能控制等等【1 5 】。 国外在小型农业作业机测试方面的研究明显早于国内，目前已较成熟且颇具 规模。1 9 5 9 年4 月2 1 日，由欧洲经济合作组织制订了第一个农用拖拉机的测试标 准，2 0 0 5 年3 月，欧共体给出了最新农用和林业拖拉机的官方测试标准【1 6 】。 国外非常重视高新技术在小型农业作业机产品中的应用与推广。航天、计算 机、微电子自动化、智能化和机电液一体化等高新技术在农业装备上得到了广泛 应用。国外小型作业机的发展方面是智能化与人性化，尤其是将信息技术也引入 了小型农业作业中。一些发达国家不但制订相关的测试标准，其农机生产企业( 如 美国迪尔公司、凯斯纽荷兰公司、阿格科公司、沙姆道依兹法尔公司等) 都建立 了自己的产品测试中心，为产品检测、生产、设计提供技术支持和理论指导。 所以，吸收国外在小型作业机方面的设计、制造与测试等方面的宝贵经验， 根据我国的国情与农业生产特点，建立自己的小型作业机测试中心，是非常迫切 与重要的。 1 3 课题相关的机电一体化技术及理论概述 本文的研究目标是实现小型农业作业机测控试验台的动态加载部分，其核心 技术包括“智能p i d 控制技术”、“虚拟仪器技术，以及“模糊控制理论 。将前 人提出的理论在进行优化和现实化之后，实际应用于具体项目、实现了理论联系 实践是本文阐述的重点，也是所要解决的关键技术环节。 3 浙江工业大学硕士学位论文 1 3 1 智能p i d 控制技术概述 在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制， 简称p i d 控制。p i d 控制器问世至今已有近7 0 年历史，它以其结构简单、稳定性 好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和 参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用 时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用p i d 控 制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效的 测量手段来获得系统参数时，最适合用p i d 控制技术【1 7 】。 近年来，智能控制无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，随之 不断涌现将智能控制方法和常规p i d 控制方法融合在一起的新方法，形成了许多 形式的智能p i d 控制器【l 引。它吸收了智能控制与常规p i d 控制两者的优点。首先， 它具备自学习、自适应、自组织的能力，能够自动辨识被控过程参数、自动整定 控制参数、能够适应被控过程参数的变化；其次，它又具有常规p i d 控制器结构 简单、鲁棒性强、可靠性高、为现场工程设计人员所熟悉等特点。正是这两大优 势，使得智能p i d 控制成为众多过程控制的一种较理想的控制装置。 模糊控制是智能控制的一种。它是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑 推理为基础的计算机智能控制，其基本概念是由美国加利福尼亚大学著名教授 l a z a d e h 首先提出的，经过2 0 多年的发展。在模糊控制理论和应用研究方面均 取得了重大成果。将模糊控制和p i d 控制两者结合起来，扬长避短，既具有模糊 控制灵活而适应性强的优点，又具有p i d 控制精度高的的特点，对复杂控制系统 和高精度伺服系统有良好的控制效果，也是近年来十分热门的研究课题。 本次课题设计也采用了p i d 技术作为控制策略。