拖拉机电子液压悬挂控制器设计与控制技术研究.txt
拖拉机液压悬挂系统自动控制系统研究【19000字】【优秀机械毕业设计论文】
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拖拉机
液压
悬挂
吊挂
系统
自动控制系统
研究
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优秀
优良
机械
毕业设计
论文
- 资源描述：
-
文档包括:
说明书一份，35页，19000字左右。
任务书一份。
立题审批表一份。
答辩PPT一份。
目 录
1 绪 论 -1-
1.1引言 -1-
1.2研究背景和意义 -1-
1.2.1研究背景 -1-
1.2.2研究意义 -1-
1.3国内外研究现状分析 -3-
1.3.1国外研究现状 -3-
1.3.2国内研究现状 -4-
1.4研究内容 -5-
1.5本章小结 -7-
2 拖拉机电控液压悬挂系统设计 -8-
2.1传统拖拉机的液压悬挂系统 -8-
2.1.1液压悬挂系统组成 -8-
2.1.2液压系统类型 -9-
2.2 电控液压悬挂系统设计 -10-
2.2.1设计方案的提出 -10-
2.2.2设计方案的确定 -14-
2.3 工作机理 -14-
2.4 本章小结 -15-
3 液压回路设计和信号处理电路设计 -16-
3.1液压回路设计和硬件选型 -16-
3.1.1电控液压系统回路设计 -16-
3.1.2液压泵和分配器的选择 -17-
3.1.3小油缸的选型 -17-
3.1.4换向阀的选择 -18-
3.1.5减压阀和溢流阀的选择 -18-
3.2信号处理电路设计 -19-
3.2.1传感器的选择 -19-
3.2.2传感器信号放大电路和滤波电路设计 -22-
3.2.3光电耦合器和三极管放大电路设计 -23-
3.3控制回路设计 -23-
3.3.1 ECU特点 -23-
3.3.2 80C196KC系统设计 -24-
3.4本章小结 -25-
4 电控液压悬挂系统软件设计 -27-
4.1主程序设计 -27-
4.2 A/D转换中断程序设计 -27-
4.3本章小结 -29-
结论及展望 -30-
参考文献 -31-
附录1 -33-
附录2 -34-
附录3 -38-
致 谢 -41-
拖拉机液压悬挂系统自动控制研究
摘 要
随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、电子控制、人工智能、网络通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。而采用机—电—液一体化控制技术是拓宽拖拉机功能、提高其技术性能以及解决其所面临诸多技术难题的最佳选择方案，并且已经成为现代拖拉机及其配套机组的主要技术发展趋势。
本文首先介绍了传统拖拉机液压悬挂系统的组成和类型。在此基础上，选择了拖拉机半分置式液压悬系统进行设计，设计新型拖拉机电控液压悬挂系统。在原拖拉机半分置式液压悬挂机构中改进设计了自动控制系统。分别阐述了自动控制系统的组成、工作原理、土壤阻力传感器、农具提升高度传感器、主控制阀位移传感器信号的测取与处理以及单片机控制的实现。在液压油路方面，该系统用电磁换向阀控制分配器取代传统机械式的控制分配器，并设计配套油路；在控制反馈信号获取方面，系统中安装位移传感器、压力传感器和角位移传感器；同时，对拖拉机电子液压悬挂的各种耕深控制方法进行比较分析。
拖拉机电控液压悬挂控制单元设计包括硬件和软件设计.根据本系统各功能模块的具体需求，选用Intel公司MSC-96系列的80C196KC单片机设计控制器。在软件方面，完成了主程序控制程序总体流向。
关键词：拖拉机；液压悬挂系统；换向阀；自动控制
Study on Automatic Control for Hydraulic
Hitch Equipment of Tractor
Abstract
With the perpetual innovation of the emerging technology, especially the rapid development of high and new technology, such as computer technology, electronic control, artificial intelligence and network communications, the tractor industry is influenced greatly. Taking the integrated control technology of hydromechatronics is the best project for broadening tractor function, improving its technical performance and solving numerous facing technical difficulties and it has become the major technology trend of modern tractors and the supporting units.
This paper first introduces the composition and type of the traditional tractor hitch control system. Based on this, choosing the structure of semi-partition hydraulic hitch system to carry on the design and designing a new electrohydraulic hitch system. A simple structure of semi-partition hydraulic hitch equipment and constituting of automatic control system was provided. The signal of soil resistance sensor and the implement lift height sensor and the control-valve sensor were measured and managed. The system was under the control of the SCM. The traditional mechanical splitter is replaced by proportional solenoid valve and its supporting circuit. A displacement sensor, a force sensor and an angle sensor is used for gaining feedback control signal. Furthermore, The various deep-conditioning method of cultivation of tractor electrohydraulic hitch are compared and analyzed in this paper.
Control unit of tractor electrohydraulic hitch system is consisted of hardware and software systems. According to specific requirements of the system function modules, 80C196KC microcontroller of Intel Corporation MSC-96 series is selected. For the software system, we used the assembly language to finish the control system program. Its main program is used to control the overall flow of the system.
Key words: Tractor; Hydraulic hitch system; Change valve; Automatic control
本科生毕业论文（设计）任务书
学院（系）： 机电学院 专业班级： 机制083 学生： 申林 学号： 08108063
论文（设计）题目 拖拉机液压悬挂系统自动控制系统研究
指导教师 陈军 职称 教授 从事专业 农业机械化
研究目标及内容：（不少于300字）
通过拖拉机液压悬挂系统自动控制系统研究，进一步阐述了自动控制系统的组成、工作原理、土壤阻力传感器、农具提升高度传感器、主控制阀位移传感器信号的测取与处理以及单片机控制的实现。控制系统试验，表明拖拉机液压悬挂系统的自动控制是有效的。同时将农业机械装备技术融合现代液压技术、传感器技术、微电子技术和单片机控制技术，可极大地提高液压悬挂系统操作的舒适性和简捷性，准确、快速地使用和调节液压悬挂系统，可提高生产率和作业质量。
内容：液压悬挂机构 换向阀 传感器 油缸 自动控制 等内容。液压悬挂系统：由原液压悬挂系统的油泵、分配器、液压油缸、提升臂、拉杆和弹簧等组成。主要完成液压油路的控制，以完成农具的提升、中立、下降过程 。控制系统：由电磁换向阀、减压阀、小油缸、控制面板等组成。主要完成控制信号的输入，并由三位四通电磁换向阀和小油缸，完成分配器主阀移动位置的控制信号检测与处理系统：由位移传感器、压力传感器、提升轴转角传感器、放大电路、CPU等组成，主要完成土壤阻力、农具提升高度和主阀位移量的信号检测与数据处理。
基本要求：
1.查阅文献不少于20篇，外文文献不少于5篇；
2.完成设计说明书；
3.完成系统仿真。
进度安排
序号 预期论文（设计）进度 起 止 日 期
1 论文前期准备 2011.11.1-2011.11.15
2 查找相关资料 2011.11.16-2011.12.30
3 论文起草 2012.1.2-2012.4.1
4 毕业论文整理 2012.4.2-2012.5.15
5 最后审核 2012.5.16-2012.6.8
6 毕业答辩 2012.6.11-2012.6.12
- 内容简介：
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分类号T巴71一一学号_攀业国以巡丝南京友魔*考硕士学位论文拖拉机电子液压悬挂控制器设计与控制技术研究王沁歌指导教师专业学位研究方向答辩日期Master 5degreeDissertation TheResearehandDeignoftheEleetrohydraulieControl TechnologyofHitchControlullitfor恤e迎actoryB WangQinmin SuPervisor:ProLLuZhixiong Major:AgriculturalMechanizationEngineering NanjingAgriculturalUniversityJune。2008，原创性声明本人郑重声明:所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者(需亲笔)签名:如少舰.、年、月*。学位论文版权使用授权书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。本人授权南京农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学位论文。保密口，在年解密后适用本授权、。、学位论文属于不保密韶(请在以上方框内打“了”)学位论文作者濡亲笔)签名:小叻匆岌洲沙年、月冲日导师(需亲笔)签名妙矜乙”呻目录目录摘要.IABSTRACT.m第一章绪论.l1.1研究背景和意义.，.，.11.1.1研究背景.一，”.，.，.l1.1.2研究意义.三.11.2国内外研究现状分析.，.21，3研究内容.;.一.61.4本章小结.，.，.。.7第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计.，.82.1传统拖拉机液压悬挂系统.82.2电子液压悬挂系统设计.102.2.1整体系统结构设计.，.，102.2.2工作机理.，.112.2.3液压系统设计.，一.，.，.，.，一142.2.4传感器选用.172.3悬挂农具的耕深调节方法比较，.，.，.，二，.，.，.，二，.，.202.4本章小结.22第三章拖拉机电子液压悬挂控制策略的比较与选择.243.1电子液压悬挂系统控制策略比较.，.243.1.1经典控制(Pro).，.243.1.2模糊控制.，.253.2电子液压悬挂控制策略选择与基本原理.，.263.2.1控制策略选择.，.、.，.，.263.2.2模糊控制原理.，.273.3本章小结.、.36第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计.，.374.1概述.，.，.、.374.2系统电路设计.，.，.374.2.1电源电路.，.、.、.、.394.2.2控制面板电路设计.，.394.2.3位置传感器信号调理电路设计.一，.，.，.，.414.2.4力传感器信号调理电路设计.，.，.424.2.5转速信号调理电路设计.，二，.“444.2.6控制信号调理电路设计.一、.454.3控制回路设计.，.，.一.、，.“.，.46 4.3.1ECU特点.，.46 4.3.2SOC196KC系统设计.、.474.3.3信号采样设计.，.，.494.3.4控制信号输出设计.:.504.4硬件抗干扰措施.“.”.514.5本章小结.，.52拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计.，.，.，.53 5965565860545453“.1主程序设计.2系统各模块程序设计5.2.IA刃转换中断程序设计.5.2.2上升及下子程序设计.5.2.3位移调节控制子程序设计5.2.4力调节控制子程序设计.5.2.5模糊控制算法的实现.5.2.6安全检测子程序设计.5.2.7串行口通信中断程序设计5.3软件可靠性设计.675.3.1采用模块化程序设计方法.675.3.2采用wDT(认址chdog恤er)防止程序跑飞.，.675.4本章小结.，.，.，.68第六章试验及性能分析.，.696.1试验及数据分析.，.，.，.69 6.1.1试验条件介绍.一.一一，.一.，一一，二，.，.二696.1.2提升下降试验.，.706.1.3位调节动态试验.726.2本章小结.，.，.73结语及建议.，.，.，.74参考文献.，.75致谢.，.，.，二，.77研究生期间撰写发表的论文.、一.、.、二，.、.、.”.一.、二一，.、.，.二78摘要拖拉机电子液压悬挂控制器设计与控制技术研究摘要随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、电子控制、人工智能、网络通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透.而采用机一电一液一体化控制技术是拓宽施拉机功能、提高其技术性能以及解决其所面临诸多技术难题的最佳选择方案，并且已经成为现代拖拉机及其配套机组的主要技术发展趋势。本文首先介绍了传统花拉机液压悬挂系统的组成和类型.在此基沛出上，设计新型拖拉机电子液压悬挂系统.