（机械设计及理论专业论文）喷杆响应建模及运动控制研究.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向 社会提供查询。论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密一。 学位论文作者签名：_ 初守 ? , o i l 年占月f e t 指导教师签名：2 纱啉 矽r 年月“日 喷杆响应建模及运动控制研究 r e s e a r c ho ns p r a yb o o m r e s p o n s em o d e l i n ga n dm o t i o nc o n t r o l 姓 2 0 1 1 年6 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 国内外研究结果表明，喷杆喷雾机作业时，地面激励引起的喷杆运动显著影 响施药均匀性。因此，地面激励条件下的喷杆响应测试、建模及运动控制研究是 提高喷杆喷雾机施药品质的基础性和前提性工作。国内外学者广泛采用仿真方法 测试喷杆响应并用于建立喷杆响应模型，此类研究方法不需要考虑地面激励作用 于喷杆喷雾机的物理过程。事实上，喷杆喷雾机在真实地面上行驶作业时，同一 地面激励先后作用于喷杆喷雾机的前轮和后轮，这种特殊激励作用下的喷杆响应 模型难以采用现有的系统辨识方法获得。 针对这一问题，本文在国家“8 6 3 ”高技术研究发展计划资助项目：蔬菜高 效施药技术研究与装备创制( 2 0 0 8 a a l 0 0 9 0 5 ) 的资助下，测试和分析了地面单 侧阶跃激励时的喷杆响应；对实测喷杆响应信号进行了系统辨识、响应预测和反 卷积运算等响应建模研究；提出了从单侧前后轮相继阶跃激励中分离出喷杆理想 响应的方法，通过该分离方法可将地面激励条件下的喷杆响应转化为两个单输入 单输出( s i s o ) 系统响应的叠加，进而使地面激励条件下的喷杆响应可以辨识；根 据实测喷杆响应的辨识结果，设计了补偿喷杆运动的p i d 控制器，开展了喷杆运 动控制实验。 通过开展上述研究工作得到的主要结论如下： 创制了高地隙喷杆喷雾机。目前国内还没有商品化的高地隙喷杆喷雾机， 针对这一现状本文创制了集高地隙底盘、喷杆喷雾机、风力辅助系统、液压系统、 喷雾系统和喷杆位姿测控系统于一体的高地隙喷杆喷雾机，创制的高地隙喷杆喷 雾机喷杆长度为8 m ，地隙高度为0 8 m ，喷杆高度可调范围为0 7 6 m 。1 3 6 m ，喷 杆角度条件范围为1 5 0 1 5 。样机性能测试结果表明：本文设计的高地隙喷杆喷 雾机各项工作参数均达到了预期目标，整机性能满足田间施药作业要求。 测试了地面单侧阶跃激励时的喷杆响应并分析了喷杆的响应特性。通过 对喷杆响应性的分析，指出在单侧阶跃高度为0 1 3 m 的地面激励下，我国技术标 准推荐的各种机型的喷杆喷雾机，喷杆末端触地的可能性是存在的。 提出了从单侧前后轮相继阶跃激励中分离出喷理想响应的方法。通过对 地面激励作用于喷杆喷雾机的物理过程的分析，采用系统辨识、响应预测和反卷 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b r o a da n dd o m e s t i cr e s e a r c h e sh a v eb e e ns h o w nt h a tt h e u n i f o r m i t y o f d e p o s i t i o nw a sr e m a r k a b l ei n f l u e n c e db yu n w a n t e ds p r a yb o o mm o v e m e n t sw h e n b o o ms p r a y e r s w o r k i n gi nf i e l d s t h e r e f o r e ，i t s f u n d a m e n t a la n d e l e m e n t a r y r e s e a r c h st om e a s u r i n ga n dm o d e l i n gs p r a yb o o mr e s p o n s e sw h i c he f f e c t e db yr e a l t r a c k s e x p e r i m e n ta n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n sw e r ew i d e l yu s e db yf o r e i g nr e s e a r c h e r s t oi n v e s t i g a t i n