同时，为了满足实际情况的 需要，本人将p i d 算法与模糊控制算法相结合，形成了基于l a b v i e w 语言编程的 模糊自适应p i d 控制系统 1 3 2 虚拟仪器技术概述 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 是基于计算机的仪器。计算机和仪器的密切结 合是目前仪器发展的一个重要方向，这种结合有两种方式，一种是将计算机装入 仪器，其典型例子就是所谓的智能化仪器；另一种是将仪器装入计算机，以通用 4 浙江工业大学硕士学位论文 的计算机硬件及操作系统为依托，实现各种仪器功能，即“软件既是仪器 1 1 9 。 虚拟仪器就是指这种结合方式。可以说虚拟仪器实际上是_ 个按照仪器需求组织 的数据采集系统，其研究中涉及的基础理论主要是数据采集和数字信号处理。目 前在这一领域内，使用较为广泛的计算机语言和开发环境是美国n i 公司的 l a b v i e w 。 l a b v i e w ( l a b o r a t o r yv i r t u a li n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 是一种用图 表代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。与传统文本编程语言根据指令的 先后顺序决定程序的执行顺序不同，l a b v i e w 采用数据流编程方式，程序框图中 的节点间数据流向决定了程序的执行顺序。通过l a b v i e w 图形化编程环境，编程 人员可以像搭积木一样“搭建”所见即所得的程序界面，这使得工程师和科学家 不再需要记忆纷繁复杂的语法和函数原型，从复杂的编程工作中解放出来，能够 真正专心于所关注的事情【2 0 。2 1 1 。 本文利用l a b v i e w 语言，提高了开发效率，得到了满意的研究成果。 1 4 本课题的研究内容和意义 小型多功能作业机整机综合性能计算机辅助测试系统项目对小型农业作 业机综合性能测试系统实施了平台建设，本课题是其中的一个子系统，研究目的 是优化设计动态加载系统，实现准确、实时地模拟小型农业作业机不同的行驶路 面( 水田、沙地、硬地等) 情况下的实际负载( 具有非线性、时变性、随机性、 负载耦合性等特点) 。 本课题的主要研究内容包括： 一依据作业机实际工况下的阻力数学模型，设计和构造动态加载系统； 二建立动态加载控制系统的控制特性数学模型并分析； 三对基于继电反馈的控制策略进行研究和优化，并用m a t l a b 对控制系统进 行动态仿真研究； 四以l a b v i e w 语言为开发平台，建立动态加载的测控系统。 本课题首次提出了小型农业作业机的整体与综合测试概念，在借鉴其他相关 行业的测试技术与经验基础上，设计了整体测试中的动态加载系统与控制策略， 并进行了相关的仿真，为小型农业作业机的设计与制造提供技术数据服务和理论 5 浙江工业大学硕士学位论文 指导，具有非常积极的意义。同时，本课题也是机电一体化技术在测控领域的成 功应用。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第二章动态加载系统的整体框架设计 本课题的研究内容是小型农业作业机整机综合性能计算机辅助测试系统的动 态加载部分，其重点在于利用动力机构产生阻力矩，在工作台上模拟作业机工作 时的状态，以便于在室内完成多种性能参数的测试。 2 1 小型农业作业机工作时的受力分析 2 1 1 小型农业作业机及配套农机具 小型农业作业机的类型很多，以传动形式( 在此指动力与配套机具之间的传动 形式) 来分，有通过链条或带传动为代表的揉性传动形式，有通过齿轮传动为代 表的刚性传动形式；以结构形式来分，可分为模块式结构与非模块式结构，等等 2 2 - 2 4 。