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】
收藏
资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共69页)
编号：610596
类型：共享资源
大小：23.32MB
格式：RAR
上传时间：2016-03-01
上传人：木***
认证信息
个人认证
高**（实名认证）
江苏
IP属地：江苏
50
积分
- 关 键 词：
-
拖拉机
液压
悬挂
吊挂
系统
自动控制系统
研究
钻研
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：
-
河南科技大学硕士学位论文拖拉机电控液压悬挂系统控制技术的研究姓名：齐学先申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：贾鸿社;周志立摘 要 I论文题目：论文题目： 拖拉机电控液压悬挂系统控制技术的研究拖拉机电控液压悬挂系统控制技术的研究 专 业： 专 业： 车辆工程车辆工程 研 究 生： 研 究 生： 齐学先齐学先 指导教师： 指导教师： 贾鸿社教授 周志立教授贾鸿社教授 周志立教授 摘 要 摘 要 电控液压悬挂技术是二十世纪七十年代发展起来的比较先进的悬挂技术，正越来越受到广泛的重视，日益成为拖拉机悬挂系统的发展方向和主要配置。 本文从当前我国拖拉机悬挂系统的发展现状出发并结合电控液压悬挂系统的先进技术和工程应用，针对中国一拖集团公司大型拖拉机的电控液压悬挂系统，根据电控液压悬挂系统的基本元件和特性进行参数化建模仿真；基于当前在拖拉机上控制技术的研究，创新性地率先将 Fuzzy-PID 控制应用于拖拉机电控液压悬挂系统。通过实验与仿真结果分析比较可知，Fuzzy-PID 控制进一步提高了悬挂系统的动态响应性能。 最后通过田间试验，将采集的试验数据经过处理后所得到的试验曲线与所选择的控制策略控制的仿真模型仿真后得到的曲线进行分析对比，进一步验证了建立数学模型的正确性和合理性，同时也可以验证出所选择的 Fuzzy-PID 控制策略应用在拖拉机电控液压悬挂系统是可行的。 本文针对电控液压悬挂系统控制系统的研究，主要研究了以下内容。 1根据电控液压悬挂系统的工作原理，分析了系统元件的特性和查阅相关的资料，建立了系统的数学模型。 2根据中国一拖东方红-1604 拖拉机上的液压悬挂系统配置和参数，计算出简化的电控液压悬挂系统的传递函数；从而可以为后面结合控制策略来对系统的动态特性进行分析和对比提供条件。 3通过输出反馈，对滑转率和位调节综合控制进行了研究，以设定的滑转率和耕深值（在此设定的是耕深和滑转率的电压值）为输入量，电液比例方向阀上的电磁铁的电流值为输出量（控制电液比例阀阀芯的位移从而达到控制液压油的流向和流量），运用图形化仿真工具 SIMULINK 和 MATLAB 模糊逻辑工具箱建立了电控液压悬挂系统的 Fuzzy-PID 控制系统和设计了 Fuzzy-PID 控制器。 4执行仿真并对比分析了 Fuzzy-PID 控制前后的控制作用，通过无校正的系统模型、采用 PID 控制的数学模型、采用模糊控制的数学模型和采用 Fuzzy-河南科技大学硕士学位论文 IIPID 控制的数学模型曲线特性进行分析对比，验证出采用 Fuzzy-PID 控制的数学模型是优于其他模型的，也验证了 Fuzzy-PID 控制应用与电控液压悬挂系统是可行的和合适的。 5根据制定的试验方案和实际情况，通过对拖拉机电控液压悬挂系统实施了田间试验中采集的数据进行处理得到试验曲线。并和建立的 Fuzzy-PID 控制系统模型仿真曲线分析对比，验证了建立的电控液压悬挂系统模型的正确性和合理性，也验证了把 Fuzzy-PID 控制应用与拖拉机电控液压悬挂系统是可行的。 综上所述的研究内容，本课题的研究成果主要有： 1基于当前电控液压悬挂系统常用的元件的分析和参数的选择和参考资料，并根据当前控制技术的发展和电控液压悬挂系统的工作原理，建立了电控液压悬挂系统比较常用的数学模型，求出了比较通用的系统简化后的传递函数。 2率先设计出了应用于电控液压悬挂系统的 Fuzzy-PID 控制器，并建立了电控液压悬挂 Fuzzy-PID 控制系统，控制前后仿真结果表明了 Fuzzy-PID 控制应用于电控液压悬挂系统的可行性和有效性。 3通过田间试验采集到的数据处理后的曲线与建立模型的仿真曲线分析对比，进一步确定了 Fuzzy-PID 控制在电控液压悬挂系统的可用性和建立的控制模型的合理性，也进一步验证了所设计的 Fuzzy-PID 控制器用于与电控液压悬挂系统是合适的和可行的，这为以后分析电控液压悬挂系统和设计开发电控液压悬挂系统控制器提供了一定的参考价值。 关 键 词：关 键 词：悬挂系统，电液比例方向阀，模糊 PID 控制，模糊控制，仿真 论文类型： 论文类型：应用基础研究 摘 要 IIISubject: The study on the control technology for tractor electronic hydraulic hitch system Specialty: Vehicle Engineering Name: Qi Xue-xian Supervisor: Jia Hong-she Zhou Zhi-li ABSTRACT Electronic-hydraulic hitch technology arised from 70s of last century and is becoming a rather modern hitch technology. Now it gets more and more extensive regard and is the main equipment of tractors hitch system. In this paper, according to the actuality of development of the tractors hitch system combined with the advanced technology and technical application of HER, the simulation model of the EHR based on the large-type tractors electronic-hydraulic hitch system of CHINA YITUO GROUP CORPORATION LIMITED is founded in the research method for the first time. As for control mode, the Fuzzy-PID logic control is used in the control of HER for the first time. By analyzing the experiment and simulation, we can find that the Fuzzy-PID control improve the dynamic response. In the end, the experiment curve lines resulted from the simulation model of HER are compared with the experiment curve lines resulted from the field experiment. The result verifies that the simulation model of HER is reasonable and that Fuzzy-PID control is feasible on the tractors HER system. Aimed on the HER control system, the paper mainly includes the following contents: 1In the light of the operation principle of HER, the math model of HER is founded. 2Based on the hydraulic hitch on the Dongfanghong-1604 tractors, the transfer function is founded. 3By means of output feedback which includes the slip and height of HER as the input of Fuzzy-PID logic controller whose output is the displacement of valve core of electro-hydraulic proportional valve (controlling the opening of the valve), the fuzzy logic controller can be designed by FUZZY TOOL BOX of MATLAB and so the Fuzzy-PID logic control system will be set up in MATLAB. 河南科技大学硕士学位论文 IV4Carrying out the simulation and analyzing the Fuzzy-PID control action, the HER simulation model which will be used in the hydraulic hitch is verified and the Fuzzy-PID control which is used in the hydraulic hitch is feasible. 5By comparing the experiment curve which is got from the experiment with the simulation curve which is gained from the simulation model, the results verify that electronic-hydraulic hitch model is valid. In conclusion , achievements and results of the study on HER above-mentioned are mainly as follows： 1Based on the components and parameters which is currently used in the electronic-hydraulic hitch, according to the development of control technology and the principle of HER, the electronic-hydraulic hitch model is founded and the transfer function of HER is calculated. 2Fuzzy-PID controller which is applied to the HER is carried out for the first time. Based on the Fuzzy-PID controller, the HER fuzzy-PID control system is founded. The comparison of simulation results between fuzzy-PID control and no fuzzy-PID control manifests the effectiveness and necessity of the fuzzy-PID control. 3By comparing and analyzing the processed test data, the fuzzy-PID control model of HER is verified. The fuzzy-PID controller of HER is feasible. The results provide referenced values for the designs of HER. KEY WORDS：Hitch, Electronic hydraulic, Fuzzy-PID control, Fuzzy control, Simulation Dissertation Type: Basic research and application 第 1 章 绪论 1第1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题来源 课题来源 大功率拖拉机电控液压悬挂系统是中国一拖集团有限公司核心部件预研项目。该项目即结合了当前中国当前拖拉机的发展现状和参与市场竞争两方面的需要，又带动了拖拉机悬挂系统的技术进步和技术革新，进一步发挥出大型轮式拖拉机的优势。 当前我国国内拖拉机的悬挂系统的应用上，主要应用的还是是液压悬挂系统。液压悬挂系统能够明显降低劳动强度，提高了作业效率，并且可以获得较大的力矩和力，从而可以使拖拉机整体结构简洁、重量轻，还有就是液压传动操作简单、方便，结合电控技术的发展，更易于实现远距离对控制对象的操作和自动控制。 增加了电控技术的液压悬挂系统（简称电控液压悬挂系统）是当前拖拉机尤其是大型拖拉机高新技术发展的产物，它结合了电控技术的优点，又利用了当前液压悬挂系统的特点，其优点在于：驾驶员能够通过按钮或者操作手柄简单的操纵就可以实现对悬挂系统的控制；系统具有自我调节能力能够减轻驾驶员的劳动强度；扩大了大型拖拉机的应用范围和优势；适用性范围比较广，通过对控制技术的编程从而能够实现对多种农机具和多种土壤耕作的目的；能够通过对悬挂系统和发动机的联合控制来达到节油和提高效率的目的，而这正是拖拉机悬挂系统发展的目的和方向。电控液压悬挂系统在拖拉机上的布置如图 1-1 和图 1-2 所示。 电控液压悬挂系统拓展了大型拖拉机的应用范围和优势，克服了液压悬挂系统耕作时反应调整时间较长和劳动强度高等缺点，能够很容易的实现对农机具的匹配和拖拉机发动机等的结合从而到达实现提高效率降低能耗的目的。同时又保持了当前液压悬挂系统的优点，也有利于在原有的基础上进行技术升级。但是目前国内拖拉机上的悬挂系统还处于液压悬挂系统占优势的阶段，电控技术在悬挂系统上的应用还处在实验和开发阶段，相对于电控液压悬挂系统的控制策略还处在初步研究和开发阶段，而国外悬挂系统的发展已经出现了电控技术在液压悬挂系统上的应用并且已经开发出了实用的产品。因此当前结合国外悬挂系统的发展 河南科技大学硕士学位论文 2 图 1-1 电控悬挂系统在拖拉机上的布置（室内） Figure 1-1 The layout of electronic hydraulic hitch 图 1-2 电控悬挂系统在拖拉机上的布置（田间） Figure 1-2 The layout of electronic hydraulic hitch 趋势来研究开发出适合悬挂系统的控制技术来说尤为重要，而这都是我国国内拖第 1 章 绪论 3拉机悬挂系统设计开发的薄弱之处。 