（光学工程专业论文）拖拉机作业机组电液耕深控制方法的研究.pdf

摘要 本文对拖拉机作业机组耕深电液控制方法及系统进行了系统的研究，旨在提出一套关于拖拉 机液压悬挂装置的机电液智能控制系统的基本方案和理论，以提高拖拉机电液悬挂装置的自动 化水平和工作性能本文所进行的研究工作主要包括以下几个方面； ( 1 ) 分析了现有拖拉机液压悬挂机组的结构，类型和控制方法，确定了所研究的电液耕深 控制系统的总体方案，建立了拖拉机电液悬挂作业机组试验研究平台基于我国常用中等功率拖 拉机液压系统的特性和作业机组的工作性能要求，设计了电液悬挂装置的液压分配器，其中所有 液压控制阀均采用了螺纹插装阀并且油路采用集成块连接，使得分配器体积小。结构紧凑；此外， 利用锥阀密封性好、通流能力强的特点，解决了液压控制系统的内泄漏问题和系统的发热问题 ( 2 ) 设计了拖拉机作业机组耕深控制系统的控制器硬件和软件系统在控制器硬件设计方 面，主要设计了电源电路，时钟电路、复位电路和调试电路以及传感器信号检测电路和电磁阀控 制电路等输入输出电路控制器软件是利用嵌入式系统的操作系统完成的 ( 3 ) 基于状态空间法，建立了拖拉机液压控制系统及作业机组的数学模型对拖拉机作业 机组进行了动力学和运动学分析，基于所设计的液压系统在农具提升和下降过程的非对称性特 点，分别建立了悬挂机组农具提升和下降过程的数学模型；此外还建立了拖拉机作业机组的平 顺性数学模型 ( 4 ) 利用m a t l a b 软件的s i m u l i n k 编制模块，建立了拖拉机液压控制系统及作业机组的仿真 模型；仿真研究了液压系统的液压冲击特性及其主要影响因素以及液压冲击对拖拉机作业机组 俯仰振动的影响；研究确定了拖拉机作业机组控制器的模糊控制策略，通过力位综合控制仿真模 型，研究了电液悬挂装置的耕深控制性能 ( 5 ) 通过所建立的拖拉机电液悬挂作业机组试验研究平台。对所研制的电液控制系统和原 机液控制系统的工作性能以及耕深控制方法进行了试验研究，主要包括拖拉机作业机组的俯仰振 动试验、液压冲击试验、能耗及卸荷压力试验、耕深调节方法的幅相频特性、以及两种液压系统 的对比试验研究等 关键词：耕深控制，动态特性，仿真，电液悬挂，锥阀 a b s t r a c t 1 1 1 i sp a p e rs t t l d i e so nt h ee l e e t r o - l a y d r a u l i et i l l a g ed e p t hc o n t r o lm e t h o da n ds y s t e mf o r8t r a c t o r i m p l e m e n t e o m b i m t i o t h e a i m o f t l a i ss b j 鳅w u t o p r o p o s e t h e b 1 8 i cs o l u t i o n p r o j t a n d t l a e o r y f o r t h em c a l a t r o i c - h y a r a 1 i cc o n t r o l8 ，咖o f t t l ot r a c t o rl a y d r a 1 i cl a i t c t l a n dt oi m p r o v et t a ea u t o m a t i o n a n do p e r a t i n gp e 埔耵d o ft h el z l l c t o l h y d r a u l i cl a i t e l a 1 p a p e rm a i n l yi e l u d e st h ef o l l o w i n g s e c t i o n l l ( 1 ) t h es t y l e , s l r u c t u r ea n de o t r o lm e t h o do f 也el r a c t o l h y d r a u l i cs y s t mw a n a l y z e d t h e w h o l ep l a na n ds h l k 自o ft h et r a c t o re l e c t r o - h y d r a u l i cl j l l a g od e p t hc o n t r o ls y s t mw a se a a b l i s h e d t h ea 【p 幽e n t a lp l a 蠊) n nf o rm ei z a e t o ri m p l e m e n te o t a b i n a t i o nw 醛i r a i l tb a s e do i lt h ed 城墙c 蛔矗d o f m i d d l ep o w e r l m e t o th y d r a , 1 1 i cs y s t e ma n dt h el x i f o r m a c cl l 哪i r a n c n to f t r a e t w o r l d n gi m i t si n c o l l a l l l o