拖拉机电控液压悬挂系统的建模与仿真分析

拖拉机电控液压悬挂系统的建模与仿真分析

姓名：沈则方申请学位级别：硕士专业：载运工具运用工程

指导教师：高翔20100611

江苏大学硕士学位论文摘要拖拉机电液悬挂控制技术是二十世纪七十年代逐步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主要配置和发展方向。本论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，根据电控液压悬挂系统的工作原理，建立了电控液压悬挂系统的动态数学模型，基于当前悬挂系统常用的元件的分析和参数的选择和参考资料，求出了悬挂系统简化后的传递函数。其次，根据当前拖拉机电液悬挂系统控制技术的研究，设计出了应用于电控液压悬挂系统的模糊ＰＩＤ控制器，并分别建立了电控液压悬挂模糊ＰＩＤ的位置控制系统、阻力控制系统和力位综合控制系统，运用图形化仿真工具ＳＩＭＵＬＩＮＫ和ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱对电控液压悬挂系统进行了仿真分析，并与ＰＩＤ控制系统的仿真结果进行了比较，仿真后的结果表明模糊ＰＩＤ控制应用于电控液压悬挂系统是可行的。本论文最后以某型号轮式拖拉机为研究平台，将原机械式液压悬挂系统改造为易于实现的电液悬挂控制系统，焊制了模拟农具支架，进行了室内仿真试验，成功地实现了拖拉机液压悬挂系统的多种控制方式，并将采集的试验数据经过处理后所得的试验曲线与仿真模型所得到的仿真曲线进行分析对比，试验结果表明电控液压悬挂系统基本能够满足耕作要求，并与理论分析的结果相一致，说明所选择的电液悬挂控制方法是合适的和有效的。同时这也为今后进一步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：拖拉机，电液悬挂系统，模糊ＰＩＤ控制，Ｍ觚ＡＢ／ＳｉＩｎｕｌｉＩｌｌ【，建模，ＭＡＴＬＡＢ仿真江苏大学硕士学位论文Ｔｈｅｔｒａｃｔｏｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｉｓｅｄｆ幻ｍ７０ｓｏｆｌａｓｔｃｅｎｔｕｒｙａｎｄｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇａｒａｔｈｅｒｍｏｄｅｍｈｉｔｃｈｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｎｏｗｉｔｉｓｔｈｅｍａｉｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｔｒａｃｔｏｒ’Ｓｈｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍａｎｄｇｅｔｓｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｅｘｔｅｎｓｉｖｅｒｅｇａｒｄ．Ｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｉｔｙｏｆｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｔｒａｃｔｏｒ’Ｓｈｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍｃｏｍｂｉｎｅｄｗｉｔｈｔｈｅａｄｖａｎｃｅｄｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄｉｎｔｈｅｌｉｇｈｔｏｆｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｆｏｕｎｄｅｄ，ａｎｄｔｈｅｎ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｈｉｃｈｉｓｃｕｒｒｅｎｔｌｙｕｓｅｄｉｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈ，ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕｌｉｃｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｓｅｃｏｎｄｌｙ，ｔｈｅＦｕｚｚｙ－ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｂａｓｅｄｏｎａｔｒａｃｔｏｒ’Ｓｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｃｔｃｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｓｆｏｕｎｄｅｄａｎｄｕｓｅｄｉｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕｌｉｃ衄ｃｈｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅＴＯＯＬＢＯＸｏｆｆｕｚｚｙｌｏｇｉｃａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒＳＯｃａｎｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄｂｙＦＵＺＺＹＭＡＴＬＡＢｔｈｅＦｕｚｚｙ－ＰＩＤｌｏｇｉｃｏｕｔｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｈｙｄｒａｕｌｉｃｗｉｌｌｂｅｓｅｔｕｐｉｎＭＡＴＬＡＢ．Ｔｈｉｒｄｌｙ，ＣａｒｒｙｉｎｇＦｕｚｚｙ－ＰＩＤａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｗｈｉｃｈｗｉｌｌｂｅｕｓｅｄｉｎｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄａｎｄｔｈｅＦｕｚｚｙ—ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｗｈｉｃｈａｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｉｓｆｅａｓｉｂｌｅ．Ｂａｓｅｄｂｙｔｈｅｏｎｗｈｅｅｌｅｄ－ｔｒａｃｔｏｒ，ｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｉｓｒｅｐｌａｃｅｄｔｈｅｎｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｎ．Ｉｎｅｌｅｃｔｒｏ—ｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈ，ａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｐｌｏｕｇｈｄｅｐｔｈｉｓｈｉｇｈｌｉｇｈｔｅｄ．ＢｙｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｃｕｌＮｅｗｈｉｃｈｉｓｇｏｔｆｒｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈⅡ江苏大学硕士学位论文ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｃＬｌｒｖｅｗｈｉｃｈｉｓｇａｉｎｅｄｆｒｏｍｔｈｅａｒｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ，ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙａｎｄｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈａｎａｌｙｓｉｓ．ｉｓｐｒｏｐｅｒ．Ｔｈａｔｍｅａｎｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｌｓｏｐｒｏｖｉｄｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｄｖａｌｕｅｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｒａｃｔｏｒ，ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈＳｙｓｔｅｍ，Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌ，ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ，Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＭＡＴＬＡＢｓｉｍｕｌａｔｉｏｎⅢ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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容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本学位论文。保本学位沦文属于密在年解密后适用本授权书不保密口Ｚ／学位论文作者签名：≯也地、坊加ｆ。年‘月似日指导教师签名：乃№年面细厢～．侈拗哆一日独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。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已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，均己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。学位论文作者签名：日期：勿ｆ厶年‘月，咱江苏大学硕士学位论文第１章１．１课题研究的意义绪论现代拖拉机的技术发展趋势是广泛采用高新技术，提高拖拉机性能、可靠性、操作方便性、舒适性、安全性及外观质量等。近年来，电子技术与计算机技术结合形成的智能控制技术的发展以及先进的机械制造技术、新材料的涌现，为农业机械带来了新的技术变革，推动了农业机械向智能化、自动化方向发展，极大地促进了农业机械产品性能的提高。随着信息技术、网络技术、人工智能技术在工业上的广泛应用，在传统农业装备上引入信息化、智能化技术是２１世纪农业现代化发展的必然趋势。农业机械向智能化、精准化和实现可持续农业方向发展，以逐步实现农业机械作业的高效、高质量和低成本，并提高操作者的舒适性和安全性。随着世界人口和人民提高生活水平的需求不断增长，农业机械化在更高的水平上继续发展是必然的趋势。农业机械正向大型、高效、低耗、自动化和智能化发展。发展高生产率的农业机械必须提高作业机组的生产率。因此，大功率拖拉机逐年增加，作业机械的工作幅宽也相应加大，机组速度普遍提高。近几年来，一些发达国家不断将高、新、尖技术应用到农业机械上来，使农业机械不断向智能化发展。如美国纽荷兰大功率拖拉机与割晒机、收集机、法国库恩免耕播种机等ｎ¨。我国对农用拖拉机的研究和发展虽然取得一定成就，但是与发达国家相比，仍有很大差距。就我国当前拖拉机生产和实际应用而言，机——电——液一体化技术的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题，如拖拉机液压系统的发热问题、液压冲击性问题、液压系统中的泄漏问题等，尚缺乏系统和深入的研究，没有形成可行的解决方案。在液压技术的发展上，仍然处于以液压悬挂的推广完善为代表的液压悬挂阶段，并且更多的研究都是针对传统机液控制系统的仿真和实验研究ｎ¨。本项研究拟选择拖拉机液压悬挂装置及其农具配套机组为主要对象，探讨和研究其在实现机．电．液智能控制方面的关键技术，从而有助于提高我国农业机械的自动化和智能化水平，有助于提高农业机械的生产效率和精确农业的发展。江苏走学硕士学位论文１．２拖拉机电控液压悬挂系统的结构及特点电控液压悬挂系统当前比较常见的系统配置如图１．１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（电流信号）来控制电液比例方向阀和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的上升和下降来达到控制的目的。…Ｋ蓼困１１电拉洼压悬挂系统在拖拉机上的布置图Ｈ９１１Ｔｈｅｌａｙｏｕｔｏｆｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｈｙｄｒａｕ／ｉｃｈｉｔｃｈ在图１．