本课题就是基于当前国内和国外拖拉机电控液压悬挂系统发展趋势，建立悬挂系统的数学模型，对电控液压悬挂系统的控制策略进行研究，找出适合于拖拉机悬挂系统的控制策略，并通过实验和仿真研究的分析和对比，验证出建立模型的合理性和正确性以及验证出 Fuzzy-PID 控制应用于电控液压悬挂系统的可行性和适用性，从而为电控液压悬挂系统的设计开发提供一定的参考价值。 1.2 拖拉机电控液压悬挂系统的结构特点及其应用 拖拉机电控液压悬挂系统的结构特点及其应用 1.2.1 拖拉机电控液压悬挂系统的结构拖拉机电控液压悬挂系统的结构 当前电控液压悬挂系统比较常用的系统配置如下图 1-3 所示，通过控制面板来对电控液压悬挂系统进行控制，控制单元根据控制面板发出的指令和内部所储存的发出指令信号（电流信号）来控制电液比例方向阀的阀芯位移达到控制液压油的流量和方向，从而控制工作油缸和安装了农机具的悬挂杆件的上升和下降来达到控制目的。 1.控制面板 2.负载敏感阀和电磁阀 3.液压油泵 4.压力传感器 5.感应位移传感器 6.室外升降控制按钮 图 1-3 拖拉机电液悬挂系统布置图 Figure 1-3 Structure of the tractor electronic hydraulic hitch 在图 1-3 中，感应位置传感器是用来测量悬挂杆件的转角，以此来测量出悬挂在悬挂杆件上的农机具的作业耕深；压力传感器是用来测量悬挂杆件在作业时受到的牵引阻力；控制面板用来对整个悬挂系统进行控制；室外升降按钮是用来河南科技大学硕士学位论文 4实现在驾驶外对悬挂系统的升降控制。其中控制面板实现对滑转率的控制是利用在微处理器中设定的阈值的方法来实现对其控制的，因此在本文中也采用这种方法对拖拉机耕作时的滑转率采用给定阈值的方法。 结合当前我国和国际上拖拉机电控液压悬挂系统的发展现状和电液控制技术的发展趋势，在拖拉机液压悬挂系统上采用电液控制，这能够使拖拉机液压悬挂系统具有便捷的操作性和高效的作业效率和实现良好的经济性，具有机械控制无法比拟的优点。本课题是在中国一拖大型拖拉机液压悬挂系统技术升级开发的课题基础上进行理论研究，分析系统的原理，并在此基础上建立其系统的数学模型，结合当前控制技术的发展，通过比较选择合适的控制策略，通过仿真来实现对控制目标耕深的控制，从而设计出适合拖拉机电控液压悬挂系统的控制策略，来实现对拖拉机悬挂系统的较优控制。 1.2.2 拖拉机电控液压悬挂系统的特点拖拉机电控液压悬挂系统的特点 传统的拖拉机液压悬挂机组的控制方式是机液控制系统，从七十年代它逐渐被电液控制系统代替。这是因为电液控制系统具有以下优点： 1通过按钮等控制改善了操作性能，减轻了驾驶员的劳动强度，并提高了驾驶员的舒适度； 2利用电控技术提高了控制精度； 3结合实际情况，可以方便的实现多种控制； 4容易实现控制灵敏度和控制范围的调节； 5除力调节、位调节以外，电控回路可以自由进行多种控制的组合，克服了单项调节的缺点，并且信号测量简单，传递容易，合成简便； 6结构简单，在原有的机械式液压控制牵引力传感器部件的基础上，容易安装电液悬挂系统的传感机构； 7今后的发展方向是利用控制技术和微处理机来控制整机，有利于拖拉机向智能化方向发展。 1.3 拖拉机电控液压悬挂系统的研究和发展综述 拖拉机电控液压悬挂系统的研究和发展综述 1.3.1 拖拉机液压悬挂系统的发展历程拖拉机液压悬挂系统的发展历程 拖拉机作为一种农业机械开始与 20 世纪的早期，一个典型的里程碑就是由Harry Ferguson 在十九世纪二十年代发明的拖拉机机械悬挂装置，之后经过不断完善和发展，逐渐在拖拉机上得到了广泛的应用。 第 1 章 绪论 5从 30 年代起农用拖拉机开始采用液压悬挂装置，它利用液压作为提升和控制悬挂农具的动力，液压悬挂装置包括三部分：悬挂机构、液压系统和操纵机构。 悬挂机构：连接农具且由杆件组成的空间机构，但为了简化，通常将它当作投影在纵向平面内的平面六杆机构。 液压系统：由液压泵、液压缸、控制阀和其他液压元件组成。与一般的液压系统一样，液压泵和液压缸用来将发动机的动力转换为提升农具所需要的动力。控制阀用来控制油液流动方向，操纵农具升降或者保持不动。 操纵机构：有简单的操纵机构和伺服操纵机构两种。前者的液压系统控制阀由由驾驶员直接手动操纵；后者的液压系统控制阀由伺服机构（随动机构）来操纵，它可由驾驶员操纵也可自动控制。 自 20 世纪 70 年代电子技术和微机控制技术的出现，发展和成熟，机电一体化技术逐步被应用到拖拉机上，取得了良好的效果。尤其是近几年来，汽车电控技术的迅猛发展，在一定程度上也带动了电控技术在拖拉机上的应用，使现代新型的拖拉机产品日益朝着自动化和智能化的方向发展。世界各大拖拉机生产企业都在积极开展这一领域的研究探索，并把采用机电一体化技术作为其产品向高级化发展的一个象征性战略。自七十年代以来，拖拉机上采用了大量的机电一体化技术，在液压悬挂系统的基础上，开发出了拖拉机电控液压悬挂系统，如下图1-4 所示。 图 1-4 拖拉机电控液压悬挂系统 Figure 1-4 The tractor electronic hydraulic hitch system 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。河南科技大学硕士学位论文 61984 年德国博世公司开发成功整体式的电控液压悬挂提升阀，用于小马力轮拖采用开关量控制；1992 年又开发成功开心式电液比例控制提升阀，用于大马力轮拖，它可以实现力位控制、灵敏度控制、滑转率控制、减缓拖拉机运输状态颠簸控制、农具下降速度控制等；1995 年开发成功了闭心式电液比例控制提升阀，采用负荷敏感阀，系统更节能，用于大马力轮拖；2000 年在小马力拖拉机上开发出闭心式电液比例提升阀。2002 年国外在拖拉机液压提升阀及备用阀上都采用了比例控制方案，且采用了故障监控与诊断技术，使用更方便更具人性化。总之经过几十年的研究和开发，在发动机、传动系、悬挂系统、驾驶员指导信息系统等其它许多方面也都形成了实用化的产品2。 随着微电子技术和控制技术的发展及其在拖拉机上的日益广泛应用，当前拖拉机电液悬挂系统的控制将会发展到结合拖拉机总体性研究和控制上来，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开辟了道路，从而实现拖拉机的各个子系统高精度、高实时性的自动控制，而且使拖拉机的控制系统具有一定的逻辑判断能力，提高拖拉机对外界环境的适应能力，使其能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个子系统的工作效能，实现发动机、传动系及其悬挂机构各子系统的自动控制以及各个子系统之间的优化匹配，从而更好的满足对拖拉机的各项使用要求。 1.3.2 国内外拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状国内外拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状 拖拉机液压悬挂系统主要用来在使用过程中根据外界条件或者特定要求对农机具进行调节，对农机具调节的方式比较常用的有：位调节，力调节，力位综合调节等，还有在非耕作情况下对农机具实现快速上升和下降的调节。在前面的调节方式中，力调节主要用于在土壤比阻比较均匀的条件下，为了能够保证拖拉机的发动机负荷的稳定性，同时提高发动机的牵引效率，从而提高拖拉机的作业效率，由于它也能保证耕深的稳定性，因而得到了广泛的应用。同时考虑到在土壤比阻变化比较大的情况下，力调节只能保证发动机的负荷的稳定性而不能保证耕深的均匀性，因此提出了力位综合调节，综合调节法的基础是阻力控制法，在土壤比阻均匀条件下，还是要尽量保持发动机负荷稳定的，只是在比阻变化较大时，它才靠牺牲发动机负荷的稳定来保持耕深的比较稳定。传统的拖拉机液压悬挂机组的控制方式是机液控制系统，从七十年代它逐渐被电液控制系统代替1。 对拖拉机的液压悬挂系统进行微机电子自动控制早在七十年代就出现了，并且在市场上已经出现了可使用的产品，如日本芝浦公司的 IC 控制系统具有位调第 1 章 绪论 7节、力调节控制功能外，还具有旋耕作业时控制旋耕深度的功能，拖拉机左右倾斜作业时，还具有在控制农机耕深的同时还保证农机具左右倾斜角的功能以保证耕作质量3德国博世（BOSCH）公司提供的电液控制提升器已配置在戴姆勒奔驰、道依茨、麦赛福格森等公司的大功率拖拉机上，它有利于提高拖拉机的效率，该系统具有位调节、力调节、力位综合调节和高度调节控制功能34。以富格森公司 3000 系列拖拉机所用的电液调节系统为例：它是利用一个小型微处理器把力、位传感器输出信号与驾驶室仪表盘上给定的数据进行均衡，自动完成必要的调节，系统中装有深度控制指针、传感器开关、灵敏度指示盘和升降指示灯4。 七、八十年广泛研究的悬挂牵引测力仪5,6,以及计算机应用在悬挂系统中进行悬挂装置的计算和设计7。在牵引力控制系统中采用电液比例阀时，理论上算出的控制器的增益往往比较保守，通过土槽试验发现，实际增益可以取得比理论值大8，这为建立控制系统的传递函数提供了参考。文献9提出以拖拉机的滑转率来控制发动机状况、变速档位、工作装置的力调节，使各方面配合以达到机器耕作高效低耗目的。文献10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“耕深力”、“速度力”、“土壤阻力力”三模型的动态特性，是进行设计液压悬挂控制系统的基础。电液比例阀逐渐被应用于农用机械中，例如在播种机深度调节中的应用11，该文首先对控制系统建模，然后进行了开环、闭环传递函数分析、室内试验和计算机仿真优化来验证及对比，得出系统在优化后对 25mm 的阶跃信号的响应时间为 255mm，比经验值提高了 23%，控制精度也有所增加。 在实际应用产品方面，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-D 提升调节装置，其核心是一个由带有 8 路模拟量输入输出通道的微处理器和程序存储器，系统使用的传感器有：安装在下拉杆的磁致伸缩式测力销、安装在提升臂上的角位移传感器、液压系统中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、压力调节和滑转率调节。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。该系统不仅可以维持耕深，而且可以调节车桥载荷，控制驱动轮的滑转率。奔驰、芬特、万国、福格森河南科技大学硕士学位论文 8等多个拖拉机生产厂家均在其生产的大功率拖拉机上装备了此种电液控制装置，对于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4。此外，其它知名的拖拉机厂商，如约翰笛尔（John Deere）、纽荷兰（New Holland）等也都各自开发了相应的数字化控制系统。 而在我国，拖拉机上运用带有力调节、位调节、综合调节的液压悬挂系统出现的则比较晚。按时间划分下面几个阶段：第一阶段为初步研究阶段。在七十年代中期，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规律的东西来，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，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，洛阳工学院、江苏工学院都作了一些有益的工作。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，如基于动态性能的分析，提出一种拖拉机力调节系统建模与优化设计的方法，包括建立数学模型，分析稳定性和动、静态品质，求取动力机构的最佳匹配参数和系统的其它设计参数 12；以及定性地分析了土壤阻力干扰对耕深的影响以及机组在实际耕作过程中诸信号之间的传递关系，并建立了室内试验系统，进行了室内仿真试验，论述了仿真试验原理和模拟加载装置设计要点等13-15。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，国内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开发。九十年代，随着电子技术的飞速发展，计算机模拟、电子控制、微计算机控制蓬勃兴起并应用于拖拉机液压悬挂系统的控制中。首先在室内试验中，提出一种新的纯牵引力传感器16，而且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进行了测试和评价其动态品质 17。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，对比了原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，而且提出位置控制、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18。还进行了伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较19。文献20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研究。文献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-51 单片机控制器对拖拉机耕作作用的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。同时期一些研究者也提出了一种新的在室内研究和评价第 1 章 绪论 9悬挂系统耕作性能的方法21,22和建立耕作过程中土壤阻力数序模型以及阻力控制系统的室内模拟实验系统的方法23。 从国内电控液压悬挂系统的发展可以看出，目前在我国国内拖拉机电控液压悬挂系统的研究还存在下面的不足：（1）基本上是对悬挂系统进行单个研究，对拖拉机发动机，变速箱，液压系统，电控系统等的综合控制方面研究的比较少；（2）控制对象主要是牵引阻力和耕深，对多参数，如滑转率、行驶速度、发动机转速和发动机负荷的联合控制研究的比较少；（3）控制工具由单片机组成，还是在试验室试验阶段，加上传感器、控制总线技术和信息显示方面的影响，还没有形成使用化和产品化，国内只能从国外进口成套的系统使用；（4）多在室内仿真试验研究，由于还没有应用于实际中，因而在田间作业方面还没有得到对自动控制系统的工作特性的性能指标。 当前对拖拉机的研究大致包括下面两个方面：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、分割的监控走向相关系统联合、协调的控制，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的控制体系，实现拖拉机作业机组在各种工作条件下的最优匹配。