ga n dm o d e l i n gs p r a yb o o mr e s p o n s e s t h em a i na d v a n t a g eo ft h o s e a p p r o a c h e sw a st h a tt h e ys h o u l dn o tc a r et h ep h y s i c a lp r o c e s so fe x c i t a t i o n sw o r k i n g o nb o o ms p r a y e r i n f e c t ，e x c i t a t i o n sf o r mt r a c ki m p a c t i n gt h ef r o n tt i r e sa n dt h e nt h e r e a l t i r e so fb o o ms p r a y e rw h e nb o o ms p r a y e r sr u n n i n g i t sh a r dt om o d e l i n gt h e r e s p o n s e so fs p r a yb o o mb yg e n e r a ls y s t e mi d e n t i f i c a t i o nm e t h o d sc o n s i d e r e dt h i s s p e c i a ld o u b l ee x d t a f i o n sf o r mt r a c k a i m i n ga tt h i sp r o b l e ma n ds u p p o r t e db yt h en a t i o n a lh i 曲t e c h n o l o g y r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tp r o g r a m ( 8 6 3 ) ：r e s e a r c ho nt h eh i 。曲e f f i c i e n c y f e r t i l i z i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t sc r e a t i n g ( 2 0 0 8 a a l 0 0 9 0 5 ) ，t h es p r a yb o o m r e s p o n s e sw h i c hc a u s e db yh a l fs t e pt r a c kw e r em e a s u r e da n da n a l y s e d t h es y s t e m i d e n t i f i c a t i o n ，r e s p o n s ep r e d i c t i o na n dd e c o n v o l u t i o nt e c h a n o l a g yw e r eu s e dt o i n v e s t i g a t e dt h em o d e l i n go fs p r a yb o o mr e s p o n s e am e t h o dw a ss u g g e s t e dt o e x t r a c t i n gt h ei d e a ls p r a yb o o mr e s p o n s ef o r mt h em e a s u r e d t h em e t h o dc a l l t r a n s f o r mt h em o d e l i n go fs p r a yb o o mr e s p o n s e si n t ot h ep r o b l e mo fi d e n t i f i c a t i o no f t w os i s os y s t e m s ，a n dt h e nt h es p r a yb o o mr e s p o n s e sc a nb em o d e l i n g b a s e do nt h e r e s u l to fm e a s u r e ds p r a yb o o mr e s p o n s em o d e l i n g , ap i dc o n t r o l l e rw a sd e s i g n e dt o c o m p e n s a t i n gt h es p r a yb o o mm o t i o n s a n dt h ec o n t r o l l e rw a st e s to n ar e a lh a l fs t e p t r a c