１中，控制面板用柬对整个悬挂系统进行控制：位置传感器用来测量悬挂杆件的转角，吼此来测量出悬挂在悬挂杆件上的农机具的作业耕深；力传感器是用来测量悬挂杆件在作业时受到的牵引阻力。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“”１１７１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阐值的方法。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：ａ通过按钮等控甫０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；ｂ．利用电液控制技术提高了控制精度：ｃ．结合实际情况，可咀方便地实现多种控制；ｄ容易实现控制灵敏度和控制范围的调节；ｅ除力调节、位调节外，电控回路可以自由进行多种控制组合，克服了单项调节的缺点，并且信号测量简单，传递容易，合成简单：ｆ．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，容易江苏大学硕士学位论文安装电液悬挂系统的传感机构；ｇ．利用控制技术和微处理机来控制整机，有利于拖拉机组向智能化方向发展。１．３电控液压悬挂系统的研究及发展趋势１．３．１电控液压悬挂系统研究动态拖拉机作为一种农业动力机械发明于２０世纪的早期。一个典型的里程碑就是由ＨａｒｒｙＦｅｒｇｕｓｏｎ在２０世纪２０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。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：用于连接农具的由杆件组成的空间机构。通常用简化投影到纵向平面内的平面六连杆机构代替空间机构。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，用液压泵和液压缸来将发动机的动力转换为提升农具所需要的动力。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～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，在一定程度也带动了电控技术在拖拉机上的应用，使现代新型拖拉机产品同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，并把机电一体化技术的应用作为其产品向高级化发展的一个象征性战略。自７０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。随着大规模集成电路技术的发展和应用，逐步将拖拉机电液悬挂系统的控制与拖拉机总体性控制起来，使拖拉机控制系统具备了一定得信息处理能力，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、３江苏大学硕士学位论文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协¨３８１。１．３．２国外拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状福格森公司（Ｆｅｒｇｕｓｏｎ）早在３０年代首创了三点悬挂机构，最初在ＴＥ－Ｆ２０拖拉机上采用阻力控制，以后在ＭＦ．３５拖拉机上增加位置控制，进入６０年代，在新的１３５和１６５等机型上又增加了压力控制１１１。对拖拉机的悬挂系统进行了电子化自动控制早在上世纪７０年代就有研究，并有产品投放市场，如日本芝浦公司的ＩＣ控制系统具有位调节、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。博世（ＢＯＳＣＨ）公司提供的电液控制提升器已配置在戴姆勒．奔驰、芬特、万国、史律特、道依茨、麦塞、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。以福格森公司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。上世纪７０、８０年代广泛研究的悬挂牵引力测力仪以及在液压悬挂系统中进行计算机辅助设计。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，这为建立控制系统的传递函数提供了参考。文献ｎ２１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机器耕作高效低耗的目的。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，将其作为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，文献“２１首先对控制系统建模，４江苏大学硕士学位论文然后进行了开环、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２５５ｍｓ，比经验值提高了２３％，控制精度也有增加。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提升调节装罨，其核一ｔｌ，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：安装在下拉杆的磁滞伸缩式测力销、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他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，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。此外，其它知名的拖拉机厂商，如约翰迪尔（ＪｏｈｎＤｅｅｒｅ）、新荷兰（ＮｅｗＨｏｌｌａｎｄ）等也都各自开发了相应的数字化控制系统。综上所述，目Ｉ；｛『在国外拖拉机上，机——电——液一体化技术已经获得了广发的应用，例如，麦塞、福格森、雷诺、萨姆、约翰迪尔、菲亚特、新荷兰、道依茨等公司近期推向市场的大功率拖拉机基本上都装备了电液悬挂系统，使电液悬挂产品已经进入主流市场。还有一些拖拉机上还采用了基于ＣＡＮ总线的多路传输网络系统，使得机——电——液控制系统在拖拉机上的应用达到很高的水平。