国外近几年的研究和产品开发很好地体现了这个发展趋势。比如：纽荷兰（New Holland）公司 1995 年推出的 M160 型拖拉机就采用了多个子控制系统，使驾驶员可以通过简单的按键，从提供的前进挡和后退挡中选择适宜的工作挡位；对悬挂装置电液控制系统等24；另一方面，应用最优适应控制、模糊控制等智能控制理论，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。而本文正是基于这个目的即通过对电控液压悬挂系统控制技术的研究，找出适合系统的控制算法，为电控液压悬挂系统控制技术的设计开发提供一定的参考价值。 1.4 本课题的意义和研究的内容 本课题的意义和研究的内容 1.4.1 课题的意义课题的意义 本课题是基于中国一拖大型拖拉机电控液压悬挂系统开发项目。当前我国国内拖拉机电控液压悬挂系统还处于起步阶段，在电控液压悬挂系统控制技术的开发和设计上来说更是比较薄弱。由于电控液压系统的设计和开发在实际中需要很长的时间实验标定，时间长而且费用高。对电控液压悬挂系统的仿真控制技术的研究可通过软件在环（SIL）方式进行控制系统开发，不仅能够在设计过程中调整参数，实现一系列的设计开发，而且缩短了设计开发周期和减少了开发费用，河南科技大学硕士学位论文 10尤其是通过虚拟仿真可以为现实的设计开发提供理论研究的依据和特性分析，从而可以为实际设计开发提供参考依据。本文正是基于这个目的，首先对电控液压悬挂系统进行分析，结合常用的系统元件建立起系统的数学模型，选择合适的控制策略，并将建立的数学模型和控制策略结合来研究电控液压悬挂系统在对耕深调节过程时的特性和动态响应，并与试验结果相比较，从而分析出建立的系统模型的正确性和合理性，以及所设计的 Fuzzy-PID 控制应用于拖拉机电控液压悬挂系统的可行性和适用性，从而为电控液压悬挂系统的设计开发和系统控制器的设计提供理论依据和参考价值。 1.4.2 课题研究的内容课题研究的内容 1在中国一拖技术中心引进开发的大型拖拉机悬挂系统引进开发的基础上，结合当前在拖拉机悬挂系统上比较常用的方向比例控制阀和传感器等元件，对拖拉机电控液压悬挂系统进行分析，在分析和参考资料的基础上确立系统的数学模型。 2根据建立的数学模型，结合当前模糊控制技术和 PID 控制，利用MATLAB7.0 中的模糊逻辑工具箱 Fuzzy Logic Control Toolbox 设计一种适合电控液压悬挂系统的控制算法，并在 Simulink 仿真环境下建立了系统的模糊 PID控制模型。 3根据建立的系统数学模型和模糊 PID 控制模型，在实际情况（土壤的比阻的变化和耕作过程中遇到突然外界力增加或者减少的情况）下，结合具体的电控液压悬挂系统元件进行实验仿真分析，通过对建立的 Fuzzy-PID 控制模型前后的仿真对比分析，初步验证建立数学模型的正确性和合理性以及将所设计的Fuzzy-PID 控制应用于电控液压悬挂系统的合适性和可行性。 4结合电控液压悬挂系统的田间试验，根据试验采集的数据处理后的曲线与建立的 Fuzzy-PID 控制模型的仿真曲线进行分析对比，进一步验证所设计的Fuzzy-PID 控制器应用于拖拉机电控液压悬挂系统的可行性和适用性，从而为电控液压悬挂系统动态性能分析和控制策略的研究和开发提供一定的参考价值。 第 2 章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 11第2章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 第2章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 2.1 综述 综述 拖拉机上电控液压悬挂系统是实现对农机具耕作和升降进行控制的装置，它由液压泵、负荷敏感阀、工作油缸、电磁阀、微处理器、控制面板、传感器、悬挂装置等组成。整个电控悬挂系统原理如图 2-1 所示。 控制面板控制面板控制单元控制单元磁感应传感器磁感应传感器液压缸液压缸驱动电路驱动电路压力传感器压力传感器电液比例阀电液比例阀液压泵液压泵油箱油箱 图 2-1 电控液压悬挂系统原理图 Figure 2-1 Principle of the electronic hydraulic hitch 在本章中通过对方向控制阀和液压缸等元件的分析，建立起电控悬挂系统的数学模型，为后面对电控悬挂系统控制策略的选择做好准备，在本论文中以位置调节和滑转率的联合控制和力调节和滑转率的联合控制建立其系统模型，其系统原理可以简化为图 2-2 和图 2-3 所示的原理方框图。 要对电控液压悬挂系统进行仿真实验分析，选择并设计出合适的控制策略，就必须建立系统的数学模型，然后才能按照建立的数学模型对整个系统进行仿真实验分析，下面便按照其控制原理图建立电控液压悬挂系统的数学模型。 河南科技大学硕士学位论文 12单片机控制器单片机控制器电液比例方向阀电液比例方向阀液压工作油缸液压工作油缸悬挂杆件悬挂杆件液压源液压源感应位移传感器感应位移传感器设定的位置输入信号设定的位置输入信号Ui(t)设定的滑转率范围设定的滑转率范围实际耕深实际耕深 图 2-2 位和滑转率综合控制方框图 Figure 2-2 The block diagram of comprehensive control on location and slip 单片机控制器单片机控制器电液比例方向阀电液比例方向阀液压工作油缸液压工作油缸悬挂杆件悬挂杆件液压源液压源力传感器力传感器设定的牵引力输入信号设定的牵引力输入信号Ui(t)设定的滑转率范围设定的滑转率范围实际牵引力实际牵引力土壤比阻土壤比阻 图 2-3 力和滑转率综合控制方框图 Figure 2-3 The block diagram of comprehensive control on location and slip 2.2 电控液压悬挂系统建模 电控液压悬挂系统建模 2.2.1 电控液压悬挂系统的工作原理电控液压悬挂系统的工作原理 拖拉机电液悬挂系统通过操纵控制面板上的操作按钮对电控悬挂系统进行控制。通过操作按钮可以实现力调节、位调节和力位综合调节，悬挂系统的快速提升和下降，滑转率控制，悬挂系统的减震等功能，从而可以实现驾驶员不用下车即可以实现对所有的作业机组功能进行操作。 其中悬挂系统作业机组的力控制系统是一种阻力控制系统，它的目的是为了维持拖拉机发动机负荷平稳从而实现燃油经济性的目的。力调节通过悬挂系统中的下拉杆轴向力的变形来测量作业机组的受到的牵引阻力的变化，牵引阻力作用在下拉杆铰点上的压力传感器使其产生一定的挠度变形，从而利用压力传感器的第 2 章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 13变形产生一定的电压差，输出的电压经过放大电路，送给微处理器，如图 2-3 所示，在微处理器中对信号经过采样、A/D 转换和数据处理，得到的信号值与设定的牵引阻力 Ui(t)比较，产生一个偏差信号 e，根据偏差信号 e 的大小，微处理器发出一定占空比的 PWM 波，再经过电液比例方向阀内的功率放大器放大，从而控制电磁阀和阀芯的移动来控制电液比例阀流向液压油缸油液的流向和开口量，实现控制悬挂系统来提升或者下降农机具的目标。当偏差量 e 的大小正好满足方向阀开口量与泄露量相等时，系统处于平衡状态，农机具不再升降，当 e 大小不满足平衡状态时由 e 的大小正负来决定农机具上升还是下降。力控制又称为阻力控制，主要用于犁地、耙地、深耕以及其它如图农具的耕地作业。其优点是：能自动保持拖拉机牵引力稳定。当时它的主要缺点是不适宜用在浅耕或离地作业的农具上，在土壤坚实度差异很大的地上作业时，对工作深度均匀性影响很大。 悬挂系统作业机组的位控制系统是一种位置控制系统，它能够实现悬挂的农机具与拖拉机的相对位置保持不变，如图 2-2 所示。当相对位置发生变化时，位调节起作用，能自动调节农机具回复到设定的位置。此处的设定值是由用户根据实际情况所设定的耕深，而拖拉机作业时的实际耕深则是由悬挂系统上的提升臂转轴上的感应位移传感器测量得到，感应位移传感器把实时测量的位置信号反馈到微处理器处，微处理器经过采样、A/D 转换和数据处理，与设定值比较得到偏差信号 e，如果 e 超过位调节的控制范围10%（参见国标 GB1593-79）,微处理器根据 e 的大小从而控制输出一定的 PWM 信号，经过驱动后形成电磁阀的控制电流，从而使电磁铁产生一定的吸引力而移动一定的距离，进而控制电磁阀方向敏感阀对于特定的要求形成开口量，从而在液压油的作用下控制农机具的升降。农机具的上升和下降速度与形成的偏差信号 e 有关，偏差信号 e 越大，产生的控制电流越大，从而使阀芯的开口量越大， 那么农机具的升降就越迅速。其一般不用于犁地、开荒等作业，否则不仅发动机负荷很不稳定，而且严重影响耕深均匀甚至损坏农机具。 2.2.2 电液比例方向阀的综述电液比例方向阀的综述 电液比例阀是在普通液压阀的基础上加上电气控制部分发展起来的。电气控制部分包括电放大器和比例电磁铁。比例控制放大器是用来对比例电磁铁提供特定性能电流，并对电液比例阀电液比例控制系统进行开环或闭环调节的电子装置。它是电液比例控制元件或系统的重要组成单元。比例电磁铁的作用是将电信号转变为机械位移或力输出信号，其动态性能由线圈电流动态特性、输出力动态特性和位移动态特性决定。比例阀的控制模型包括阀芯位移模型和流量模型。比河南科技大学硕士学位论文 14例阀控制板由生产厂家配备，该控制板接受来自计算机的电压控制信号，输出为控制驱动比例阀电磁铁动作的电流量比例阀阀芯位移的响应时间一般在 50ms以内，而液压执行系统响应一般比较慢25,26。在本课题中选用的 DLHZO-TE-PS040L53 型电液比例换向阀，其响应时间在 10ms 以内（见表 4-1），且为线性阀芯（其流量调节曲线见图 2-4，频率特性见图 2-5）。因此，在此将其简化为一个比例系统，比例系数取为 VmKxv/1034= +20-31050100200011224590流量流量(l/min)输入信号输入信号(V)100%80%60%40%20%20%40%60%80%100%40268 10-2-4-6-8-10PATBPTAB 图 2-4 DLHZO 型阀频率特性曲线（左） Figure 2-4 The frequency characteristic curve for DLHZO 图 2-5 DLHZO 型阀线性阀芯流量调节曲线（右） Figure 2-5 The valve core discharge curve for DLHZO 2.2.3 比例方向阀的流量方程比例方向阀的流量方程 液压动力机构是液压控制系统的核心部分，其性能在很大程度上决定了整个液压控制系统的性能。其中比例阀用于控制精度、稳定要求较高的位置系统。本论文采用正重叠（负开口）四边阀27,28。在此假设供油压力Ps恒定。 当y &0时（式中y-液压缸活塞杆的位移）： 比例阀的流量方程（设回油压力PR=0） ()LsvdLPPwyCQ=2 （2-1） 式中： dC流量系数； w 窗口面积梯度，mm； sP供油压力，Pa； 第 2 章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 15 油液密度，kg/m3； LP负载压力，Pa。 当 y&0时： 此时比例阀的流量方程（设回油压力PR=0） LvdLPwyCQ2= （2-2） 由上面式子可以看出负载流量和负载压力之间是非线性关系，对式子（2-1）进行线性化处理，将方程在初始位置处展开泰勒级数，并省略掉后面的高阶部分，得： ()()()LLSLSvdvLSdLPPPPPwyCyPPwCQ0000222= （2-3） 式中： 0vy阀芯初始位移，m； 0LP负载压力初始值，Pa。 设 ()02LSdqPPwCK= （2-4） ()()00022LSLSvdcPPPPwyCK= （2-5） 则得比例阀的线性化负载流量方程为 LcvqLPKyKQ= （2-6） 式中： qK阀流量增益，m2/s； cK阀流量压力增益，m5/Ns。 经拉普拉斯变换得 LcvqLPKYKQ= （2-7） 2.2.4 液压缸的力学方程液压缸的力学方程 忽略库仑摩擦等非线性负载和油液的质量，根据牛顿第二定律，可得 ()FyKyCymAPeeL+=&1 （2-8） 式中： 河南科技大学硕士学位论文 16eA 液压缸有效面积，m2； eK 折算到活塞上的负载弹簧刚度，N/m； m 折算到活塞上的负载等效质量，kg； C 折算到活塞上的粘性阻尼系数，Ns/m； F 作用在活塞上的负载力，N。 经拉普拉斯变换得： ()FYKCYsmYsAPeeL+=21 （2-9） 2.2.5 液压缸的流量方程液压缸的流量方程 LeeLteLPVPCyAQ&4+= （2-10） tC 总泄露系数，m3/sPa； eV 总工作容积，m3； LQ进入液压缸的流量，m3/s。 其中（2-10）中右边的第一项是工作流量，第二项是泄露流量，第三项是压缩流量。 经过拉普拉斯变换得： sPVPCYsAQLeeLteL4+= （2-11） 将式子（2-7）、（2-9）、（2-11）联立可以得出比例阀控液压缸的动态方程，即比例阀控液压缸的数学模型为： ()()()2222223224444eetctceeeeeeeeetceeeLeeetceqAKCKsCKCAVKAsACVAmCKsAmVFsAVCKyAKY+=（2-12） 设ceK =tcCK+，式子（2-12）可变为 222222322414441eeceeceeeeeeeeeceeeeLceeeeceeqAKKsACKAVKsACVAmKsAmVFsKVAKyAKY+= (2-13） 由于位置控制无弹簧，系统阻尼有很小，所以eK =0，C很小，则式（2-第 2 章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 1713）可简化为 +=2222141hhhLceeeeceeqwsswsFsKVAKyAKY （2-14） 式中： h相当阻尼系数，mVACVmAKeeeeeeceh4+= hw 液压缸的液压固有频率，mVAweeeh24= 可得电液比例阀控制液压缸的传递函数框图，如图所示： +sKVAKceeeece412LFxvKeqAK+22211hhhwssws-+UiY 图 2-6 电液比例阀控制液压缸的传递函数方框图 Figure 2-6 The transfer block diagram of electro-hydraulic proportional valves to control the hydraulic cylinder 2.3 相关参数的确定 相关参数的确定 本节相关参数的具体计算参照第四章中所选择的元件的技术数据 1活塞的有效面积236210027. 510280mAe=。 2流 量 系 数dC =0.62， 窗 口 面 积 梯 度21014. 3=w， 油 液 密 度 = 33/10027. 5mkg。 