与小型作业机配套的农业机具也非常多，有旋耕、中耕、开沟、起垄、植 保、施肥等等。在本研究中( 图2 1 ) ，将以模块式刚性传动形式的小型作业机+ 旋 耕机具为研究对象，模块式结构将有利用于规范小型农业作业机的接口、降低生 产成本等优点，刚性传动将使小型农业作业机的结构紧凑，效率提高，旋耕功能 是小型作业机中最常用的功能之一，所以，本研究对象不失一般性。在建模分析 以及后面的测试台架和动态加载结构设计也以此为对象进行操作。 图2 i小型农业作业及配套旋耕机 浙江工业大学硕士学位论文 在图2 1 中，旋耕机具是用螺栓直接固紧于作业机变速箱体上，动力部分与机 具部分之间通过刚性连接，属于刚性传动方式；变速箱体( 或俗称为作业机的动 力底盘) ，利用了可重构模块式结构，接口标准。作业速度可通过传动系统中的档 位和调节油门进行控制，旋耕作业效果可通过前进速度与旋耕刀转速配合而获得。 在驱动时，前驱动轮与旋耕刀辊组成一个平面与地面接触，作业机在前驱动轮产 生的驱动力作用下向前运动。 2 1 2 旋耕机工作状态下的阻力 模拟小型作业机在实际工况下的行驶和作业状态，是测试作业机动态性能的 前提和基础，这就需要先分析作业机在作业行驶过程中所受到的阻力。由于目前 对小型作业机的作业时的受力分析的参考文献不多，故参考与小型作业机最接近 的小功率手扶拖拉机的一些文献资料。根据参考文献 2 5 2 8 1 的研究，小功率手扶 拖拉机及配套犁耕机具在行驶作业的过程中，所受到的阻力包括犁耕的土壤阻力、 轮胎滚动的土壤面阻力和空气阻力。其中拖拉机在作业时，速度较低( 时速为 3 1 4 k m h 一1 2 4 k m h ) ，空气阻力可以忽略不计。因此，在受力分析时，主要考虑 破坏土壤形态时的阻力，在此称为工作阻力，和行走时的土壤( 或沙地等) 的反 作用力，在此称为行走阻力。 作业机的行走阻力可以通过道路滑行试验来确定。参考文献 2 8 的研究，通过 道路滑行试验得到一组“v - t 数据，拟合得到速度曲线为： - - v = b o + 龟f + 包f z ( 2 1 ) 其中b 1 ，b 2 为系数，b 0 为常数，所以作业机在滑行时所受阻力方程式为： k = 也鲁= a m 屑j 丽 ( 2 - 2 ) d v 式中，a 为作业机旋转质量换算系数；m 为作业机质量；矾为作业机滑行时的加 速度。 而作业机在土地行驶时，还应加上惯性阻力，所以作业机在平坦耕作的道路 上行驶方程式为： 8 浙江工业大学硕士学位论文 f t = o m 1 2 - - 4 b 2 ( b o - v ) + a m i d v ( 2 3 ) 打 其中砒为作业机在耕作行驶时的加速度，在模拟滚动阻力时根据田间作业实测结 果事先存储于程序中进行计算。 为了模拟行走阻力，本文设计了双加载辊+ 磁粉制动器的工作机构，来产生与 模拟行走阻力负载。其原理就是控制磁粉制动器的输出阻力矩t 实验台，使其与作业 机在实际道路上行走的驱动力矩t 路相等，即t 实验台= i t 路，t 路可以通过要模拟的阻力 f t 和轮胎半径的乘积得到。 而t 随车速v 和磁粉制动器的控制电流i 的变化而变化，即t 实验台_ - f ( v ，i ) ，所以 在v 一定的时候，只要调节控制电流i 就可以得到所需的扭矩t ，实现模拟。 旋耕机作业时，旋转刀( 可以是弯刀，也可以是直刀) 对土壤进行切削破碎 及抛掷，也就是破坏土壤的原来形态，土壤便反作用于旋耕刀上，从而形成了工 作阻力。切削土壤的过程，主要分三个阶段：一是切入阶段，旋耕刀由不受力转 入逐步受力，耕深也由t j , 至u 大，这一过程的工作阻力建立的阶段；二是旋耕阶段， 旋耕刀在此阶段的受力基本不变；三是切出阶段，旋耕刀逐步旋出土壤，耕深由 大到小，这一过程的工作阻力也由大转小，是工作阻力消除的阶段。