n 啪i nc 坛虬t h el a y d a a 1 i cd i 矗b u t o l ro fl l m c t o ri bd e s i g n o di nw h i c ht h et h r e a dc a r t r i d g e v a l v e s w o r e a p p l i e d a n d a i n t e g r a t e d h y d r a d i e b l o c k w a s r e e d t o c o d , n c d t h e o nc i r c u i t 胁i n t e g r a t e d h y d r a 1 i eb l o c km a d et h eo i lc i r c u i t 舭m o r e o v e r b y 咖龇s c a l i n gc t m n e t e r i s t i e sa n dt h e l a r g ef l o w 勰o f f i l eo o n ev a l v e s , 伍co v e r h e a t i n ga n dl e a k a g ea l s oe x m l db e 托拥，勰dt h e 嘲e l 葛y c o u l db es a v e d ( 2 ) e o n i r o l l a ro ft i l l a g ed 印i he o n t a o ls y s t e mf o rt h et l - a e t o ri m p l e m e j a te o m b i n a t i o w a s d e s i g n e d 1 1 h a r d v t a r em a i n l yi e l u d 8p o w e rc i r c u i t c l o c kc i r c u i t r e s e tc i r c u i t , s i g n a ld 删j o n c i r c u i to f s a 蟠o l 薯e l e e l z d - v a l v ee o t r o lc i r c u i t a n d8 00 1 1 , t i l e n w 矗f eo f t l a ec o n t r o l l e ri 骞p r o g r a m m e d k i s 。do nt h e 曲曲d 蹦m i c r o0 l 崩蒯丑g 毋毗e 乱 ( 3 ) t h em a t h e m a l i e a lm o d e lo ft h ee l e e t r o - h y d r a 1 i ch i t c hm a l tb a s e d0 1 1t h em e l ：l l o d o fs t a t e e q u a t i o nw 勰d c s i 簪di nt h i s 弘l p a tt h e8 1 1 1 n ot i m e , l t l ek i t l e m a t i ea n d 由m 锄j ca n a l y 菇so f t h ei z a e t o t i m p l e m e n te o m b i m l i o w 鸽p e r f o r m e c ls i n c et h ei m p l e m e n tm o t i o no fl i f t i n ga n dl o w e r i n gw a s t m s y m m e t r i e a l t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rf i l l i n ga n dl o w e r i n gt h ei m p l e m e n tw c i ee s t a b l i s h e d 1 3 c s i c k 墨, l h en 埔阳m 缸岫酬d d 0f o rt h ei m n i l , 1 a t i gs t a b i l i t yo f t t a et m e t o ti m p l a n e n to 蛐a b i m t i o l a w a l s oe s t a b l i s h e d ( 4 ) b yu s i n g $ i m 1 i n km o d u l ei nm a t l a b 也es i m u l a l i o am o d e lo f | h et r a c t o ri m p l c n l m t c o m b i m t i o n w 舔f o r m u l a t e d t h e h y a r a 1 i o p r e s s u r e l a s h i n g o f t h c c l e e t r o - h y d r a u l i c l a i t e l a t m i ta n d i t l e m a i ni n f l l u m i i a lf a c t o r lw 粥s t t k