河南科技大学硕士学位论文 183液压缸总泄露系数Ct 泄露系数不易算准，它与液压缸结构、活塞直径和密封方式有关，此处据经验值取Ct=0.3610-10。 4活塞上的负载等效质量m 活塞上的负载等效质量包括农具、悬挂杆件、切削土壤质量以及活塞在内的总的等效质量，在此取等效质量为m=20560kg29。 5有效工作容积eV 从控制层面上来讲，本论文所研究的控制系统只对耕深，即地面以下进行自动控制，所以阀控机构总工作容积应只包括活塞不使农机具超过地面时的最大工作容积。经计算，这是活塞行程不超过L=55mm，那么液压缸的有效工作容积可计算得到341076. 2mLAVee=。 6流体体积弹性模数e 系统的有效体积弹性模量e受到油液的压缩性、管道以及油液中所含空气的影响，在此可取为MPae900=。 7阀流量增益qK、阀流量压力增益cK和总泄露系数Kce 将数据带入公式（2-4）、（2-5）可得分别等于2.596和5.67810-10。 从而可以得出ceK=SNmCKtc=+=+/10038. 610)36. 0678. 5(51010。 8液压缸的液压固有频率hw和相当阻尼系数h 将数据带入式中可得值为sradwh/6 .63=，据经验值一般取h=0.5。系统模型可以简化为： ()+=2243 .633 .635 . 0210508. 01102 . 14 .516sssFsyYL （2-15） 2.4 电液悬挂系统其他部件分析 电液悬挂系统其他部件分析 本节中相关参数的具体计算参照第四章中所选择的元件技术数据 2.4.1 悬挂杆件分析悬挂杆件分析 农具耕深H与液压缸位移y在设定的耕深处可近似认为比例环节，设其比例系数为Kg，液压缸位移y与提升臂转角之间具有近似关系为Ky= y/=2.0228mm/（见第四章计算）；耕深H与提升臂转角之间的关系KH=/H=0.1034/ mm（见第四章计算）；从而可以计算得到 7801. 4/=yHKg （2-16） 第 2 章 电控液压悬挂系统数学模型的建立 192.4.2 角位移传感器角位移传感器 角位移传感器根据其特性曲线可知：输入角度为，输出电压为U为比例环节，为比例环节，则可的增益为K1=0.015/，则对于位反馈来说，它也为比例环节增益 mmVKKKHf/10551. 11034. 0015. 0311= （2-17） 2.4.3 压力传感器压力传感器 机组的作业阻力值与牵引力PT相同，因此机组的作业阻力可用拖拉机的牵引力PT来表示，对犁耕机组可按下式计算，即 ZHbkPFT= （2-18） 式中k土壤比阻，N/cm2；b单体犁铧宽度，cm；H耕深，cm；Z犁铧数。可见作业阻力PT受土壤比阻 k、耕深 H 和农具作业幅宽的影响，对具体的作业机组，农具工作幅宽是个定值。土壤比阻 k 是土壤性质的综合性能指标，具有随机性质，不能对它进行控制。在一定的土壤条件下，牵引力PT与耕深 H成正比，随着耕深的变化而变化，控制耕深也就控制了牵引力。 为了检测牵引力，在下拉杆轴处放置分别放置两个压力传感器，根据压力传感器由博世公司提供，由其特性曲线可得力反馈通道2fK的值。 KNVKNVKf/05. 0100/52= （2-19） +sKVAKceeeece412LFxvKeqAK+22211hhhwssws-+设定耕深UiKg1fK实际耕深H+- 图 2-7 位调节方式传递函数方框图 Figure 2-7 The transfer block diagram for location adjusted fashion 河南科技大学硕士学位论文 20+sKVAKceeeece412LFxvKeqAK+22211hhhwssws-+设定牵引力设定牵引力Ui(F)B实际牵引力实际牵引力F+-2fK 图 2-8 力调节方式传递函数方框图 Figure 2-8 The transfer block diagram for force adjusted fashion 综合式子（2-15）、（2-16）和（2-17），可得电液悬挂系统以耕深为输出的位调节方式传递函数方框图，如图2-7所示。 综合式子（2-15）、（2-18）和（2-19），可得电液悬挂系统以牵引力为输出的力调节方式传递函数方框图，如图2-8所示。 2.5 小结 小结 本章首先分析了拖拉机电控液压悬挂系统的工作原理，并建立了系统的工作原理框图。 通过对电控液压悬挂系统常用元件的分析，电液比例方向阀的特点和系统调节方式的选择，根据其流量调节曲线和频率特性将其简化为一个比例环节，并确立了比例系数。接着对液压缸建模，通过分析比例阀的流量方程，液压缸的流量方程和液压缸的力学模型和悬挂杆件的计算并参考相关资料建立起系统的常用的数学模型。 然后根据计算公式和元件的选型来确定各环节的参数，最后得到了简化的系统传递函数方框图，从而可以为后面的章节中利用该数学模型对电控液压悬挂系统进行动态实验和仿真模型进行对比分析提供条件。 第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 21第3章 电控液压悬挂系统第3章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 控制器 3.1 前言 前言 由前面分析我们可知拖拉机电控液压悬挂系统是一个大时滞、非线性复杂的被控对象，尤其内部参数及外负载发生变化时，其控制过程难以实现预期的稳定和精度。虽然可以用一定程度的数学模型或者说是综合响应方程式定性地描述它，但在实际工作过程中，由于系统本身的内外因素以及外在负载的变化等情况，直接影响着模型参数的变化。因此，系统本身有很大的不确定性。所以我们要采取一些校正方案对其进行控制。 3.2 电控液压悬挂系统控制策略的选择 电控液压悬挂系统控制策略的选择 在工业过程中，被控对象数学模型已知的情况下，应用PID的三种控制作用的控制效果，正确调节调节器的各个参数，可以获得比较满意的控制效果。因为其算法简单，参数调整方便，并且具有一定的控制精度，并在实践中取得良好的效果，因此它已经成为当前最为普遍采用的控制算法30,31。 传统的拖拉机悬挂系统仿真通常采用 PID 控制算法或者其变形形式，这种控制算法属于经典控制范畴，而 PID 控制算法对于线性系统或者非线性程度较小的系统具有很好的控制性能。而经典控制理论适用于被控制对象具有确定的精确模型，如果对于不太确定的或者不太精确的模型使用经典控制算法的话，那么建立的数学模型则缺乏灵活性和应变性，很难胜任对负载系统的控制。而对于电控液压悬挂系统来说，必须考虑作业机组受到的阻力、耕作深度、滑转率等因素，这整个悬挂系统考虑起来的话是一个及其复杂的系统，再加上这个系统受到因素比较多，具有本质非线性参数时变的大惯性系统，要想取得好的控制效果的话，应该考虑采用非线性系统的控制算法。 传统的PID控制工作稳定、可靠性高，但由于电控液压悬挂系统比较复杂，其缺陷逐渐暴露出来。为了克服常规PID调节器的不足，提高控制性能，需开发一种与它相结合的控制策略。本文针对这一问题提出了PID控制和模糊控制一起组成的 Fuzzy-PID控制器，其鲁棒性大为提高，超调量减少，较好的解决了快速性与小超调之间的矛盾：并采用自整定PID控制参数的策略，根据电控液压悬挂系统的实际响应情况，运用模糊推理与决策来实现对PID参数的河南科技大学硕士学位论文 22最佳调整。 综上对控制理论的分析和比较，并考虑了拖拉机电控液压悬挂系统的特性，以滑转率和位置综合控制为例，根据当前控制技术的发展和系统的特点，选择并设计合理的控制器，以设定的耕深值（对应于设定的电压值）为输入，以电液比例方向阀上的电磁铁的控制电流（用来控制电液比例方向阀的阀芯的位移）为输出，结合前面建立的系统数学模型，对本系统采用模糊PID控制方法来对拖拉机电控液压悬挂系统进行仿真分析研究。 3.3 电控液压悬挂系统模糊 PID 自整定控制器 电控液压悬挂系统模糊 PID 自整定控制器 3.3.1 概述概述 1PID控制技术 PID控制是应用十分广泛且发展比较成熟的控制方法，PID不需要依赖于系统的传递函数G(s)，对于模型未知对象，PID参数的调节非常重要。其算法简单、可靠，同时参数调整方便，并且有一定的控制精度，因此，它已经成为当前最为普遍采用的算法，其结构原理如下图3-1所示。 被控对象积分环节被控对象积分环节r(t)-+测量装置测量装置比例环节比例环节微分环节微分环节e(t)u(t)y(t)+ 图 3-1 PID 控制器系统原理框图 Figure 3-1 Schematic block diagram of PID controller 在PID控制算法中，存在着比例、积分、微分三种控制作用。这三种控制作用的特点如下： （1）比例控制作用的特点 对于具有比例控制作用的控制器，它根据给定输入值( )tr与实际输出值( )ty构成控制偏差 ( )( )( )tytrte= （3-1） 其输出( )tu与输入误差信号( )te之间的关系为： ( )( )teKtuP= （3-2） 第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 23其传递函数为 ( )( )PKSESU= （3-3） 式中，pK比例增益。 系统误差一旦产生，控制器立即就有控制作用，使被PID控制的对象朝着减小误差的方向变化，比例控制作用实际上是一个增益可调的放大器，如果将其串联在前向通道上，当pK时，其作用是提高开环增益，加快系统的响应速度。且其能提高系统的控制精度，缺点是对于具有自平衡 （即系统阶跃响应终值为一有限值）能力的被控对象存在静差。加大pK可以减小静差，但pK过大，会导致系统超调增大，使系统的静动态性能变坏。 （2）积分控制作用的特点 其输出与输入的关系为： ( )( )dtteKtuti=0 （3-4） 其传递函数是 ( )( )sKSESUi= （3-5） 式中，iK 可调积分系数。 能对误差进行记忆并积分，有利于提高控制系统的型别，消除系统的静差，大大改善系统的稳态精度。不足之处在于积分作用具有滞后特性，积分作用太强会使被控对象的动态品质变坏，以至于导致闭环系统的不稳定。 （3）微分控制作用的特点 其输出与输入的关系为： ( )( )dttdeKtud= （3-6） 其传递函数为 ( )( )sKSESUd= （3-7） 式中，dK 可调微分系数。 通过对误差进行微分，能感觉出误差的变化趋势，增大微分控制作用可加快系统响应，使超调减小。缺点是对干扰同样敏感，使系统对干扰的抑制能力降低。 河南科技大学硕士学位论文 24PID控制具有很大的灵活性和适应性，抗干扰能力很强，能获得较好的控制品质，而且控制器的设计技术己经很成熟，长期以来也形成了经典的结构和算法，易于被人们掌握，能满足一般的控制要求。PID控制器的成功应用有赖于PID参数的正确选择，根据被控对象的不同，适当地调整PID参数，可以获得较为满意的控制效果。在实际中，PID参数通常由有经验的专家人员根据 “简单规则”来调整。它的传递函数为 ( )sKsKKsGdipPID+= （3-8） 另一等价形式为 ( )( )( )( )+=dttdeTdtteTteKtudtip01 （3-9） 式中，ipiKKT/=，pddKKT/=。则上式（3-9）又可写为 ( )sTsTKsGdipPID+=1 （3-10） 另外，将式（3-9）离散化，可得控制律的离散形式： ( )( )( )( )()10+=kekeKieKkeKtudkiip （3-11） 式中，ipiTTKK/=，TTKKdpd/=。 其中，T采样周期； K采样序列，k0，1，2，3； u（k）第k次采样时刻计算机输出值； e（k）第k次采样时刻系统的偏差值； e（k-1）第k-次采样时系统的偏差值： 式 （4-11）还有一种增量型控制算法： ( )( )()( )( )()()2121+=kekekeKkeKkekeKtudip （3-12） 与式（3-11）相比，式（3-12）可以节省计算机内存，减少计算量。在MATLAB中进行Simulink仿真，可直接建立仿真模型。 PID参数的整定实质是通过调整pK，Ti，Td，使控制器的特性与被控过程的特性相匹配，以满足某种反映控制系统质量的性能指标。 PID参数的整定比较成熟的方法有临界增益法（稳定边界法）、扩充响应 曲线法、ZN频率响应法、仿真试验法等等。下面利用临界增益法确定一组第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 25PID参数，实际应用中可结合具体情况反复整定，并进行实验，确定一组较满意的参数。临界增益法又有两种方式可以实现PID参数的确定，一种是通过试验的方法确定临界增益Kp，和振荡周期Ts，另一种方法是当系统的传递函数已知时，通过劳斯判据或者根轨迹图求出临界增益Kps和振荡周期Ts。然后通过查取基于临界增益的ZN调整法则表3-1，就可得到Kp，Ti，Td的值。由于所研究电控液压悬挂系统的传递函数己近似求得，因而可以通过第二种方法来获得Kps和Ts，具体计算过程见表3-1： 表 3-1 基于临界增益的 ZN 调整法则 Table 3-1 Z-N redressed principle based on ultimate gain 控制器类型 pK Ti Td P 0.5psK 0 PI 0.45psK 0.83Ts 0 PID 0.6psK 0.5 Ts 0.125Ts 由以上分析可知PID控制具有很多优点，因此，在本文中采用PID控制来对电控液压悬挂系统实现控制。但是PID控制算法也有它的局限性和不足。由于电控液压悬挂系统只有在系统模型参数为时变情况下，才能获得理想的效果。当一个调好参数的PID控制器被应用到电控液压悬挂系统时，系统的性能会变差，甚至不稳定。另外，在对PID参数进行整定的过程中，PID参数具有一定局域性的优化值，而不是全局性的最优值，因此单独使用这种作用无法从根本上解决动态品质和稳态精度的矛盾。这就得需要采用更好的控制方法来对PID参数进行控制。 2模糊控制技术 A/D模糊量化处理模糊量化处理模糊推理模糊推理非模糊化处理非模糊化处理计算控制变量计算控制变量测量装置测量装置设定值设定值模糊控制规则模糊控制规则执行机构执行机构被控对象被控对象D/A模糊控制器模糊控制器-+ 图 3-2 模糊控制系统结构图 Figure 3-2 Block diagram of fuzzy control system 河南科技大学硕士学位论文 26模糊控制是以模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理为基础的一种非线性的智能控制方式，其特点是通过模拟人的思维方式来进行控制。它建立在人类经验基础上，依靠人的经验和人的决策行为来建立控制模型。因此模糊逻辑控制器通常又被称为模糊专家控制器。 基本模糊控制器及模糊控制器系统的结构如下图3-2所示。 模糊控制系统一般可以分成四个组成部分： （1）模糊控制器：通常用一台微处理机实现，根据系统需要，既可以选用系统机，又可以选用单板机、单片机或者专用的模糊控制芯片。 （2）输入输出接口装置：模糊控制器通过输入输出接口从被控对象获取数字信号量，并将模糊控制器决策的输出数字信号经过数模变换，将其转变为模拟信号，送给执行机构去控制被控制对象。在I/O接口装置中，除了A/D、D/A 转换外，还包括必要的电平转换电路。 （3）广义对象：包括被控制对象及执行机构，被控对象可以是线性的或非线性的、定常的或时变的，也可以是单变量或多变量的。还必须指出缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排斥有较精确数学模型的对象，也可以采用模糊控制方案。 （4）传感器（测量装置）：传感器是将被控制对象或各种过程的被控量转换为电信号（模拟的或数字的）的一类装置。被控量往往是非电量，如压力、转角、转速、温度等。传感器在模糊控制系统中占有十分重要的地位，它的精度往往直接影响整个控制系统的精度。因此在选择传感器时，应该选择精度高且稳定性好的传感器。 其中模糊控制的核心部分为模糊控制器，如图 3-2 中虚线框中部分所示。 模糊控制的算法可概括为下述四个步骤： （1）根据本次采样得到的系统的输出值，计算所选择的系统的输入变量； （2）将输入变量的精确值变为模糊量； （3）根据输入变量（模糊值）及模糊控制规则，按照模糊推理合成规则计算控制量（模糊量）； （4）由上述得到的控制量（模糊量）计算精确的控制量。 在图3-2所示系统中，由系统输出的被控量和给定量之间的偏差信号（还可以是偏差的变化、偏差的变化率，输入可以是单输入或多输入）经过采样、放大和A/D 转换后得到一个确定的数字量，就好像是操作人员凭借眼睛、耳朵等传感器官得到的清晰量，但这些量反映到人的大脑里已经不是一个精确量而是一个模第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 27糊量了。例如：测量到的温度值本来是一个精确量，但反映在人的大脑里却成为温度 “高”或 “低”这样的模糊量了。客观存在的精确量通过传感器到达人脑而成为一个模糊量，这一过程实际上是一个精确量的模糊化过程。某个领域的专家或操作人员将其在长期工作中积累起来的知识或丰富经验存储在他的大脑里，在实际控制时，将获得的信息和自己已有的经验进行比较分析、模糊推理，从而判定应该对被控对象做什么样的调整。例如：“耕作深度太浅，则降低农机具”，“拖拉机耕作时发动机功耗过大，则可提升农机具”等。因此在模糊控制系统中必须将操作人员的经验去粗存精、去伪存真，总结成若干条用自然语言描述的控制规则，利用模糊数学对其进行处理，构成一个模糊关系R，并将其存放在计算机中，称为“规则库”，这些规则就叫做模糊控制规则。仿照人脑的模糊推理过程，首先计算实际输出与给定值的误差，然后将误差精确变量转化为模糊变量，经过模糊控制规则的处理，得出模糊输出变量，最后将模糊变量经过去模糊处理（模糊判决）得到精确值，送至被控对象实施控制动作，这就是模糊控制的基本过程。 模糊控制总结起来主要有以下优点： （1）不需要对象的精确数学模型，因为人工控制时不研究对象模型。所以它特别适合于精确模型很难求，而且还经常变化的对象。对于本文的研究对象电控液压悬挂系统，由于本身受滑转率、耕深、土壤等参数变化影响较大，加之电液比例系统在流体动力学及电磁转换方面具有特殊性，是复杂的非线性高阶系统，整个系统的准确数学模型较难得到，所以模糊控制在这一点上可以起到补偿作用。 （2）算法非常简捷，是一种简单的四则运算和查表工作，故采样频率可以很高； （3）对被控对象的参数变化不敏感，即鲁棒性好； （4）操作人员易于通过自然语言进行人机交互，从而易于加入到过程的控制环节中去； （5）通过模糊控制，过程的动态响应品质优于常规PID（比例、微分、积分）控制，并对过程参数的变化具有较强的适应性26。 有以上分析可知，模糊控制与常规的PID控制相比除了具有无需建立被控对象的数学模型外，还有对被控对象的时滞性、非线性和时变性具有一定的适应能力等优点，同时对噪声也具有较强的抑制能力，即鲁棒性好。而对于电控液压悬挂系统来说，本身是一个时滞性、非线性和时变性的系统，并且系统的数学模河南科技大学硕士学位论文 28型很难建立起来，从这点上来说结合模糊控制的优点，把模糊控制应用于电控液压悬挂系统的控制上。但模糊控制也有一些需要进一步改进和提高的地方。模糊控制算法本身消除系统稳态误差的性能比较差，难以达到较高的控制精度。而且模糊控制的控制作用不细腻，不利于精调消除稳态误差。 3Fuzzy-PID控制 Fuzzy-PID自整定控制是在PID算法的基础上，通过计算当前系统的误差和误差的变化率ec，利用模糊规则进行模糊推理，查询模糊矩阵表进行参数调整。控制器设计的核心是总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，建立合适的模糊规则表，得到针对pK、iK、dK三个参数分别整定的模糊规则表。这在很大程度上可以弥补传统控制算法的局限性，从而可以取得良好的控制效果。 通过以上分析，对于电控液压悬挂系统这样具有较大的滞后性、非线性、时变性的控制对象，单纯采用PID控制或模糊控制都不会取得较好的控制效果。采用Fuzzy-PID复合控制，实现了PID参数的在线自调整功能，能够进一步完善了PID控制的自适应性能。所以本论文所研究的电控液压悬挂系统选用模糊PID自整定控制算法。 3.3.2 电控液压悬挂系统电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器结构的确定控制器结构的确定 在模糊控制器结构中，一般情况下，一维模糊控制器用于一阶被控对象，由于这种控制器输入变量只选误差一个，它的动态控制性能不佳。所以，目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，本课题中考虑到电控液压悬挂系统的特点，采用目前被广泛采用的均为二维模糊控制器。拖拉机电控液压悬挂系统自整定Fuzzy-PID控制器采用双输入三输出系统，即在控制过程中，不仅对设定的耕深或者牵引力值（通过控制面板设定的电压值）与实际耕深或牵引力的误差自动进行调节，还要求对它们的实际误差变化进行调节，这样才能保证系统稳定，不致 d/dt模糊化模糊推理解模糊输出Kp,Ki,KdPID控制调节器电液悬挂系统-+KpKiKdEEeee(k)u(t)y(t) 图 3-3 Fuzzy-PID 自整定控制结构原理图 Figure 3-3 The structure principle of the Fuzzy-PID self-adjusted control 产生振荡。以它们的误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻的第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 29和ec对PID参数自整定的要求，通过控制器的控制，利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，便构成了自整定模糊PID控制器，其结构如图3-3所示。 由上图3-3知，控制对象为输入u(t)（本文中为设定的耕深或者牵引力值）和输出y(t)（本文中为实际的耕深值或者牵引力值），控制目标为使对象输出y(t)达到指定的R，该系统由一个标准PID控制器和一个模糊PID参数调节器组成。PID控制器根据闭环误差e(t)=R-y(t)产生控制信号u(t)，模糊参数调节器调节PID控制器的参数，即 ( )( )( )( )dttdeKdtteKteKtudtip+=0 （3-13） 由于电控液压悬挂系统本身响应比较慢，因此我们选用七个语言变量。为了进一步提高系统的响应或执行速度，我们采用改进的模糊控制器，其结构如图3-4 所示。 被控对象PID控制调节器模糊控制器pKiKdK保留器pppKKK+=iiiKKK+=dddKKK+=测量装置u(t)-+ 图 3-4 改进的 Fuzzy-PID 控制器 Figure 3-4 Improved Fuzzy-PID controller 控制器原先控制的是pK、iK、dK三个参数，现在在改进的控制器中我们采用控制器来控制pK、iK、dK的增量，即pK、iK、dK。由于pK、iK、dK的变化范围比较小，需要的计算量较pK、iK、dK明显减少，在保证了控制效果的基础上，也提高了执行速度。在其结构中控制器之后有一保存器，保留的是上一次的pK、iK、dK的值，然后加上控制器的输出值，再作用于控制对象。保留器的初始值可以根据实验经验来设定 （如不设定，则又变为经典模糊控制） 3.3.3 模糊语言变量的确定模糊语言变量的确定 因为本文中电控液压悬挂系统采用二维模糊控制器，采用双输入三输出系统，则可知本系统有五个语言变量，将系统设定耕深值或者设定牵引力值的偏差e和偏差变化率ec作为其输入语言变量，输出语言变量为pK、iK、dK。它们的河南科技大学硕士学位论文 30变化范围定义为模糊集上的基本论域 e、ec、pK、iK、dK =（-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6） 其模糊子集为e、ec、pK、iK、dK =NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB,子集中的元素分别代表负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。 按照上节提到的分档法，将基本论域范围内连续变化的量分级离散化，然后进行模糊处理。这里以位调节为例可设电控液压悬挂系统的耕深的偏差e的变化范围为-6，6和ec的变化范围为-6，6，如果不在此区间，可以通过上节提到的线性变换公式将取值在a，b之间的连续量转换到-6，6之间。在此我们取eK =1，ecK=1，控制输出转换的比例因子用 Ku 表示，其作用是将解模糊后所得到的控制输出论域上的点转换到实际输出信号的物理范围上。在此取 Ku=1.2。根据前面的 PID 控制中参数的取定，控制输出u中，pK的转换比例因子pK =0.3546；iK =0.54；dK =0.058。 +=212baxaby （3-14） 3.3.4 隶属函数的确定隶属函数的确定 据上节所述，因为语言值模糊集合隶属函数的形状是三角形、梯形或是正态分布，对控制效果的影响不大，而每个模糊子集对整个论域覆盖范围的大小对性能影响较大，一般来说，每个模糊子集的宽度若选择适当，控制效果就会很好，如果所选宽度较小，则部分区域没有规则相适应，那么收敛性就不好，相反，重叠规则相加，规则间相互影响大，使得响应慢32。加上三角函数隶属函数其形状仅于它的直线斜率有关，运算简单，所占内存空间也小，因此比较适合于有隶属函数在线调整的模糊控制。 图 3-5 e、ec、pK、iK、dK的隶属函数 Figure 3-5 Membership function of e、ec、pK、iK、dK 所以在此我们选择三角形作为语言变量e、ec、pK、iK、dK的隶属函数。其隶属函数如图3-5所示。 第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 313.3.5 规则库的设计规则库的设计 一般情况下，为了获得最佳的系统控制系能，在不同的位置偏差e和偏差变化率ec时，被控对象对参数对pK、iK、dK的自整定参数调整规则是不一样的，此时结合电控液压悬挂系统的特点和总结工程设计人员的技术知识和实际操作经验，从而建立起适合电控液压悬挂系统的针对pK、iK、dK三个参数分别整定的模糊控制规则表。 1PID参数整定原则 一般来说，PID控制器的结构和算法已经确定，控制品质的好坏主要取决于控制参数选择是否合理。通常，不同的偏差e和偏差变化率ec，对PID控制参数pK、iK、dK的整定要求不同： （1）当电控液压悬挂系统开始进行田间作业或者停止作业时，此时悬挂系统的位置偏差或者牵引力偏差|e|比较大，即系统响应处于图3-6所示输入响应曲线的第一阶段时，为了加快悬挂系统的响应速度，可以取较大的pK；但同时为了避免由于开始时的偏差|e|的瞬时变大可能出现的微分过饱和而使控制作用超出许可的范围，应取较小的dK；同时为了防止悬挂系统在调整时位置或者牵引力出现较大的超调，产生积分饱和，应对积分作用加以限制，通常去掉积分作用，即取iK =0。 （2）当电控液压悬挂系统正常作业时，此时位置偏差或者牵引力偏差|e|和偏差变化率|ec|处于中等大小时，即系统响应处于图3-6所示输出响应曲线的第2阶段时，为使位置响应或者牵引力响应具有较小的超调，pK应取得小些，iK的取值要适当。在这种情况下dK的取值对系统影响较大，取值要大小适中，以保证系统的响应速度。 （3）当电控液压悬挂系统达到实际耕深（或者实际牵引力）达到设定值所允许偏差范围内时，此时系统偏差|e|处于较小时，即系统响应处于图3-6所示输出响应曲线的第2阶段时，为使系统具有良好的稳态特性，应增加pK和iK的取值。同时为避免悬挂系统在设定位置或者牵引力值附近出现振荡，应增强系统的抗干扰性能。当偏差|ec|处于较小时，dK可取值大些；当偏差|ec|处于较大时，dK可取值小些。 河南科技大学硕士学位论文 323210yt 图 3-6 被控对象的典型阶跃响应 Figure 3-6 The typical step function response of controlled object 根据以上三个参数的调整原则的分析，并结合电控液压悬挂系统的实际控制情况，可得到pK、iK、dK的模糊规则表，如表3-2、3-3、3-4 所示。 表 3-2pK调整模糊规则表模型 Table3-2 Model of Fuzzy regulation about adjusting pK Kp EC E NB NM NS Z PS PM PB NB PB PB PM PM PS Z Z NM PB PB PM PS PS Z NS NS PM PM PM PS Z NS NS Z PM PM PS Z NS NM NM PS PS PS Z NS NS NM NM PM PS Z NS NM NM NM NB PB Z Z NM NM NM NB NB 由表3-2 知，pK的模糊控制规则： IF E=NB AND EC=NB THEN pK =PB IF E=NS AND EC=NB THEN pK =PB IF E=PB AND EC=PB THEN pK =NB 同理，由pK的模糊规则集模型同理可得到iK、dK的控制规则。 第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 33表 3-3 Ki 调整模糊规则表模型 Table3-3 Model of Fuzzy regulation about adjusting Ki Ki EC E NB NM NS Z PS PM PB NB NB NB NM NM NS Z Z NM NB NB NM NS NS Z Z NS NB NM NS NS Z PS PS Z NM NM NS Z PS PM PM PS NM NS Z PS PS PM PB PM Z Z PS PS PM PB PB PB Z Z PS PM PM PB PB 表 3-4 Kd 调整模糊规则表模型 Table 3-4 Model of Fuzzy regulation about adjusting Kd Kd EC E NB NM NS Z PS PM PB NB PS NS NB NB NS NM PS NM PS NS NB NM NM NS Z NS Z NS NM NM NS NS Z Z Z NS NS NS NS NS Z PS Z Z Z Z Z Z Z PM PB PS PS PS PS PS PB PB PB PM PM PM PS PS PB 相对于电控液压悬挂系统来说，模糊推理方法采用比较通用的方法Mamdani法。 