在操控方面，根据具体操作控制习惯设计人机交互控制面板;液压油路方面，该系统用电液比例换向阀取代传统机械式控制的分配器，并设计配套油路;在控制反馈信号获取方面，系统中安装位置传感器、力传感器和速度传感器;同时，对施拉机电子液压悬挂的各种耕深控制方法进行比较分析.由于花拉机液压悬挂的机械系统存在着较强的非线性因素，其液压驱动系统存在滞后性，并且工作对象和工作环境有着非常明显的不确定性，所以使得电子液压悬挂的精确控制较为困难.传统PID控制是工业控制过程中应用最多的一种控制方式，而模糊控制适用于数学模型未知的，复杂的非线性、时变、滞后系统的控制.通过对两种控制策略比较，选择模糊控制算法对花拉机电子液压悬挂的驱动信号进行控制.拖拉机电子液压悬挂控制单元设计包括硬件和软件设计.根据本系统各功能模块的具体需求，选用Intel公司MSC一%系列的80C196KC单片机设计控制器。在电子硬件方面，首先设计该单片机控制回路.其次，设计拉制面板指令输出电路、工作状态反馈显示电路、报警指示灯电路、耕深设定信号调理电路和速度设定信号调理电路;然后，根据系统采用传感器型号和单片机采集信号要求，分别设计位置传感器信号调理电路，力传感器信号调理电路和轮速信号调理电路;最后，设计与PC通讯使用的串口电路.在软件方面，用汇编语言完成整个拉制系统的软件编程，主程序控制程序总体流向，提升与下降子程序实现悬挂机构的可调速提升与下降。位调节与力调节以模糊控制为核心控制算法由位调节控制子程序和力调节控制子程序实现.在系统安全性方面，由安全检测子程序监控悬挂系统的位置、载荷以及花拉机滑转率是否在安全范围内，如果工作于非安全区域，系统会自动报警提示.同时采用程序模块化设计提拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究高系统可靠性与安全性.论文最后对整个系统进行试验，得出电子液压悬挂的控制曲线，将电子液压悬挂反馈信号与控制信号进行比较，并作简要分析.试验证明本控制系统各项性能基本满足设计要求，且运行精度高，可靠性好，有很好的应用前景.关键词:施拉机;悬挂装置;单片机;模糊控制人丑STRACT TheResearchandDeignoftheElectrohydraulicControl TeehnologyofHitehControlunitfortheTractorABSTRACT WiththePerpetualinnovationoftheemergingtechnology， esPeciallytheraPid develoPmentofhighandnewtechnology， suchascomPutertecbnolbgy，七l允 troniecontr01， artificialilltelligenceandne七刀 orkeonununieations， thetractorindustry15influeneed greally.Takingtheintegratedcontroltechnologyofhydromechatronies15thebestProject forbroad骊 ngtractorfimction， imProvingitstechnicalPe川 brmaneeandsolvingnumerous facingtec知苗 ealdifficulties， andithasbeeomethemajorteehnologytrendofmodern tractorsandthesuPPortingullits. Anewelectroh州 rauliehitchsysternfortractor15designedonthebasisofthe traditionaltraetorhitchcontrolsystem(THCS)， which15consistedofm耐Pulatio几hydraulie， theunitoffeedbackeontrolsignal.ControlPanelofman一 machineinteri五 ee15 designedaeeordingtosPeeificoPerationalcontrolhabit.ThetraditionalmechaniealsPlitter 15rePlaeedbyProPortionalsolenoidvalveanditssuPPortingcircuit.APositionsensor，a forcesensoranda speedsensor15usedforgainingfeedbackcontrolsignal.Furthermore， thevariousdeeP一 conditioningmethodofcultivationoftractorelectro坤 drauliehitchare comParedandanalyZedinthisPaPer.However， thenoulinearityfactorsexistedinthemechanicalP斌 5ofthetractorhit比 andthelaggingcharaeteristieoftractorhydraulic面 vesystem， esPeeiallytheP别rticular uneertaintyofworkingobjeetsandconditions， makingtheeontrolofthetractorhitch becomesmoredifficult.TheconventionalPDeontr0115themostcornrnoncontrolPoliey inindus甸 .Fuzzycontrol15aPPlicabletonoulinearandhysteretiesystemwhosemodel15如七 lownandcomPlieate.Wechosethefuzzyeontr01forthecontrolthe面 vesignalof traCtorelectrohydrauliehitchbycomParedthePIDwiththefuZzycontrol. Controlunitoftractorelectrohydranliehitchsystem15consistedofhardwareand softwaresyst呱 5.AccordingtosPeeifiereq砰 irementsofthesystem允 11ctionmodules，80C196KC而 crocontr0llerofIntelCorporationMSC一 96series15selected.Forthe electroinchardwaresystem，firstly， theMCUconti o1looP15designed.Seeondiy， theoutPut circultofthecontr01PanelinstruCtions， showingcircuitoftheworkingstatefeedback，and conditioningeircuitofthetillagedePthandsPeed51， alsareconfi笋ed.Then， according拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究 totheneedsofthe加 esandtheMCU，signalconditioningeircuitsofPositionsensor，foree sensorandsPeedsensoraredesigned.Finally， theserialcircuitwhichusedtocomrnumeate withPCwasco吐g耳 ed.Forthesoftwaresystem， weusedtheass。刀 blylanguagetofinish thecontrolsystemProgr田 n.ItsmainProgram15usedtoeontroltheoverallfiowofthe system.ftssubroutinesareusedtoimPlementtheraiseanddroPofthehitchwithsPeedadjus，ed Theadjustmen“ fpo，“ onandforceare“ccomP，shed_娜.th色subroutines“f positionadjus加 entandforeeadjus恤 ent.InordertoimProvethesecurityofthesyston， thePositionofhitch， loadingandthesliPrateoftractorweremonitoredbythesubroutine ofseCurity.Thesystemwillautomaticallymakealannwhenworkingintheinsecureregion. Aithesametime， systemreliabilityandsecuritywere加 ProvedbytheModularDesignProeedures. hieonclusion， thetestingofthewholesystemgainedgoodcurvesofthecontr01signal. Thenthe丘笼 dbacksignalofeleotrohydrauliehitchwiththecontrolsignal15comPared.The exPerimentresultshowsthattheProPosedfuzzycontrolOanfittheaPPli以吐 ionofTHCS， andmaketheexPerimentobtainsgoodPeribrmanceofhighPrecision， strongreliability， andfastresPonse， whichhasagoodaPPlieationProsPect. KEYWORDS:Traetor:Hiteh;Single一 ehip:FuzzyControlTV第一章绪论第一章绪论1.1研究背景和意义1.1.1研究背景农业机械化是现代农业的重要物质技术基础，是农业现代化的重要内容和标志。世界发达国家己在上世纪50年代至70年代就实现了农业现代化，各国农业现代化发展历程表明，农业机械化是农业现代化不可逾越的阶段。农业机械化作为现代化农业生产的载体，把工业、自然科学等引入农业生产过程，使现代工程技术与现代生物技术在现代农业生产中得以广泛应用，极大地改善了农业生态环境，促进了农业的可持续发展，大大提高农业劳动生产率、资源利用率和农业产品商品化率，也使现代生产技术由于有现代装备和工程技术手段的支持而得到实施和进一步发展。拖拉机是实现农业机械化和现代化不可缺少的重要动力机械。我国的拖拉机工业经过几十年的发展，已经取得了很大的进展。目前大中型拖拉机的生产能力己超过10万台，小型拖拉机的生产能力己超过200万台，各类拖拉机的拥有量已超过1500万台，其中大中型拖拉机约为80万台，配套机具的社会拥有量己超过 2000万台套(含挂车)。但随着我国加入WTO，大量具有高新技术装备并且性能优良的拖拉机产品将会涌入中国市场，这对产品技术含量相对较低的国内拖拉机工业来说，将会面临巨大的挑战。如何适应市场需要，进行产品结构调整，提高产品的科技含量，改善产品的技术性能，将是我国拖拉机工业所面临和需要解决的重要课题刃。1.1.2研究意义随着新兴科学技术的不断创新，尤其是计算机技术、电子控制、人工智能、网络通讯等高新技术的迅速发展，对拖拉机工业的发展产生了很大的影响和渗透。各国拖拉机研究人员普遍认识到，采用机一电一液一体化控制技术是拓宽拖拉机功能、提高其技术性能以及解决其所面临诸多技术难题的最佳选择方案，并且已经成为现代拖拉机及其配套机组的主要技术发展趋势。目前在国外拖拉机上，机一电一液一体化控制技术己经获得了广泛的应用，例如，麦塞福格森、雷诺、萨姆、约翰迪尔、菲亚特、钮荷兰、道伊兹等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;在电液负载换档技术方面，不少拖拉机采用了电液控制的全负载换档的变速箱，使得负载换档操纵变得十分简单;一些拖拉机上还采用一遭些丝鲤塑邂巡巡鲤塑色一一一了基于CAN总线的多路传输网络系统，使得机一电-的应用达到很高的水平。由此可知拖拉机上采用了大量的机电一体化技术，拖拉机以下几个方面的特性:液一体化控制系统在拖拉机上这些技术主要用于改善和优化提高拖拉机的使用经济性和生产效率;提高拖拉机的操纵性能和自动化程度，将该技术应用在人机工程学设计中，提高机器的可靠性和安全性;降低驾驶员的装嘿熟优化人机界面，改善驾驶室操纵环境;降低拖拉机尾气排放，减少环境污染;实现对拖拉机机组的性能监测、参数优化匹配和故障诊断等综合性工作。机电一体化技术在农用拖拉机上的应用必然向着自动化、智能化的方向发展。拖拉机智能化的实现，是以机电一体化技术在拖拉机上的应用为先导的，以微电子技术和微机技术为核心的机电一体化技术，将机械、液压、电子、信息和控制等技术有机地结合起来，使拖拉机控制系统具备了一定的信息处理能力，为智能化技术在拖拉机上的应用和发展开辟了道路。智能化技术在拖拉机上的应用目标不仅要使拖拉机的各个子系统实现高精度、高实时性的自动控制，而且还应使拖拉机的控制系统具有一定程度的逻辑判断能力，提高拖拉机对外界环境的适应能力，能够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子系统的工作效能，实现发动机、传动系及悬挂系统的各子系统的自动控制以及各子系统之间的优化匹配，更好地满足对拖拉机的各项使用要求。归纳起来对拖拉机的研究大致分为两个方面:一方面，应用最优适应控制、模糊控制等先进的控制理论，进一步完善原有的控制系统，提高系统对复杂工况的适应能力和逻辑判断能力;另一方面，根据系统工程学的思想，从对拖拉机各个子系统的单独、分割监控走向相关系统联合、协调控制，在一定程度上实现多个子系统的信息共享，最终形成对整个拖拉机系统的全面控制体系，实现拖拉机作业机组在各种工作条件下的最优匹配。基于以上所述，加强拖拉机行业与电子产品的密切结合，走机电一体化是必经之路，加快消化吸收国外产品机电一体化的成果和经验，搞好拖拉机产品的更新换代，缩短与世界同行业先进水平的距离。1.2国内外研究现状分析20世纪70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第一章绪论路。1978年德国奔驰公司率先在其生产的农用拖拉机上采用了电液控制的三点悬挂机构，标志着商业化的机电一体化产品开始在拖拉机上得到了成功应用。经过几十年的研究和开发，各国纷纷推出新式控制系统。德国BOSCH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HER-一D提升调节装置，其核心是一个带有8路模拟量输入输出通道的微处理器和程序存储器，系统使用的传感器主要包括安装在下拉杆的磁滞伸缩式测力销和安装在提升臂上的角位置传感器。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。为了与拖拉机上的其它电子控制系统进行数据交换，BoscH公司还专门开发了CAN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。该系统可以调节耕深，控制驱动轮滑转率。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，该装置对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。德国Braunschweig科技大学研制了一种新式的三点悬挂装置，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。