但是同时，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。１．３．３国内拖拉机液压悬挂系统的发展和研究现状我国拖拉机工业经过几十年的发展，已经取得了很大的进展，但是与国外高新技术拖拉机相比，仍存在较大差距，拖拉机悬挂系统更是如此。国内在拖拉机５江苏大学硕士学位论文上应用带有力调节、位调节、综合调节的液压悬挂系统比较晚。按时间划分为以下三个阶段：第一阶段为初步研究阶段。在７０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７０年代后期，国内才有人从理论上对力控制系统的动态性能进行初步研究。在这方面，原吉林工业大学、洛阳拖拉机研究所、原北京农业工程大学、原洛阳工学院、原江苏工学院都作了一些有益的工作。第二阶段为机——液控制系统的室内模拟仿真及分析。进入８０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他设计参数；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的设计要点等等，不断取得一批新的研究成果。八十年代后期为了跟踪国外先进技术，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材，并做了初步的实验工作。第三阶段探索电液摔制系统的研究开发。９０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，提出了一种新的纯牵引力传感器，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。接着把单片机应用于拖拉机农具耕深控制中，比较了原机型的机液控制系统与新设计的数字式控制系统，而且提出了位置控制、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。还进行了伺服自动控制与计算机控制耕深的试验比较。文献‘４幻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“＂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。同时期的一些研究者提出了一种新的在室内研究和评价悬挂系统耕作性能的方法哪！和建立耕作过程中土壤阻力数学模型以及阻力控制系统的６江苏大学硕士学位论文室内模拟试验系统的方法。文献对悬挂系统进行了加载性能的研究，同时提出了悬挂系统的模糊控制方法１１０ｌ。综上所述，就我国当前的情况而言，对拖拉机作业机组电液一体化技术的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题尚缺乏系统和深入的研究，在液压技术的发展上，仍然处于以液压悬挂的推广完善为代表的液压悬挂阶段，并且更多的研究都是针对传统机液控制系统的仿真、试验和改进研究。归结起来主要还存在以下几个方面的问题１１７｜ａ．基本上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；ｂ．控制对象主要是牵引力阻力和耕深，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；ｃ．控制工具由单片机组成，还是在实验室试验阶段，因传感器、控制总线和信息显示技术还没有形成成熟的产品，只能从国外进口成套的系统使用；ｄ．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取得自动控制系统的性能评价指标。１．４本课题的主要研究内容和目的１．４．１课题研究的目的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试验标定，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，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。本课题基于某型号轮式拖拉机电控液压悬挂系统开发项目，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起来，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７江苏大学硕士学位论文响应，并与试验结果相比较，进而分析所建立的系统模型的正确性和合理性，以及所设计的模糊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课题研究的主要内容本论文所要完成的主要内容是拖拉机液压悬挂的性能分析和控制方法的研究。研究的具体内容包括以下几点：１．在某型号轮式拖拉机液压悬挂系统开发的基础上，结合当前在拖拉机液压悬挂系统上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动力学分析和性能分析，在分析和参考相关资料的基础上确立整个系统的数学模型。２．根据建立的数学模型，结合当前模糊控制技术，利用ＭＡＴＬＡＢ７．０中的模糊逻辑工具箱ＦｕｚｚｙＬｏｇｉｃＣｏｍｒｏｌＴｏｏｌｂｏｘ设计一种适合电控液压悬挂系统的控制算法，并在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下建立系统的模糊ＰＩＤ控制仿真模型。３．根据建立的系统数学模型和模糊ＰＩＤ控制模型，在模拟实际情况（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，通过对建立的仿真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仿真控制模型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室内仿真试验，根据试验采集的数据处理后的曲线与建立的仿真控制模型的仿真曲线进行分析对比，进一步验证所设计的仿真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。１．５本章小结１．介绍了电控液压悬挂系统的结构及特点。２．对国内外液压悬挂系统的研究动态进行了综述。３．阐明了本课题研究的主要任务。８江苏大学硕士学位论文第２章电液悬挂控制系统２．