k c o n c l u s i o n ss u m m a r i z e df o r ma b o v e w o r k i n ga n dr e s e a r c h e sw e r et h a t ： a nh i g h c l e a r a n c eb o o ms p r a y e rw a sm a d e t h e r ew a sn oc o m m e r c i a l h i 曲c l e a r a n c eb o o ms p r a y e ri nc h i n ap r e s e n t l y f o c u so nt h a ts t a t u sah i g h c l e a r a n c e b o o ms p r a y e rw h i c hi n c l u d e s ：h i g h c l e a r a n c ec h a s s i s ，b o o ms p r a y e r , w i n da s s i s t a n t e d i i i k e yw o r d s ：e x c i t a t i o n ，s p r a yb o o m ，r e s p o n s em o d e l ，s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ， i v m o d e l i n g ，c o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 喷杆运动与沉积1 1 2 2 喷杆运动与激励。3 1 2 3 喷杆运动建模6 1 2 4 喷杆运动控制7 1 3 研究内容与技术路线1 0 1 3 1 研究内容一1 0 1 3 2 技术路线1 0 1 4 本章小结1 0 第二章高地隙喷杆喷雾机设计。 l l 2 1 高地隙喷杆喷雾机的主要技术指标一1 1 2 2 喷杆喷雾机的结构布局。1 1 2 3 系统传动设计1 2 2 4 喷雾机结构设计1 3 2 4 1 高地隙底盘设计1 3 2 4 2 机架设计1 4 2 4 3 喷杆设计1 5 2 4 4 机架与喷杆的连接1 6 2 5 风力辅助系统设计1 7 2 5 1 轴流风机设计1 7 2 5 2 轴流风机安装位置选择1 7 2 6 液压系统设计。1 8 2 6 1 液压系统方案。1 8 2 6 2 主要液压器件选用1 9 2 7 喷雾系统设计2 0 2 8 喷杆位姿测控系统设计2 0 v v i 4 2 前轮激励响应的预测模型辨识3 6 4 2 1 辨识模型描述3 6 4 2 2 定阶准则与参数估计方法3 7 4 2 3 前轮激励响应预测模型3 8 4 2 4 前轮激励响应分离3 9 4 2 5 后轮激励响应分离4 0 4 3 前轮激励响应和后轮激励响应辨识。4 2 4 3 1 模型阶次范围确定4 2 4 3 2 前轮激励响应辨识4 2 江苏大学硕士学位论文 4 3 3 后轮激励响应辨识4 4 4 4 地面激励作用于前后轮的时间差4 5 4 5 喷杆响应模型及验证4 5 4 5 1 喷杆响应模型。4 5 4 5 2 模型验证4 6 4 6 本章小结4 8 第五章喷杆运动控制试验。 5 1 喷杆运动控制系统组成4 9 5 2 控制系统输出标定5 0 5 3 喷杆喷雾机结构模型推导5 1 5 4p i d 控制器参数设计5 2 5 4 1p i d 控制器参数整定方案5 2 5 4 2p i d 参数的计算机整定5 3 5 5 喷杆运动控制试验。5 4 5 5 1 试验条件5 4 5 5 2 试验结果与分析5 4 5 6 本章小结5 5 第六章结论与展望 致 5 6 6 1 结论。5 6 6 2 展望。5 7 参考文献。 附录 5 9 攻读硕士期间的主要学术成果。8 3 v n j 江苏大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 我国是农业大国更是人口大国，保证农业的高产、稳产是解决我国占世界 7 的土地养活占世界2 2 的人口的关键，与农作物的病、虫、草害作斗争是我 国农业生产的重要环节。由于化学防治见效快、效率高等特点，仍将是今后防 治农业病、虫、草害的主要方式之一。喷杆喷雾机作为化学防治农业病、虫、 草害的工程装备，具有作业效率高和便于实现自动化等特点，已经在欧美等农 业机械化水平较高的国家广泛应用。我国也在“十一五 8 6 3 计划中重点支持 高效喷杆喷雾机的研发。但化学防治除了要考虑防治效果和效率，还要考虑农 药残留、环境污染、施药经济性和安全性等作业品质问题。因此喷杆喷雾机不 仅要满足高作业效率，还要满足高作业品质。 喷杆喷雾机的结构特点是具有长臂喷杆。