首先，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，可以通过提升杆直接控制农具的升降，在机构方面省去了提升轴和提升臂，结构尺寸更加紧凑;其次，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，控制更加灵活。目前，该系统主要存在着以下两方面的问题:第一，左右提升杆的动力性能尚需提高;第二，低价位的比例阀和液压缸的优化匹配问题还没有彻底解决。通过实验分析，该系统中提升杆的位置偏差能够控制在几个毫米以内。由于技术原因，该悬挂装置目前仍处于试验研究阶段，没有实用化。在耕深控制方面，日本京都大学研制了一种耕深控制系统，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组成。其中，测量单元主要由超声波传感器、光传感器、倾斜角度传感器和提升臂位置传感器(分压计)构成，用于测量提升臂的位移、拖拉机的俯仰角度和传感器离地面的高度;控制单元由数模转换板、接口板、螺旋阀驱动电路板与计算机组成，总体控制系统的运转，是整个控制系统的中心;液压单元模块由液压缸、螺旋阀和液压油路组成，主要用来驱动三点悬挂系统。该系统整个控制过程大致如下:由传感器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阀的负荷比参数，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一一一一一一一一塑塑红些燮丝继丝_._”.出。经过试验验证，该控制系统存在随着负载的增加，拖拉机的行驶速度变慢的问题。南非枯twatersrand大学的研究人员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160kw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。其中，传感器模块包括一个雷达传感器、一个磁性传感器和一个电位计，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气粤肇升轴的转角来计算耕深;控制模块主要采用PIC17C44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。该控制系统的控制过程如下:首先由传感器得到拖拉机的实际行走距离和轮子行走距离，然后通过数模转换器将模拟信号转换成数字信号输入到控制单元，再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，最后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，该控制系统的特点有:能够将土壤表面的各种阻力情况纳入控制当中;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;可以节省燃油消耗和拖拉机的作业时间。同样，该系统也存在反应灵敏度问题，因为各个环节引起的滞后问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:第一，因为雷达模块内部含有各种滤波电路，从而造成了大约200ms的滞后。第二，控制其内部的软件滤波算法引起的大约50ms的滞后问题。第三，由于系统的惯性引起的滞后。第四，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卜81。在文献9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拖拉机耕作高效低耗目的。文献“以牵引力数学模型来描述耕深、速度、土壤阻力三变量对牵引部分的影响，并考察了“耕深一力”、“速度一力”、“土壤阻力一力”三模型的动态特性，是进行设计液压悬挂控制系统的基础。此外，其它知名的拖拉机厂商，如约翰笛尔、钮荷兰等也都各自开发了相应的数字化控制系统。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CAN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。但同时，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。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:第一章绪论第一阶段为初步研究阶段。在20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间耕作试验，希望从中找出一些有用的规律，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，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。第二阶段为机液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入八士里华驴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。20世纪九十年代以及21世纪初，随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。文献1，2，13中提出一种新的纯牵引力传感器，拖拉机液压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的动态品质进行了测试和评价。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，对比原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，提出位置控制、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和伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较。文献【4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I”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MCS一51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。文献【6中，将原有机械式液压悬拄控制系统改装为电液式悬拄控制系统，采用单片机对拖拉机电液悬挂控制系统进行了硬件和软件设计井在室内仿真试验台上进行了试验验证试验。文献”在原拖拉机半分置式液压悬什机构中改进设计了自动控制系统，该系统将原有的机械式分配器控制装置改为由一些传感器(小油缸和一套配套油路驱动分配器的方式进行控制。我国当前拖拉机作业机组的生产和实际应用而言，对机一电一液一体化控制技术的研究工作还处于起步阶段，对二些关键性技术问题尚缺芝系统和深入的研究，没有形成可行的解决方案。液压技术在拖拉机作业机组中的应用，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拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究和实验研究，还未进入实际应用阶段8，970。，.3研究内容鉴于我国拖拉机工业的发展水平和所面临的实际问题，本项研究拟选择拖拉机作业机组，主要是液压悬挂装置及其农具配套机组，作为主要研究对象。研究、探讨其在实现机一电一液一体化控制方面的关键技术，提出一套关于拖拉机液压悬挂装置及其与农具配套机组机一电一液一体化控制系统的基本方案和理论，研究液压系统与作业机组控制系统的优化匹配方法，最终设计开发新型拖拉机机一电一液一体化控制器系统，使拖拉机作业机组能够在复杂多变的工作条件下自动化控制工作，最大限度提高整个拖拉机作业机组的工作效能。该研究具有很大的实际应用价值和研究意义，必将对我国的农业生产活动产生显著的经济效益和社会效益。本课题主要完成的内容有:1、拖拉机液压悬挂控制方法分析2、液压系统的改造，传感器选型和安装3、液压悬挂控制策略选择及研究4、液压悬挂系统模糊控制器的设计和研制5、系统动态性能试验论文研究流程图如图1.1所示。第一章绪论研究背景与意义国内外文献分析，对当前拖拉机作业机组进行技术调查提出研究的问题和思路拖拉机悬挂机一电一液一体化控制策略的确定液压传动和液压控制系统的研究传感器、控制单元的选择与外围电路设计液压元件的选择与液压系统设计信号检测、传输和处理方法的研究编写系统控制软件系统调试问题与展望图1一1研究流程图Figurel一 1FlowChartofResearch1.4本章小结本章简要介绍了课题研究背景、研究意义以及国内外机一电一液一体化技术在拖拉机液压悬挂机构上的应用现状。最后提出了课题研究的主要内容和研究流程图。一一一一一一一一-华垫竺丝到整塑鲤丝鲤鲤燮醚-一一-一第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计2.，传统拖拉机液压悬挂系统.拖拉机要进行各种作业，就必须与相应的配套农具可靠地连接在一起。根据配套农具与拖拉机连接方式的不同，一般可分为牵引式、悬挂式和半悬挂式三种。悬挂农具通过拖拉机液压系统获得动力，实现农具的上升和降落;农具依靠悬挂机构与拖拉机可靠地连接在一起。因此，拖拉机的液压系统、悬挂机构、农具三者构成一个整体，叫做“液压悬挂机组”21。2.1.1液压悬挂机组的组成传统拖拉机液压悬挂机组主要由:悬挂农具、悬挂机构和液压部分组成，如图2一1所示。操作手柄提升杆图2一1液压悬挂系统示意图FigUreZ一 1Sehematicdiagramofthehydraulichitehsystem1、悬挂农具:它是农田作业的工作部件，通过悬挂机构连接在拖拉机上。悬挂农具的种类很多，目前常用的有犁、耙、播种机、收割机等。根据农具在拖拉机上挂接位置的不同，可分为前悬挂、后悬挂和侧悬挂三种，本论文研究对象是目前使用最广的后悬挂机组。2、悬挂机构:它由连接农具的一些杆件机构所组成。按与拖拉机机体连结点数的不同，后悬挂又有两种形式:三点悬挂和两点悬挂，如图2一2所示。第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计提升轴提升臂上拉杆尸一，、a)三点悬挂b)两点悬挂 a)ThreePointhitchb)TwoPointhiteh图2一2后悬挂的两种方式FigUreZ一 2TOwwaysofafterhiteh三点悬挂农具相对拖拉机没有太大的偏摆，因而农具随拖拉机的直线行驶稳定性较好。但拖拉机走偏方向时，农具己经入土，要矫正机组的行驶方向比较困难。三点悬挂多用于中小型拖拉机上。两点悬挂农具，工作中相对拖拉机可以作较大的摆动，多用于大功率拖拉机悬挂重型或宽幅农具。3、液压系统:它由油泵、油缸、分配器和其他辅件组成。油泵和油缸将发动机的动力转换为农具提升所需要的力量。传统液压悬挂的主要执行部件是分配器，通过机械推拉杠杆装置调节分配器位置控制油液的流量与流向，使农具处于不同的工作位置。2.1.2液压系统的类型在液压系统中，按油泵、分配器，油缸三个主要部件位置布置和组合方式的不同，分为分置式、半分置式和整体式三种类型，如图2一3所示。油缸分配器油泵油箱油泵提升器总成提升器总成分置式半分里式图2一液压系统的类型FignreZ一 ThetyPeofhydrauliesystem整体式1、分置式液压系统一一一-一一一鲤垫.竺丝里暨丝鲤丝塑竺生些鲤叁一-一-一-油泵、分配器、油缸分别布置在拖拉机的适当位置上，然后用油管把它们连接起来。东方红一75、铁牛一55、东方红一28等拖拉机采用这种液压系统。这种液压系统的优点是液压元件便于专业化批量生产，系列化产品的液压元件通用性强，维修方便，由于在拖拉机上容易布置，所以易手实现农具的前悬挂和侧悬挂。它的缺点是:连接管路较长，易出现油液的泄漏;操纵机构全部暴露在外面，易受损伤;不便实现农具耕深的力调节等，目前只用于少数型号较老的拖拉机上。，加2、半分置式液压系统分配器、油缸、操纵机构甚至油箱，都集中在一个壳体内，称为提升器。提升器通常位于传动箱之上，驾驶座之下，并兼作传动箱的盖子。油泵单独安装在一个适宜的地方，由拖拉机的动力输出轴驱动。这种液压系统的优点是结构紧凑，油路较短，液压元件与操纵机构全部密封在壳体内，因而工作较为可靠;易于实现农具的力，位耕深调节。它的缺点是:个别液压元件的故障检查不够方便。这种液压系统广泛应用于中、小型拖拉机上，如常发集团CF800、东方红一300、东方红一MG600、纽荷兰一TM13O、纽荷兰一SNH804、等拖拉机均采用半分置式液压系统。3、整体式液压系统油泵、分配器、油缸等主要工作部件，都集中在拖拉机后桥壳体内，形成一个整体。丰收一35、上海一50、纽荷兰一 T8000等拖拉机的液压系统即属此种。这种液压系统的优点是:可采用力、位及高度调节法控制耕深，工作较可靠。但其结构复杂，体积较大，因而在拖拉机的布置上受到一定限制，拆装检查也比较麻烦，因而使用不广。2.2电子液压悬挂系统设计2.2.1整体系统结构设计由于电子液压控制系统具有机械控制无法比拟的优点，因此本课题采用电子液压控制系统取代原来机械液压控制。电子液压悬挂控制系统可以在原半分置式液压悬挂改造得到的。系统整体结构如图2一4。电子液压悬挂系统由:拖拉机悬挂机构、液压系统、微控制单元、控制面板和各种传感器组成。其中悬挂机构采用拖拉机原有悬挂装置。液压系统在拖拉机原有液压装置上改装得到，主要替换部件是将拖拉机原有机械式操纵的分配器用电液比例换向阀取代，再配套安装一些安全阀体，改装后的液压系统可以与电子控制系统配合使用。第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计图2礴电子液压悬挂系统整体布局图FigUreZ一 Thewholelayoutofeleetroniehydrauliehi忱 hsystem控制单元以80cl%KC单片机为核心的控制系统，其主要功用为接收控制指令;采集位置传感器、力传感器、驱动轮轮速传感器、行驶轮轮速传感器、耕深设定控制信号和悬挂提升与下降速度调节信号;其核心任务是根据设定参数和各种传感器反馈信号以一定的控制算法得到拖拉机电子液压悬挂的实时操作控制信号，使拖拉机自动稳定的工作于各种工作模式。传感器位置传感器安装于提升臂转轴处，提升臂转动带动凸轮机构转动改变位置传感器位置，这样通过测量提升臂的转角，再根据悬挂机构的运动关系可以得出耕深;力传感器安装在上拉杆上，通过力传感器可以得到悬挂系统的受力变化情况;两个轮速传感器分别安装于驱动轮和行使轮，随牵引力的增加使拖拉机处于打滑工况时，由于驱动轮打滑而行驶轮不打滑，所以可以通过驱动轮和行驶轮的差值得到滑转率，然后根据滑转率控制耕深。2.2.2工作机理拖拉机电子液压悬挂可以实现悬挂的可调速提升、下降。耕深调节方式有:位调节、力调节、滑转率调节以及它们之间的综合调节。该系统整体框架如图2一5。一一-一-一鱼垫竺巡堡丝塑巡里鲤望竺胜一一一一-一-压统液系提提升控制 制 制制制制制制制 制 下降降 输 输 输输 输 输 上升升 升升升升 入 入 入入入入入 入入入入 滋流流 流驱 驱 -电 电， ， 合 OC196KCCCCCCCCCCC动 动动动动动 卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜卜 卜卜路 路 UARTTT:电 电丁 丁 路路路路路路路路路路路路 路 路 路 路 路 路路 路 路 停停止控制 制 制 制 制 制 制制制制制 制制制制制 : !