l i e db yc o m p u t c l ：s i m 1 a t i o t h es i m u l a t i o ns t u d yn l s oi n c l u d e dh o w t h el a y d r a u l i ep 1 - u , t s l h , el a s h i n g - , f l e e t e dt h ep i t e hv l b f a t i o l lo f t h el l t t o i i m p l e m e n tc o m b i n a t i o n a tt h e 5 删t i m e , t h ef i l 召yc o n t r o ls t r a t e g yf o rt h ec o n t r o l l e ro fm e 缸拟= t o ri m p l e m e n tc o m b i n a t i o nw a s e s t a b l i s h e d b yu s i n gt h ef i m u l a t i o , 1m o d do f t h ef o r c e dp o s i t i o ni n t e g r d t e dc o n t r 0 1 t h et i l l a g ed e p t h c o n t r o l1 , e r r o f t h eo l e c t r o - l a y d r a u l i ck i t e hw a se s t i m a t e d ( 5 ) t h 詹a 【p a 岫t a lp l a t f o r mo f t t a ct r a c t o rl a y d r a u l i e - l a i t e l au n i tw 翟鼻e tl | pt os t u d yt h em e t h o do f t i l l a g ed e p t hc o n 缸o ll h cw o r k i n gp e r f o r m a 删o ft h ee l e e t r o d a y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma r i dt h o m e e h a - h y d r a u l i es y a m 1 1 螬c o n d u c t e de x p e r i m e n t si sl i s t e d 鹪f o l l o w s ：t h ep i t c hv i b r a t i o ne x p e r i m e n t o f t h et r a c t o ri m p l e m e n tc o m b i n a t i o n , t h eh y d r a u l i cp r e s s u r el a s h i n ge x p e r i m e n t , c l i n g ys a v i n ga n dt h e u n l o a d i n gp r e s s u r ee x p e r i m e n t , t h ea m p l i t u d e - f r e q m 研a n dp h a s e - f r e q u e n c yc h a n c t e 枷ce x p e r i m e n t , a n dt h ec o n t r a s te x p e r i m e n tb e ：t 3 v c c nt h ee l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e ma n d h em e c h a n i c a lh y d r a u l i c s y s t e m k e y w o r d s ：t i l l a g ed e p t hc o n t r o l ，i ) y n a m i 铝c h a r a c t 廿i s t i c s ，s i m u l a t i o n ，e l e c a - o - h y d r a u l i ch i t c h ， c o n ev a l v e i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 黜躲尹修杰 | 时间：渺7 年月肋日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论支的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 一躲严磅焘 导师签名： 帆唧年多肭臼 时间：a 矽年多月d i e 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 i 1 课题研究意义 第一章绪论 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，为农业机城带来了新的技术变革，推动了农业机壤内智 