１传统液压悬挂系统耕深控制方式拖拉机悬挂机组耕作深度指农具入土耕作后犁沟底面与地面之间的高度差。耕作深度的均匀性是衡量耕作质量的指标之一。操作和调节农具是拖拉机悬挂系统的主要功能，也是控制耕作深度的重要组成部分，农具调节方法是否适应各种配套农具和不同作业条件，对机组的动力性能和作业质量有十分重要的影响。悬挂系统使拖拉机与农具结合成一个机组，其突出的优越性是农具可由拖拉机驾驶员不离座位进行操纵。为了不分散驾驶员的精力，耕作过程中农具的耕作深度，应由他预选和调定，然后由液压悬挂装置自动控制。传统耕深控制方法，常用的主要有以下几种Ⅲ：高度控制、阻力控制、位置控制和力位综合控制。我国悬挂式作业机组中一般配置上拉杆传感器的阻力控制、位置控制和力位综合控制三种调节方式为一体的控制机构（如图２．１所示）。１中立１．操纵手柄２．伺服杆３。传感杆４．主控制阀５．滑槽导板６．选择杆图２．１力位综合控制简图Ｆｉｇ．２．１Ｄｒａｆｔａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ图２．１中，当移动操纵手柄１的位置使农具下降到耕深设定值日后，固定不动，此时伺服杆２上端的ａ点固定不动，ｂ点将随着传感杆３作前后移动，使控制阀４离开“中立”位置相应地前后移动，提升或下降农具，从而减小或增大作业阻力的合力疋。９江苏大学硕士学位论文２．１．１位置控制位置控制用来保持农具与拖拉机的相对位置不变。如果相对位置发生变化，位置控制系统自动地将农具调回到原来的预定位置。其优点是：（１）适用于浅耕，还可以用于要求保持离地距离确定的农机具（如悬挂式旋转割草机、喷雾器）；（２）只要液压泵工作，农具能停留在任何位置；（３）耕作时农具的重力能转移到拖拉机驱动轮上；（４）传统位置控制输入信号是提升臂转角的变化量△秒，与牵引阻力无关，受外界干扰引起的变化频率较低，故液压泵压力比较稳定，位置控制比较稳定。其缺点是：（１）只能在平坦地表上农具保持预定入土深度或离地高度作业，农具不能随地面仿形；（２）不能保持发动机负荷稳定。２．１．２阻力控制耕作中如果土壤阻力变化，则需相应地稍加升降农具，以便保持拖拉机的牵引力基本不变，使发动机负荷稳定，这种控制称之为阻力控制，其优点是：（１）能自动保持拖拉机牵引力的稳定，使发动机的负荷保持稳定；（２）农具虽无地轮，但在地表起伏变化下仍有一定的仿形作用，且在平坦的熟耕地上能保持耕深均匀；（３）耕作时农具的重力能转移到拖拉机的驱动轮上，有利于改善拖拉机的附着性能；（４）不要求有坚实地面作为耕作深度的基准，因此能适应水田耕作需要。其缺点是：（１）因为传统悬挂系统采用上拉杆力作为控制信号，故不适宜用在浅耕或离地作业农具上；（２）在土壤比阻差异很大的田间作业时，对耕深均匀性影响很大；（３）传统阻力控制的输入信号采集上拉杆传力弹簧变形量Ⅳ的变化，与土壤比阻和地表起伏有关，受外界干扰引起的变化频率较高，液压泵压力变化急１０江苏大学硕士学位论文剧，农具被频繁地升降，故阻力控制系统不能在复杂多变的工作条件下保证耕作质量。２．１．３力位综合控制力位综合控制是将弹簧变形的变化量Ⅳ和提升臂转角变化量△秒加权处理后作为输入信号的控制方法。力位综合控制过程（如图２．１）：设当操纵手柄１固定在某一位置后，农具到达预定耕作深度Ｈ，主控制阀４处于“中立＂位置；又设此时阻力控制弹簧的压缩变形量为厂、提升臂转角为秒。如果土壤阻力增大，阻力控制弹簧压缩量增大值为Ⅳ，农具提升。这是一方面随土壤阻力的减小，阻力控制弹簧变化量掣相应减小，使主控制阀４后移；另一方面，由于提升臂转角增大△秒，也使主控制阀后移。在这两个输入信号同时作用下，控制阀回到“中立＂位置。与单纯阻力控制相比，阻力控制弹簧变化量Ⅳ中只有部分值传到传感杆３上用于移动主控制阀４，故阀的移动量相对减小了，即控制阀的开口量减小，因此农具提升速度减缓；又由于增加了△秒，使控制阀额外的向后移，所以没有等到阻力控制弹簧变化量Ⅳ完全消除，即阻力控制弹簧还没有恢复到原定的厂值之前，控制阀就回到“中立＂位置，提前终止了农具的提升。故阻力控制弹簧的实际压缩量大于厂，提升臂的实际转角大于０值。如果土壤阻力减小，其原理相同，过程相反。力位综合控制的整个过程表明，当农具阻力变化时，拖拉机牵引负荷并不保持不变，农具虽然升降，但是阻力控制弹簧压缩量并未恢复到预定的厂值，农具升降动作和升降速度受到一定得抑制，避免耕作深度的差别过大，其目的是要在牵引负荷稳定性和耕作深度均匀性两方面得到合理调整。根据以上所述，我们设输入信号Ⅳ的权重系数为ａ，输入信号△目的权重系数为ｂ，综合控制指标Ｓ可用以下数学模型描述：ｆＳ：ａ·人，工６·Ａ０ｐ－－ｓ１作用。式中：口＋－．ｙ６：ｉ１（２Ｊ）指标Ｓ反映了上述两种输入信号按照不同的比例，各自对操纵机构起的“综合＂（１）当ａ＝１，ｂ＝０时，控制装置按力调节方式工作；１１江苏大学硕士学位论文（２）当ａ＝０，ｂ＝１时，控制装置按位调节方式工作；（３）当口＜ｌ，ｂ＜１时，控制装置按力位调节方式工作：（４）当ｇ≠Ｏ，ａ＜６＜１时，控制装置位调节作用大于力调节；（５）当ｂ≠０，ｂ＜ａ＜１时，控制装置力调节作用大于位调节。２．１．４高度控制高度调节是采用地轮来限制农具的入土深度保证耕作深度均匀的，其优点是：地轮与农具的相对位置一经调节确定，不论土壤比阻或地表起伏如何变化，耕作深度ｈ都保持不变。其主要缺点是：（１）耕作时农具的重力不能充分转移到驱动轮上，不利于提高拖拉机的牵引性能；（２）在松软土壤上，由于地轮下陷，耕作深度便不能保证均匀，地轮的滚动阻力相应增加，故不适宜水田作业；（３）耕作深度的确定值ｈ，不能在耕作过程中由液压悬挂装置随时调节；（４）如果耕地的土壤比阻差别较大，则发动机负荷变化很大。２．２电控液压悬挂系统设计方案在电控液压悬挂系统中，利用传感器采集到的农具作业深度和拖拉机对农具的牵引力等信号被输送到控制器，控制器将适时采集到的信号与拖拉机驾驶员设定的作业深度和／或拖拉机牵引力期望值进行比较。若适时信号与设定期望值之间的误差超过系统的允许的范围，控制器驱动电控比例阀，提升或降低农具，将作业深度和／或牵引力调节到设定的范围内。与传统的液压悬挂系统比较，电控液压悬挂系统采用力传感器代替阻力传感弹簧以及力传感弹簧与提升阀之间的传动机构；采用角度位移传感器或线位移传感器代替偏心凸轮以及凸轮与提升阀之间的传动机构；采用调节旋钮或选择开关代替操纵手柄（如图２．２所示）。根据上述特点，电控液压悬挂系统不同部件之间的机械连接很少，因此，系统在拖拉机上的布置方案更加灵活。