2算法流程 pK、iK、dK的模糊规则表建立好后，根据pK、iK、dK的模糊控制表，查出修正参数带入下式： PECEKKiipp+= （3-15） IECEKKiiii+= （3-16） DECEKKiidd+= （3-17） 其中PECEii+、IECEii+、DECEii+是模糊推理的结果，即参数的校正量，pK、iK、dK为参数设置初值33。由于模糊控制的灵活性和PID控制的鲁棒性使得PID参数的调整对各自初值的精度要求不高，因此可向PID各个参数赋予一初始值，只要保证电控液压悬挂系统稳定即可。然后再由模糊推理得出的结果对PID参数进行在线调整使电控液压悬挂系统性能指标达到我们要求。 3.3.6 清晰化清晰化 相对于电控液压悬挂系统和比较常用的模糊决策来说，本文采用最大隶属度河南科技大学硕士学位论文 34法进行模糊决策，也就是说从输出模糊集合中选取隶属度最大的论域元素作为判决结果，元素作为pK清晰化后的确定量，如果有多个点同时出现隶属度的最大值，则取它们的平均值作为判决结果，在实际工作中，上面的计算都离线进行，制成控制决策表并存放在计算机中，在控制过程中采用查表法来读取数据，因此减少了在线计算时间，提高了系统的实时性。pK查询表如下表 3-5 所示。同理可以iK、dK的查询表。就可以得到三个自整定参数pK、iK、dK的值。它们的优化值可以在后面仿真过程中借助仿真软件 MATLAB 自动寻优得到。 表 3-5pK调整模糊规则查询表 Table 3-5 The lookup table of Fuzzy regulation aboutpK Kp ec e -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 -6 6 6 6 6 6 6 6 5 4 3 2 1 0 -5 6 6 6 6 6 5.55 4 3 2 1 0.5 0 -4 6 6 6 6 6 5 4 3 2 1 0 0 0 -3 5 5 5 5 5 4 3 2 1 0.50 -0.5 -1 -2 4 4 4 4 4 3 2 1 0 0 0 -1 -2 -1 4 3.5 3 3 3 2 1 0 -1 -1 -1 -2 -3 0 4 3 2 2 2 1 0 -1 -2 -2 -2 -3 -4 1 3 2 1 1 1 0 -1 -2 -3 -3 -3 -3.5 -4 2 2 1 0 0 0 -1 -2 -3 -4 -4 -4 -4 -4 3 1 0.5 0 -0.5-1 -2 -3 -4 -5 -5 -5 -5 -5 4 0 0 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 5 0 -0.5 -1 -2 -3 -4 -5 -5.5-6 -6 -6 -6 -6 6 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -6 -6 -6 -6 -6 -6 3.4 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器控制流程图 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器控制流程图 Fuzzy-PID控制器在一个周期的控制程序框图如下页图3-7所示。 3.5 小结 小结 本章首先分析出拖拉机电控液压悬挂系统具有非线性、大时滞和外界影响因素比较多等特点，接着对当前控制技术的发展趋势并结合拖拉机电控液压悬挂系统的特点，提出了在电控液压悬挂系统使用自整定Fuzzy-PID控制策略。 第 3 章 电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器 35Fuzzy-PID入口Fuzzy-PID入口参数初始化参数初始化取当前采样值取当前采样值取当前采样值取当前采样值E(n)=R-y(n)E(n)=R-y(n)EC(n)=E(n)-E(n-1)EC(n)=E(n)-E(n-1)E(n-1)= E(n)E(n-1)= E(n)EC(n),E(n)量化EC(n),E(n)量化查Kp控制规则表查Ki控制规则表查Kd控制规则表查Kp控制规则表查Ki控制规则表查Kd控制规则表计算当前的Kp，Ki，Kd计算当前的Kp，Ki，Kd进行PID运算进行PID运算限幅输出（PID控制器输出）限幅输出（PID控制器输出）返回返回 图 3-7 程序框图 Figure 3-7 Program block diagram 然后根据电控液压悬挂系统的特点和相关的专家的知识和经验，以及系统的输入（设定的耕深值或者牵引力值）和输出（电液比例方向阀上的电磁铁的控制电流从而控制阀芯的位移）变量，在本文中电控液压悬挂系统采用二维模糊控制器，采用双输入三输出系统，将系统设定耕深值或者设定牵引力值的偏差e和偏差变化率ec作为其输入语言变量，输出语言变量为pK、iK、dK。它们的变化范围定义为模糊集上的基本论域。选择三角形作为语言变量e、ec、pK、iK、dK的隶属函数。从而建立起合适的模糊规则表，得到针对pK、iK、dK三个参数分别整定的模糊控制规则表。相对于电控液压悬挂系统和比较常用的模糊决策来说，本文采用最大隶属度法进行模糊决策。并利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改，从而设计出了适合于电控液压悬挂系统的自整定模糊PID控制器。 第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 36第4章 电控液压悬挂系统动态特性试验及仿真分析 第4章 电控液压悬挂系统动态特性试验及仿真分析 4.1 概述 概述 4.1.1 仿真的目的及必要性仿真的目的及必要性 第二章建立了电液比例阀控液压系统的数学模型，第三章为其设计了一种算法，该算法在理论上对于所研究的电控液压悬挂系统是比较理想的策略，那么它在实际上到底是否适合于本系统呢？在这一章中我们着重进行算法运行于实际系统前的仿真工作并与实验结果进行分析对比。 对所建立的电控液压悬挂系统进行数字仿真，目的是验证所选控制方案的合理性及最佳性。通过仿真预测整个系统的性能，对此进行分析和评估，得到系统在给定控制信号的激励下系统的动态响应和系统调整的动态响应，从而找到最优的控制参数，实现系统控制的最优目的。 前面对系统的建模及分析中作了一些必要的假设和简化，忽略了一些次要因素和非线性因素的影响，因而分析结果即系统的最终模型也只是近似的。为了了解系统的结构及内部发生的活动，从而达到对系统的正确评价，并实际检验所设计的控制系统的方案的正确性及合理性，还需要对系统进行系统实验。有两种试验方案：一种是直接在真实系统上进行，通过实验发现设计技术或工艺问题，以便在正式运行前加以改正。另一种试验是按照实际系统构造模型，对模型进行仿真试验，即仿真分析。尽管实际试验在许多情况下是必不可少的，但是由于以下原因，仿真试验与分析越来越普遍地被采用。 1在真实系统上试验会破坏系统的正常运行； 2由于实际系统中的各种客观条件的限制，难以按预期的要求改变参数，或者得不到所需要的试验条件； 3在实际系统上进行试验时，很难保证每一次的操作条件都相同，因而难以对试验结果的优劣做出正确的判断和评价； 4无法复原； 5试验时间太长，费用太大或者有危险等。相对于实际试验而言，改变仿真程序的灵活性和更换数据的方便性，允许我们对各种设计方案和结构参数组合进行仿真的寻优，而且仿真寻优的过程便是反复试探修改设计的过程。因此，对河南科技大学硕士学位论文 37系统的仿真分析完全有必要。 4.1.2 实验的目的实验的目的 通过实验来验证本课题所建立的电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制模型的正确性和合理性，同时验证所设计的Fuzzy-PID控制器在拖拉机电控液压悬挂系统上的适用性和可行性。 4.2 电控液压悬挂系统动态特性计算及其仿真模型的建立 电控液压悬挂系统动态特性计算及其仿真模型的建立 前面章节已经对电液比例阀控液压缸系统建立了数学模型，在此我们可以选择MATLAB仿真软件，用软件语言来刻画出所建模型和所选控制策略的正确性及优良性。依据数学模型在Simulink模型窗口中很容易建立起整个电控液压悬挂系统的仿真模型：PID仿真控制模型、模糊仿真控制模型和模糊PID仿真控制模型。其中模糊控制器的仿真模型可以利用MATLAB命令或模糊逻辑工具箱的图形用户界面（GUI）来建立。本文采用图形用户界面（GUI）来建立模糊推理系统，这主要包括五个GUI工具箱：FIS编辑器、隶属度函数编辑器、规则编辑器、规则观测器和曲面观测器，如图4-3到图4-7所示。它们之间是动态连接的，编辑器所做的修改能够很及时地体现在别的观测器上。实际上，从规则观测器上可以直接得出PID自整定参数值，可以省去第三章中清晰化时的烦琐计算34-38。下面列出电控液压悬挂系统框图和Fuzzy-PID控制系统仿真框图，如下页图4-1 和图4-2 所示。 对以下仿真框图的说明： 1为了便于比较和选择适合电控液压悬挂系统的控制策略，本文建立了系统无校正的仿真框图和模糊PID控制系统仿真框图。 2仿真框图上参数的取值是依靠第二章建立的数学模型和第四章参数的选择计算和电控液压悬挂系统资料确定的。 3本文在仿真模型中输入信号采用的是阶跃信号，在控制节点上连接模拟示波器，即为图中的Scope模块，用来观测耕深或者牵引力变化的情况。 第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 38电液比例方向阀电液比例方向阀液压工作油缸液压工作油缸悬挂杆件悬挂杆件液压源液压源感应位移感应位移/力传感器力传感器设定的位置设定的位置/牵引力输入信号牵引力输入信号Ui(t)实际耕深实际耕深/牵引力牵引力+-土壤比阻土壤比阻 图 4-1 电控液压悬挂控制系统仿真框图 Figure 4-1 The Fuzzy control simulation block diagram of electronic hydraulic hitch 模糊控模糊控PID制器制器电液比例方向阀电液比例方向阀液压工作油缸液压工作油缸悬挂杆件悬挂杆件液压源液压源感应位移感应位移/力传感器力传感器设定的位置设定的位置/牵引力输入信号牵引力输入信号Ui(t)实际耕深实际耕深/牵引阻力牵引阻力+- 图 4-2 电控液压悬挂 Fuzzy-PID 控制系统仿真框图 Figure 4-2 The Fuzzy control simulation block diagram of electronic hydraulic hitch 4.2.1 利用利用 MATLAB 仿真软件建立电控液压悬挂系统仿真软件建立电控液压悬挂系统 Fuzzy-PID 控制器控制器 在第三章中详细论述了建立电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制器的方法和步骤，在这节中利用仿真软件MATLAB的 SIMULINK 软件包及 FUZZY 模糊逻辑工具箱按照第三章的设计步骤建立起系统的Fuzzy-PID控制器，从而为下面建立的电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制仿真模型分析提供条件。 而仿真软件MATLAB中的基本模糊推理系统编辑器提供了利用GUI对高层属性的编辑、修改功能，这些属性包括输入、输出语言变量的个数和去模糊化方法等37,38。用户在基本模糊编辑器中可以通过菜单选择激活其他几个图形界面，如模糊规则编辑器、隶属度函数编辑器等。在MATLAB命令窗口执行Fuzzy命令即可激活基本模糊推理系统编辑器，建立一个FIS文件，选择模糊控制器的类型为Mamdani型，如图4-3所示。 根据第三章图3-5隶属函数关系图，在FIS界面编辑输入输出变量的隶属关系，如图4-4所示。再打开规则编辑器，把第三章建立的液压悬挂系统模糊PID控制状态的控制规则表输入到模糊控制编辑器中，如图4-5所示。由规则观察器可以看到由图形表示的控制规则，如图4-6所示。为了直观地看到输入输出变量的隶属关系，还可以打开曲面观察器，结果如图4-7所示。 河南科技大学硕士学位论文 39 图 4-3 已建立的模糊推理系统 Figure 4-3 Founded fuzzy inference system 图 4-4 建立的输入、输出变量的隶属函数 Figure 4-4 Founded member functions of input and output variables 图 4-5 建立的模糊推理控制规则表 Figure 4-5 Founded fuzzy inference rules 第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 40 图 4-6 规则显示器显示的模糊推理系统的规则 Figure 4-6 The fuzzy inference system rules showed by rule viewer 图 4-7 曲面观察器显示建立的pK、iK、dK的模糊推理 Figure 4-7 pK、iK、dK fuzzy inference showed by surface viewer 通过FIS Wizard模块所得到的电控液压悬挂系统Fuzzy-PID推理系统模型的详细实现框图，通过详细实现框图，可以看出Fuzzy-PID推理系统详细的推理过程。 4.2.2 仿真参数的确定仿真参数的确定 1电液方向比例阀的选型 河南科技大学硕士学位论文 41选用ATOS公司的电液比例方向阀型号：DLHZO-TE-040L73。它是高响度的阀，可根据输入电信号提供方向控制及无压力补偿的流量控制。比例阀与电子放大器配合工作，电子放大器对比例阀提供一个适合的电流信号，以校准阀的调整量，使之与供给电子放大器的输入信号相对应。 在DLHZO-TE内配有集成电子放大器，由电信号确定阀芯的位置，加之内装输入检测装置的作用，从而以闭环方式实现阀的调节，以进行可靠控制。因为优化了集成电液系统，其优良的动态及静态特性可与伺服阀相比，而且同时保持了比例阀的典型有点：低敏感性，低过滤要求，高稳定性，容易维护，高可靠性。所选DLHZO-TE-040L73型阀的液压特性见表4-1，其流量调节曲线和频率特性参见第三章图3-1和图3-2。 表 4-1 比例换向阀的液压特性 Table 4-1 The hydraulic characteristic about proportional direction valve 最大流量（l/min） 压力极限（bar） 阀芯形式 响应时间（ms） 滞环 P=100bar 时泄露量（cm3/min）P=30bar P=70bar P=70barP,A,B 口=350；T=160 L7 10 0.1%900 27 40 70 2液压缸的选型 选择由中国一拖公司向焦作市盛市液压机械有限公司专门定做的液压缸，活塞直径为80mm，行程为180mm，额定压力为160MPa。 