能化、自动化方向发展，极大地促进了农机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、精准化和实现可持续农业方向发展，以逐步实现农机作业 的高效率、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的继续增长和人民 生活水平的不断提高，农业机械化在更高的水平上继续发展是必然趋势 农业机械正向大型，高速、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” 我国的拖拉机悬挂装置研究和开发虽然取得了一定成就，但是与发达国家相比，仍有很大差 距就我国当前拖拉机生产和实际应用而言，对机一电一液一体化技术的研究工作还处于起步阶段， 对一些关键性技术细题，知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钥系统的仿真 和实验研究 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 一电一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 1 2 拖拉机液压悬挂系统的发展现状及发展趋势 1 2 1拖拉机液压悬挂装置及作业机组的技术发展方向嘲 近年来，技术进步加快比较明显地反映在大型拖拉机上拖拉机的最大功率、拖拉机的最高 行驶速度继续提高。液压系统的工作压力不断提升，电子技术应用进一步拓宽，液压技术日益进 步，液压悬挂装置的功能日趋多样化作业机组的操作日益简单化、宜人化：安全性能进一步提 高，液压悬挂及作业机组的技术进步主要体现在以下几个方面 1 2 1 1 电液控制技术的发展 电液悬挂呈流行趋势，电子控制分置式液压悬挂增多电液悬挂的信号传递准确、快捷、可 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 靠；信号的比较、叠加和加权处理简单。易于实现多调节参数的综合调节和自动控制；控制指令 可由按钮或开关输入操纵方便省力且易于实现遥控和多点控制电液悬挂系统的研制开发早在 2 0 世纪6 0 年代就已经引起了一些公司的重视到了7 0 年代，芝浦、芬特、凯斯等公司就已向市 场推出装备有电液悬挂系统的拖拉机到了年代，电液悬挂的推广出现了转机电子计算机 进入家庭和电液悬挂技术日趋成熟，使电液悬挂的上述缺点已不复存在，呈现出明显的流行趋势 拖拉机传统的控制方式是人力操纵的机械控制方式随着技术的发展，人机工程对控制提出 了许多新的要求，机械控制方式在很多场合已经不能满足现代拖拉机在操纵力、远距离控制、响 应特性和自动化控翻等方面越来越严格的要求，最近1 0 年电子液压控制技术在拖拉机上已经获 得广泛应用，电子液压控制已经成为拖拉机特别是大型拖拉机的最主要控制方式最近1 0 年来 几家著名拖拉机制造公司向市场推出的系列产品傲了一些统计，见表卜1 寰1 - t 国外各大公司悬挂装量情况 由表卜1 可以看出，电液控制已不再局限于少数几个厂家的少数几个产品。一些著名拖拉机 厂家的主导产品绝大多数应用了电液控制技术，电液控制拖拉机已进入主流市场从形态学的角 度看，电液控翻的拖拉机的操纵已完全不同于传统的踏板、拉杆，变速杆式的操纵方式而以开关、 按钮或微动踏板进行控制操作信号的传递不再依靠拉杆或杠杆而是电缆从人机工程学的角度 看，电液控制已不再靠人力控制，大多数控制只用一个手指就能实现，非常省力。从控制学的角度 看，电液控制使拖拉机实现了程序控制和人工智能控制，部分实现了自动控制，因此这是一种非 常先进的控制方式 1 2 1 2 拖拉机挂接技术的发展 当前国外大功率拖拉机的挂接方式主要可分为前悬挂式、后悬挂式，侧面悬挂式和中悬挂式 前悬挂式的作业机械其动力多来自拖拉机的前动力输出装置，利用拖拉机本身的液压输出进 行工作；作业机械升降主要靠拖拉机的前悬挂装置的升降油缸来完成前悬挂式的作业机械有折 臂伸缩式或可回转式的割草机、平地机等，主要用于修整路边的草地及路面等项作业直接的前 悬挂式的作业机械还有草坪机械及割草机械等 侧挂式与前悬挂式的结构有所不同，作业装置多通过一个刚性门架装置固定于拖拉机的机体 上，在支架的侧面安装不同的作业装置，作业装置多依靠拖拉机本身的液压输出而工作侧挂式 作业装置对拖拉机的整体结构及液压输出要求较高，不便于快速挂接，产品的适应性较差 中部挂接前置式的作业机械，主要有装载机、叉车、推雪装置等。作业机械通过一个特殊的 2 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 门架固定在拖拉机的机体中部作业机械的工作装置多设计为可快速更换式结构，可以根据不同 的用途快速更换不同的工作装置，如铲斗、平叉、推雪板等工作装置多依靠拖拉机本身的液压 输出及控制系统工作，简化了操纵与控制中部挂接前置式的作业机械对拖拉机的整体结构及液 压输出系统要求很高，不便于快速挂接。