尸 尸 尸 - lllllll. !.下下降控制 制 制 制 制 制 制 制制制制 尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸尸 尸 尸尸 尸 尸 . 甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸甸 甸 甸 甸 甸 甸甸甸工工作位 位 位位位位位位位位 位位位位 位 位 位 .， ， ， - lllllll lll lll尸 尸 尸， ， ， ， ! . ， ， ，尸 尸 尸， ， ， 滑滑转率调节 节 节 lllll ! :， ， ， ， .物物 出 出 出 出 出出出出出出出出出出出出 ， ， ， ， ，电电 III . 路路 lll llllll ， ， ， ， ，尸尸 尸 信信信信信信信信信信信信 信 信 信信号调理理 理 理 耕耕深设定旋钮 钮 钮钮钮钮钮钮钮 电路 路路路路路路 路 路 路 路 月 月 月月 月.， ， ， ， ， ， lllllllllllllllllllllllllllllllll. ， ， ， lllllllllllllllllllllllllllll 速速度设定旋钮 钮 钮钮钮钮钮钮钮 钮钮钮钮钮钮 钮 钮 钮 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， 信信 信 信 信卜 号号 号 号 号号号号 号 调调调调调调调调调调调 调调 调 调 调，尸尸 尸 力力传感器 器 器理 理 理 理. 电 电 电电 电 电 电电电电 电 路路路路路路路路路路路 路路 路 路 路尸 尸 尸 ， ， ， ， ， ， 白白白白白白白白白白白 白白 ， ， ， ， 行行驶轮轮速度传感器器 器器器器 器 器 器. RRRRRRRRRRRRRRRRRRRS一 23222供供电电派派 派 派派电平转换器器 指令控制控制显示 J11-1111111-l-ll-l-11r传器感图2一5电子液压悬挂系统整体框架图FigureZ一 5ThewholeIayoutofeleetroniehydrauliehitchsystem系统控制面板设计如图2一6。控制面板主要由:四位旋钮、耕深设定旋钮、工作选择按键、速度设定旋钮、工作指示灯和报警指示灯六部分组成。该面板主要功用是完成人机交互通信作用。拖拉机驾驶员通过控制面板控制悬挂，并由控制面板了解悬挂的工作模式以及判断系统是否工作于安全工作区域。左边的四位开关旋钮可以控制悬挂上升和下降，处于上升或下降工作状态时，对应三角形工作指示灯点亮表明工作状态，同时上升和下降速度可以通过速度设定旋钮调节。当四位开关旋钮处于工作位，操作人员可以选择各种工作调节模式(位调节、力调节、滑转率调节和综合调节)，选择确定后，控制面板将信号送给主控制器单元，系统进入对应的工作模式控制拖拉机电子液压悬挂进行相应的工作状态，此时控制面板上对应菱形工作状态指示灯点亮。第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计 abed15161710121113141四位旋钮(a下降位b停止位。上升位d工作位)2锁定开关3下降指示灯4上升指示灯5耕深设定旋钮6位调节开关7位调节指示灯8力调节开关9位调节指示灯10滑转率调节开关11滑转率调节指示灯12综合调节开关13综合调节指示灯14上升下降速度调节旋钮巧位置非安全报警指示灯16悬挂载荷非安全报警指示灯17滑转率非安全状态报警指示灯图2石控制面板FigureZ一 6ControlPanel拖拉机悬挂犁耕地机组的位调节系统是一种位置控制系统，它要求农机具与拖拉机的相对位置保持不变。当相对位置发生变化时，位调节起作用，系统自动使农机具回到原位。设定值是用户希望达到的耕地深度，拖拉机工作时的实际耕深由提升臂转轴上的位置传感器间接测量出来，并作为反馈信号。此反馈信号通过一定的信号处理后送入CPU控制芯片，经采样、A了D转换和数据处理，与设定值比较得到偏差量e，如果偏差量e超过位调节的控制范围士10%(参见国标 GB1593一79)，程序根据e的大小由HSO口输出一定的PWM波，经过驱动后形成电液压比例阀的控制信号。在此信号作用下，电液比例换向阀按PWM占空比进行开关闭合量调节来改变液压系统中液压油的流动方向和流量，从而使农机具提升或下降。农机具由e的正负决定上升还是下降。偏差信号e越大，阀芯开口量越大，输出油液越多，农机具动作就越迅速。当e在士10%范围内，也就是悬挂系统工作与死区范围内，农机具处于稳定工作状态。为提高控制精度，士10%范围降低为士2.5%。拖拉机悬挂犁耕地机组的力调节系统是以维持拖拉机发动机负荷平稳为目的的恒值消扰控制系统，它通过上拉杆轴向力的不变来保证拖拉机牵引阻力的近似不变。牵引阻力作用在上拉杆上改变其拉压力，通过力传感器直接测量作用于上拉杆的拉压力。力传感器输出的电压经过放大电路、滤波、电压保护等信号处理后，送给 cPu，协协协协协协协协协 嵘 嵘嵘嵘芍杯 rrrrr一一一一一一-一竺塑竺鲤退些燮丝竺型丝些塑色一一一一一一一芯片，进行采样、A/D转换和数据处理，并与设定牵引阻力比较，产生一个偏差量e。根据e的大小由CPU通过HSO口产生一定占空比的PWM波，再经过功率放大控制电液比例换向阀改变液压系统中液压油的流动方向和流量，从而使农机具提升或下降。农机具由e的正负决定上升还是下降。当e的大小在控制范围士2.5%内，系统处于平衡状态，农机具不升不降。根据在良好土质上拖拉机牵引试验和滑转率的关系可知，当滑转率在16一20%左右时，能得到最大的牵引力。通过对滑转率的检测和控制便可得到最大的牵引力。如果设定了滑转率的门槛范围，滑转率控制系统就成为一定值控制系统。在滑转率控制模式中耕深是间接控制的，它受土质影响较大。滑转率-牵引阻力联合控制是结合两者的优点，控制对象是牵引阻力和滑转率。其工作机理与上述相似。2.2.3液压系统设计、液压系统油路设计液压系统是提升农具的动力和控制装置，它一般由油泵、主控制阀、液压提升油缸、其他一些阀类和辅助装置组成。系统油路设计是在原拖拉机的液压系统基础上进行改造。在设计中尽量采用原机的液压元件，例如液压泵、液压油缸、滤清器、油管等;对于主控制阀的代替，文献中提出有一般开关型电磁阀112l14，电液伺服阀两种选择，本研究以电液比例换向阀进行讨论。机械式液压悬挂系统中的分配器把主控制阀、回油阀和安全阀集成于一体，组成一个总成，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。在本系统中，自行设计液压执行系统，将来设计成为一个液压集成块，其安装尺寸和接口方式与原机的分配器一样，在上面安装了主控制阀(电液比例换向阀)、溢流阀、单向阀、截流阀、压力表及压力传感器等，使其占用空间较小，对整体拖拉机各部件的配置影响最小，使智能控制拖拉机作业机组成为可能125只61。其液压系统原理见图2一7。第二章拖拉机电子液压悬挂机组的整体设计悬悬悬悬悬悬 悬悬悬控控制面板板 板板板板板挂挂汁 汁 汁 汁汁汁机机组 组 组组组组组组组巨巨巨 巨巨巨 EEECUUUUUUUUUUUUU :田田 一么妇 妇 丫一丫 一一让 匕匕匕匕匕匕匕匕 _.传传感器 器器器器器器器器器器 图2一7液压系统原理图FigUreZ一 7Sehematieofhydra吐 esystem2、比例电磁换向阀选型根据我校液压实验室条件，本系统采用北京华德液压工业集团公司生产的4认叹A型电液比例换向阀。该换向阀是靠比例电磁铁操纵的直动型比例换向阀，用来控制液流的流量和流动方向。该阀由阀体、弹簧、阀芯和两个比例电磁铁组成271。本试验使用比例换向阀的具体型号为:4认吸A10W10一10B24，当电磁阀未通电时，阀芯由复位弹簧保持中立。如果电磁铁A通电，电磁天推杆直接推动阀芯右移，位移量与电器信号成正比，使阀芯的V型槽逐渐打开，从而控制液流流量，断电后阀芯靠复位弹簧复位。其结构原理如图2一8.三三头兰兰 兰夯忿拱拱 lll牲牲牲 牲牲牲 牲封封井井井甲嘴黔黝 黝硅硅 ;444图2一8比例电磁换向阀原理图-.-一一逛些竺迪醒燮塑垫丝丝型鱼哩色-一一一一一FigureZ一 8PrinciPleofProPortionsolenoidvalve比例电磁换向阀技术参数如表2一1。表2一1比例电磁阀主要技术参数Tab.2一 1PrimaryteehniealindexofProPo川 onsolenoidvalve液压部分:工作A、B、P口压力T口流量(1了xnin)过滤精度滞环(%)重复精度(%)一3dB下的频响特性介质介质勃度(!nznz/s)介质温度()重量(Kg)三位阀电气部分: 31.SMPa31.5沁a 16MPa16入4Pa 4395圣加(为保证阀系统控制性能和寿命长推荐签10)6635.5表12非均匀量化Tab3 2Unevenquan朋eation量化等级一6一并一3一2一10变化范围乡3.2C3.2，一1.6(一1.6，一0.8(一0.8，一0.4(一0.4，一0.2(一0.2，一0.1(一0.1，0.1量化等级 123456变化范围(0.1，0.2(0.2，0.4(0.4，0.8(0.8，1.6(1.6，3.23.2输入和输出空间的模糊分割模糊控制规则前提中的每一个语言变量都形成一个与确定论域相对应的模糊输入空间，而在结论中的语言变量则形成模糊输出空间。每个模糊语言名称对应一个模糊集合，其个数决定了模糊控制精细化的程度。这些语言名称通常均具有一定的含义。如:阳:负大 (negativebig);NM:负中 (negativemedium);Ns:负小 (negativesmall);零(zero);PS:正小 (positivesmall):pM:正中 (positivemediUm);pB:正大(positivebig)。图3.4表示两个模糊分割的例子。论域均为卜1+l，且模糊分割是完全对称的。这里假设尺度变换时己经作了预处理，一般情况下，模糊语言名称也可以呈非对称非均匀分布。NZ尸入男汉材月刀客 ZEPSPMPB+lx一l+IX(a)(b)图3.4模糊分割的图形表示 Fig.3.4Figureoffu守division模糊分割的个数也决定了最大可能的模糊规则数目。如对于两输入单输出的模糊系统，x和y的模糊分割数分别为3和7，则最大可能的规则数为3x7=21。可见，模第三章拖拉机电子液压悬挂控制策略的比较与选择糊分割数越多，控制规则越多，所以模糊分割不可太细，否则就需要确定过多的控制规则，会大大增加运算与推理过程的工作量，这也是很困难的一件事。当然，模糊分割数太小将导致控制太粗略，难以对控制性能进行精心调整。基本模糊子集的隶属度函数模糊集的隶属度函数是数据库的一个重要组成部分。通常有两种隶属函数的表示方式:一是数字表示;二是函数表示。数字表示适用于论域是离散的情况。此时，模糊集隶属度函数的等级用一个矢量来表示。例如输入值u属于不同模糊子集A的隶属程度用一个矢量来表示，输入领域5的量化等级总数为5，并分别用u，表示时，即可写成气(u)=艺a/u，其中i二1。=【0.3，0.7，1.0，0.7，0.3，“中的元素分别是不同输入值隶属于模糊子集A的程度。函数表示适用于论域是连续的情况。它是用函数的形式来表示模糊集合的隶属度函数。典型的函数有三角形函数、梯形函数和高斯函数等。同样，隶属度函数的选择是以决策的主观准则为基础的。(2)规则库模糊控制规则是由一系列“IF一mEN”型的模糊条件语句构成的。条件句的前件为输入状态，后件为控制变量。模糊控制规则的前件和后件变量的选择模糊控制规则的前件和后件变量即模糊控制器的输入和输出的语言变量。输出量即为控制量，它一般比较容易确定，输入量选择什么以及选几个需要根据要求来确定。比较常见的输入量一般有偏差e和它的导数即偏差变化量，有时还可以包括它的积分等。输入和输出语言变量的选择及其隶属函数的确定对于模糊控制器的性能有着十分关键的作用，它们的选择主要依靠经验和工程知识。模糊控制规则的建立模糊控制规则是模糊控制的核心，因此如何建立模糊控制规则就成为一个十分关键的问题。目前模糊控制规则的建立大致有四种方法。a)专家经验法专家经验法既是很自然的方法又是主观性较强的方法。这里的专家经验法是通过对专家控制经验的咨询形成的控制规则库.由于模糊控制的规则是通过语言条件语句来模拟人类的控制行为，且它的条件语句与专家的控制特性直接相关，因此这种方法是很自然的。与传统的专家系统相比，基于专家经验法构成的模糊控制规则器需要一些内涵的和客观的准则。b)观察法一一-一一-绝望丝孟壑量丝鲤丝塑竺鲤堕些一一-一一一一对于众多复杂的工业过程要通过对输入输出的测量建立量化的数学模型是很困难的，然而，人类却能够对此类系统进行有效的控制。试图通过观察人类控制行为并将其控制的思想提炼出一套基于模糊条件语言类型的控制规则从而建立模糊控制规则库的途径就是观察法的基本思路。我们知道，现场专家和熟练操作工可以巧妙地根据其经验实现对复杂系统的控制，但是要把专家或者操作工的控制经验和诀窍用逻辑形式表达出来就不那么容易，而且不同专家所拥有的经验不尽相同。所以为了能达到模仿熟练操作工的控制能力，就必须考虑系统能通过训练获取所需要的技巧，具有不断改善和自学习的功能。这种模糊控制器规则库的设计思想是通过让熟练操作人员实际操作来建立操作员的操作模型建立操作员所用的输入信息与其输出信息之间的关系。)基于模糊模型的控制方法a)、b)都是通过建立专家的模型，并以此模糊推理模型进行模糊逻辑推理控制。显然，这类模糊控制器的性能不会超越所依赖的专家水平。然而对所有的控制对象，根本无法找到该领域的控制专家，对这样的被控对象可通过建立被控对象的模糊模型来实现即用像建立模糊控制规则一样的“IF一THEN”形式来描述被控对象的动态特性。在模糊控制中，被控对象的模型是运用多个控制规则来描述的，其推理控制规则是分散的，所以有其独特的性质。d)自组织法至今，大多数模糊控制器通常使静态的，如上面提及的诸类方法无论是基于模型的方法还是基于知识的方法，一旦设计完成，其模糊规则都是无法改变的，即此类系统没有自学习和自适应性能。但是，众所周知，人类不但能对复杂系统产生模糊控制规则，而且还能够随着环境的变化或经验的丰富更新原有的控制规则以获得更佳的控制效果。自组织模糊控制器就是这样一类模糊控制器，他能在没有先验知识和很少有先验知识的情况下通过对观察系统的输入输出关系建立控制规则库。与所有学习系统一样，自组织模糊控制器也需要一个学习性能指标来保证学习的收敛性。3、推理决策推理决策是利用知识库的信息模拟人类的推理决策过程，给出适合的控制量。它的实质是模糊逻辑推理。模糊推理是一种近似推理，是以模糊条件为基础，它是模糊决策的前提，也是模糊控制规则生产的理论依据。目前常用的模糊推理方法如下。(1)近似推理这种推理方法可以这样来表达:前提1:如果x是A，那么y是B前提2:如果x是A，第三章拖拉机电子液压悬挂控制策略的比较与选择结论:y是B=A。阴一B夕即结论B可用A与由A到B的推理关系进行合成而得到，由于A到B的模糊关系矩阵R为:R一AxB二J、(x)、(，)(x，)XxY利用R可以得到近似推理的隶属度函数为:巧，(Y)丫伊，(x)“巧呻，(x，力(2)模糊条件推理 (3.4) (3.5)语言规则是:如果x是A，则y是B，否则y是C。其逻辑表达式为:(A峥B)v夕峥C)。要实现模糊逻辑推理的关键是找出模糊关系矩阵，根据逻辑表达式，其模糊关系R是XxY的子集，可以表示为:R=(AxB)U(AxC)尸，(x，夕)=产，一，U尸*一。=产，(x)八产，(夕)v(l一尸，(x)八产。 (z)(3.6)有了这个关系矩阵，就可以根据模糊推理合成规则，将输入A与该关系矩阵R进行合成得到模糊推理结论B，即:刀r=城oR=Ao(Ax刀)U(万xC)l(3.7)(3)多输入模糊推理多输入模糊推理在多输入单输出系统中经常遇到，这种规则的一般形式为前提l:如果A且B，那么C前提2:如果A，且B，结论:C=(A夕A入刃旧)o(汉注ND刀)峥C因为产刀(x，力=产，(x)八产，(力，如果A且B那么c的数学表达式是:产，(x)A户，妙)叶产。