由于本方案设计是在已有的机型上进行升级改造，必须充分考虑现有产品的结构特点。江苏大学硕士学位论文（１）尽可能地采用原有的油缸、油泵以及上下提升臂等，仍旧采用分配器壳体作为液压提升系统的专用油箱；（２）采用外置电控比例阀取代现用提升阀器中的提升阀，取消提升器中的机械控制传动机构；（３）采用两个牵引销式力传感器代替原提升器中的上拉杆传感弹簧，用下拉杆传感代替上拉杆传感，并将上悬挂点与机体刚性连接；（４）采用提升臂的转轴上布置提升臂转角传感器，获得位置调节的农具耕深的位置信号。１．液压泵２．悬挂控制阀３．悬挂控制阀４．雷达速度传感器５．转速传感器６．牵引力传感器７．压力传感器８．提升油缸９．位置传感器１０悬挂控制面板１１．电子控制单元图２．２电控液压悬挂系统总图Ｆｉｇ．２．２Ｅｌｅｃｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｓｙｓｔｅｍ２．３电控液压悬挂系统的工作原理拖拉机电控液压悬挂系统通过操纵控制面板上的操作按钮对悬挂系统进行控制。控制面板如图２．３所示，其调节方式有：位调节、力调节及其他们之间的综合调节，另外还具有运输减震等功能。当选定一种调节方式时，拖拉机作业机组将按该控制模式执行，从而可以实现驾驶员不用下车即可以实现对所有的农具作业功能进行实时操作。江苏大学硕士学位论文匿■了百＝可■可／／。／１／厂／ｎ运输战振显示灯固２．３电控液压悬挂系统的控制面板Ｆ嘧２３Ｅ１０９ｔ＿ｏ－ｈｙｆｌｒａｕｌｉｃｈｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｐａｎｅｌ１四位控制手柄（ａ运输和提升位置ｂ件止位置ｃ调罄和下降位置ｄ中桩位置和返回位置）２油路锁死开关（遥输状态口下降速度调节蘸衄４农具位置谩定旋钮５提升拉王设定旋粗６力位综合控制旋钮７诊断显示灯８提井显示灯９．下降显示灯１幔运输域振开关－萄蔷－拖拉机电控液压悬挂系统的位置调节系统是一种位置控制系统，它能够实现悬挂农具与拖拉机的相对位置保持不变，当相对位置发生变化时，位置调节起作用，能自动使调节农机具回到原位。农具位置设定旋钮是由用户根据实际情况而设定耕深的期望值，拖拉机工作时的实际耕深则是由悬挂系统上的提升臂转角上的感应角位移传感器问接测量得到，并作为反馈信号输送到微处理器处，微处理器经过采样，Ａ／Ｄ转换和数据处理，与设定值比较得到搞差信号ｅ，如果Ｐ超过位置调节的控制范围±１０％（参见国标ＧＢｌ５９３．７９），微处理器根据ｅ的大小从而控制输出一定的ＰＷＭ信号，经过驱动后形成由电磁阀的控制电流，从而使电磁铁产生一定得吸引力，克服阀芯上的回位弹簧力推动阀芯移动一定的距离，进而控制电磁阀方向敏感阀对于特定的要求形成开口量，从而输出油液使农机具提升或下降。农机具的上升和下降取决于偏差信号Ｐ的正负。偏差信号Ｐ越大，产生的控制电流越大，从而使阀芯的开口量越大，农机具动作就越迅速，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度甚至损坏农机具。当ｅ在范围内时，农机具处于稳定的工作状态，为提高控制精度，范围应降低为±２．５％。电液悬挂系统的力调节系统是一种阻力控制系统，它是以维持拖拉机发动江苏大学硕士学位论文机负荷平稳为目的的控制系统。力调节通过悬挂系统中的下拉杆牵引销的变形来测量悬挂机组受到的牵引阻力的变化，牵引阻力作用在作为下拉杆牵引销的力传感器上使其产生一定的绕度变形，使力传感器产生一定的电压差，输出的电压经过放大电路，送给微处理器，进行信号采样、刖Ｄ转换和数据处理后，与设定牵引阻力比较，产生一个偏差信号ｅ，根据偏差信号ｅ的大小，由微处理器发出一定占空比的ＰＷＭ波，再经过功率放大控制比例阀形成相应的开口量，输出油液提升或下降农具。农机具的升降取决于偏差信号的正负。当偏差信号ｅ的大小正好满足开口量与比例阀泄漏量相等时，系统处于平衡状态，农机具停止升降。阻力控制主要用于犁地、耙地、深耕以及其他耕地作业。其优点是：能自动保持拖拉机牵引力稳定。但是它的主要缺点是不适宜用在浅耕或离地作业农具上，在土壤比阻差异很大的地上作业时，对工作深度均匀性影响很大。电控液压悬挂系统力、位综合控制是将力调节和位置调节的特点综合应用的调节方法。当农具的工作阻力发生变化时，液压系统能够自动提升或降落农具，以免拖拉机牵引力负荷发生变化，但农具的升降动作又受到一定程度的抑制，以免耕作深度变化太大。其目的是使牵引负荷的稳定性和耕作深度的均匀性两方面都得到照顾，使耕深自动控制的适应性提高，在各种不同的土壤条件下都能获得较高的耕作质量。在力调节的基础上加上滑转率控制，即拖拉机在作业中通过悬挂装置自动调节农机具工作阻力，使拖拉机的滑转率稳定在最优滑转率附近，就可以使拖拉机具有较高的牵引效率，而且使发动机负荷较为稳定，有利于进一步提高拖拉机生产率和经济性。这种控制方式称为滑转率——牵引阻力联合控制。在力、位综合控制的基础上，加上滑转率控制，实现三参数的联合控制综合，其控制效果将会更理想。综合控制的原理只是几种控制方法的组合，既能保留各种调节方法各自的性能，又能提高机组对不同作业条件的适应性。无论采用哪种控制方式，传统的机——液控制方式将逐渐被电液控制技术代替。这是因为只有采用电控系统，各种复杂的综合控制才能成为可能，才能将拖拉机悬挂机组作为一个整体进行控制。江苏大学硕士学位论文２．４悬挂电液控制系统介绍２．４．１液压控制系统的组成悬挂系统的液压控制系统是提升农具的动力和控制装置，是悬挂装置中的动力部分，它一般由液压泵、提升液压缸及其他一些阀类和辅助装置组成。为了实现对液压悬挂系统的多种调节方式，液压悬挂系统必须采用电液悬挂控制方式，因此需要在按照国际标准的前提下，对某型号轮式轮式拖拉机液压控制系统的基础上进行改造，原拖拉机的分配器把主控制阀、回油阀和安全阀集成于一体，组成了一个总成，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。因此，在设计中尽量采用原拖拉机的液压元件，例如液压泵、液压油缸、滤清器、油管等。本论文采用电液比例方向阀、电磁溢流阀、单向节流阀、压力表及压力传感器等，代替了原拖拉机的分配器，同样占用空间较小，对整体拖拉机各部件的配置影响不大。２．４．２电磁比例控制阀电磁比例控制阀是在普通液压阀的基础上加上电子控制部分发展起来的。电子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。