产品的适应性较差 后悬挂式作业装置品种较多，除了可以直接挂接的作业装置，更多的是挂接复合式的作业装 置其动力输入有2 种形式一种是利用拖拉机的后动力输出动力，同时利用拖拉机的多路液压 输出连接与控制各工作装置进行多种复合式作业这种作业装置结构相对简单，质量较小，操 纵方式较简单便利，缺点是对拖拉机的液压输出系统要求较高，系统的压力损失较大，工作效率 不高，作业装置的安装与拆卸相对较繁琐另一种作业装置是有自己的独立驱动装置及操纵系统， 只是利用拖拉机的后动力输出带动其油泵工作即可，操纵与控制系统有的通过软轴及电缆连接于 拖拉机的驾驶室内，有的则直接布置于作业装置上并配备有座椅，便于直接操纵与控制这种独 立式作业装置对拖拉机的输出要求不高，只要有一路动力输出即可，便于快速安装与拆卸，适用 性较强 圉1 - 1 三点悬挂示意图 德国t e c h n i c a lu n i v e r s i t yo f b r a u n s c h w e i g , 研制的新式后三点悬挂装置。如图1 - i 所示该 装置与传统的三点悬挂装置相比，具有更加简单更加灵活的特点，在上拉杆和两个提升杆上分 别装有液压缸通过相应的控制阀控制液压缸内活塞的运动，从而可以通过提升杆直接控制农具 的丹降，在机构方面省去了提升轴、提升臂、液压缸使结构尺寸更加紧凑将位置传感器与液 压缸集成在一起，通过将位置传感器获得的信号输入到控制系统之中进行相应的位置和速度控 制，省去了传统的机械反馈控制机构，由于该装置自由度的增加，同时也增加了该装置的使用功 能，在控制方面更加灵活目前，该系统还存在着以下两方面的问题：一方面左右提升杆的动力 性能尚需提高；另一方面，低价位的比例阀和液压缸的匹配问题通过实验，提升杆的位置偏差 能够控制在几个毫米以内，该悬挂装置目前仍处于试验研究阶段 1 z 1 3 拖拉机液压技术的发展 液压系统参数指标继续提高，近年来，液压系统工作压力呈普遍提高趋势，系统工作压力突 破2 0 m p a 根据最近3 年来对一百多种拖拉机的统计，液压系工作压力的分布情况如下：大于 3 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 2 0 m p a 的占4 1 5 z ，1 9 2 0 m p a 的占1 4 ，1 8 1 9 m p a 的占3 3 溉，1 7 1 8 m p a 的占觎，小于1 7 m p a 的占溉可以看出，占统计总数4 1 5 的拖拉机液压系工作压力已突破2 0 m p a 经过半个世纪的 努力，工作压力翻了一番，应该说这是液压技术在拖拉机上应用的一个划时代标志从普遍水平 看，有8 9 的拖拉机液压系压力超过1 8 m p a ，这反映了国际上拖拉机液压技术水平都在提高，个 体之问的差别不是很大 悬挂机构提升能力增大，系统工作压力提高的直接效果是悬挂机构提升能力的提高2 0 世纪 8 0 年代。虽然有一些机型的提升能力指标较高，但大多数还是按照当时的标准要求，即悬挂点后 6 1 0 r a m 处的最大提升能力大于等于3 0 0 n k w ( 牵毛j l 功率，下同) 的要求，保持在3 0 0 4 0 0 n k w 的 水平上进入9 0 年代，由于系统工作的提高，提升能力也随着有较大的增长按悬挂点后6 1 0 m m 处的最大提升能力的统计结果为。大于等于8 0 0 n k w 的占塌，7 0 0 8 0 0 n k w 的占器，6 7 0 0 n k w 的占器，5 0 0 6 0 0 n k w 的占3 4 ，4 0 0 5 0 0 n k w 的占2 瞩，3 0 0 4 0 0 n k w 的占2 0 ， 小于3 0 0 n k w 的占3 9 数据说明。占统计总数4 8 的拖拉机的提升能力已达到5 0 0 n k w 以上 可以认为。悬挂点后6 1 0 m m 处的最大提升力5 0 0 n k w 以上是当代拖拉机提升能力的中等水平 液压输出功率相应提高，液压传动在拖拉机作业机组上也得到了广泛的应用为了对配套作 业机组提供液压动力和进行操纵，要求拖拉机有较大的液压输出功率液压功率通过通用的快换 自封接头输出，接头的位置和尺寸都有相应的标准规定。以便与机具液压系统的连接近几年来， 由于一些大功率拖拉机采用了负荷传感闭心式液压系，液压输出的流量可根据负载的实际需要由 驾驶员进行调整，其液压功率输出可与负载更好地匹配我国拖拉机行业将液压输出功率占发动 机功率的1 8 定为优等品指标统计结果表明，近年来这一比率在拖拉机总数中的分布情况为：大 于3 0 的占总数的2 5 ，l ，大于2 0 小于3 0 的占5 5 ，小于2 0 的仅占2 0 ，而其中只有麟的拖拉 机低于1 8 负荷传感闭心系统以及压力补偿技术在许多大功率拖拉机上的采用，随着液压技术在拖拉机 上应用范围的扩大，采用开心式系统往往使系统变得复杂2 0 世纪年代末，约翰迪尔公司 推出了由一个带压力补偿器的径向柱塞泵和多个闭心阀组成的恒压闭心系统，后来成功地应用在 该公司4 0 0 0 系列以前的各种型号的拖拉机上这种系统在多种用途的情况下简化了油路，控制反 应灵敏，工作平顺，消耗功率和发热都较小但是对于一些压力负载较小的控制场合，仍存在能量 消耗较大的向题因比近l o 年来，更为先进的负荷传感闭心系统取代了恒压闭心系统和开心系 统。