由于长臂喷杆质量小，因此在力 学上属于轻质长杆。这就意味着喷雾作业时，外部激励易使喷杆偏离正常运动 姿态，导致喷雾沉积不均。喷杆偏离正常姿态的运动被研究者定性地概括为喷 杆的非期望运动( u n w a n t e d u n d e s i r e dm o t i o n ) i 】，简称喷杆运动。研究表明， 地面激励引起的喷杆运动显著影响施药均匀性，因此，国外学者已把控制地面 激励引起的喷杆运动作为提升喷杆喷雾机作业品质的关键技术。 建立真实地面激励条件下的喷杆响应模型，可为喷杆运动控制提供理论依 据。但喷杆喷雾机行驶作业时，地面激励先后作用于喷杆喷雾机的前轮和后轮， 这种特殊相继激励作用下的喷杆响应试验建模问题难以采用现有的系统辨识方 法解决。因此本文研究的目的是探索一种地面激励条件下的喷杆响应试验建模 方法，建立地面激励条件下的喷杆响应模型，为喷杆运动控制提供依据。 1 2 国内外研究现状 围绕喷杆运动这一主题，可将国内外学者的主要工作归纳为对以下四方面： 喷杆运动与沉积、喷杆运动与激励、喷杆运动建模和喷杆运动控制。 1 2 1 喷杆运动与沉积 喷杆喷雾机的喷雾性能主要通过雾滴沉积分布来评价，主要指标有雾滴沉 围内变化，喷杆水平运动会使沉积比在2 0 到6 0 0 范围内变化。2 0 0 3 年o o m s 等【8 1 通过田间试验，初步判定喷杆的水平运动是引起水平沉积不均匀的主要因 素。j o e n 等【9 】于2 0 0 4 年也发表了喷杆喷雾机在图1 1 所示两种地面条件下的沉 积量变异系数测试结果，数据如表1 1 所示。 图1 1 矩形激励【9 】 f i g 1 1t w ot y p e so fr e c t a n g u l a re x c i t a t i o n ( a ) 激励方式1( b ) 激励方式2 从表1 1 可以看出，无论是扇形喷头还是文丘里喷头，在喷杆振动影响下雾 滴沉积量变异系数均大于等于3 7 8 。我国1 9 9 9 年喷雾机产品标准中，就已经 规定喷雾沉积变异系数必须小于2 0 【1 0 1 ，因此j o e n 等的测试结果实际上已经证 2 江苏大学硕士学位论文 实：喷杆运动影响下，雾滴沉积变异系数超出产品标准的可能性是客观存在的。 表1 1 地面激励对喷杆运动和沉积的影响【9 1 f i g 1 1e f f e c t so ft r a c kb u m p s o i ls p r a yb o o mm o t i o na n dc v 1 2 2 喷杆运动与激励 1 2 2 1 地面激励 为使不同机型的农业机械在不同作业参数下的振动响应具有可比性，国际 标准化组织于1 9 7 9 年制定了用于农业机械激振的标准人工道路【1 1 】。1 9 9 3 年 r a m o n l l 2 】采用液压激振试验台模拟标准人工道路对喷雾机的激励，研究了喷雾 机在5 k m h 速度条件下的喷杆末端的响应。1 9 9 7 年r a m o nt 4 针对喷杆长度为 2 4 m 的喷杆喷雾机，采用拉格朗日独立坐标描述喷杆的刚体运动，运用有限元 方法描述喷杆的弹性运动，然后合成刚体运动和弹性体运动建立了喷杆运动的 数字仿真模型。r a m o n 以标准人工道路作为数字仿真模型的输入激励，研究了 喷杆末端的响应，其结果为：行驶速度为4 k m h 时，喷杆末端水平位移最大值 为0 2 6 m ，垂直位移最大值为0 7 m ；行驶速度为8 k m h 时，喷杆末端水平位移 最大值为0 4 m ，垂直位移最大值为0 7 m 。1 9 9 9 年k e n n e s 等【2 】采用商用有限元 软件s a m c e f 建立了喷杆长度为2 4 m 的喷雾机有限元模型，也以标准人工道路 作为有限元模型的激励，研究了行驶速度为5 k m h 条件下喷杆末端最大位移， 其结果为：最大垂直位移为1 6 2 m ，最大水平位移为3 m 。 1 9 9 5 年和1 9 9 6 年我国张际先在探讨喷杆悬挂系统的优化问题【1 3 】和喷杆悬 挂系统的性制1 4 】时，采用多体动力学仿真方法研究了地面激励条件下的喷杆运 动响应。 从机械动力学上考虑，研究农业机械的动态特性也可以选用其他激励方式， 例如阶跃激励、斜坡激励、脉冲激励和矩形激励等。2 0 0 4 年j e o n 等【9 】选择喷杆 长度为2 7 4 m 的喷雾机为研究对象j 在2 2 0 m 的土质跑道上设置了如图1 1 所示 的两种矩形激励。得出两种矩形激励下喷杆的运动参数和沉积分布变异系数如 表1 1 。从表1 1 可见，两种激励造成的喷杆末端位移和加速度均有显著差别， 但喷雾沉积变异系数上并没有预期的显著差异。 