比例阀控制面板一般由厂家配备，用户也可自行开发。控制面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。本课题根据该型号拖拉机的具体情况，采用Ｓａｕｅｒ挂系统。ＤａｎｆｏｓｓＤａｉｋｉｎ公司提供的液压控制阀系统构建电控液压悬该液压悬挂系统控制阀系以通用型先导式三位四通电磁比例阀ＰＶＧ３２的核心技术，根据拖拉机具体要求ＰＶＢＺ－ＨＳ专用单作用液压悬挂系统控制阀（如图２．４所示１。除了ＰＶＢＺ－ＨＳ阀组以外整个液压悬挂系统包含泵侧模块。泵侧模块１６皿苏大学硕士学位论文的功能是调整系统压力与主控阀块匹配。ＰＶＢＺ－ＨＳ专片ｊ单作用液爪悬挂系统控制阀由幸阀块、电挣先导阀和弹簧阀盖等组成，主阀块由＝位州通滑阀、压力、流量补偿阀、出门单向阀、运输减振阻尼阀等组成。电挣先导阀采用液压桥路和藤成位置传感器实现对驱动｛。摔滑阀的精确州环挣制，以扶得卡摔阀的输出流量与控制电压的线件特性。电控先导阀采川液压桥路控制｝阀的优点：是采用很小的电流能够灵敏而稳定的控制卡挖滑阀的位置。通过弹簧阀盖『瑚于柄则能够进行人Ｌ操纵。减振伸簧盖任山扑佬嘲电控先：｝蚓图２．４ＰＶＢＺ．ＨＳ专用单作用液压悬挂系统控制阀Ｆｉ９２４ＨｉｔｃｈｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅｏｆｐＶＢＺ－ＨＳＮ２。一习．．＾？２囤卜＿爿团“Ｉ擀１三通压力补偿阀２提升阁３下降阔４单向阀Ａ提升线圈Ｂ下降线圈目２．５电液比例阀原理囤Ｆｉ９２５埘【ｃｈｃｏｎｔｒｏｌｖａｌｖｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｈａｒｔ江苏大学硕士学位论丈表２．１电违比啻ｌ阀技术参数Ｔａｂ２１Ｈｉｔｃｈｃｏｎｔｎ３ｌｖａｌｕｅｐａｒａｍｅｔｅｒ类型外部温度（ｏｃ）电子控制比例阀－２５～６０１０～４００ｔｍｎＺ／ｓ粘度液压油温度范围（℃）过滤性－２５～∞经过压Ｉ＝７５的滤油器过滤后，油的污染等级为１０ｌ＇：２５０ｂａｒＲ：ＳｂａｒＮ：３０ｂ舡最大允许压力流速Ａ端口的流量控制方式ＳＯｌ／ａｒｉａ：要求大于Ｓ０１／ｍｉｎ在压力１２墨ｍＴｔ大流速为４ｍ３／ａｒｉａ１２ｖ的比例线圈控制阀芯２．４．３传感器的选择拖拉机液压悬挂系统需要检测的参数有农具位置（耕探）、牵引阻力ＣＴ作阻力），为了使拖拉机悬挂机组能够实现自动化控制．必须采用电子式传感器进行检测耕深和牵引阻力。２．４．３．１霍尔角度传感器曩妻拦月＆圈２．６霍尔角度传感嚣囤２．７角位移传瘟器－牲能曲线Ｆ，ＯｎＳＯｒＦｉ９２６Ｈａｌｌ刮如ｄｒｏｔａｒｙｐｏｓｉｔｉｏｎＦｉ９２３Ｒｏｔａｒ／ｐｏｓｉｔｉｏａｓｅａｓｏｒ辟矗ｍｍａＤｃｃｃｍ’ｅ霍尔角度传感器是用来测量耕深的一种传感器，基于角位移传感器测量原理，将角位移变化量转换为电压信号，由于耕作深度在实际工作过程中不方便测量，耕作深度与提Ｙｔ臂的转角成一定的比例关系，因此一般将角位移传感器安装１８江苏大学硕士学位论文于提升轴处，灏４量提升臂转角的变化，将转角信号转换为电压信号传送给微处理器对型号进行处理（如图２．６和２．７所示）。表２，２角位移传感嚣技术参数Ｔａｂ，２２ＴｈｅＤｏｔａｒｒｐｏｓｉｔｉｏｎｓｃｏｏｔｐａｒａｍｅｔｅｒ类型霍尔角度传感器１０～３０ｖ≤１５ｍＡ供电电压供电电流精确度线性度测量范用＋－０５。±２．５。土４５。一２５。Ｃ～＋８５０Ｃ≥５ｋｎ工作温度范围载荷阻力２．４．３．２牵引力传感器图２．８压力侍感器Ｆｉｇ．２８Ｄｒａｆｔｓｅｎ∞ｆ图２．９压力传感嚣原理图Ｆｉｇ．２９Ｄｒａｆｔｓｅｎ∞ｆｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓｋｅｔｃｈ如图２．８所示，牵引力传感器采用ＢＣＭ传感技术公司提供的应变式力传感器，其结构形式为轴销式。将农具作用在下拉杆前连接点的牵引力引起的剪切力转变成磁场力。无载荷时，初级线豳的两级之间形成对称的磁场，在压力或张力江苏大学硕士学位论文作用下，等方性磁场的磁场特性发生变化，因此磁场变为不对称，从而次级线圈的两极之问的磁场发生改变，这种改变将造成次级线圈中磁通量的变化，同时，在次级线圈中产生感应电压。感应电压与外界拉力或压力的大小对应成比例，工作原理如图２．９所示。表２．３压力传感器技术参数Ｔａｂ．２．３Ｄｒａｆｔｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｉｃａｌｄａｔａ传感器类型电源电压（电流）工作温度范围温度灵敏度系数插头类型正常行程线性度ＫＭＢ０６０Ａ３阻１５８～１２ｖ－３５０～＋１２５０＜１．２５％／１００Ｃ３．针插头１０ｍｎｌ≤地％２．５本章小结１．简述了传统液压悬挂系统耕深控制方式２．简述了传统液压悬挂系统的布置形式３．介绍了电控液压悬挂系统设计方案及其工作机理４．对悬挂液压系统及传感器的选择做了概述。江苏大学硕士学位论文第３章液压悬挂系统运动分析及建模拖拉机的耕深控制系统是一个负反馈的自动控制系统，常用的控制方式有阻力控制、位置综合控制和力位综合控制，反馈信号取自下拉杆和提升轴的角位移及二者的叠加信号。本章通过对整个悬挂机构的运动分析和动力分析，确定机构各个杆件之间的传动比以及受力情况，结合对液压系统的理论分析，建立整个液压悬挂系统的数学模型。３．１液压悬挂机构动力学分析３．１．１液压悬挂机构运动学分析乜１图３．１犁耕机组悬挂机构简图Ｆｉｇ．３．１Ｔｒａｃｔｏｒ－ｐｌｏｕｇｈｈｉｔｃｈ拖拉机悬挂机构由连接农具的一些杆件机构所组成。实际上这是一个较复杂的空间杆件机构。由于结构的对称性，为研究方便，将悬挂机构简化成纵垂面内平面六连杆Ⅱ级机构如图３．１所示。机构包含１０个运动副和７个活动构件，其自由度为１。建立以拖拉机后驱动轮中心接地点Ｄ为原点的坐标系，机组前进的反方向为ｘ轴。图中Ｃ、．，、Ｋ分别为悬挂机构外提升臂、上拉杆、下拉杆与机架的铰接点位置，ｌｏ至ｌ，为图中各杆件尺寸（其中１６为农具立柱高度），ｌ。和ｌ，分别为２１江苏大学硕士学位论文机架ＣＫ和肛的长度，ｔＯ为内外提升臂刚性夹角，ａ为外提升臂位置角，％为液压缸轴线与水平线夹角，啦为活塞连杆与水平方向的夹角，０【：为内提升臂与Ｙ轴负方向的夹角，ｑ为瞬心位置，Ｊ｝ｌ为额定耕深，ｓ为活塞位置。３．１．１．１曲柄滑块机构运动分析如图３．１所示，油缸和内提升臂可以视为曲柄滑块机构；由几何关系可得以下两个方程：ｌｏｃｏｓａｌ一／１ｓｉｎ９２＝厶一ｓｅＣＯＳ口ｏ（３．１）（３．