3传感器的选择 拖拉机电控液压悬挂系统上的传感器主要用于检测农具的位置（耕深）、牵引阻力（工作阻力）等参数。在本课题中和在本论文中所涉及的感应式位移传感器和压力传感器均是由博世公司提供的型号，具体传感器参数和型号及其类型见下面。 感应式位移传感器是用于测量农机具的耕作深度，随着安装在提升臂转轴上偏心轮的转动而引起感应式位移传感器的行程变化，输出的电压信号与悬挂杆件位置成正比，此方式中传感器活动铁芯末端紧靠偏心凸轮，当提升臂转轴转动时，铁芯在偏心轮的作用下移动，从而使传感器内部的差动线圈产生感应电压，感应式位移传感器将产生的感应电压通过CAN总线传送到中央控制单元，中央控制单元根据感应电压和内部设定的程序来进行处理。感应式位移传感器安装位第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 42置及外形见图4-8和图4-9。 图 4-8 磁感应位移传感器 图 4-9 磁感应位移传感器的安装位置 Figure 4-8 Inductive position sensor Figure 4-9 Inductive position sensor installation 压力传感器是用于测量农机具收到的工作阻力。在本系统将两个压力传感器分别安装在悬挂杆件的下拉杆转轴处。无负载情况下，在初级线圈的电极处出现了磁场平衡。如果当农机具工作阻力发生变化时，压力传感器在下拉杆的剪切应力作用（受到压力或者拉力时）而发生变形，这将导致在初级线圈中磁场发生变化，进而破坏了磁场的平衡，引起次级线圈之间磁力线发生变化，从而在次级线圈中间产生了磁流而产生感应电压，产生的感应电压通过CAN总线传送到控制单元中。压力传感器安装位置及外形见图4-10和图4-11。 图 4-10 压力传感器 图 4-11 压力传感器安装位置 Figure 4-10 Draft sensor Figure 4-11 Draft sensor installation 表 4-2 压力传感器技术参数 Table 4-2 Draft sensor technical data 传感器名称： KMB060A30-15 参数名称 参数值 符号 电源电压（电流） 812V（100mA） Usup 滞后性 0.005 Usup 工作温度范围 -35+125 温度灵敏系数 1.25%/10 插头类型 3-针插头 河南科技大学硕士学位论文 43表 4-3 感应式位移传感器技术参数 Table 4-3 Inductive position sensor technical data 传感器名称： 参数名称 参数值 备注 线性度 2% 工作温度范围 -30+90 温度灵敏度系数 0.15%/10 电源电压（电流） 812V（30mA） 工作力 16N 正常行程 10mm 插头类型 3-针插头 4所选拖拉机悬挂杆件尺寸及计算 悬挂系统中的悬挂杆件是直接挂接农机具的，本论文中所研究的悬挂系统运动示意图和尺寸如下所示： 悬挂系统的示意图： 234561AIGFEBCDH 图 4-12 悬挂系统运动示意图 Figure 4-12 Motion of the hitch 悬挂系统的尺寸（未注明尺寸单位均为mm）： 提升臂的长度：AD=CD+AC=160+120=280 提升拉杆长度：S1=817845895，在此取S1=845 上拉杆长度：S2=610730836，在此取S2=730 下拉杆长度：FG=FE+EG=500+610=1010 各铰接点的坐标（以纵垂面（X,Y）为准，以后轮轮心为坐标原点） 上拉杆铰点：X1=511, Y1=268 下拉杆铰点：X2=198, Y2=-305 提升臂铰点：X3=148, Y3=445 第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 44液压缸铰点：X4=296, Y4=6 下拉杆横向铰点宽度（球铰中心处）：S3=521 提升臂和液压缸铰点的垂直高度和纵向距离分别为： H1=|Y3- Y4|=445, V1=|X3- X4|=148 提升臂和上拉杆铰点的垂直高度和纵向距离分别为： H2=|Y3- Y1|=177, V2=|X3- X1|=363 上拉杆和下拉杆铰点的垂直高度和纵向距离分别为： H3=|Y2- Y1|=573, V3=|X2- X1|=313 后轮的动力半径：Rk =820 理论耕深计算公式： H=|y0|+H0-Rk （4-1） 式中：y0下悬挂点的相对坐标（后轮轮心为坐标原点）； H0农具下悬挂点与梨尖平面的高度； Rk动力半径。 悬挂系统运动动力计算方程： 悬挂机构有三组计算方程，其中提升臂AD、液压缸、和活塞组成了曲柄摇块机构可以得出方程（4-2）；提升臂AD、提升拉杆DE、下拉杆FE组成四连杆机构可以得到方程（4-3）；上拉杆HI、下拉杆EG、农具上下悬挂铰点连线IG组成的四连杆机构可以得到方程（4-4）。 =+=+4451482121SinCBSinACCosCBCosAC （4-2） =+=+75050531531SinEFSinDESinADCosEFCosDECosAD （4-3） =+=+573313564564SinFGSinIGSinHICosFGCosIGCosHI （4-4） 由式子（4-2）、（4-3）、（4-4）组成的方程组可以计算出悬挂机构的位移、传动比、加速度等参数。 5Fuzzy-PID控制器中参数的确定 根据第二章中参数计算结果和系统资料和第三章中控制策略选择中的计算可以确定电控液压悬挂系统的数学模型及其传递函数。由第二章我们可以知道系统的闭环传递函数，在此系统中再加上PID控制三个参数，此时的临界增益法需河南科技大学硕士学位论文 45令：Ti=，Td=0。因此可以得出电控液压悬挂系统的闭环特征方程为： 01057.11480158. 000025. 0323=+Kpsss 由此可根据劳斯判据，可的临界增益为psK=5.91，系统产生等幅振荡。将psK=5.91带入特征方程，并令s=jw，则有 ()()01057.11480158. 000025. 0323=+Kpjwjwjw 由此简化处理后求得振荡频率为w5.3，则振荡周期为 185. 12=wTs 由此可以查表4-1可初步整定的三个参数值 546.36.0=pspKK；652. 05 . 0=siTT；163. 0125. 0=sdTT PID初步整定的三参数值为pK =3.546； iK =0.54；dK =0.058，利用这三个参数的值可以实现两个目的：一是在仿真章节中利用三参数得到单独采用PID控制后的电控液压悬挂调节曲线响应图；二是为模糊PID自整定三参数的微调提供一个比较好的起点，从而简化计算机处理时间。 -K-kp0-K-ki0-K-ke-K-kd0-K-kc10.00025s +0.0158s +s32Transfer Fcny3To Workspace4y2To Workspace3y1To Workspace2tTo Workspace1yTo WorkspaceStepScope2Scope1ScopeProduct2Product1Product1sIntegrator1Gkp1Gki1Gkd-K-Gain9-K-Gain8-K-Gain10Fuzzy Logic ControllerFUZZYPIDdu/dtDerivative1du/dtDerivativeClockAdd3Add2Add1Add 图 4-13 电控液压悬挂 Fuzzy-PID 控制仿真框图 Figure 4-13The Fuzzy-PID control simulation block diagram of electronic hydraulic hitch 1=Ke；04. 0=Kec；28. 1=Ku。 5 . 30=pK；54. 00=iK；058. 00=dK。 第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 46其中pK、iK、dK分别为模糊控制器比例增益解模糊因子、积分系数解模糊因子、微分系数解模糊因子，eK、ecK、uK分别为模糊控制器输入信号误差信号、输入误差变化信号和输出信号的量化因子。 从而可以建立起电控液压悬挂Fuzzy-PID控制仿真框图（以位调节为例），如上图4-13所示。 4.3 电控液压悬挂系统的试验 电控液压悬挂系统的试验 4.3.1 试验目的试验目的 本次试验是通过对配装的电控液压悬挂系统的东方红-1604拖拉机进行试验，试验是为了了解悬挂系统在刚入土开始达到设定耕深时的调整时间和曲线以及悬挂系统在作业过程中受到外界冲激时系统的响应调整曲线。 4.3.2 试验的仪器设备试验的仪器设备 试验的主要仪器及设备有：加速度传感器、放大器、数据采集箱、数据处理仪（便携式微机）、动态压力测试设备、秒表、温度计、摄像机、位置传感器、摄像机等，试验设备如下图4-14所示，试验设备在拖拉机上的安装位置如下图4-15所示。 4.3.3 试验的方法及实验简况试验的方法及实验简况 通过安装在悬挂杆件上的提升杆铰接处的感应式位移传感器来测量耕深的变化，通过放大器、数据采集箱、数据处理仪和动态测试设备（显示仪器）来显示出电控液压悬挂系统在刚入土时的动态调整曲线。 然后在达到设定的值时给悬挂机构施加一定的外加冲击激励（在田间通过改变某处土壤的硬度）时，测出悬挂系统在此时的动态响应曲线。 河南科技大学硕士学位论文 47 图 4-14 试验所用仪器设备 Figure 4-14 Experiment equipments for test 图 4-15 安装在拖拉机悬挂系统上的试验仪器设备 Figure 4-15 Experiment equipments used on the tractor 4.4 试验结果和仿真结果分析对比 试验结果和仿真结果分析对比 4.4.1 仿真结果仿真结果 根据Simulink窗口中间建立的仿真模型，调整各仿真控制参数，选择第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 48simulation下的start控制按钮，就可以得到仿真结果。 系统在阶跃信号输入下的仿真情况： 1阶跃信号加载到 Simulink 仿真模型上，这种情况可以模拟电控液压悬挂系统突然受到外在负载情况下的情况。分别给出了未加校正的直接响应、加了PID控制的响应、加了模糊控制的响应和加了模糊PID控制的仿真响应。 以上四种情况仿真情况分别如图4-16、4-17、4-18 和 4-19 所示，其中本节中八个图中纵坐标均为系统响应幅值，横坐标均为调整时间t。 012345600.10.20.30.40.50.60.7 012345600.10.20.30.40.50.60.7 图 4-16 阶跃信号输入时未加校正的电控液压悬挂系统的动态响应（左） Figure 4-16 The dynamic respond of uncorrected electronic hydraulic hitch control under step input 图 4-17 阶跃信号输入时电控液压悬挂 PID 控制系统的动态响应（右） Figure 4-17 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch PID control under step input 012345600.10.20.30.40.50.60.7 012345600.10.20.30.40.50.60.70.8 图 4-18 阶跃信号输入时电控液压悬挂模糊控制系统的动态响应（左） Figure 4-18 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch fuzzy control under step input 图 4-19 阶跃信号输入时电控液压悬挂模糊 PID 控制系统的动态响应（右） Figure 4-19 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch Fuzzy-PID control under step input 2阶跃信号加载到 Simulink 仿真模型上，3 秒后再加上一个脉冲信号，这河南科技大学硕士学位论文 49种情况可以模拟电控液压悬挂系统在运行稳定情况下突然受到外在载荷冲击下的运行工况。分别给出了未加校正的直接响应、加了PID控制的响应、加了模糊控制的响应和加了模糊PID控制的响应结果。 以上四种情况仿真情况分别如图4-20、4-21、4-22 和 4-23 所示。 012345600.20.40.60.811.21.41.61.8 012345600.20.40.60.811.21.41.61.8 图 4-20 外加冲激激励时的未加校正电控液压悬挂系统的动态响应（t=3s）（左） Figure 4-20 The dynamic respond of uncorrected electronic hydraulic hitch control under implied impulse excitation at 3 seconds 图 4-21 外加冲激激励时的电控液压悬挂 PID 控制系统的动态响应（t=3s）（右） Figure 4-21 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch PID control under implied impulse excitation at 3 seconds 01234567891000.20.40.60.811.21.41.61.8 012345600.20.40.60.811.21.41.61.8 图 4-22 外加冲激激励时的电控液压悬挂模糊控制系统的动态响应（t=3s）（左） Figure 4-22 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch fuzzy control under implied impulse excitation at 3 seconds 图 4-23 外加冲激激励时的电控液压悬挂模糊 PID 控制系统的动态响应（t=3s）（右） Figure 4-23 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch Fuzzy-PID control under implied impulse excitation at 3 seconds 4.4.2 试验结果试验结果 通过田间试验，根据试验仪器测量得到的数据并经过处理后可以得到电控液第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 50压悬挂系统的动态相应曲线，这其中包括悬挂系统刚入土时的动态响应曲线（如图4-24所示）和悬挂系统遇到冲击激励时的动态调整响应曲线（如图4-25所示），其中图4-24和图4-25中纵坐标为系统响应幅值，横坐标为时间t。 