3 表1 3 喷杆结构、行驶速度和液箱储量对喷杆运动的影响【6 】 t a b 1 3e f f e c to fc o n s t r u c t i o n ，d r i v i n gs p e e da n dt a n kc o n t e n to ns p r a yb o o mm o v e m e n t s m s 乏 杆末端垂直方向和水平方向的最大振幅随喷杆喷雾机行驶速度的增加而增加。 1 9 9 5 年和1 9 9 9 年l a n g e n a k e n s 等【5 , 1 5 采用多刚体理论和试验模态分析方法 4 江苏大学硕士学位论文 建立仿真模型，并以标准人工道路作为地面激励信号进行仿真，研究了喷杆喷 雾机行驶速度对喷杆末端水平和垂直运动的影响，l a n g e n a k e n s 的仿真结论与 s p e e l m a n 和j a n s e n 的实验结论致。 1 2 2 4 轮胎气压 在农用机械底盘研究中，轮胎力学问题是基本问题之一。但底盘力学的传 统研究侧重于机器对土地的压实、机器的通过性以及机器操向性等方面。1 9 9 5 年l a n g e n a k e n s 等【1 5 】最先在喷杆运动分析中引入了轮胎力学参数，他们的仿真 结果如表1 4 所示。从表1 4 可见，随着轮胎气压的增加喷杆末端位移也增加。 1 9 9 9 年l a n g e n a k e n s 等【5 1 进一步发展了轮胎气压影响喷杆运动的学术观点，提 出喷杆运动由喷杆弹性运动和喷杆刚性运动构成，并指出轮胎气压会影响喷杆 刚体运动。虽然l a n g e n a k e n s 并没有给出从喷杆总运动中分离出喷杆刚性运动 的具体方法，但l a n g e n a k e n s 的学术观点还是容易理解的，因为轮胎气压的改 变导致轮胎与地面接触刚度的改变，因此，当喷雾机的四个轮胎间气压不均匀 时会导致四个轮胎与地面接触刚度的不均匀，从而引起喷雾机体作侧倾、前倾、 后仰以及摆动等刚体运动，机体刚体运动直接使喷杆做相应的牵连刚体运动。 表1 4 轮胎气压和行驶速度对喷杆末端位移的影响【1 5 l f i g 1 4t h e e f f e c to ft i r ep r e s s u r ea n dd r i v i n gs p e e do nm o v e m e n t so fs p r a yb o o m 卸 1 2 2 5 液箱储量 s p e e l m a n 和j a n s e n 关于液箱储量对喷杆运动影响的试验结果已在表1 3 给 出。从表1 3 可知液箱储量为2 5 时的喷杆加速度值整体上大于液箱储量为7 5 时的喷杆加速度值。1 9 9 6 生gr a m o nb a c r d e 嗽e k e r 【1 6 】将液箱储量分为空箱( e m p t y t a n k ) 、半箱( h a l f - f u l lt a n k ) 弄1 1 满箱( f u l lt a n k ) = 种状况，用于研究不同控制器对液 箱储量变化的响应，五组测试结果中的四组均呈现出随着液箱储量减少喷杆末 端位移增加。 从机械动力学角度看，液箱储量的变化直接对应了喷杆喷雾机的总质量及 质量分布的变化，因而会影响喷杆喷雾机动态特性。由于大部分喷杆喷雾机的 5 2 0 0 0 年c l i j m a n s 掣1 7 , 1 8 】将喷杆喷雾机水平和垂直方向传递特性采用式1 1 所示 ， h 口f z 日( z ) = 与l 一 6 ，z 7 ，= 0 式中：砚，6 广模型参数卜分母最高次幂 咒旷一分子最高次幂 以厂一分子最低次幂 6 ( 1 1 ) 江苏大学硕士学位论文 的“黑箱系统模型来描述，并采用最大似然估计方法辨识模型阶次和模型参 数。c l i j m a n s 等将从仿真试验台获得的试验数据作为系统输入输出数据，其辨 识结果为：水平方向模型结构( d - n i i 刀d 为6 - 6 - 0 ，垂直方向模型结构为4 4 - 0 。2 0 0 0 年a n t h o n i s 等【1 9 】究喷杆水平运动控制特性时，也基于仿真试验台测试了喷杆的 运动响应，采用“黑箱 系统辨识方法建立了喷杆水平方向的频域传递函数模 型。 2 0 0 2 年d e p r e z 等【捌过数学推导得到运动方程，采用辨识方法得到传递函 数，建立了喷杆喷雾机系统的混合模型，用于研究喷杆的位姿补偿控制器，但 d e p r e z 等的建模数据仍然是基于仿真试验台的。 2 0 0 3 年p a r l o o 等【2 1 】开展了仅依据喷杆喷雾机工作条件下的输出响应数据 ( o u t p u t o n l n ，采用最大似然识别方法进行系统识别的探索性工作。 仅凭系统的输出数据( o u t p u t o n l y ) 进行系统辨识有着特殊的实用意义，但 目前该技术尚处于探索阶段。