(习，其模糊关系矩阵:R二AB、C。若用马达尼推理，则模糊关系矩阵的计算就变成:尸只x)A户a(力A产c(z)，由此推理结果为:C=(A，A入刃旧，)o(月月刀D刀)峥C=Ao(A一C)门Bo(B峥C)。其隶属度函数为:脚(z)一丫俩，(x)呱(x)“浅(z)门丫俩，切”俩切“浅(z)一丫俩，(x)“巧(x)“浅(z)n丫铸切“巧切“浅(z)二(a，浅(z)门(心，产。(z)=(气Aaa)八浅(z) (3.8)a，=V(产，(x)八产，(x)a，一丫肠(y)”，(y)a是指模糊集合A与A交集的高度。如果语言变量的论域是有限集时，即模糊子集的隶属度函数是离散的，则模糊逻辑推理过程可以用模糊关系矩阵的运算来描述。如已知当A且B时，输出为C，即存拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究在推理规则 :IFAANDB，扭ENC，求当A，和B，时的输出c，可以采取一下步骤:先求D=A、B，令心二气(x)八巧(力，得D矩阵为: (3.9)气es已eeeese.曰姚姚风姚姚试姚姚己人一!胜!.se住esJ一一D将D写成矢量DT，即DT二试1，试2，试，叭，心二1r求关系矩阵R， R=DTxc由才、B，求D，将D化为矢量口T求出模糊推理输出:C二口T。R(4)多输入多规则推理对于一个控制系统而言，一条模糊控制规则是不能满足控制要求的。系列控制规则来构成一个完整的模糊控制系统。如 (3.10) (3.11)通常都有一ELSEBl二，THENCIBZ，THENCZANANDDANDELSE IFAlIF凡IF凡以而输入多规则为例，正 AiANDBi，THENBn二，THENC。利用马达尼推理方法，规则Ci的模糊关系可以表示为:产，(x)。内(夕)。产a(z)”ELSE是“OR”即“或”的意义，在推理过程中可写成并集形式。结果为:C=(A，月NDB，)oL(鸿姓N刃呢)峥q，U，U(A。注NDB月)峥Cn=ClUqU弓，一，U (3.12)由此，推理 (3.13)其中C=(A月刀DB)O(人注入刀尽)峥q=才(刁，叶C)门刀(尽峥砚，i=l，2，n其隶属度函数为:“;(z)“丫扭，(x)“、(小“。(z)n丫寿。)”巧，。)”“c了(z)一丫俩，(x)“气(x)“气(z)听加，(，)“汽切“气(z)(3.14)二(a、A气(z)n(a，A气(z)=(气Aaa，)八气(z)4、清晰化过程通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合。但在实际使用中，特别是在模糊控制第三章拖拉机电子液压悬挂控制策略的比较与选择中，必须要有一个确定的值才能去控制或驱动执行机构。在推理得到的模糊集合中取一个能最佳代表这个模糊推理结果可能性的精确值的过程就是精确化过程(又称为反模糊化)。反模糊化可以采取很多不同的方法，用不同的方法所得到的结果也是不同的。常用的清晰化方法有下面三种:(1)最大隶属度函数法简单地取所有规则推理结果的模糊集合中隶属度最大的那个元素作为输出值。即:v0=max产，(v)，voV。如果在输出论域V中，其最大隶属度函数对应的输出值多于一个时，简单的方法是取所有最大隶属度输出的平均值，即:、一毛艺:，其中、二伽。(v)，一lvI，J胃J为具有相同最大隶属度输出值的个数。最大隶属度函数法不考虑输出隶属度函数的状态，只关心其最大隶属度值处的输出值。因此，难免会丢失许多信息，但它的突出优点是计算简单。所以在一些控制要求不高的场合，采用最大隶属度函数法是非常方便的。(2)重心法重心法是取模糊隶属度函数曲线与横坐标未成面积的重心为模糊推理的最终输.:._。华(v)dv出但，尽甘:v0二专一下了。J产，(v)dv对于具有m个输出量化级数的离散论域情况:v0=艺vk产，(vk)k=1用一。艺声，(vk)与最大隶属度法相比，重心法具有更平滑的输出推理控制，即对应于输入信号的微小变化，其推理的最终输出一般也会发生一定的变化，且这种变化明显要比最大隶属度函数法要平滑。(3)加权平均法用艺vi气加权平均法的最终输出值是由式:v0=是产一决定的。艺凡i=1这里的系数凡的选择要根据实际情况而定，不同的系数就决定系统有不同的响应特性。当该系数气取为产;(耳)时，即取其隶属度函数值时，就转化为重心法了。在模糊逻辑控制中，可以选择和调整该系数来改善系统的特性。精确化计算的方法还有很多，如左取大、右取大、取大平均等。总的来说，精确一一一一-一一一一丝塑竺翌塑鱼型_二_._二_二化计算方法地选择与隶属度函数地形状选择都是相关的。面积重心法对于不同的隶属度函数形状会有不同的推理输出结果。而最大隶属度函数法对隶属度函数的形状要求不高。综上分析可知，模糊控制的过程主要有三个步骤:模糊化过程、模糊逻辑推理、精确化计算。(l)模糊化过程通过传感器把控制对象的相关物理量转换成电量，若传感器的输出量是连续的模拟量，还要通过刀D转换将该模拟量转换成数字量作为计算机的输入测量值，再将此输入测量值进行标准化处理，即把其变化范围映射到相应论域中，再将论域中的该输入数据转换成相应语言变量的术语，并构成模糊集合。由此才能用检测到的输入量作为模糊控制规则中的条件来运用模糊控制规则进行推理。完成这部分功能的模块就称为模糊化接口。(2)模糊逻辑推理根据实现已经制定好的一组模糊条件语句构成的模糊控制规则，运用模糊熟悉理论对模糊控制规则进行计算推理，实际上根据模糊控制规则对输入的一系列条件进行综合评估，以得到一个定性的用语言表示的量，这个结果只给出了一个确定的输出范围，即所谓模糊输出量。完成这部分功能的模块就称作模糊推理机。(3)精确化计算显然模糊输出量是不能直接去控制执行部件的，再这确定的输出范围中，还必须要确定一个认为最具有代表性的值作为真正的输出控制量。这就是精确化计算。3.3本章小结比较传统PID控制与模糊控制的优缺点，确定以模糊控制为拖拉机电子液压悬挂控制策略。针对模糊控制理论进行分析研究，为以后模糊控制器的设计和研制打下良好的理论基础。第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计4.1概述在拖拉机电子液压悬挂系统的硬件设计中，控制器是其核心部件，它不仅要完成外部信号输入处理，更重要的是完成整个系统工作控制决策，输出悬挂设定耕深控制信号。通过拖拉机电子液压悬挂控制系统硬件设计，实现液压悬挂机组耕深控制具有随动(伺服)和开关两方面的特性，即在保持耕深稳定性方面具有随动性质，在农具提升和下降方面则是开关性质。前者的控制精度在士10%即可，后者要求快速性、稳定性和定位准确。其中位调节属于耕深控制系统，力调节属于恒值消扰(即土壤阻力的扰动)控制系统，滑转率调节属于门槛控制。为达到控制的目标，利用单片机的优势，将反馈信号离散数字化，以传感器*刀D转换、反馈比较*校正环节*执行机构*控制农具的方式实现微型计算机智能控制。本系统设有四种控制模式:位调节、力调节、滑转率调节、力和滑转率综合调节，各控制模式下调节控制原理，如图4.1。液液压源 源 控控制单元元 元功率放放放板压执执 执液压缸缸缸缸缸缸缸缸 EEECUUUUU大器 器器行器 器 器 器器悬挂系统统 扰扰动源源转转速传感器 器 图4一1各控制模式下调节控制原理框图Figure4一 1Allklndscontrolmodeeonditioningeontrolbloekdisgram4.2系统电路设计基于模糊控制算法的电子液压悬挂控制系统的整体结构框图如图2一。该系统电路部分主要包括电源电路、控制面板电路、输入电路、输出电路的设计。电源电路是控制单元供电系统;控制面板电路用于获得驾驶员操作信号以及工作状态和性能显示;输入电路主要负责各传感器和控制面板设置信号采集过程中的信号处理;输出驱动电路对PWM信号的处理及其功率放大。拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究图4一2是电子液压悬挂控制单元系统电路原理图。!。一奋犷犷犷 犷 .翻.目.叫曰曰 谧 谧一 一 亡亡口一 .】翻.翻翻 翻到到 山 山一 一 一 一 rrr岁 岁 岁岁岁 .呵川 川 川漆漆 曰 曰一 一 一一一 剑剑剑剑剑剑剑剑剑剑剑尹尹浦一 一 一一一 曲， ， ，目 目r， ， ，气尸门 门黝黝 黝 黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝黝 理理理理理 理理滚澳参污 污 (麟麟终幻， ，级 级缴 缴称 称 奇奇饭.策沐愁_公 公 公鬓鬓潇蓦署绳 绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳绳 各各益诸i里 里 里 里 里了 了拐鲜渭毛毛二韶么月 月 翼翼瑟 夕夕翼 翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼翼 人人人人人人人人人人人人人 人 人成 成海溜 溜 伪伪初毛班已生认井 井冰 冰 冰纽 纽 纽纽纽 衍衍衍衍 衍衍衍衍衍衍衍衍衍衍衍衍衍 衍 衍遇 遇 遇潇潇 更更 更 更舒袅霆毯全 全 产产 产产产产产产产产产产产产产产产产产产 、 、 、 、 、 、乃写 写魏雌井双黑 黑渭渭 邢 邢 邢 邢邢 邢 邢 邢 邢 邢 节种袄)歌委无 无拼 拼奄聋弃攀旅 iii鬓 鬓夔瑕美荡多 多鉴鉴兰兰 一 一 一一函盆苦凡奄气艺匆匆盼 盼令获器竿戈早肪心 心 心 心 心 心 ;:逻载室绍尧 尧琴 琴群 群葬 葬蒸鬓鬓 鬓:月 月 口口，奋石石呀 呀 呀呀呀呀呀呀呀呀呀呀呀呀 呀 呀 呀 呀呀呀呀呀呀呀 篮篮篮篮篮篮篮篮篮篮篮 篮篮藻笔 笔 笔 笔 笔 笔 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娜娜 娜 .门 门 . nnnnn图今2控制单元系统电路原理图Fi慈ure村 Systemeon加 l.uultcircu胜schematics第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计4.2.1电源电路普通车载电源为12V，而单片机和一些IC电源需要SV供电电源，所以需要将12v电压转变为sv电压用于单片机供电，同时电路为A/D转换电路提供模拟地和模拟参考电压。具体原理图如图4一3。图付电源电路原理图FigUre4一 Powereircuitschematies4.2.2控制面板电路设计拖拉机液压悬挂系统的上升下降动作指令和工作模式设定都通过控制面板操控。按键、指示灯电路图以及和微控制器接口配置如图4一4，4一5所示。控制面板具体样式见图2一8，其操作方法以及工作方式见2.2.2章节。一 一 一 一一一 iiiiiiiiiii ! lllllllll ! lllllll . .图4礴按键电路图Figure4礴 Buttoneircuit拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究盔盔 _lll谧 畜 畜 畜喊，讨 讨讨 讨只只蒲， ， ，图4一指示灯电路图Fignre4一 5Lighteircuit控制模式的选择和指示灯的指示功能传递的都是数字量，微控制器处理的都是高低电平信号，既O、1信号。而控制面板中耕深设定，以及调节悬挂上升下降速度的设定都属于模拟量输入，其输入电路设计有所不同，具体电路图如图4一6和图4一7，分别为耕深设定和悬挂速度设定电路图。该电路有:电位计分压电路、缓冲器电路、稳压电路、以低通滤波电路组成(各部分电路原理在位置传感器信号处理中详细说明)。口。二一dso图杨耕深设定电路图Figure4一 6CircuittjllagedePthse川ng，勺公O岛.口第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计图4一7悬挂速度设定电路图Figure4一 7CirculthitchsPeedsettillg4.2.3位置传感器信号调理电路设计1、电位器式位置传感器工作原理图4一8为电位器式传感器的原理，其输出电压是:了:_凡刀R:;了_凡/凡矶=只，于拼誉二了认=-一石簇沃专一而不认(R一凡)+凡/Rs一l+凡R(1一Rs/R)一凡R其中:R;总电阻值Rs随电刷位移S而变化的电阻值Reewe一负载电阻 (4.1)Ui电位器的工作电压丽、-一上兰乡犷图今8电位器式传感器原理图Fi，re4一spotentiometerssensorsehematic令凡叹刁刀，对于特定电路它是一个常数，令Rs瓜=x，它表示电刷移动式的电阻变化率，因而式 (4.1)可以写成:_X_Un二Ul+“(l一x) (4.2)当工作电压不变时，输出电阻随电阻变化率变化，即随电刷的位置的变化而变化，它不成线性关系。只有当即与电刷的位移成正比，;r_凡;了口。下万口i式m*O，即凡叹L叶O时，输出电压才与电阻变化率成正比，亦即，只有RL)R时，才有:(4.3)因此，传感器输出电压值与电刷移动电阻值Rs与总电阻R的比值有关，与总电阻值R的大小无关。在实际中R是作为限制传感器的最大工作电流的。要是传感器成线性工作，负载电阻凡必须足够大。2、位置传感器信号处理电路设计在A刀O通道的输入端，采用如图4一9所示的输入接口电路。这部分电路有:缓冲电路、稳压电路、滤波电路组成。拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究缓冲电路，降压后的信号进入一个同向缓冲电路，也称作信号调理电路。该电路增加信号输入阻抗避免分流降低信号电压，同时减小对传感器工作性能的影响。电压保护电路，该电路中有2个二极管D4和DS起过载保护作用，当输入电压高于Vref+0.7V时，D4导通，输入电平被控制在Vref水平上;当输入电压低于约一0.7V左右时，DS导通，输入电压被控制在约一0.7V水平上。这种过载往往是尖峰干扰，持续时间很短。低通滤波电路，MCS一%的技术条件规定模拟输入端对模拟地AGND的电压不能低于一0.3V这一点可以靠输入端的低通滤波器R和C来保证。此滤波器的时间常数二Rc=27。、0.005司.35娜，若以一0.7v作为滤波器的阶跃输入，则此滤波器输出端达到一0.3V的电平需历时卜一Un(l一 0.3/0.7)月.350.56二0.755娜，而通常尖峰噪声的持续时间远小于上述时间，因此，这一输入电路可有效地起到过载保护和滤波作用。图4一9位置传感器信号输入电路Figure4一 9PositionsensorinPuteonditioningcireuit4.2.4力传感器信号调理电路设计拉压力传感器信号首先进入变送器，然后进入调理电路，最后进入系统微控制器进行刀D转换。传感器同变送器连接如图4一10;而变送器信号输出有两种方式可以选择，一种是电压输出方式、一种是电流输出方式，连接方法如图:4一11。本系统采用电压输出方式，传感器输出信号范围为:0一IOV。第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计犷犷_，_一”“_.”渝 渝严严倒;回回罗国鲁黯黯黯黯 国 国lll+s一。.，二二.爵 回 eeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeeee黔 黔 黔)、粗月!只日 Innn1牙 牙 牙 牙lll白 白91口 口 气， ， ，台台台台台台台台台台台台台 台 台 台， .一E闷 闷台 台 台 台)差 nnnnnnn lllllllllll+E衬 Clllllllll+s一。 