1.361.8802.922.400.84 图 4-24 电控液压悬挂系统在过渡过程中的动态响应曲线(田间试验) Figure 4-24 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch fuzzy control on transient process 图 4-25 电控液压悬挂系统受到冲击激励时达到稳定时的响应曲线(田间试验) Figure 4-25 The dynamic respond of electronic hydraulic hitch fuzzy control under mplied impulse excitation 4.4.3 仿真及试验结果对比分析仿真及试验结果对比分析 1比较图4-16、4-17、4-18 和 4-19 图4-19采用模糊PID自整定控制策略后电控液压悬挂系统的动态性能明显河南科技大学硕士学位论文 51提高，系统调整速度加快，未加校正、加了PID控制、加了模糊控制、加了模糊PID控制的系统调节时间分别为5s、2.2s、1.45s、1.3s。且系统的稳态误差明显降低，加了模糊PID自整定控制后系统的稳态误差比前三种都要靠近零。相比较与模糊控制来说，模糊控制具有静差，稳态性能比模糊 PID 自整定控制差。 由以上比较可知，对于电控液压悬挂系统单纯采用PID控制的效果不如模糊控制和模糊PID自整定控制效果好，采用模糊PID自整定控制后系统具有了较好的快速性和稳定性，已初步说明控制算法的合理性。 2对比图4-20、4-21、4-22 和 4-23 由比较可知，在外加冲激激励作用下，达到设定值时未校正的系统调整时间较长；而加了 PID 校正的系统调整时间则有所缩短加快了调整速度，调整时间为1.1s；而模糊控制和模糊 PID 自整定控制系统调整速度更快，调整时间更短，分别为 0.7s 和 0.5s。说明模糊 PID 自整定控制时，遇到外负载冲击时，系统响应动态调整速度比较以上三个都比较快的达到设定稳态。 从仿真结果分析可以看出，加了模糊PID自整定控制后电控液压悬挂系统的动态性能大大改善，响应速度变快，稳态性变好了，在受到外在冲激激励作用下也能够在较短时间内达到稳定状态，特别是对于非线性和时变性的被控对象，可获得较满意的控制效果。总之，可以说明对于电控液压悬挂系统采用模糊PID控制来达到对耕深和阻力的综合控制是可行的。 3试验结果与仿真对比分析 将模型的仿真曲线图4-19和4-23分别和田间试验的原始采样曲线图4-24和图4-25比较可以看出，不论是悬挂系统的过渡过程还是在受到外界冲击激励过程，虽然在幅值和波形上略有差别，但是在曲线的变化趋势上基本相符的，说明建立的电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制模型基本是正确的，所设计的Fuzzy-PID控制器用于拖拉机滑转率和位综合控制是可行的。试验曲线和仿真曲线上的差别，一方面体现了仿真模型毕竟是对实际电控液压悬挂系统的抽象和简化，需要进一步把其它次要影响因素考虑进来；另一方面仿真模型中的一些悬挂系统的参数值是通过参考有关资料确定的，有必要对这些悬挂系统的参数做进一步的实验来确定，从而修正仿真曲线。 4.5 小结 小结 在本章中，首先将设计的Fuzzy-PID控制器应用到电控液压悬挂系统数学模第 4 章 电控液压悬挂系统动态特性实验及仿真分析 52型上，建立起电控液压悬挂系统的仿真数学模型。对建立的液压悬挂系统仿真模型与无校正的数学模型和加了PID控制器的仿真模型和加了模糊控制器的仿真模型进行仿真实验分析对比，无论是动态调整时间上来说，还是从系统调整的稳定性说，都可以看出Fuzzy-PID控制仿真模型在稳定性和动态响应方面是优于其他两个控制仿真模型的，同时也可以看出将Fuzzy-PID控制应用与拖拉机电控液压悬挂系统上是适用的和可行的。 在田间试验中，对采集的实验数据经过分析处理后获得了电控液压悬挂系统在过渡过程和遇到冲击激励时的动态响应曲线。通过对试验得到的系统动态响应曲线和电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制仿真模型的仿真后得到的曲线进行分析对比，不论是悬挂系统的过渡过程还是在受到外界冲击激励过程，虽然在幅值和波形上略有差别，但是在动态曲线的变化趋势上基本相符的，说明本论文所建立的电控液压悬挂系统Fuzzy-PID控制模型基本是正确的和合理的。第 5 章 结论 53第5章 结论 第5章 结论 5.1 概述 概述 对全部研究工作进行总结，阐明了本文的主要工作和继续研究的方向。 5.2 本文研究总结 本文研究总结 电控液压悬挂技术应用在国外开始与二十世纪七十年代发展起来的先进的悬挂技术，正越来越受到广泛的重视，是拖拉机悬挂系统的主要配置和发展方向。 本文从当前我国拖拉机悬挂系统的发展现状出发并结合电控液压悬挂系统的先进技术和工程应用，针对中国一拖公司开发的电控液压悬挂系统，根据电控液压悬挂系统的基本元件和特性进行参数化建模仿真，在基于当前在拖拉机上控制技术的研究，率先将Fuzzy-PID控制应用与拖拉机电控液压悬挂系统。通过仿真结果比较可知，Fuzzy-PID控制进一步提高了悬挂系统的动态响应性能。 实验作为重要的实践手段，通过实验验证来与所选择的控制策略控制的仿真模型进行分析对比，才能验证建立数学模型的正确性和合理性，同时也可以验证出所选择的Fuzzy-PID控制策略应用在拖拉机电控液压悬挂系统是可行的。 本文针对电控液压悬挂系统控制系统和田间试验，具体进行了以下一些工作。 1根据电控液压悬挂系统的工作原理，分析了系统元件的特性和查阅相关的资料，建立了系统的数学模型。 2通过输出反馈，以滑转率和位调节综合控制为例，以设定的滑转率和耕深值（在此设定的是耕深和滑转率的电压值）为输入量，电液比例方向阀上的电磁铁的控制电流值为输出量（控制电液比例阀阀芯的位移从而达到控制液压油的流向和流量），运用图形化仿真工具 SIMULINK 和 MATLAB 模糊逻辑工具箱建立了电控液压悬挂系统的Fuzzy-PID控制系统和设计了Fuzzy-PID控制器。 3根据中国一拖东方红-1604拖拉机上的液压悬挂系统配置和参数，计算出经过简化的系统传递函数； 4执行仿真并对比分析了Fuzzy-PID控制前后的控制作用，通过无校正的系统模型、采用PID控制的数学模型、采用模糊控制的数学模型和采用Fuzzy-PID控制的数学模型曲线特性进行分析对比，验证出采用Fuzzy-PID控制的数学河南科技大学硕士学位论文 54模型是优于其他模型的，验证了Fuzzy-PID控制应用与电控液压悬挂系统是可行的和合适的。 5根据制定的实验方案和实际情况，对拖拉机电控液压悬挂系统实施了田间试验。 6通过对田间的实验所采集的数据分析处理所得到的实验曲线和建立的Fuzzy-PID控制系统模型仿真曲线分析对比，验证了建立的电控液压悬挂系统模型的正确性和合理性，也验证了把Fuzzy-PID控制应用与拖拉机电控液压悬挂系统是可行的。 5.3 继续研究方向 继续研究方向 本文进行的电控液压悬挂系统控制技术的研究及其仿真和实验研究和分析，不论是研究的内容还是研究的方法，都是一种尝试和探索。由于时间短、实验条件以及其它客观条件的限制，还有作者本人水平和知识的局限，难免存在不足和谬误。下面是作者基于上述研究，对下一步研究方向的几点设想： 1针对所设计的Fuzzy-PID控制器实验，由于目前条件限制，可考虑通过半物理实验来验证Fuzzy-PID控制规则。 2电控液压悬挂系统的滑转率、位和力的综合控制研究。参考文献 55参考文献 1 参考文献 1 谭彧拖拉机液压悬挂和加载系统性能研究中国农业大学博士论文2004 2 2 机械工业部洛阳拖拉机研究所编国外机械工业基本情况（拖拉机）机械工业出版社，1994 3 3 国家机械工业委员会工程农业机械局国外工程机械、内燃机、农机机电一体化产品文集，1987.8 4 4 机械工业部洛阳拖拉机研究所编拖拉机设计手册（下册）机械工业出版社，1994，282448 5 5 T.H.Gamer,R.E.Dodd, Application of a Three-point Hitch Dynamometer, ASEA Paper NO.851077,1985 6 6 M.F.Kocher,J.D.Summers, Design of Drawbar Transducers for Measuring Dynamic Forces Transaction of the ASEA, 1987, Vol.30(1),7074 7 7 K.A.Sudduth, Computer Analysis of the Three-point Hitch, ASEA Paper NO.845522,1984 8 8 Willian Chancellor, Naiqian Zhang, Automatic Wheel-slip Control for Tractors, Transaction of the ASEA, 1989, Vol.32（1），1722 9 9 Gebresenet Girma Dynamic Effects of Speed, Depth and Soil Strength upon Force on Plough Components, Journal of Agriculture Engineering Research, 1992,51,4766 10 10 P.D.Ayers, K.V.Varma, M.N.Karim, Design and Analysis of Electrohydrauilic Draft Control System, Transaction of the ASEA, 1989,Vol.32 （ 6 ） .1853 1855 11 11 E.T.Weatherly, C.G.Bowers Jr. Automatic Depth Control of a Seed Planter Based on Soil Drying Front Sensing, Transaction of the ASEA, 1997,Vol.40（2）.295305 12 12 刘长年拖拉机牵引阻力控制系统的建模与优化农业机械学报，1984，15（4）：1325 13 13 刘长年拖拉机力调节系统的物理仿真农业机械学报，1985，16（3），115 14 14 方昌林拖拉机液压悬挂阻力调节系统室内仿真试验的设计江苏工学院学报，1986，7（1）：5269 参考文献 5615 15 李象，毛恩荣，韩聚奎拖拉机阻力控制系统室内动态仿真试验北京农业工程大学学报，1989，9（4）：4653 16 16 周云山，张兰义，秦维谦一种新的纯牵引力传感装置拖拉机，1989 17 17 周云山，张兰义，秦维谦等拖拉机液压悬挂动特性数字模拟加载试验台的研究农业机械学报，1990（1）：3540 18 18 周云山，张兰义，秦维谦数字式农具控制系统拖拉机，1990（3） 19 19 吴国祯，程文祥等，拖拉机耕深自动监测与控制农业机械学报，1993，24（1）：3135 20 20 方昌林，吴建华拖拉机悬挂系统电液控制的理论和试验研究农业机械学报，1994，25(3)：611 21 21 阮鸿雁拖拉机悬挂系统研究状况及一种新研究方法初探江苏工学院学报1993，14 (1) 22 22 董秀林，史维祥等拖拉机阻力控制系统试验分析与动态性能评价指标体系探讨农业工程学报1997，13(1)：6871 23 23 董秀林，董国辉等拖拉机阻力控制系统的室内模拟试验装置农业机械学报.1996，27（4）：157160 24 24 FLAT/FORD ComboPower Farming1995, Vol105, No.4 25 25 黎启柏电液比例控制与数字控制系统北京：机械工业出版社，1997 26 26 路甬祥，胡大纮电液比例控制技术北京：机械工业出版社，1988 27 27 刘海昌电液比例位置控制系统在电铅堆垛中的应用研究.昆明理工大学硕士学位论文2004，1 28 28 苏东海，张宏，李巍比例流量阀控制非对称液压缸同步的仿真分析机床与液压2003，No4：164166 29 29 谭彧. 拖拉机农具仿真作业机组悬挂系统电液控制技术的研究.中国农业硕士论文，2000，3 30 30 陶永华新型 PID 控制及其应用北京：机械工业出版社，2002 31 31 刘金琨先进 PID 控制 MATLAB 仿真北京：电子工业出版社，2004 32 32 诸静模糊控制原理与应用北京：机械工业出版社，1995 33 33 张国良模糊控制及其 MATLAB 应用西安：西安交通大学出版社，2002 34 34 楼顺天基于 MATLAB 的系统分析设计控制系统西安：西安电子科技大学出版社，2000 35 35 刘叔军，盖晓华等MATLAB7.0 控制系统应用与实践北京：机械工业出版社，参考文献 572006：330378 36 36 飞思科技产品研发中心编著MATLAB7 辅助控制系统设计与仿真北京：电子工业出版社，2005：230243，273291 37 37 钱积新，王惠，周立芳控制系统的数字仿真及计算机辅助设计北京：化学工业出版社，2003：124132 38 38 李颖，朱伯立，张威Simulink 动态系统建模与仿真基础西安：西安电子科技大学出版社，2004：53128 致 谢 58致 谢 致 谢 本文是在导师贾鸿社教授级高工和周志立教授的悉心指导下完成的。 在河南科技大学就读研究生的三年时间里，两位导师渊博的学识、正直的品格、宽广博大的胸怀、严谨的治学态度以及对我做人、做学问的谆谆教诲都深深地影响了我，使我受益终生，在此向两位导师对我这几年的辛勤培养表示衷心的感谢。 在课题进行的过程中，我也得到了洛阳拖拉机研究所高级工程师杨为民博士的大量耐心指导和重要帮助，他深厚扎实的理论知识和丰富的科研经验理论、联系实际的治学方针、把握全局方向和灵活机动的研究策略给我以深深地启迪，在此向他表示诚挚感谢和敬意。同时在做课题实验的过程中也得到了拖研所史金钟工程师的大力帮助和河南科技大学张迎军博士和同学郭军卫在程序调试过程中给了我很大的帮助，在此一并表示感谢。 此外，还要特别感谢河南科技大学车辆与动力工程学院各位领导和老师的关心和帮助。 最后向支持和理解我的家人和朋友致谢。 在学研究成果 59攻读硕士学位期间的研究成果 攻读硕士学位期间的研究成果 一、 攻读硕士学位期间发表的与学位论文相关的学术论文及专著 1一、 攻读硕士学位期间发表的与学位论文相关的学术论文及专著 1 齐学先，贾鸿社 等. 拖拉机悬挂模糊控制的研究. 洛阳：拖拉机与农用运输车 （已录用） 论文详细摘要 论文题目：论文题目： 拖拉机电控液压悬挂系统控制技术的研究 专 业： 专 业： 车辆工程 研 究 生： 研 究 生： 齐学先 指导教师： 指导教师： 贾鸿社 周志立 详细摘要 详细摘要 关 键 词：关 键 词：悬挂系统，电液比例方向阀，模糊 PID 控制，模糊控制，仿真 电控
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号