相继使用到大功率拖拉机上如道依兹法尔a g r o m m 系列。约翰迪尔6 0 0 0 ，7 0 0 0 、8 0 0 0 和9 0 0 0 系列，卡特彼勒c h a l l e m g e r 系列，菲亚特阿格力的誓系列等负荷传感闭心系统目前主 要用在液压悬挂系和液压输出系其液压泵为带有压力补偿阀和流量补偿网的变量轴向柱塞泵 提升器阀和液压输出阀均为闭心阀每一路的压力和流量均能按照负载要求而改变当所有滑阀 都处于中立位置时，液压泵只给系统提供最小的流量和压力，因此，无论是在工作状态还是待机状 态在满足系统对压力和流量实际需要的同时，其能量消耗都是最小的除了节能的优点之外，这 种系统的发热也比开心系统和恒压闭心系统的要小另外，它还有允许两个以上的负载按各自的 负荷要求同时工作、液压泵的角功率大等优点 1 乏1 4 耕深控制技术的发展 2 0 世纪7 0 年代以来，随着电子技术和微机控制技术的出现和成熟。机一电一液一体化技术逐 步被应用到拖拉机上，为提高拖拉机作业机组的性能开辟了崭新的道路调节和操作农机具是拖 4 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 拉机悬挂机组的主要功能。其调节方法是否适应各种农具及其不同的作业条件，对机组的动力性 能和作业质量有十分重要的影响。目前大多数轮式拖拉机上一般都采用三种调节方式：力调节、 位调节、高度调节近几年国外拖拉机还采用了扭矩调节、压力调节、综合调节 扭矩调节：扭矩调节把拖拉机传动系统作为调节参数和调节方法通过控制传动系扭矩的变 化范围来控制拖拉机的牵引力从而间接的控制农机具的耕作深度扭矩调节的工作原理是通过 装在拖拉机变速箱输出轴上的扭矩传感器，把作用于它上面的扭矩转化成位移量，通过一套杆件 系统将其反馈到悬挂系统的控制装置，由于系统的自动控制作用，当操纵手柄置于某一位置，变 速箱输出轴上扭矩传感器自动的保持在相应的范围内扭矩调节可以对各类农具实现调节，他不 受挂接方法和方式的限制，因此扭矩调节比其他的力调节方式具有更大的实用范围，但是扭矩调 节的传感器比较复杂，而且安装在传动系中要求比别的传感器具有更高的可靠性 压力调节：压力调节把液压悬挂系统的油缸的压力作为调节参数。用控制油缸压力变化范围 的方法调节农具对拖拉机的重量转移量，能使牵引机组和高度调节的悬挂机组改善动力性能，压 力调节有以下优点： 重量转移的大小可由驾驶员根据实际工作的需要进行调节可以把输出压力控制在预先调整 的最大值上，防止配套压力系统挂在破坏其缺点z 容易造成压力损失 综合调节：综合调节是由两种不同的调节方式综合而成的一种新的调节方式。采用力、位综 合调节方法调节农具时，由力调节传感器输出的力信号和由位传感器输出的位置信号，经过内部 选定的比例进行综合叠加再反馈到控制系统综合调节方式的控制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的叠加，当力调节参与比例减少到零时即成 为单一的位调节，反之，为力调节由于力调节用于调节农具的牵引力，位调节用于调节农具相 对于拖拉机的位置，当机组在土质不均匀，土质比阻变化较大的地块进行作业时，采用力调节则 作业深度变化较大。采用位调节，则负荷波动变化较大采用力位综合调节则能够兼顾机组作业 稳定性和机组动力性能两方面的要求，获得较好的调节效果综合调节的原理只是两种调节方式 的综合，既能保证两种调节方式的各自的性能，又提高了机组对不同作业条件的适应性” 无论哪种调节方式，传统的机液控制都要被电液控制所取代，因为只有采用电控系统各种复 杂的综合调节才有可能实现，才能将拖拉机组作为个整体进行控制。对拖拉机的悬挂系统进行 电予化自动控制早在七十年代就有研究，并由产品投放市场如日本芝浦公司的i c 控制系统局 由位调节、力调节控制功能外，还具有旋耕作业时控制旋耕作业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保证农具左右倾斜角的功能以保证耕作质量福格森公司3 0 0 0 系列拖拉机所用的电液调节系统是利用一个小型微处理器把力位传感器处理信号与驾驶室仪表 盘上所给定的信号进行均衡，自动地进行调节系统中装有深度控制指针，传感器开关、灵敏度 指示盘升降指示灯德国波士( b o c s h ) 公司提供的电液控制提升器已配置在奔驰、芬特、万 国、史吕特、道依茨等公司的大功率拖拉机上该控制器具有力调节、位调节、力位综合调节、 高度调节等控制功能其实核心是一个带有8 位模拟量输入输出通道的微处理器系统使用的传 感器有安装在下拉杆上的磁致伸缩式测力销，安装在提升轴上的角位移传感器，液压系统中还采 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送来的信号进行处理，然后驱动液压执行元件 实现阻力调节、位置调节、轮滑率调节、力位综合调节等为了与拖拉机上其他的电子控制系统 5 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 进行数据交换，b o c s 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 过安装在驾驶室内的控制面板完成 沙特阿拉伯k i n gs a u d u l n v c m i t y ，农学院开发了一种用来测量三点悬挂装置性能的测量系统 1 l e jp 如图1 - 2 所示该系统包括：传感单元和数据记录和处理单元传感单元由三个力传感器， 和一个位置传感器组成数据处理单元由数据采集器、盒式磁带记录仪，3 2 | 接口板、串行通 讯卡、计算机组成整个测量过程是由数据采集器每隔一秒扫描和采集传感器数据一次所采集 的数据分别用校正常数和系数转换成工程单位通过盒式磁带仪记录下来。