弓， .rrr、粗 .!sHL0111111111lll白 lll一91自卜 卜 卜 卜 卜J月 lll一Exc卜 卜 卜 卜 卜图4一10拉压力传感器与变送器连线Figure4一 10WireeouPlingbetweensensorandtrans而枷r二 .台台 台 III .!盔 11111誉誉 誉 . 1111111111111图图 图图图电压转出接地搜地交送公电滚15论4V)回回回 鱼鱼鱼鱼鱼 :圆圆圆圆圆行行行行行固固固固固 IIIIIIIII回回回回回电流物出接地接地变送肠电派1岛一24V)图本n变送器输出接线图Figure4一 11ConneetoutC放 uitof介ans而tter根据拉压力传感器变送器接线方式可以得到一个0一10V连续变化电压，然后将该信号输入信号调理电路(如图4一12)，同位置传感器信号处理方式基本相似，只是增加了一个降压电路。信号依次通过降压电路、缓冲器电路、稳压电路、低通滤波电路最后进入微控制器(80C196KC)引脚ACH3进行A/D转换。增加降压电路是由于位置传感器输出信号范围在:0-10V之间，所以首先需要将电压降到AcN二Vref之间，也就是O一SV之间，只有这个范围内的信号系统为控制器才可以进行A刃转换。图今12拉压力传感器信号调理电路拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究Figure4一 12SignalConditioningCircuit4.2.5转速信号调理电路设计本系统针对转速传感器信号设计信号调理电路，该电路包括:滤波电路、放大电路、整形电路、触发电路等组成。无源感应式转速传感器与脉冲轮之间采用径向安装，轴向检测信号方式固定。当车轮转动时，传感器内的线圈感应出近似正弦波的交变电压，其频率和幅值与转速成正比。80CI%KC计数器/高速输入(HSI)端口的输入要求将信号波形整形为TrL电平的方波，才能实现频率测量。调理电路硬件中滤波电路采用无源RC低通滤波器，可以有效抑制信号采集、传输过程及接口电路处的振动噪声和电磁干扰，平滑信号。放大电路采用通用的LM358双运放，对两路低电平信号进行放大，实现mV级到V级的转变。整形电路选用HEF4093B四二输入施密特触发器(引脚图和内部原理如图4一13、4一14)，转换正弦信号为方波的同时，提高信号电压和供电能力，具体电路原理如图4一15。介介 0Ial，OO， 101555HEF4(均 3BBB 1111120:02131 vssss01图4一13引脚原理图Figure4一 13Pinningdiagram图4一14逻辑原理图FigUre4一 14Loglcdiagraml卜州-吕5服U运1-。l01证 22222图4一15转速信号调理电路Fig眼今 15SPeedsignaleonditioning七扮。盛t在本系统中为测量滑转率使用两个速度传感器，分别安装于驱动轮和从动轮。但转速信号调理电路相同。第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计4.2.6控制信号调理电路设计控制信号调理电路是针对液压执行元器件的控制信号设计的处理电路，在本系统中的执行元器件选用电液比例换向阀，液压系统设计参照图2一9。液压系统中最主要的控制单元是电液比例换向阀，本系统采用的电液比例换向阀型号是:4环火左10朋0一10B24，具体参数参考2.2.4。由电液比例换向阀产品出厂性能指标可以得到如图4一16。电液比例换向阀两端加有工作电压(本系统选用型号的名义电压为:24V)，当通过电液比例换向阀的电流改变时，电磁线圈产生不同大小的吸力，吸力推动比例阀的阀芯形成一定的阀口开度，而换向阀有两个电磁线圈可以使阀芯向两个方向移动，从而电液比例换向阀可以改变液压系统油液的流量和流向。毕lmin/粼/，.!./卜一21兀旧一15的一10加一5000别刀】侧泊1翻幻20(旧图今16电液比例换向阀特性曲线Figure4一 16eharaeteristieeurveofeleetro一 hydrauUcProPortionalsolenoidvalve输入电液比例换向阀的控制信号一般采用直流开关信号、PWM(脉宽调制)信号、PFM(频率调制)信号等。本系统采用PWM(脉宽调制)信号控制，PWM控制是一种通过改变输出波形占空比来调节控制比例电磁铁相应平均电压来达到控制的目的。利用 80C196KC微控制器的HSO(高速输出口)产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光祸以后，再经功率管驱动以控制电液比例换向阀的电磁铁。其框架如图4一17。具体电路如图4一18。图中与非门的作用是互锁，禁止两端比例电磁铁同时通电工作。负载串联电阻R53、R54取100，限制电磁线圈的工作电流不超过1300mA。图今17单片机HSO产生P军VM信号控制原理示意图F电ure4一 17DiagramofHSOoutPutP、VMeontrolsignal一一一一一一一一2竺些困丝熨些些_._._.图4一18控制信号输出电路原理图Figure4一 18ControlsignaloutPuteireuitsehematics根据液压系统要求的最大流量25.8L乃以in，此时相应的电流是1300mA，因此控制通过电磁线圈的电流范围是O一1300inA。该电液比例换向阀的死区电流从图4一16可以看出Iucad二40OmA。这样如果输入的控制电压为0一SV，就可以计算出克服死区的电压是udead二 400x5/1300=l.54v。表4一1给出流量、电压、电流、波形占空比之间的对应关系(如表4一1)。表4一1各控制参数对应关系Figure今 7CorresPondeneebetweenthevariouscontrolParameters流量控制电压比例电磁铁电流PWM占空比OL乃迈inOL乃涯in27L乃涯in 0V0xnA 1.54V5V 400mA 1300InA31%100%4.3控制回路设计4 3.1ECU特点SOC196KC单片机的组成可分为CPU及片内外设备两大部分，CPU为16位单片机，其结构特点有421:1、CPU的主要部件寄存器算术逻辑单元RA工U没有采用常见的累加器结构，而第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计是寄存器寄存器结构，CPU的操作直接面向ooHolFFH的片内寄存器空间(其中 OOH17H共24字节为特殊功能寄存器 SFR)1SH01FFH共488字节称为寄存器阵列)，cPu与外设的通信均是通过各sFR，寄存器阵列或存储器控制器来进行的。这样通过SFR来直接控制FO口，加速了数据的传递和交换。这种结构消除了累加器的单一功能。2、内部分频电路为2分频，两个震荡周期构成一个状态周期，它是8.OC196KC的基本时间单位，即运行时间是以状态周期为单位计算的。在12MHz的晶振下，一个状态周期为167ns。这样对于12M壬12晶振，该单片机执行16位乘16位(3操作数)的乘法需2.s3us，比Messl系列单片机快了许多。3、SOC196KC有多种总线的操作方式，可以16位地址/数据复用的标准总线、8位外总线、以及在运行过程中，80CI%KC的总线可以动态的配置为16位或8位。本系统采用16位地址/8位数据复用总线。在多机共享存储器系统中，80CI%KC也具有DMA功能，还可以出让总线。4、80CI%KC有三种特殊的工作方式:闲置方式IDLE、掉电方式POWERDOWN和测试方式ONCE。用于满足一些系统对低功耗和编程的要求。5、三个PWM输出口。具有高速输入输出口HS姗50，HSO具有CAM事件锁定功能。6、具有2个16位的定时屺数器，具有16位监视定时器WDT。7、A/D转换器可以用作8位或10位，其采样时间和转换时间可以编程。表4一2芯片80CI%KC功能列表1、ble 牛2Listof80C196KCfunetion特要征其他主址寻空间乙八口速度宕口NWMP行串口捕获、较计侧O脚引通道又卜口器定时、器计数器存寄卜淤咬国冈冈O炭洲国型号 80C196KC164882848HSIO 3162064PTS 4.3.280C196KC系统设计80C196KC微控制器作为拖拉机电子液压悬挂控制系统的核心，所有控制算法和控制命令都由它完成。80CI%KC系统主要包括时钟电路、复位电路、串行通信电路和仿真器、仿真头组成43，44。1、时钟电路一一一一一一一一一翌垫鱼巡些逃墅些塑卫塑_二_._一80C196KC需要一个时钟源进行操作，时钟频率在6一12MHz之间。这个时钟可由外界晶体和内部电路构成的晶体振荡器产生，也可以由外部时钟直接提供。本系统采用如图4一19晶体振荡器电路提供时钟源。D13】卜闰148岛-.【-一l厂俞七。二工凡9下井133K-二孟卫。交七l土任一!22PF罗图4一19时钟电路图Figure4一 19Cloekeircuit4一20复位电路Figure4一 20ReseteirCuit2、复位电路本控制系统设计有手动复位电路，如图4一20所示。图中RESET连接到复位脚RESET，56为复位开关按钮。80C169KC的复位引脚低电平有效，所以RESET键按下时RESET引脚电平被拉低，系统被复位。3、串口通信电路设计本控制系统通过UA卫TO串口通信方式将采集数据传输给上位机，这样便于实验后对系统运行状态数据分析。UARTO与SOC196KC的接口电路如图4一21所示。CPU串口采用模式1与PC计算机通讯，波特率为:9600B/s。在程序中定时给PC计算机传输数据，所得数据作为实验分析使用。O十 VDDDD lllll333.0一以 v+。哭v- 0001104444件荟下幻UT 1111111111111112INR刀N 555:R汉X汀刀OUT ，nIN功IN 斑 斑OUrfV岛 乙乙万 万 万 万万 11111333图今21串口通讯电路图Figure4一 21Serialeommu址eatione诚ult4、仿真系统本系统采用爱思 suPerICESG3000仿真器进行程序调试，仿真器一边通过仿真头第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计与硬件电路板连接，一边通过串行通信口同PC连接。在PC机上通过集成调试软件环境进行程序编写，通过集成编程环境可以进行汇编、编译、反汇编、调试等功能，实现在线修改编译、调试、连接、执行原程序，增加工作效率。具体连接方法如图4一22。图4一22仿真器连接图FigUre今225恤 ulatoreounectiongraPh4.3.3信号采样设计80C196KC内部有一个能8个通道的逐次逼近型的10位A/D转换器。它由一个8通道的模拟多路转换开关、一个采样保持电路、一个10位逐次逼近型A/D转换器、刀D命令寄存器、AD结果寄存器和控制逻辑等组成。当外部模拟信号被选通后，由采/保电路采样和保持后，逐次与内部D/A转换器的输出作比较，共比较10次(如果是10位刀D转换)，最后获得10位转换结果并把结果放在逐次逼近寄存器中。1、A刃转换条件要达到理想的转换结果，必须满足以下几个条件: (1)80CI%KC内部的A刃转换器的模拟参考电压为VREF，模拟地为AGND，输入电压应在VREFAGND范围内。VREF应保持在Vee士0.3V范围内，而vee=5.o士0.5V。同时应能提供smA左右的电流。这是在设计信号输入电路时必须要注意的问题，即在信号输入电路中加入信号调理电路对输入信号进行相关处理。(2)A刀D转换是比率式的，当输入电压与VREF之比为1时，转换结果为10位全1。A刃转换结果为:注口值二2丝兰生望燮些;.4珠即一AGND为了提高转换精度，传感器的供电电压与A/D转换供电电压采用同一个电源V解，这时vREF可以与Vc。供电源，本系统采用500mA电感连接Vcc与VREF，在制作主控制PCD板时vcc与v旺F分开引线供电。vREF与AGND之间接一个旁路电容，AGND只在单片机芯片处通过一个SO0mA电感与Vss相连，具体电路原理图见图4一3。拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究(3)80C196KC内部的A/D转换器为10位二进制，当VR卫F二士SV，时，A/D转换的电压分辨率为smV。此时A了D转换结果等于:月刀值=1023(珠一AGND)吸尸一AGND_1023珠场一譬珠=ZQ6珠如果传感器信号电压较小时，应加信号放大电路，提高输入芯片的电压，在本系统中针对各传感器输入信号都设计了相应的信号处理电路。2、采样频率的设定如图4一8所示，AD转换过程是:首先把采保开关接通，进行采样，过一定时间后，开关断开，采保电路进入保持模式，刀D开始转换。这过程包括两阶段，一是接通采保开关到断开开关这一段时间，它称为采样时间Tsam，二是A刃转换阶段，它称为转换时间介。nv。因此A刃总转换时间T汕。应该等于采样时间Tsaln加上转换时间介。nv。Tsam过短，保持电容得不到充分的充电，过长则在采样窗口打开期间，输入信号可能有变化。介。nv过短，可能来不及转换，过长则会因保持电容放电而可能造成误差。80CI%KC设置了特殊功能寄存器AD一Tn边E来控制AD转换时间TD。本系统中设计出的AD总转换时间T幼为30us，即每次完成整个AD转换需30us的时间。这转换速度对于本系统被采样的信号有足够的精度。Al采保开关丁-l-ll一容持电保图4名采样保持电路原理图Figure4一 8SehematiesofsamPlingcircuit相邻两次采样的间隔时间称为采样周期，其倒数称为采样频率。为了使A了D转换结果能充分反映输入量的变化，采样周期的长短取决于输入模拟量的变化快慢速度。根据采样定理，采样频率应取系统最大可能频率的两倍以上。拖拉机悬挂系统的最大可能频率约几赫兹，再考虑整个系统的快速性和离散化后系统的稳定性，最后将采样频率定为 IOOHz。本系统中程序流程设计以及原程序见5.2.1节。43.4控制信号输出设计在SOC196KC系统中，可以采用两种方法提供PWM脉冲输出:一种是通过内部第四章拖拉机电子液压悬挂控制器的硬件设计脉宽调制器PWM输出，另一种是通过高速输出器HSO(资 ghSpeedoutPut)产生。由于内部PWM脉冲频率为 n.SKHz，高出系统控制需要太多，故不采用。而把定时器2作为计数器，利用HSO方法产程PWM波，该方法是向内容地址存储器CAM (conientAddressableMemory)写两个数据，一个数据控制HSO的某一输出脚变为高电平，另一数据控制同一输出脚变为低电平。 HSOCAM包含8个寄存器，共可以控制HSO的4根输出线。通过选择写入CAM的数据可以改变输出脉冲周期和占空比，定时器2输入脉冲周期为2娜，故输出PWM脉冲周期最高可以达约 131ms(65536x2林s)。在本系统中，HSO.0和HsO.1引脚输出执行器所需要的PWM波信号，该信号周期设计为:150Hz;占空比可在0100%变化，在上升和下降控制中占空比由设定动作速度决定、而在工作模式中占空比由控制算法决定。系统程序流程图以及程序设计见第五章。4.4硬件抗干扰措施一个系统中，各种干扰是客观存在的。主要有来自系统内部和外部的各种电气干扰。如果缺乏对这些干扰的认识和重视，就会导致控制系统误差加大，严重时会使系统失灵，甚至造成巨大的损失。本设计的硬件抗干扰措施有以下几项:1、电源噪声干扰的抑制。一般来说，这种干扰是无法完全克服的，只能尽量减小进入干扰脉冲的幅度。一般做法在VCC与GND之间跨接10一100uF的电解电容，同时并一个滤高频的小电容;在低频信号的传输通路中加入RC低通滤波器，可以大大削弱各类高频干扰信号;2、在数字电路每个芯片的供电电源处都加上 0.1uF的高频去藕电容，以消除数字线路上尖峰电流造成的影响，这些去祸电容在PCB布板时都与芯片靠得很近;3、在系统的模拟部分与数字部分的接口处，都采用光祸隔离，以防相互干扰;4、在电路检测电路中，加了二阶小电阻电容低通滤波电路，有效地减少了主电路过来的尖刺噪声;5、外部噪声源干扰的抑制。