如果是弯旋 耕刀，在工作时，其切削土壤的力还随其刀刃的角度变化而变化。综上所述，工 作阻力的大小方向及作用点在整个切削土壤的过程中都在变，这就使得分析旋耕 的工作阻力变得异常困难。 为了模拟耕作阻力，本文着眼于整机受力的情况，所以只要得出受力的大小和 其他参数之间的关系曲线，就可以控制其他参数实现阻力的模拟。本文参考小型 作业机在土槽中的实验和文献 2 9 介绍的实验方法，采纳以下： f = a 1 + a 2 v + a 3 h ( 2 4 ) 式中，卜耕作阻力，h ；v _ 旋耕速度，r n s ；h _ 陷土深度，c m ，方向是水平向 后。a 1 ，a 2 ，a 3 是土质系数，不同的土壤土质有不同的系数组合，从而得到与之相 对应耕作阻力模型。 以v 、h 为控制参数，当v 一定的时候，按一定的频谱加载h ，便可以模拟时变的 工作阻力。 9 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 动态加载控制系统的设计与分析 2 2 1 实现动态加载的试验台架和系统框图 动态加载的试验台架，其示意图如图2 2 a 、2 2 b 所示。 图2 - 2 a 试验台示意 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 图2 2 b 试验台示恿 如图2 2a 及b 所示，用双加载辊模拟行驶路面( 在很多文献中，推荐用大半径 单辊，至于本文中使用双小半径辊，其分析参考小型多功能作业机整机综合性 能计算机辅助测试系统项目的其他公开发表文章) ，速度传感器和加速度传感器 实时反馈工作参数，扭矩传感器配合磁粉制动器和电力测功机实现力矩控制。 其中，磁粉制动器和电力测功机是模拟负载器。试验台架的负载器选择，不 仅要考虑其吸收功率和最大吸收扭矩的大小与传动系试验的匹配，而且要考虑其 平衡工况的稳定性及动态响应能力，以及控制性能、维护、寿命等因素。考虑到 要吸收的耕作阻力矩相对较大，根据耕深的不同又是一个实时变化的模拟量，而 且旋耕速度相对较慢，同时直流电力测功机用于吸收较大功率，动态特性和响应 速度较快，相对低速时扭矩特性好，所以用直流电力测功机模拟耕作阻力是比较 适宜的选择。 对于滚动阻力，其阻力矩相对较小，在模拟的过程中可以看成是恒定的负载， 浙江工业大学硕士学位论文 前驱动轮的转速相对较快，这些特点与磁粉制动器的吸收功率低但精度高、负载 控制方便、噪声小等特性比较匹配。所以本文选用磁粉制动器模拟滚动阻力。 2 2 2 磁粉制动器的构造和工作原理 磁粉制动器是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，它具有激磁电流和传递 转矩基本成线性关系，在同滑差无关的情况下能够传递一定的转矩，响应速度快、 结构简单等优点，是一种多用途、性能优越的力矩控制元件3 0 1 。 磁粉制动器的原理图如图2 3 所示。 缀 拗 ， 测均匿 粼姜 f 一、弋弋一 励磁线圈 磁粉 主动件 从动件 图2 3 磁粉制动器原理图 嵌装着线圈的部分为磁轭，主动件和被动件之间用轴承隔离，在主动件的内 外之间形成了两个同心的圆柱形空隙，外面为空气隙，内面为工作隙。在工作隙 中，加入导磁率高、耐热性好的磁粉。当主动构件回转而线圈不通电励磁时，工 作隙中的磁粉由于离心力作用被压附在主动件的内壁上，主、从动件之间没有力 的相互作用，也就没有转矩的传递，被动件与主动构件处于完全脱离状态，即“离 。 当励磁线圈通电时，沿着磁轭主动件磁粉从动件一磁粉 主动件磁轭产生工作磁通，在磁通的作用下，磁粉沿磁通方向呈链 状连接起来，称磁粉链。此时磁粉链与工作面之间产生摩擦力，磁粉与磁粉之间 产生抗剪力，磁粉链把两个回转体连接在一起传递转矩，即“合 。磁粉链的接合 力的大小由磁轭励磁后的磁场强度所决定。