马铃薯收获机输送臂系统的adams-malab联合仿真

马铃薯收获机输送臂系统的adams-malab联合仿真

输送臂的高度和水平位置调整不当会引起事故在收获甘薯时，收获机应将臂末端与收获甘薯桩之间的距离调整为适当范围，否则会伤甘薯。另外,如果不能准确控制输送臂的位置,还可能会使输送臂与拖车斗壁发生碰撞,引发事故。目前,输送臂的高度和水平位置调整都是通过驾驶员来完成,劳动强度大,容易产生疲劳。因此为了降低机收马铃薯的伤薯率,并减小驾驶员的劳动强度,本文根据输送臂结构和运动学关系,对输送臂的控制方法进行研究,并应用Adams-Matlab机械系统和控制系统的集成仿真方法,分析整个系统运行的动态特性,解决输送臂运动防碰问题。1车斗内马铃薯堆的控制仿真马铃薯收获机的二自由度输送臂由长臂OA、短臂AB组成,长度分别为L1和L2,质量为M1和M2,图1为输送臂系统的结构简图。坐标系以长臂L1的旋转点O为原点,y轴指向上方,x轴指向收获机的右侧,在驱动机构的带动下,输送臂可以绕O和A转动。B点的坐标用(x,y)表示,车斗内马铃薯堆在平面上的投影形状近似为抛物线,最高点坐标用(x1,y1)来表示。输送臂的整体控制可以分为运动控制和防碰撞控制。运动控制主要是指机电控制系统,解决控制力矩与输送臂的转角关系,可由Matlab与Adams实现联合控制仿真;而防碰撞控制主要是指确定输送臂相对于马铃薯以及拖车斗的动态位置,防止输送臂与马铃薯以及车斗发生碰撞。其整体控制方案如图2所示。2车斗内马铃薯堆顶位置的影响输送臂的碰撞发生在两个方向:横向和竖直方向。①竖直方向发生碰撞的主要原因是,在马铃薯的收获过程中,车斗内马铃薯堆的位置随着时间的增加而增高,这时如果不能及时提高输送臂,就会使输送臂与马铃薯堆顶的马铃薯发生碰撞。②横向发生碰撞主要是由于车斗的横向移动,使得输送臂与车斗壁之间有可能发生碰撞,因此,输送臂的横向位置也应该得到很好的控制,才能避免发生事故。3避免头部损伤控制3.1车斗内横向位置标准规范的确定工作时,收获机车轮与车斗车轮之间的轮距保持在2个垄间距为最佳。因此,由收获机和车斗的尺寸结构关系可以计算出车斗中心线与长臂旋转点O的最佳距离为2250mm。以(2250mm,0)位置为工作时车斗中心线的基准位置,则允许车斗向两侧偏离的位置坐标为(1850mm,0)和(2850mm,0),即此两种情况为车斗在水平位置所允许的极限位置。还假设收获机和车斗都在相对平缓的地面上工作,即车斗底部相对于收获机竖直位置相对不变。在竖直方向,将车斗划分为m等份,作为马铃薯在竖直方向出现的位置点;水平方向,将马铃薯堆顶部可以横向移动的范围划分为n等份,作为横向可到达的位置点,这样可以得到m×n个空间状态,也就是马铃薯堆顶点可能出现的状态点。车斗高度已知,且由上面计算已知横向坐标范围为(1850mm,2850mm),取m=n=11,设定臂端点与车斗内马铃薯堆顶点的距离保持为30cm,可以得到输送臂端部即B点在这121个状态下所对应的位置坐标,即对应的输送臂角度θ1和θ2。此项工作可以通过2个方法解决:手动操作来确定角度;通过Adams软件仿真得到对应角度。通过测得的2组数据对比可知,用Adams仿真所得数据与实际操作所得数据基本吻合,本文采用第2种方法测得的仿真数据,如表1所示。3.2设计控制流程根据以上求得的限位结果,可以对输送臂的转角进行控制。设计控制流程如图3所示。其中,w为臂端点与车斗壁的距离,h为臂端点与马铃薯堆顶的距离,如图1所示,w和h的值可以通过测距传感器测得。4adams控制模块在进行系统防碰仿真分析和设计的同时,为了兼顾系统整体动态特性的分析,需要对系统进行动态仿真。单纯用Matlab需求出复杂机械系统传递函数关系式;单纯用Adams将面临控制系统输入困难的问题。因此本系统将二者结合,建立了基于Adams-Matlab的输送臂系统机电一体化仿真模型,如图4所示。令Matlab分管控制系统部分,来求解控制方程,即计算控制力矩M与输送臂转角θ的动力学模型;由Adams分管机械部分,来求解系统方程,实现运动控制的执行。其中机械部分直接从Pro/E中导入实体模型,在Adams环境下形成多体动力学模型,电气部分采用Matlab/Simulink建立。为了实现Adams-Matlab集成,需分别按照各自要求,定义相互之间的控制逻辑以及输入/输出关系。将Matlab工作目录设定为Adams导出路径;在Matlab命令行模式中运行*.m文件,生成一系列系统变量,如输入变量、输出变量、工作目录等;在Matlab命令行模式中生成新的Adams-sys控制模块。对于Adams部分,在Adams/view中打开自带的Control插件模块,使得Adams具有导出控制模块功能;新建plant-input变量和plant-output变量作为控制模块的整体输入、输出变量;变量plant-input需要和Adams的输入型参量进行绑定,变量plant-output需要和Adams测量型参量进行绑定;将Adams的工作目录设定为目标路径,指定文件名、输入输出变量等,执行Control模块中的Export命令,导出完毕的文件包括一个*.m的Matlab可执行文件,*.cmd和.adm的Adams命令文件及若干与部件同名的*.shl格式Adams部件信息文件,这些文件已包含虚拟样机的所有信息。5车斗收获机仿真仿真基于模型,针对系统中存在的各种非线性因素,如旋转过程中质心变化进而引起力矩的变化,以及实际的作业环境等,对系统动态性能的影响进行全面的仿真分析。输送臂参数:输送臂材料为铸铁,密度为7.8×103kg/m3,长臂L1=2800mm,短臂L2=1350mm,收获机的额定作业效率为0.667hm2/h。仿真过程从车斗中的马铃薯堆高度零开始,到装满车斗为止。针对收获机的3种工作效率分别进行模拟仿真。使用角度传感器实时测量并记录两输送臂角度值,图5和图6为输送臂运动过程中θ1和θ2随时间的变化轨迹,图7为仿真过程中输送臂和马铃薯堆顶之间距离随时间的变化曲线,图8为输送臂和拖车斗右侧内壁之间距离随时间变化曲线。图5和图6表明,随着马铃薯堆高度的增加,两输送臂的角度随之增加;具有高生产率时的输送臂角度变化率比低生产率时大,说明控制算法可以适应工作参数的变化,实现了鲁棒控制。由图7和图8所示,在不同的收获机工作效率下,控制算法均能将输送臂和马铃薯堆及车斗壁保持合适的距离。可以看出该限位算法能有效防止输送臂与马铃薯堆及拖车斗发生碰撞,从而避免马铃薯的碰撞损伤,降低伤薯率,说明本限位算法应用在马铃薯输送臂上是