传感器及其信号连线应尽量远离高电平大功率的导线和元器件(如变压器)，以减少噪声和电磁场的干扰。为了实现物理隔离，即使在同一设备内部，也应该把这两类信号导线分开走线。远距离走线时，更应该注意把信号电缆和功率电缆分开，并保持一定的距离。6、空间场干扰的抑制。系统采取的措施主要有:a)选择较高等级的电子元器件，提高器件的抗干扰能力;b)系统的外壳采取特殊的抗干扰材料，经过特殊处理，增拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究强其屏蔽性;。)正确的接地方法，将数字地，模拟地及功率地分开，最后只在一点相连。7、系统振荡信号的布线必须尽可能短，以减少干扰，晶振外壳应接地，提高系统稳定性;良好的晶振源，是系统稳定良好运行的保证。通过以上诸多硬件抗干扰措施，调试过程中系统因干扰造成的错误很少发生，说明这些措施行之有效。4.5本章小结模糊控制器由硬件和软件两部分组成，本章根据拖拉机电子液压悬挂系统具体工作要求进行硬件电路设计。电路设计内容有:电源电路、控制面板电路、位置传感器信号调理电路、力传感器信号调理电路、转速信号调理电路、控制信号调理电路和整个微控制器系统构成的各部分小电路设计。为系统软件编程建立一个良好稳定的硬件工作平台。第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计一个控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合才能构成一个完整的控制系统。本章主要介绍模糊控制电子液压悬挂的软件实现。5.1主程序设计主程序的流程图如图5.1所示。依次为程序初始化、调用A/D转换子程序，然后通过扫描控制面板判断驾驶员的操作动作。当扫描判断出驾驶员的操作后，程序会由主程序转入相应的子程序。程程序初始化 化 调调用人D转换 换 调调用停止子程序 序谓谓用上升子程序 序调调用下降子程序 序调调用安全处理程序序图5一1主程序流程图Figures一 1MainProgramnowehart其中程序初始化完成系统寄存器清零和参数设初值任务;AZD转换的功用是把系统中的模拟量转化成为数字量，并将数据放入相应的寄存器，该程序主要用于采集的拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究信号有:控制面板耕深设置信号、控制面板悬挂移动速度设置信号、位置传感器信号、力传感器信号。各上升、下降、停止子程序可以准确控制悬挂的上升与下降，并且可以改变上升与下降的动作速度。位调节、力调节、滑转率调节、综合调节是拖拉机电子液压悬挂系统各种工作模式。安全检测程序用于检测拖拉机液压悬挂位置、载荷、滑转率是否工作于安全范围内，如果系统处于非安全范围内需要进行安全化调整，并且给出报警提示。5.2系统各模块程序设计5.2.IA了D转换中断程序设计在实现A了D转化过程中，程序通过向刀D命令寄存器直接写入命令来实现通道选择和A/D转化器的启动。由第四章的硬件框架设计图4一2可知，拖拉机电子液压悬挂控制各通道输入信号即接口配置分别为:ACO采集控制面板的高度设置信号、ACI采集控制面板的提升/下降速度设定信号、ACZ采集位置传感器信号、AC3采集力传感器信号。在80CI%KC单片机中采用逐次逼近算法实现A/D转化。转化原理是:把一个以二进制规则变化的参考电压序列逐次与模拟输入作比较，以寻找一个与输入最近进的参考电压。首先，以满量程参考电压的1/2作为测试电压，与输入作比较，相当于把10位二进制值的Olllllllllb与输入作比较。若输入模拟电压小于测试电压，则让SAR的10位为0，即把满量程电压的 1/4(00111111llb)作为新的测试电压，与输入作比较。若这一次是测试电压低于输入电压，则把SAR的第9位置1，再把位8清除，作为下一个测试电压(01011111llb)，与输入再作比较，以此类推，直至作完10次比较。最后在逐次比较寄存器中就可以获得10位转换结果。A/D结果寄存器位于02H和03H。它不能按字读取，必须按2个字节分别读取。结果寄存器除了存放转化结果以外，还包括有通道号以及A/D转化器的状态信息。程序将转化结果从A肋结果寄存器中取出存放到指定A心转化结果寄存器。A/D转化程序的启动时间间隔是由采样频率设定的，当采样频率到产生中断进入A刃转换子程序。刀D转换程序流程为:现场保护、寄存器初始化、刀D转化通道选择和启动A刃转换、等待转换完成、读取并储存A刃转换数据、判断所有通道是否转换完成、返回程序。具体流程如图5一2。第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计A/D转换程序入口现场保护寄存器初始化写人刃控制寄存器启动人了D、选择通道存储数据通道号加1塑习精通道是否莞YeS恢复现场返回图5一AjD转换程序模块流程图Figures一ZA用 eonvertmoduleProgramflowehart本系统中具体刀D转化程序实现原程序如下:AD仆汀:PUSHF PUSHAXCLR八 DNUM CLRAX CLRBX CLRCX CLRDX nextad: ADDBADesCOMMAND户D少川M，#10(X)BNOPNOPNOPNOPcheck: JBSADesRES切逻少O，3，cheekLDBAL户DJ诬S切工少0 LDBAH产Des旺 SU班-H1 ADnBDL，AD少刃M户刀少几rM LDBZEDX，DL拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究 SHRAX，6 STAX，RES讥I-彩田LE田幻 INCBADNUM ANDBAD-少IUM，#00000lllB CMPBAD少川M，#0000010lB刃阿 Cnextad POPAXPOPFRET5.2.2上升及下子程序设计当主程序扫描到驾驶员按下提升健时进入提升子程序(如图5.2)，程序流程为:首先判断停止键是否按下，如果按下则返回主程序，读取实时A/D转换结果，将提升速度设定旋钮输入信号和位置传感器输入信号模拟量转换为数字量并存入对应存储器，以备程序使用;其次程序进入安全检测判断部分，根据位置传感器、力传感器对应实时数据判断悬挂是否到达或超出安全位置和合理载荷临界，如果到达或超出安全临界，程序进入非安全处理程序进行相应处理并给出报警提示;然后根据读取设定的悬挂动作速度值确定HSO.O送出的PV月吐信号的占空比(初始化时已设定动作的初始值，如果设定动作速度不改变则不需改变输出PWM信号占空比，如果改变需要从新设定)，这里速度设定值与占空比成正比;最后判断提升和停止按键，如果判断出驾驶员需要停止提升操作程序返回主程序，否则程序继续执行提升自程序。同理，下降子程序和提升子程序类似，不同的是信号输出脚是HSO.1。读 读实时人心转换值 值 (位里传感器健度设定值 )调调用荆荆匕安全全处处理】涅序 序HHHsO.0拍出 PWMMMMMHS。，O抽出 PWMMM (占空比改勿 勿勿 (占空比不幻 幻 读 读实时A刃转换值 值 (位置传感器健度设定值 )调调用非安全全处处理程序 序璐璐0.1抽出 PWMMMMMHSO.1钧出 PWMMM (占空比改幻 幻幻 (占空比不勿 勿 图5一上升模块程序流程图图5礴下降模块程序流程图第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计Figures一 3RaisemoduleProgramflowehartFignre54DroPmoduleProgramflowehart提升及下降子程序中主要任务是实现高速输出口HSO的PWM波的产生。在本系统中，HSO.0和HsO.1引脚输出执行器所需要的PWM波信号，该信号周期设计为:150Hz;占空比可在0一100%变化，在上升和下降控制中占空比由设定动作速度决定、当动作速度设定值越大占空比越大，反之占空比减小。以提升子程序为例说明PWM信号实现的源程序程序如下:uPweaet-done:PUSHF PUSHAX LDBIOCZ，#OCOH LDPWM-PER，#0F000HuPact-next: ORBIOPORTI， #000lllllB LDBAL，IOPORTI JBCAL，1， uP-break JBCAL，2， uP-break JBSAL，0， uP-breakSCALLC入IPJEvel一omPPWMUS，PWMesL;-一wlnjrog CLRPWMUSLDBLDBLDIOCZ，#OCOHIOCO，#0PWMPE风钓F000HLDBLDNOPNOPNOPNOPLDBHSO-COM州叭ND， #0CEHHS0seTIME，PWM少ERHSO一OM州叭凶D，#OEIHLDNOPNOPNOPNOPLDBHSO-T拼正，#3HSO-COMMAND，#OCIH LDHso一n迈E尹侧吃LNOPNOPNOPNOP一一一一一一一进些竺鲤燮燮些丝些ORBLDBJBCJBCun-br以改:PWMJ-S尹WMLIOPORI，1， #0001111IBAL，IOPORTIAL，1，uP-br正AL，0，uP-碑ct-next CLRPWMUS ORBIOCZ，80HSCA工 LstoP一碑ct-done POPAXPOPFR卫T5.2.3位移调节控制子程序设计只有在控制面板的四位旋钮转向工作位时，工作模式选择按键(位调节、力调节、滑转率调节、综合调节)才有效。当按下位调节工作按钮时，程序进入位调节子程序。首先，扫描停止位、如果停止位按下，程序返回主程序，否则继续;其次，读取此刻位置传感器、力传感器、耕深控制设置对应模拟量的A刃转换数据;第三步，调用安全检测子程序进行安全检测，如果悬挂位置和载荷处于非安全范围，程序调用非安全处理子程序，如果悬挂位置和受力都在安全范围内，程序继续;第四步，准备模糊控制程序所需要的入口数据并调用模糊控制算法子程序得到控制量;第五步，根据得到的控制量判断悬挂运动方向，如果需要上升，则使用HSO.O输出由模糊决策得到特定占空比的PWM脉冲，控制悬挂上升;否则，使用HSO.1输出由模糊决策得到特定占空比的PWM脉冲信号，控制悬挂下降;最后，扫描位调节按钮，如果按下继续进行位调节控制，否则调用停止子程序并返回主程序。下图5一5是拖拉机液压悬挂系统位置调节子程序的流程图。由于篇幅有限，源程序省略。第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计读读取实时人刃转换结果 果 调调用非安全全处处理程序 序模模糊控制入口数据准备备 模模糊控制算法子程序 序 设 设置占空比比比 设置占空比 比 HHHSQO输出 PWMMMMMHSO.1输出 PWMMM图55位置调节模块程序流程图Figures一 5PositionadjustmoduleProgramnowchart5.2.4力调节控制子程序设计进入力调节程序的条件和位调节基本相同，需要四位旋钮开关处于工作位，不同的是位调节的优先级高于力调节，即在选择位调节的前提下无法实现力调节控制。具体流程图如下图5一6所示。在设定耕深时，位调节设定的是耕作深度，力调节设定的是阻力大小。一一-一一一一-.竺塑竺些通丝鲤丝塑丝鲤塑鱼-一一-一一-读读取实时九心转换结果 果 调调用非安全全处处理程序 序模模糊控制入口数据准备备 模模糊控制算法子程序 序 设 设里占竺比比 HHHSO.0物出 PWMMM图5芍力调节模块程序流程图Figures一 6DragadjustmodulePrdgramflowchart5.2.5模糊控制算法的实现这部分是软件设计的核心。电子液压悬挂模糊控制系统的结构及工作原理如图5一7所示。模模糊控制器器 器PWM信号 号 号液压 压驱 驱 驱驱动放大大 大执行器器位位移传感器 器 图5-7电子液压悬挂模糊控制系统的结构图Figures一 7FuzZyeontrolsystemofEllH该控制系统的输入量为A。转化后的电子液压悬挂目标设定高度信号从，传感器_，、_，_，二、._一一一，.一de，_，一.、.反馈位置信号场。令电压偏差。=片一巧，电压偏差变化率ec二等，编程时离散化为:-一，-一。，一-，一dte(k)二从(k)一巧(k)，ec(k)=e(k)一e(k一l)，模糊控制器的输出量为。(k)，电子液压第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计悬挂的输出控制信号为风k)=产(k一l)+如(k)。采用这种增量式输出结构，可以减少静差，保证输出平衡。模糊控制器的输入量为电压偏差E和偏差变化量EC(文中用小写表示精确变量，大写表示模糊变量)，这种方法不仅能保证系统控制的稳定性，而且可以减少超调量和振荡，模糊控制器的输出量。(k)控制PWM信号的占空比变化，从而改变悬挂液压系统中电液比例换向阀的工作状态，从而改变悬挂的高度。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果，能够提高系统的控制精度和可靠性。在第三章中介绍了模糊控制器的工作原理，下面将从输入量模糊化、模糊逻辑推理、模糊控制量清晰化三个部分具体说明模糊控制在电子液压悬挂控制系统中的应用。1、输入量模糊化在模糊控制系统运行中，模糊推理过程是通过模糊语言变量进行的，无论是偏差、偏差变化率的输入，还是控制器的输出都是精确值，所以需要首先要将它们通过隶属函数归属于各模糊子集，即定义各模糊变量的模糊子集。本设计在保证隶属度有足够精度的同时，为了简化计算选用三角形函数。设输入量E的模糊集为E=NB、拟材、Ns、NZ、PZ、PS、只U、朋产，输入量Ec的模糊集为Ec钊!胭、刀材.、NS、Nz、PZ、PS、只材、朋产，输出量U的模糊子集为DU钊瀚、尤材、NS、犯、PZ、PS、几材、尸刀产;将E、Ec的论域化为卜6，一5，一4，一3，一2，一l，0，l，2，3，4，5，6，U的论域化为一7，一6，一5，一4，一3，一2，一l，0，l，2，3，4，5，6，7。上述的误差模糊集合共选取八个元素，区分了NZ和PZ，主要是着眼于提高稳态精度。模糊变量E， EC及u的赋值分别如表5.1表5.3所示。表5一1模糊变量E的赋值表Tab.5一 1Evaluatefableof加 zZyvariableE丫丫 一6一5碑一3一2一l刁 +0+1+2+3+4+5+666 PPPBBB00000000001.000 PPPMMM0000000000.70.222 PPPSSS00000000.50.10000 PPPZZZ00000001.00.60.1000000 NNNZZZ0000000000000 NNNSSS000.80.3000000000 NNNMMM0.70.200000000000 NNNBBB1.0000000000000表5一模糊变量EC的赋值表拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究Tab.5一 2EvaluatetableoffuzZyvariableEC敬 敬一6一54一3一2一 10+l+2+3+4+5+666 PPPBBB0000000001.000 PPPMMM000000000.70.222 PPPSSS00000000.91.00.50.10000 zzzEEE000000.51.00.50000000 NNNSSS000.9000000000 NNNMMM0.70.20000000000 NNNBBB1.000000000000表S一模糊变量U的赋值表Tab.5一 Evaluatetableoffu刀守variableU次次次一7一6一5并一3一2一 101+2+3+4+5+6+777 PPPBBB000000000001.000 PPPMMM0000000000.70.2000 PPPSSS00000000.41.000000 ZZZEEE0000000.5 1.00.500000000 NNNSSS0001.00.4000000000 NNNMMM00.70.200000000000 NNNBBB1.0000_0000000000电子液压悬挂高度控制以及位置信号理论上都是OSV的电压信号，在实践的试验中测得电子悬挂最低极限位置传感器反馈电压信号为:0.5V，当悬挂到达最高极限位置时反馈电压信号为:4.9V，控制高度信号可以有驾驶员通过控制面板来控制调节。