虽然c l i j m a n s 等和a n t h o n i s 等的试验数据均来自 于仿真试验台，但c l i j m a n s 等【1 7 l 却认为，从系统真实输入输出数据辨识得到的 “黑箱 系统模型，理论上比一般的有限元模型更准确。 上述喷杆运动控制器系统模型均是在对仿真试验台测试数据辨识基础上得 到的，真实地面激励条件下的喷杆响应模型并没有明确给出。基于仿真试验台 测试数据建立的系统模型和真实系统有一定差距，原因在于仿真试验台测试时 不需要考虑喷杆喷雾机工作时，地面激励对喷杆喷雾机的作用过程。另外基于 仿真试验台的测试数据建立的喷杆响应模型也需要地面实验验证。 1 2 4 喷杆运动控制 各种形式的喷杆喷雾机通常都包含机架和喷杆两个典型部件。喷杆和机架 之间的连接形式可分为以下三种形式：无悬挂( 无控制) 、被动悬挂( 被动控制) 和主动悬挂( 主动控制) 。无悬挂是指喷杆和喷雾机主体之间采用刚性连接。被 动喷杆悬挂通常是在喷杆和喷雾机主体之间安装弹簧、铰链和阻尼等。主动喷 杆悬挂除弹簧、铰链和阻尼外还包括喷杆位姿测控系统。被动和主动喷杆悬挂 是喷杆运动控制的主要形式。 1 2 4 1 喷杆被动悬挂 现有的喷杆被动悬挂系统可按结构分为六种典型类型，如图1 2 所示。由 7 喷杆响应建模及运动控制研究 图1 2b 双摆悬挂和图1 2 c 对称轴悬挂可看作是图1 2a 摆悬挂的变异结构， 此这三种结构可统称为摆悬挂类。同理，图1 2e 双梯形悬挂和图1 2f 双万 节悬挂可看作图1 2b 梯形悬挂的变异结构，因而它们可统称为梯形悬挂类。 垂丑三 ( a ) ( b )( c ) 晷壁留 ( d ) ( e ) ( f ) 图1 2 喷杆的悬挂结构 f i g 1 2s t r u c t u r eo fs p r a yb o o ms u s p e n s i o n ( 嬷悬挂( b ) 双摆悬挂( c ) 对称轴悬挂( d ) 梯形悬挂( e ) 双梯形悬挂对双万向节悬挂 s 一一喷雾枳机架b 一一喷杆。一一铰接一一万向节 1 9 8 6 年f r o s t 和o ，s u l h v 锄【2 2 】最早给出了双万向节悬挂喷杆的动力学数学模 型，得到了双万向节悬挂的系统特性，指出大型喷杆和喷雾机之间应安装粘性 阻尼器。1 9 8 7 年f r o s t 冽进一步提出了具体确定阻尼器的准则：需抑制共振 响应时，应采用大阻尼；抑制比系统固有频率高的频段内系统响应时，应采 用小阻尼；冲击激励下，大阻尼时系统超调量大，但稳定快；小阻尼时系统 超调量小，但会出现长时间振荡。 1 9 8 7 年n a t i o n 2 4 1 研究发现：采用对称轴悬挂可有效减小喷杆的末端运动。 1 9 8 8 年o s u l l i v a n 等瞄】提出双摆悬挂系统的动力学模型，并进行频域测试验证， 就幅频特性和相频特性而言，实测值和模型值取得了很好的一致。1 9 9 9 年 k e n n e s 等【2 】在商用有限元软件s a m c e f 环境下，以标准人工道路为仿真输入激 励，以喷杆末端位移为响应信号，对刚性连接、摆悬挂、梯形悬挂和双梯形悬 挂四种悬挂结构进行了对比，结果表明：摆悬挂优于梯形悬挂和双梯形悬挂， 梯形悬挂和双梯形悬挂并无性能上的明显差异，刚性连接最差。 从上述研究的建模方式来看，喷杆被动悬挂系统被抽象为质量、弹簧和阻 尼等基本物理单元的组合，其中铰链的处理既要考虑把摩擦用阻尼来表达，又 要考虑铰链传递刚体运动的特性。从应用来看，被动悬挂系统具有结构简单和 成本低的优点，多用于小型喷雾机。对于大型喷雾机而言，由于喷杆长度较大， 8 江苏大学硕士学位论文 相对刚度小，易弹性变形等原因，喷杆被动悬挂难以满足使用要求。因而，大 型喷杆喷雾机多采用主动悬挂系统。 1 2 4 2 喷杆主动悬挂系统 1 9 8 9 年m a r c h a n t 和f r o s t 2 6 对喷杆主动悬挂系统进行了反馈控制试验，发 现执行器运行速度的提高有助于控制效果的改善，但过快的执行器速度又会使 系统失稳。1 9 9 6 年和1 9 9 8 年r a m o n 等【1 6 ，刎采用带回路恢复的二次线性高斯方 法( l i n e a rq u a d r a t i cg a u s s i a nm e t h o dw i t hl o o pt r a n s f e rr e c o v e r y ，l q g l t r ) 设 计了喷杆水平位姿控制器，通过液压执行器对喷杆位姿进行补偿，使喷杆水平 振动的抑制效果得以明显改善。 2 0 0 0 年a n t h o n i s 等【1 9 1 将h 。方法用于喷杆主动悬挂控制器设计。为避免h 。 