同时将数据经过接口 板和通讯卡输入到计算机犁进行数据处理计算机的控制命令同样经过串行通讯控制数据采集的 操作力传感器采用八角环测量仪，安装在提升轴上位置传感器采用可随轴旋转的分压计 0 砷- 4 图1 _ 2 农学院测量三点基挂装置性能的测量系统( 沙特阿拉伯喀s a u du n i v e r s l t y ) 在耕深控制方面，日本k y o t ou n i v e m t y 研制了一种耕深控制系统”。如图1 - 3 所示该系 统由测量单元、控制单元、液压单元、悬挂系统连接单元、耕深设定值和死区控制单元其中测 量单元测量提升臂的位移、拖拉机的俯仰角度和传感器离地面的高度，由超声波传感器、光传感 器，倾斜角度传感器、提升臂位置传感器( 分压计) 组成控制单元由数模转换板、接口板、螺 旋阀驱动电路扳和计算机组成属于整个控制系统的中心液压单元模块由液压缸、螺旋阀、液 压油路，此单元模块功能主要用来驱动三点悬挂系统整个控制过程由传感嚣得到信号与设定值 比较得到误差信号，该误差信号和死区设定值进行比较，如果小于死区设定值，控制系统没有输 出，当大于死区设定值时，通过计算一个控制电磁阔的负荷比参数，经过该参数的计算得到一个 输出控制信号，该信号经过放大电路放大后控制电磁阀的输出经过试验验证，该控制系统仍然 存在随着负载的增加，拖拉机的行使速度变慢的问题 6 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 图卜3 耕深控制系统( 日本k y o t o u n i v e m t y ) 另外，在耕深控制方面，南非u n i v e r s i t yo ft h ew j t m 妇踟删，提出了一种利用拖拉机的轮滑 率来控制耕深的方法“该系统装配在1 6 0 k w 的拖拉机上。主要由传感器模块、控制模块、输出 模块、液压模块等组成传感器模块主要是一个雷达传感器，一个磁性传感器、一个电位计雷 达传感器用来测量拖拉机实际行走的距离，磁性传感器测量拖拉机轮子行走的距离，通过计算两 者之差来得到轮滑率，电位计安装在提升轴上，通过提升轴的转角来计算耕深控制模块主要采 用# c 1 7 0 4 4 单片机，该单片机具有两个频率捕捉器、两个脉宽调制输出模块、和强大的指令集以 及一个8 位乘法器。该控镧系统的控制过程由传感器得到拖拉机的实际行走距离和轮子行走距离， 通过数模转换嚣将模拟信号转换成数字信号输入到控制单元，经控制单元的计算将控制信号利用 单片机的脉宽调制信号输出，再经输出放大电路放大后控制电磁比例阀。从而通过液压系统来控 制农具的升降这样就完成了一个有轮滑率来控制耕深的过程实践证明，该控制系统具有如下 的特点： ( 1 ) 能够将土壤表面的各种阻力情况纳入控制当中 ( 2 ) 能够使拖拉机以最优的轮滑率行驶，从而得到最优的牵引效率 ( 3 ) 可以节省燃油消耗，以及拖拉机的作业时间同样该系统存在反映灵敏度问题 因为各个环节引起的滞后闯题造成了控制系统的反应灵敏度不高，主要有以下几个原因： ( 1 ) 雷达模块内部含有各种滤波电路，从而造成了大约2 0 0 脚的滞后 ( 2 ) 控制其内部的软件滤波算法引起的大约5 0 m s 的滞后问题 ( 3 ) 由于系统的惯性引起的滞后 ( 4 ) 当农具升高或降低时，拖拉机的后轮要先进行压缩，由于该压缩引起的滞后 上述原因引起的滞后问题造成了该控制系统的灵敏度难以提高 1 2 1 5 耕深传感器 目前测量农具与地面高度的传感器可以分为t 接触式的和非接触式的非接触式的传感器有 超声波传感器和红外传感器超声波传感器在草地里不会受到影响，但是在有些植物茬地里，植 物茬表面能够直接对超声波进行反射，因此在数据收集方面还需要确定植物茬顶部与地面的距 7 中国农业大学博士学位论文 第一章绪论 离，同样周围温度以及不平整的地面都能对超声波传感器产生影响对于红外光传感器而言，容 易受到水分的影响，因为水表面能够对红外光进行反射和拆射。从而影响到传黪器的测量精度 叙利亚阿勒顿大学a mm o u a z e n l , 2 ；j a n t h o n i s 2 ；w s a e y a 2 ；h 鼬m ，在文章中提到一种 测量农具框架与地面高度的摆臂式耕深传感器“，该传感器主要有一个金属轮和一个0 2 米行程 长度的线性可变位移传感器组成线性位移传感器与金属轮的轮轴连接 髓1 - 4 摆臂式传毫器 该摆臂式传感器结构如图l - 4 所示摆臂式金属轮重1 7 5 n ，由于其重量，可以降低植物茬对传感 器的影响。