由此可见，磁粉制动器随着励磁电渝 的不同，具有三种工作状态： 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 1 当励磁电流足够大时，从动件与主动件的接合力足够大而连成一体，处于 “同步”工作状态； 2 当励磁电流逐渐减小到一定值时，磁粉制动器虽仍能传递扭矩，但接合力 减小而出现滑转，从动件转速低于主动件转速，磁粉制动器处于“滑差”工作状 态； 3 当励磁电流小于某一数值时，磁粉制动器所能传递的转矩小于负载力矩， 从动件转速为零，磁粉制动器处于全滑差工作状态。 对于常用的磁粉制动器来说，制动件固定，制动转矩全部转化为负载转矩， 即制动器始终在滑差状态下工作。本课题正是利用磁粉制动器，提供阻力矩给加 载辊，以达到模拟作业机行驶工作状态下所受到的地面阻力。 2 2 3 直流电力测功机的构造和工作原理 直流电力测功机可作为直流发电机运行，作为被测动力机械的负载，以测量 被测机械的轴上输出转矩；也可以作直流发电机运行，拖动其他机械，以测量其 轴上输入转矩。转矩与测速发电机测得的转速之积即轴功率。这就是“测功机” 一名的由来。图2 4 是直流电力测功机的实物图。 图2 4 直流电力测功机 浙江工业大学硕士学位论文 电力测功机由负载电机和变频器组成。 负载电机由变频器驱动。变频器是一台带有整流回馈单元的装置，由整湔回 馈单元和逆变器组成。整湔回馈元件由两个反并联、6 脉动晶闸管桥组成，且能 在两个方向上有电能流动，即能够将电能送回电网( 四象限工作) 3 1 】。控制原理 框图2 5 如下： 图2 5 测功机控制原理 电力测功机有个重要特点，即可运用直接转矩控制技术对电力测功机进行转 矩控制。所谓的直接转矩控制，是以转矩为中心进行磁链、转矩的综合控制，其 原理就是简单地通过检测电机定子电压和电流，借助顺时空间矢量理论计算电机 的磁链和转矩，并根据与给定值比较所得差值，实现磁链和转矩的直接控制。直 接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果、把转矩直接作为被控量，即直接又 简化。 正是因为直流电力测功有控制结构简单、系统的转矩响应迅速且无超调等众 多优点，本课题将其作为负载，模拟作业机田间作业时所受的工作阻力。 2 3 控制系统的要求和目的 小型农业作业机动态加载测控系统在动态加载部分磁粉制动器和电力测 功机的控制方面，首先要做到精确控制，这是保证所模拟的负载的准确性和有效 性。同时，控制的稳定性也是必须的。因为“整机综合性能计算机辅助测试系统 1 4 、 浙江工业大学硕士学位论文 有作业机耐久度等测试项目，需要作业机长时间的保持工作状态，所以稳定的动 态加载也是实现测试的前提。在满足了精确性、稳定性的基础上，要考虑系统响 应的快速性。 当然，控制系统的要求是具有稳定性、快速型和准确性，这三者的关系又是 相互制约的，它们可以通过不同的控制算法使得控制达到良好的综合性能，这也 是本课题的重点部分。 2 4 本章小结 本章节首先分析了作业机工作时的受力情况，参考相关模型并确定了要实现 模拟阻力所必需获得的一些参数。在此基础上，设计了动态加载测控试验台架， 确定了加载装置，并且根据本课题的试验目的，对控制系统提出了控制要求。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章动态加载控制系统的特性建模和分析 传递函数是用数学语言，对系统的输入一输出关系的描述。在本课题的动态加 载控制系统中，主要是对磁粉制动器、电力测功机进行控制，其控制目的如前章 所述要保证准确、稳定，以及响应快速。这就需要首先对控制对象的控制特性进 行数学描述、即建立其传递函数，然后利用仿真软件如m a t l a b 语言分析控制特性， 进而确定控制策略。 