方法引起的控制器维数过大问题，a n t h o n i s 等将控制器分解为一阶和二阶子系 统处理。a n t h o n i s 等给出了h 。控制器的实际运行效果，实验条件为：喷杆长度 为1 2 m 、喷雾机行驶速度为5 k m h ，液箱储量取半箱模式、以标准人工道路为 地面激励。实测结果表明：采用h 。控制器可将喷杆末端水平位移控制在- 5 - 8 c m 。2 0 0 2 年d e p r e z 等【2 0 1 采用根轨迹法设计了基于模型的三阶补偿控制器。同 年d e p r e z 等【2 8 】选择长度为2 7 m 的喷杆，以喷杆偏离水平位置的角位移汐为响 应物理量，对基于模型的三阶补偿控制器进行了实验测试，结果表明：在汐- 8 。 处释放喷杆，测得的峰值时间为7 s ，稳定时间为2 5 s ，喷杆末端最大偏移量为 0 7 m 。 2 0 0 3 a n t h o n i s 等【2 9 】给出了线性机械系统具有并矢传递矩阵( d y a d i c t r a n s f e r f u n c t i o nm a t r i x ) 特性的充要条件。满足该条件的机械系统的控制器设计问题可 以简化为对角矩阵的参数配置和设计问题。 虽然多种理论和方法均被应用于喷杆运动控制器设计，但整体上看，上述 研究是将相关领域的研究成果应用于喷杆运动控制，且滞后于其他领域的应用。 从国内外的研究现状看，喷杆运动测试、分析、建模和控制等领域的研究 集中于1 9 7 4 年至2 0 0 5 年之间，其中主要研究成果源自于国外研究者的工作。 于喷杆响应测试、分析和建模的研究，国内外研究者的工作以计算机仿真和试 验台仿真为主。真实地面激励条件下的喷杆响应测试和响应特性分析并未深入 开展，真实地面激励条件下的喷杆响应试验模型也没有明确给出。 9 依据获得的喷杆响应统模型设计补偿喷杆运动的p i d 控制器，开展喷杆 运动的补偿控制试验，根据试验结果分析喷杆的运动控制特性。 1 4 本章小结 本章将喷杆运动控制的国外研究现状归纳为对四类基本问题，分别对四类 基本问题的研究进展进行了阐述的，指出了国外研究者在喷杆运动测试、运动 建模中还没有解决的主要问题。在此基础上确定了本文的四项主要研究内容， 并制定了实现该研究内容的主要技术路线。 1 0 江苏大学硕士学位论文 第二章高地隙喷杆喷雾机设计 高地隙喷杆喷雾机设计的原则是：结合我国农业生产特点，依据我国相关 喷杆喷雾机技术标准0 0 - 3 引，参考国外喷杆喷雾机研究现状和国外喷杆喷雾机产 品的优点，开展高地隙喷杆喷雾机的创制工作。因此本章在对我国农田环境和 施药作物信息进行调研的基础上确定了高地隙喷杆喷雾机的主要技术参数，从 结构布局、传动、结构、风力辅助系统、液压系统、喷雾系统和喷杆位姿测控 系统等方面介绍了高地隙喷杆喷雾机的设计过程，并测试了样机的作业性能。 2 1 高地隙喷杆喷雾机的主要技术指标 根据调研，可将我国农田的结构特点和需施药作物的信息归纳以下三点： 我国部分地区的农业生产已出现集约化经营的趋势，但总体上还是一家 一户的分散经营。对施药量要求较大的作物南方主要为水稻和蔬菜，北方主 要为棉花、大豆、玉米和蔬菜等，施药期的作物高度通常不超过l m 。农田 附近通常有较少防风林。 因此，按照喷杆式喷雾机技术条件( j b t9 8 0 5 1 1 9 9 9 ) ，将高地隙喷 杆喷雾机确定为小型喷雾机。高地隙喷杆喷雾机主要工作及性能参数如表2 1 所示。为确保高地隙喷杆喷雾机在田间作业时，喷雾雾滴具有抗漂移能力，在 高地隙喷杆喷雾机中增设风力辅助系统。 表2 1 高地隙喷杆喷雾机主要技术参- 4 t t a b 2 1m a i nt e c h n i c a ld e t a i l so fh i g h - c l e a r a n c eb o o ms p r a y e r 注：喷幅符合我国( 喷杆式喷雾机技术条件( j b t9 8 0 5 1 1 9 9 9 ) 的规定值，属于小 型喷杆喷雾机。 2 2 喷杆喷雾机的结构布局 喷杆喷雾机底盘与机架之间通常有三种连接形式：悬挂式、牵引式和一体 式。悬挂式是指机架和喷杆安装在地盘后端的悬架上，药箱安装在底盘和喷杆 知，发动机动力除要提供喷杆喷雾机行驶外，还要为喷雾系统、喷杆位姿调节 系统、风力辅助系统、用电设备提供动力和能源。 喷雾系统、喷杆位姿调节系统和风力辅助系统可采用机械传动、液压传动 和电力传动实现。机械传动优点是动力不需要转换，传动效率高，缺点是结构 复杂，不适于远距离传动。液压传动可以为较为复杂位置的功耗设备提供动力， 可以在有限的范围内传动，但动力必须经过液压泵站转换，效率偏低。电力传 动可以方便的为任何用功耗设备提供动力，无任何距离限制，但动力需要转换， 效率低，且受发电设备的功率限制。