目前所存在的问题，因为金属轮的重量当在较软的土壤里行走时，存在下陷问题t 同 样会影响耕深的测量精度 1 乏2 国内研究现状”1 我国对具有力调节、位调节、力位综合调节的拖拉机液压悬挂装置的研究比较晚可分为三 个阶段：第一阶段为初步研究阶段在2 0 世纪七十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问耕作试验，希望从中我出一些有用的规律，但 是由于种种原阻，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了 七十年代后期，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，原洛阳拖拉机研究所、原北京农业工程大学、原洛阳工学院、原江苏工学院都作7 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八十年代开始了拖拉机液 压悬挂系统室内仿真试验一些具有拖拉机专业的高校先后建立了拖拉机液压悬挂系统室内仿真 试验台，并基于此进行了一些有关机组动态性能的实验和理论分析，这些研究主要有拖拉机力调 节系统建模、稳定性分析、动静态特性试验和理论分析、土壤阻力干扰对耕深的影响分析以及机 组在实际耕作过程中诸信号之间的传递关系等，从而形成了研究的高峰，此后不断有新的成果出 现八十年代后期为了跟踪国外先进技术，也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件，并做了初步的试验工作第三阶段为电液控 制系统的研究2 0 世纪九十年代，髓着电子技术的飞速发展，国内有些高校开始探讨电子技术、 计算机控制技术等新技术在拖拉机液压悬挂中的应用例如，中国农业大学将原有机械式液压悬 挂控制系统改装为电液式悬挂控制系统，其控制核心采用了i l t 2 3 9 6 系列1 6 位单片机系统：对电 滚悬挂控制系统进行了硬件和软件设计，并在室内仿真试验台上进行7 试验验证该系统主要由 8 0 c t 9 6 k c 单片机监控器、模拟农具支架、模拟电液加载系统、液压回路系统等几部分组成液 8 中国农业大学博士学位论文第一章绪论 m 压系统中的控制阀为电液比例换向阀。频宽为8 1 0 1 4 z ，能根据输入控制信号的大小和正负改变 液压油的流量和流动方向该阈的控制性能与电液伺服蹲相比，箕优点是价廉、抗污染能力强， 缺点是具有滞环误差和死区特性，这些非线性因素对控制系统的动态特性有重要影响该悬挂 系统由于只进行了室内仿真试验，在实际农田土壤情况下是否能可靠有效地控制还需进一步验证， 并且对不同的调节方式采取的控制算法还需根据实际耕作经验进行修正江苏理工大学对江苏5 0 拖拉机悬挂系统的电液控制系统做了一定的实验研究该系统在江苏5 0 提升器的基础上进行了 简单的改装。其中将原分配器的主控制阀芯的轴向移动改用一般的直流电磁铁驱动，拆除了原有 的主阀复位弹簧，为了形成耕深位移量的反馈控制在提升臂轴上装置了角位移传感器以代替原 有的机械反馈机构但由于整个控制系统的结构过于简化，只能将电液控制系统简化成继电开关 型控制系统，控制功能单一 综上所述，目前在国外拖拉机上，机一电一液一体化技术已经获得了广泛的应用，许多公司近 期推向市场的大功率拖拉机基本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用了基于c a n 总线的多路传输网络系统使得机一电一液控制系统在拖拉机 上的应用达到很高的水平 就我国当前的情况而言，对拖拉机作业机组机一电一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、实验 和改进研究 本文通过研究主要解决以下闯题： ( 1 ) 拖拉机液压悬挂系统中，主控阀采用滑阔式结构，容易产生泄露，增加了悬挂机构的 调整次致，能量损失大，使各种闯件产生烫手的现象，利用能够解决上述目蘑的差径式锥月结构 的电液悬挂控制系统的实现方法闯题。 ( 2 ) 由于锥阀式开关型液压阀，具有流通面积大，密封性能好的特点，可以解决液压系统 的内泄漏闯愿，减少液压系统的发热，提高拖拉机驾驶室的热舒适性，但是因为其油液流量大和 作业机组的大惯性，在液压悬挂机组操作过程串，由于机纽重量大，容易对拖拉机机体造成很大 的冲击，增加了拖拉机作业机组操作的粗暴性为此，必须解决锥阀式结构的拖拉机液压悬挂系 统的操作平顺性问题 ( 3 ) 与新型电液控制系统相匹配的耕深控制方法研究和耕深控制装置的硬件、软件实现方 法等问题 1 3 本课题的主要研究内容 本课题依托教育部博士点基金项目拖拉机作业机组机电液一体化控制关键技术的研究) ， 主要目的是以拖拉机液压悬挂装置为主要对象，探讨和研究其在实现机一电一液智能控制方面的关 键技术。从而提高拖拉机悬挂装置的机一电一液控制系统的技术性能研究的关键技术主要包括： 控制信号的传感、检测和传输技术；悬挂装置的控制方法和控制系统；与机一电一液智能控制配套 的液压系统的优化匹配问题，拖拉机悬挂机组在操作过程中的平稳性闯