3 1 动态加载控制系统的传递函数描述 3 1 1 磁粉制动器的特性和传递函数 转矩一激磁电流特性： 转矩与激磁电流的关系，即磁粉制动器的静特性曲线，是指主动侧转速为常 数，从动侧被制动时，激磁电流与转矩之间的关系，如图3 1 所示。 t t m l h t n 0 6 t n t l i o 图3 一l 转矩对于电流的特性曲线 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 从曲线图可以看出该特性大体分为三段，弱激磁非线性段、线性段及强激磁 饱和段。在弱激磁和强激磁两区段里，转矩与电流呈现非线性关系，在线性段中 离合器所能传递的转矩随激磁电流成比例的增加。磁粉制动器的线性段较宽，所 以在控制系统中控制转矩比较精确。弱激磁产生非线性的原因是由于导磁体磁化 曲线的初始段是非线性的，故电磁吸引力与激磁电流间呈非线性。强激磁饱和段 产生非线性现象的原因是导磁体中磁通饱和的影响。另外，电流切断后还有微小 的剩余转矩，这是由磁性材料的剩磁造成的。 转矩响应特性： 激磁线圈在外加电压后其转矩的上升情况以及断电后其转矩的衰减情况如图 3 2 所示。 、 一 铭 心 电流衰獭 i + l t d时间 图3 - 2 电流和转矩的上升、衰减过程 转矩的上升或衰减都出现时间滞后，其原因有以下三点： 由于存在线圈电感而造成电压一电流间的滞后；由于涡流而造成电流一 磁通间的磁滞；由于磁粉移动而造成磁通一转矩间的机械滞后。因此，在激磁 电流上升时，转矩经无响应时间t d 后才开始上升，最后达到1 0 0 。将转矩达到6 3 所需时间叫做上升时间常数，用t 表示。同样，转矩衰减时，把转矩衰减到3 7 的 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 时间叫做衰减时间常数，用滚示。上述这两者统称转矩时间常数，其值越小越好。 参考文献 3 2 的研究，磁粉制动器的磁通增长速度取决于激磁线圈的电感量， 是一阶惯性环节，故传递函数为： g = 南 d 但是，磁通建立后，磁粉由离散状态到形成横过间隙的磁粉链时，有一个延 时过程，而纤维由于其自身的伸展性也会延迟张力的建立，这是磁粉制动器还带 有滞后的特性。因此，磁粉制动器的传递函数为： g = 志e 一 ( 3 - 2 ) 式中l ( o 是磁粉制动器增益；t o 是时间常数；f 是时延。 根据古典控制理论，磁粉制动器具有精确的数学模型，所以可以采用p i d 控制。 但是，在对不同的旋转机械进行实验时，因其转动惯量不同，就必须设定不同的 控制参数，如未设定，就会引起测试系统的不稳定运行。采用模糊控制的p i d 就可 以解决不同惯量下测试系统稳定运行与否的问题。 3 1 2 电力测功机的控制特性 直流电力测功机的工作原理同其他电动机的工作原理是完全一样的，都是建 立在电磁力和电磁感应基础之上。由于直流电力测功机可用作测功和拖动，所以 应该分两种情况说明： ( 1 ) 当作发电机运行时，根据电磁学得到直流电功机电刷之间的电动势的表 达式如下： e=k ey n( 3 3 ) 式中v 代表磁极的磁通，n 代表转子转速，k 。代表电动机的电势能常数。 ( 2 ) 当处在电动机状态时，由电枢电流和电磁磁通相互作用产生电磁力和电 磁转矩，其表达式如下： m ：k 笙，z( 3 4 ) r + 兄 式中，k 代表电动机电磁转矩常数。 1 8 浙江工业大学硕士学位论文 电力测功机的机械特性的分布规律对测功系统的稳定性与测量准确度的影响 很大，也是系统调节控制的重要依据。下面就对测功机的特性进行分析。 电力测功机处于发电机状态时，如图3 - 3 所示，当改变测功机的励磁电流i 就 可以改变电枢的磁通。