考虑图2 1 所示高地隙喷杆喷雾机布局， 采用2 2 所示传动方案。 江苏大学硕士学位论文 匝圃 匦圃 臣圃一匝圃 匝亘习一臣圃 图2 2 高地隙喷杆喷雾机系统传动原理 f i g2 2p o w e rt r a n s m i s s i o no fh i g h - c l e a r a n c eb o o ms p r a y e r 2 4 喷雾机结构设计 2 4 1 高地隙底盘设计 根据第2 1 节所确定的喷杆喷雾机地隙高度，该喷雾机的底盘应为高地隙 底盘。为确保高地隙底盘的安全性和稳定性，本文以传统农机底盘结构为参考， 进行变形设计。参考底盘选用常州东风农机集团公司的成熟机型d f 2 5 0 型。该 底盘结构及性能参数如表2 2 所示。此外d f 2 5 0 型农机底盘配备液压输出系统， 该液压输出系统可方便为喷杆位姿调节机构和风力辅助机构提供动力。 表2 2d f 2 5 0 型农机底盘的主要参数 t a b 2 2m a i np a r a m e t e r so fd f 2 5 0c h a s s i s 参数数值 轴距m 可调式前轮距m 可调式后轮距m 后轮直径m 前轮直径m 离地间隙m 结构重量k g 额定牵引力尉 理论前进速度k m h d 理论后退速度k i n h 1 发动机功率k w 发电机功率w 1 4 9 2 1 0 0 21 1 0 21 2 0 2 1 2 0 41 2 3 01 2 8 8 1 0 6 0 6 5 o 3 6 1 0 4 0 水田3 0 0 0 旱地4 2 0 0 1 1 81 5 83 0 55 0 86 1 18 1 71 5 1 92 6 3 2 1 3 97 1 8 1 8 4 3 5 0 为实现表2 1 所确定的喷雾机性能，需对d f 2 5 0 底盘的地隙高度和轮距进 行改进。其中地隙须在原尺寸基础上至少提高0 4 4 m ，前轮距需增加0 5 m ，后 轮距需增加0 1 7 - 0 3 7 m 。从底盘的结构看，可采用延长前桥和后路桥最终传动 轴的轴向尺寸以增加轮距。 0 8 m 地隙高度的实现有两种方案可以选择：方案一为采用大直径轮胎；方 器圃 同目 为液压系统和喷雾系统提供安装空间；实现喷杆的位姿调整和高度调整。 喷雾机机架承载喷杆和轴流风机的同时，还要求有足够液压系统和喷雾系 统设备安装的空间，因此采用图2 4 所示的钢架结构。为实现表2 1 确定的 0 7 6 1 3 6 m 喷杆高度调节范围，在钢架中设置移动组件，移动组件通过固定液 压缸和下台面相连，移动组件两侧与钢架相连，相连处设导轨。 1 4 江苏大学硕士学位论文 图2 4 机架结构示意图 f i g 2 4f i g u r eo fb o o ms p r a y e rf r a m e 1 安装孔2 上台面3 固定液压缸4 连接板5 移动组件6 下台面 2 4 3 喷杆设计 喷杆喷雾机作业时产生的喷杆运动可分解为刚性运动和弹性变形。材料 力学指出提高构件的结构刚度可以降低弹性变形。现有喷杆常采用图2 5a 和 2 5b 所示的杆式结构和面式结构。由于面式结构垂直平面内的刚度远大于杆式 结构，因此得到了广泛采用，如专利：4 3 7 2 4 9 2 t 3 5 1 、5 3 4 8 2 2 6 t 3 6 1 、4 6 5 0 1 1 7 t 3 7 】等。然 而，图2 5b 所示面式结构喷杆对水平面内弹性变形的削弱能力非常有限。针对 这一问题，本文设计了图2 5c 所示的“角钢”形喷杆结构，该结构可同时保证 喷杆垂直和水平方向的刚度，理论上可降低喷杆作业过程中的水平和垂直方向 弹性变形，除此之外本文所设计的“角钢 形喷杆结构还有以下优点： 便于实现风力辅助式喷雾。如图2 5c 所示，杆2 上安装喷头，且风幕 置于杆2 上侧时，采用恰当的杆1 和杆2 的距离，可使喷头位于风筒的正下方。 便于实现自动对靶喷雾。对靶喷雾的基本原理和控制流程是：a 位置传 感器检测到作物；b 控制系统发施药指令给喷头；c 喷头执行施药。采用横断面 为角钢形的喷杆时，可将作物位置检测传感器安装于杆1 ，喷头安装于杆2 。施 药时，位置传感器安装在喷头前方；控制系统通过位置传感器检测到作物并发 生施药指令，由于信号处理及喷头动作的延迟，设置恰当的喷雾机行驶速度和 杆1 与杆2 间距，可实现喷头施药时，杆2 正移动到作物上方。 另外，为使高地隙喷杆喷雾机便于上路和入库，将喷杆设计成三段可折叠 式的对称结构。 1 5 ( a )( b ) 图2 6 机架与喷杆的连接 f i g 2 6s t r u c t u r eb e t w e e nf r a m eo fs p r a y e ra n ds p r a yb o o m 1 喷杆2 摆动液压缸3 机架4