e(k)=产(k)一产。(k)气二6一(一6)5一(一5)，可以得到e(k)的范围为:一5一5，因此取量化因子为e(k)x气即为模糊控制器的输入偏差变量;ec(k)=e(k)一e(k一l)，取ec(k)的变化范围为一11，则取量化因子气二6一(一6) 2.5一(一2.5)二 2.4。程序设计中，根据情况采用对数据加上偏移量的方法，将带符号数进行无符号处理，以简化计算，利用模块将输入量采集到单片机进行量化处理，首先判断。和。是否越限，如果越限令其为上限或下限值，否则将输入量乘以量化因子，再分别量化为模糊论域中对应的元素E和ECo2、模糊逻辑推理模糊控制规则实际上是将操作员的控制经验加以总结而得出一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则的原则是必须保证控制器的输出响应的动态特性达到最佳，当误差较大时，选择控制量以消除误差为主，当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，以系统的稳定为主。表5.4给出了根据系统输入输出及偏差变化趋势来消除偏差的模糊控制规则。第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计表5.4模糊控制规则表 Tab.5.4FuZZyeontrOIrules一沂不上述控制规则表可以用以下21条模糊条件语句来描述: 1)IFE=NBorNMandEC=NBorNMTHENU二 PBor 2)IFE=NBorNMandEC=NSorZETHEN U=PBor 3)IFE=NBorNMandEC=PSTHEN U=PMor 4)IFE=NBorNMandEC=PMorPBTHEN U=ZEor 5)IFE=NSandEC月 NBorNMTHEN U=PMor 6)IFE=NSandEC=NSorNMTHEN U=PMor7)正 .E=NSandEC=PSTHEN U=ZEor8)正 E=NSandEC=PMorPBTHEN U=NSor 9)IFE=ZEandEC=NBorNMTHEN U=PMor 10)IFE=ZEandEC=NSTHEN U=PSor11)正 E=ZEandEC=ZETHEN U=ZEor 12)IFE=ZEandEC=PSTHENU月 NSor13)正 E=ZEandEC=PMorPBTHEN U=NMor14)正 E=PSandEC=NBorNMTHEN U=PSor15)IFE二 PSandEC=NSTHEN. U=ZEor16)正 E=PSandEC=ZEorPSTHEN U=NMor17) E=PSandEC=PMorPBTHEN U=NMor18)正 E=PMorPBandEC=NBorNMTHEN U=ZEor 19)IFE=PMorPBandEC二 NSTHEN U=NMor 20)IFE=PMorPBandEC=ZEorPSTHENU二 NBor21)正 E=PMorPBandEC=PMorPBTHENU幸NB上述21条模糊控制规则之间是或的关系，由第一条语句所确定的模糊关系可以用下式写出，即:一些塑燮些夔丝鲤塑燮些鲤色一R=(姗+瓦M:)xPB。】(瓦队+拟材即)xPB入。 (5.1)如果令此刻采样所得的实际误差量为e，且误差的变化量为ec，可以算出控制量为:A认=eo(姗+瓦材石)xPBueeo(瓦队+拟M“)x尸刀u(5.2)对于e及e。的隶属度函数值对应于所量化的等级上取1，其余均取为零值，这样可使2式简化为:矶=而nmax【伽峰(i)+产、(i):max声、(j)+产、(j);刀、。(x)(53)式中:户巩(i).产叭(i)模糊集合NBE和NM。第i个元素的隶属度;声NBec(j)、尸姗配(力模糊集合NBEc和NMEc第j个元素的隶属度。同理，可以由其余各条语句分别求出控制量认、矶，则控制量的模糊集合U可表示为:U=认十矶+.二+矶】(5.4)将由5.4式计算出的模糊控制量制成一张模糊控制表存于计算机中。3、模糊控制量清晰化利用计算机可根据不同的输入输出值预先计算好控制量u，制成表5.5所示的控制表，作为文件存储在计算机中。当进行实时控制时，便于根据输出的信息，从“文件”中查询所需采取的控制策略。该控制表又被称为查询表。根据对应输入论域中的元素，查模糊控制表，求得模糊输出量，再乘以输出比例因子即可得到实际的输出值。表5.5模糊控制表 Tab.5.5Tableoffu刀卿eontrol叹叹 叹一6一5碑一3一2一 10+1+2+3+4+5+666一一 666767677744200000一一 555666666644200000并并 并 767677744200000一一 3337666666320一l一l一 lll一一 2224445441000一3一2一 lll一一 lll4445441000一3一2一 lll一一 OOO4445110一l。1一1碑并碑 碑 +0004445110一1一1一 144并 并 +111222200一l碑并一3并并并 并 +22212120一3并4并一3碑碑碑 碑 +3330000一3一3一6一6一6一6一6一6一 666 +444000一2碑并一7一7一7一6一7一6一 777 +555000一2并礴一6一6一6一6一6一6一 666 +666000一2魂并一7一7一7一6一7一6一 777拖拉机电子液压悬挂系统的运行具有非线性、时滞性等特点，对于这类控制系统，为避免超调量过大而造成系统无法稳定的情况，软件编程时采用对控制量输出进行比第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计例缩小的方法，使被控对象每次动作不要过大，当然这要在牺牲速度的前提下实现。.一，二.，一1.1.一上。二_、._一.105不杀筑甲埃秘理制物出重阴比例囚寸联气u二二一二二二=二。l一L一l)l整个模糊控制模块的程序流程图如下:模模糊决策得加加 保保护现场 场 场场场场场场场场 AAAAAAAAAAAAAAAAAu清晰化 化 关关中断 断 断断断断断断断断断断断调调调调调调调 调调节PWM占空比 比读读取户以D值，控制信 信 信信信信信信信 号 号Ui，位置信号U。 。 。启动定时器器 开开开开开开开开开开开开 开开中断 断 计计算e0C知i因一 u0(k) EEEc(k卜e(k)七少 .1)恢恢恢恢恢恢恢恢恢恢恢恢 恢恢复现场 场 eee、ee模糊化 化 化化化化化化化 图5一S模糊控制模块程序流程图Fignres一 8FuzZyeontrl)lModuleProgramfiowehart5.2.6安全检测子程序设计稳定性和安全性对于拖拉机液压悬挂非常重要，所以必须设计一套适合拖拉机液压悬挂系统安全检测的程序。在本系统中设计了一套可以检测位置安全、载荷安全、滑转率安全的综合检测系统。使系统充分利用机一电一液一体化技术，综合考虑各方因素，提高系统的安全性、可靠性。当系统工作在提升、下降工作模式或者各种耕深调节工作模式时，都可以综合的检测位置安全极限、载荷极限、滑转率极限并且做出相应动作和报警提示，在报警提示系统中可以清楚辨认出是哪部分安全性出现问题。安全检测模块程序流程图如图5一9所示。拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究读 读实时人旧转换值 值 (位1传感器、力传感器 )提提升盈挂挂 挂提升悬挂挂延延延延延延延延延延延延延延延延 延延时1秒 秒 秒延时1秒 秒降降低是架架架升高是架 架 架架架架架架 架架架架架架调调调调调调调调调 调调用停止子程序序 序序序序序序序序序 调调用停止子程序序 序 序 序调用停止子程序序 力力力力力力力力力 力力过载报苦提示示 示示示示示示示示示 位位里报带提示 示 示 示 示滑转率报苦提示示 图5一9安全检测模块程序流程图Figures一 9Safetytestingmoduleprogramflowehart5.2.7串行口通信中断程序设计在本系统中串口通信模块的设计是为了给PC输出实时数据，在一定的间隔时间内启动串口中断服务程序，给上位机PC传输位置传感器、力传感器、通过两个速度传感器得到的滑转率实时数据。以供实验后数据分析使用。本系统串口工作在模式1下，模式1通过TXD发送数据，通过RXD接收数据，10位构成一串行帧:1位起始位(0)，8位数据“氏位在先)，1位停止位(l)，如图5一10所示。若串行口控制寄存器SPeeCoN中的奇偶校验允许位PWN=l，则发送时的第八位数据位将以偶校验位代之。模式1属于异步模式，向SB班(饮)写入数据就会启动一次发送过程。1啦祯图5一10模式1串行帧FigUres一 10Mode1serial介ame部分源程序如下:SP-intPUSHF第五章拖拉机电子液压悬挂控制系统的软件设计 LDBSPTENPSPS护fAI， JBSSPTEMP，5，饮用 5SPTEM只6，rxRetum: CLRBSPTEMPPOPFRETTx:用 CFLAqo，return DECBNUM JETCtum ANDBFLAq#0 LDBSBUE【TXBUF+ SJMPrCtum5.3软件可靠性设计软件的可靠性对于整个系统的稳定运行是很重要的。尤其当系统受到干扰时，软件要及时处理故障，并自动回到正确运行状态。5.3.1采用模块化程序设计方法本系统程序设计采用了按功能细分成不同的模块的设计方法，这样程序结构清晰，为查错奠定了基础。通过调试，可方便地找到错误。模块化设计使子程序之间没有相互等待的依赖关系，也大大减轻了程序的死锁可能性。另外，编程的时候养成给程序加注释的习惯很重要，这样为以后程序的升级改进提供了方便。5.3.2采用wDT(watehdogtimer)防止程序跑飞监视定时器wDT(研厄 tchdogtimer)是一个16位计数器。当它启动后，每个状态周期计数增1，若在64K状态周期(12MHz晶体时为 16ms)内，没有通过指令清除它，则计数器溢出，把咫SET引脚拉低至少1个状态周期，使系统复位，重新初始化.不过，要在正常的程序代码的合适位置，插入一段复位“看门狗”的指令，这样系统既不会由于死锁而无法解脱，也不会使正常运行的程序被打断。拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究5.4本章小结本章介绍了拖拉机电子液压悬挂系统的软件设计。首先，完成主程序设计，给出程序流程，主程序的主要任务是扫描控制面板划分控制信号优先级，使程序在正确合适的时间流进入各个子程序模块进行相应动作;其次，分别介绍了AjD转换程序设计、上升/下降程序设计、位调节控制程序设计、力调节控制程序设计、安全检测程序设计、串口通讯的实现和最重要的模糊控制实现方法;最后介绍了系统为提高程序可靠性而采用的两种手段:程序模块化、看门狗防程序跑飞。第六章试验及性能分析第六章试验及性能分析根据前面章节的描述，在对电路原理图进行设计的基础上，进行印制电路板的设计。硬件的安全、稳定性是软件调试的基础，硬件和软件结合构成了拖拉机电子液压悬挂系统的控制单元。如图6一1。戮黔熬鬓蒸耀黝鬓幽味娜肄减滚熬黝图6一1控制单元电路板Figure6一 1ControluulteireultPCB6.1试验及数据分析6.1.1试验条件介绍本控制系统验证性实验在校内液压实验室完成，使用设备是CAT液压系统拼装实验台，本实验台可以根据自己拟定实验方案进行液压回路设计即元件和液压附件的选择，然后自行安装元件、接油管、联导线、组成电液控制系统。在本实验平台搭建中使用CAT液压系统拼装实验台中液压泵、溢流阀、电液比例换向阀、油缸、位置传感器、压力传感器、接油管、连接线和加载重物等器件，在该实验平台上搭建油路系统仿真平台(油路连接方法参照第二章)。而拖拉机电子液压悬挂控制系统采用自行研制的模糊控制器。这样就构成了实验所需要的软件和硬件的工作平台。整体试验设备如图6一2所示。-.一-一些塑鱼塑垫矍燮哩逆鲤燮燮土竺鑫一-一-一-图乐2整体实验平台FigUre6一 2ThewholeexPerimentalPlafform6.1.2提升下降试验悬挂的提升和下降是拖拉机液压悬挂的基本操作，实验目的是验证通过控制面板的四位旋钮可以控制悬挂的上升和下降，并且可以根据速度设定旋钮设定悬挂动作的速度。提升动作曲线如图6一3。第一次做快速提升实验，首先通过速度设定旋钮设定提升速度，将旋钮转向快速一方，然后打开提升旋钮，液压缸作提升动作，得到图6一3中a)时间与位置传感器反馈电压曲线(快速提升);同时通过串口将对应A刃转换值传送到PC得到图6一3中b)时间与A/D转换值对应曲线(快速提升)，由图可知位置传感器由1.2V到4V经历了大约35的时间。第二次做慢速提升试验，首先设置提升速度(将旋钮转向慢速一方)，打开提升旋钮，通过相同的记录方法得到:图6一3中c)时间一位置传感器反馈电压曲线(慢速提升);图6一3中d)时间AD转换值曲线(慢速提升)，由图可知位置传感器反馈电压信号由 1.2V到3.8V经历了大约75的时间，所以相对快速提升慢了许多。实际操作中可以通过速度设置旋钮实现速度无级调节，这里两次实验得到的快速提升和慢速提升的记录曲线只是两种相对的特殊状态。通过试验说明，本控制系统可以完成拖拉机液压悬挂系统的提升动作，并且可以调节提升速度。第六章试验及性能分析 / / / 1111.盯.口.1砚4心二咤256】28O才才一一一一一一一一一 / / / /诩踢湖512翔p刀喇O一工衬，”a且日孟，口nAn 024681021416Ti.e/S 0246810121416、竹，e/sa)时间垃置传感器反馈电压曲线(快速提升)b)时间.AjD转换值曲线(快速提升) a)Curveoftime一 sensorfeedbackvoltage(quieklyraise)b)CurVeof廿m卜 A/Dresult(quieklyraise)傀4踢/一一 - / /.户二1. 足2561邓0 / / / /，翎彻512洲1占一)01工曰n的.。0268Ti耽脂 10121416 0246Ti二、 10121416c)时间.位置传感器反馈电压曲线(慢速提升)d)时间.AD转换值曲线(慢速提升) c)Curveoftime-sensorfeedbaekvoltage(slowlyraise)d)Curveoftime-A/Dresult(sIowlyraise)图6一提升动作曲线Figure6一 3RaisemovingeurVe下降试验数据分析如图6一4，实验方法同提升方法基本相同，不同之处在于将四位旋钮转向下降一方，实验证明本控制系统可以完成下降动作并且对下降速度进行调节。明踢76B翎目口.喜 二二1.自.舌512翎咬 从从 从 火火 _口口，It甘.， ，渐诩。 02468】 0121416Tl一招 0246T，二、 1012146a)时间拉置传感器反馈电压曲线(快速下降)b)时间.人心转换值曲线(快速下降) a)CurVeofOme-sensor丘犯dbaekvo一 tage(quleklydroP)b)Curveoftime-A用 result(qulcklydrop)7l拖拉机电子液压悬挂控制器设计和控制技术研究踢诩 640512384绷12s。污
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