因此，电磁转矩m 与励磁电流i 和转速n 成正比即： m i n( 3 - 5 ) 而功率p 与电磁转矩m 和角速度( ) 有以下关系 p = m ( ) ( 3 6 ) 图3 3 直流电力测功机特性 ( i ) 又与n 成正比，所以功率p 与励磁电流和转子转速的平方成正比： po c i n 2( 3 - 7 ) 根据直流电力测功机的特性，可得出测功机的工作范围( 即是测功机所测功率 和转速的范围) 。 直流电力测功机的转矩一磁通传递函数为： ) = 等= 面2 k 面n ( 3 - 8 ) 烈s j【k + 屹声 式中，l 卜测功机常数；r a 一电枢电阻；卜负载电阻；n 一测功机转速；经线 性化后；可得出励磁电流调节装置的表达式为： 烈f ) = 恕u ( f ) ( 3 9 ) 式中，k 广调节装置线性化系数。 由式( 1 ) 、( 2 ) 知，当引入转矩信号作为外环的反馈时，电力测功机控系统的 传递函数可简化为3 1 ： g ”面 仔 1 9 浙江工业大学硕士学位论文 3 2 控制系统性能分析 控制系统的性能分析是基于m a t l a b 的仿真实验基础上的。本文在m a t l a b 6 5 基 础上，基于上节所推导出的数学模型，建立了电液比例位置控制系统的数学模型， 进行了仿真实验，并对仿真实验结果进行了分析。 3 2 1m a a 3 l a b 简介 m a t l a b 是一种面向科学与工程计算的高级语言，集计算、可视化及编程于一 身。最早作为m a t r i x 实验室使用u n p a c k 和e i s p a c 矩阵元件包的接口，后来才逐渐 发展成为集通用科学计算、图形交互、系统控制和程序语言设计为一体的软件。 m a t l a b 软件于1 9 8 4 年由美国的m a t hw o r k 公司推出m 1 ，该软件使用简单、方便， 提供了丰富的数值分析、矩阵运算、图形绘制、数据处理、图像处理等功能，此 外m a t l a b 还推出了大量不同的工具箱，如控制工具箱、系统辩识工具箱、模糊控 制工具箱、神经网络工具箱等。m a t l a b 是一个开放的环境，目前它已经成为国际 控制界广泛流行的语言之一。 s i m u l i n k 作为m a t l a b 的一个重要组成部分，是一个进行动态系统建模、仿真 和综合分析的集成软件包啪1 。它可以处理的系统包括：线性、非线性系统；离散、 连续及混合系统；单任务、多任务离散事件系统。在s i m u l i n k 环境中，用户可改 变参数，实时观察系统行为的变化，使用户轻而易举的将深奥数学推演和烦琐的 编程转变为形象直观的曲线图形，提高效率。并且提供了图形用户界面，只要进 行鼠标的简单拖拉操作就可以构造出复杂的仿真模型。 3 2 2 磁粉制动器的控制性能 从文献 3 2 的试验结果获得磁粉制动器的传递函数参数为： k o = 1 4 0 ，t o = 0 5 ，f = o 4 所以传递函数为： g = 羔p _ 0 耵 ( 3 运用m a t l a b 仿真得到系统的开环控制伯德图如图3 - 4 所示，开环控制阶跃响应 曲线如3 5 所示。 浙江工业大学硕士学位论文 8 瞳l e i ) i m g n m 。：i：； ：i ii i iii ， ，ii lil x i i- i ：= 卜。弋 x x 鬈 _ - ，j ! | i i iil 。 n li ， i ll li i iiii t liti i t i i i l ：l 。-、 。 ： 一j 。n 专_ l l k ： ： ： 。-_ t 一。、0 x h _ _ _ 一 r ， - 1 矿 图3 4 磁粉制动器开环控制伯德图 m奄u口3簧cat互 _ 罨v 0兰也 浙江工业大学硕士学位论文 一一一 j j 0123456 7891 0 时阊( s ) 图3 - 5 开环控制阶跃响应曲线 由图3 - 4 可见，开环