２）ｌｏｓｉｎａｌ＋／１ＣＯＳ０１２＝Ｉｃ２＋ｓ·ｓｉｎａｏ令Ａ啦娜峨肝～％七Ｃ１＝一生宅丛和（３．２）可得。，根据式（３．１）吃：２一ｐ豁（３．３）Ａ—Ｇ瓯＝ａｒｃｔａｎ——Ｌ——Ｌ———二Ａ．一厶ＣＯＳ口，（３．４）一蜀＋ｚ１Ｓｌｌｌ口２将式（３．１）和（３．２）分别对时间求导：堕：墅！竺！±竺；！凼Ｉｏ（３．５）ｃｏｓ（ａｌ一口２）（３．６）堕堕：型竺！±竺１２其中内提升臂与轴负方向的夹角ａ：与外提升臂位置角口的关系为：口＝口２＋∞一号（各个角度其值逆时针方向为正，顺时针方向为负）＝—二＝———二—兰———Ｌ‘’｛’７）：堕：竺塑鱼±竺！（３．７）则铰接点ｃ相对于液压缸活塞的传动比：屯＝譬嬲出‘ｃｏｓ（ａｌ一口２）３．１．１．２外提升臂四杆机构运动分析如图３．２所示，外提升臂、机架、提升杆和下拉杆组成一个四杆机构。在四边形ＣＤＥＫ中，ＣＤ为外提升臂，Ｋ与Ｃ是下拉杆和外提升臂与机架的铰接点，江苏大学硕士学位论文∥是下拉杆与水平线夹角，∥是下拉杆与机架夹角。建立封闭矢量方程有：１２ｅ‘，２＋１３ｅ确＝１８＋１４ｅ‘∥（３．８）式（３．８）区分出实部和虚部，可以得到：１２ｃｏｓ丸＋１３ｃｏｓ九一１４ｃｏｓ／ａ—Ｉｓ＝０（３．９）１２ｓｉｎ≯２＋１３ｓｉｎ九一１４ｓｉｎ∥＝０（３．１０）令如：毛一ｚ：Ｆｉｇ．３．２Ｃ０ｓ丸Ｔｈｅ，召：＝ｏｕｔｅｒ瑚凼峙ａｒｍｊ：ｓｆｏｕｒ－ｂａｒｉＩｌ织ｌｉｎｋａｇｅ，可根据式（３．９）和（３．１０）得到：㈣一（坐擎，ｃ：＝兰学驴一糍（３．１１）Ａ—Ｃ，（３．１２）其中红＝１／＂一‰＋口，∥＝∥一ｐ一‰），从而可以得到下拉杆与水平线夹角Ｄ与外提升臂位置角仪的隐函数关系式为：胆删年祭妒砧（３．１３）将式（３．９）和（３．１０）分别对时间求导得：ｄ：１２１１璺【丝≥±兰Ｑ二竺二至！（３．１４）江苏大学硕士学位论文于是下拉杆在铰接点Ｋ处的运动相对于活塞位移的传动比为：ｆＫ：站．掌：拓·笙磐２堡罢型（３．１５）２ＩＩｓｉＩｌ（唬＋２＇ｏ一∥一刀）五。ｄ口３．１．１．３下拉杆四连杆机构运动分析如图３．３所示，机架、下拉杆、农具立柱，上拉杆组成一个四杆机构，在四边形ＪＩＨＫ中，四杆长度都为已知，．，为上拉杆与机架的铰接点，ＫＪ为机架，立柱ＩＨ为连接杆，下拉杆ＫＨ为主动杆，上拉杆以为从动杆，ｐ是上拉杆和水平线的夹角；ｙ是上拉杆与机架的夹角。图３．３一Ｆ拉秆四连秆结构Ｆｉｇ．３．３Ｔｈｅｌｏｗｅｒｆｏｕｒ－ｂａｒｌｉｎｋａｇｅ类似于３．１．１．２节的外提升臂四杆机构运动分析过程，这里只给出下拉杆四杆机构运动分析的推导结果：令＾＝毛ｃｏｓ噍＋岛，马＝毛ｓｉＩｌ噍，ｃ３＝一兰主学，贝。有：ｙ：２ａｒｃｔａｎ（生±坐型）驴一嵩口：２ａ“：ｔ：砌兰蔓二掣一（万一乃）．厶一Ｃ。（３．１６）＠㈣Ａ—Ｇ…（３．１８）—ｄ—Ｏ：呈（生§±兰！二丝二！！ｄ∥Ｚ７（３．１９）ｓｉｎ（矽６＋７１—０一万）江苏大学硕士学位论文于是上拉杆在铰接点歹处的运动相对于活塞位移的传动比为：＝＝．０．ｋ塑够．ｋ如一易咝蚴＋一＋行一所二一∥一秒一～一（３．２０）力～力３．１．１．４农具立柱与垂直面倾角西的确定根据图３．１所示，农具立柱与垂直面的倾角砂，通过如下几何关系确定：ｔ＆＋岛ｃｏｓＯ＋１６ｓｉｎ≯一毛ｃｏｓＺ７＝０（３．２１）（３．２２）ｋ＋ｔ，ｓｉｎＯ—１６ｃｏｓ矽一／５ｓｉｎｐ＝０式中：ｋ为上铰接点与下铰接点之间的水平距离ｋ为上铰接点与下铰接点之间的垂直距离令～＝ｌ，ｓｉｎｐ—ｌＪＸ，式（３．２１）和（３．２２）可得立柱倾角矽与下拉杆水平线的夹角∥的关系式为：伸一呼８１６，皿＝‘ｃｏｓ∥＋ｋ，ｃ。＝垒学，根据（３．２３）（３．２４）将式（３．２１）和（３．２２）分别对时间求导：盟：生苎亟翌二壁！ｄｃｏｓ（８—８、综上，为便于分析，设：‘＝警；，：＝警；Ｌ＝嚣；Ｌ＝若ｌｎ＝１１·１２；ｌｓｚ＝１１ｏｉ２·１４于是：ａｐ＝Ｉｄ＊ｄａ；ｄ咖＝Ｉｓ２·出（３．２５）（３．２６）江苏大学硕士学位论文３．１．１．５提升速比以及提升力通过机构的分析，可得到悬挂机构在悬挂点处的提升速比以及提升力等的变化情况，计算公式如下：（１）提升速比ａ．悬挂点提升速比悬挂轴提升速比是衡量悬挂机构提升效率的指标之一，具体表述为：液压缸活塞速度与悬挂机构下悬挂轴垂直方向速度的比值：ｆ．：竖：业：堕≈生ｌ＝２＝——＝Ｌ一＝—‘≈—４ｄｓ△ｓ（３．２７）ｔ＿＇．ｖｄｓ／ａｔ其中：Ａｓ：＝Ｚ５·△∥·ＣＯＳ∥ｂ．农具假想质心处提升速比农具假想质心处的运动，可以将农具框架视为一个刚体，其速度是悬挂轴出速度与刚体转动的合成，即屹＝屹＋％（％——刚体转动垂直方向分速度），农具假想质心处的提升速比是液压缸活塞速度与悬挂农具质心处垂直方向速度的比值，亦是衡量悬挂机构提升效率的指标之一。‘：生：之＋鱼≈之－ｔ＂．纽掣塑型＇，＇，（３．２８）Ａｓ计算时，从活塞位移ｓ的初始值％开始，以厶为步长一步步进行循环运算，当厶取得足够小时，就可算出整个活塞行程范围内的速比；如果丛取的合适，计算的精度是能满足工程设计要求的，例如，取Ａｓ＝１０（衄），对悬挂机构进行计算，结果可以精确到小数点后两位有效数字，满足工程设计要求。此方法不但计算量小，而且易于计算机编程。（２）提升力ａ．悬挂轴提升力耻等眠／ｆｚＥ＝等ｐ‰／‘（３．２９）ｂ．农具质心处提升力（３．３。）式中ｄ——活塞直径（岫）５江苏大学硕士学位论文ｐ——额定工作压力（Ｍｐａ）；％——悬挂机构的机械效率（％≈０．８５）；屯——悬挂轴提升速比屯——农具质心处提升速比３．１．１．６悬挂机构运动学模型图３．１所示为悬挂机构在纵垂面内的投影简图。以拖拉机后驱动轮接地处中心０为坐标原点，机组前进的反方向为Ｘ方向，建立直角坐标系ＸＯＹ（绝对坐标系）。以下悬挂点日为坐标原点，建立直角坐标系ＩＨＬ（动坐标系）。设铧尖点Ｐ的绝对坐标为（％，ＹＰ），相对坐标为（嘞，Ｙ印），则有悬挂点日的绝对坐标为：髋三羔：Ｚ：箬，铧尖点陆皿坐繇下的相对坐瓢｛％ｘｎｅ巩＝／ｌｏ；悬挂农具重心Ｑ在皿坐标系下的相对坐标为：｛嘞刮了；Ｓｓｍ西则铧尖点Ｐ的绝对坐标为：＝≯移ｃｏｓ西％％１５｜ｏ１）０涮㈦３１，悬挂农具重心Ｑ的绝对坐标为：［霉］＝［莓豸ｃｓ言ｉｎ＃矽萃］［罩］ｃ３．３２，血Ｐ＝Ｉ啦·蠡（３．３３）由Ｐ＝ｌ归·ｄＳ（３．３４）出Ｑ＝Ｉ堙·ｄｓ（３．３５）由Ｑ＝ｌ屹·幽（３．３６）式肆】舭１妒、ｌ咤、ＩＱ分蹴为Ｐ氡．Ｑ点沿石方向和少方向的速度分量。ＹＪＪ＇Ｉ－，耕深＾：ｊｏ卜Ｙ，ｙｐ＞０），ｐ≤ｏ故农具出土过程中，即炸≤０时，近似有：以得到转角和耕深等的变化关系。懈＝黧？遣蜘嘞姻蚴嘞‰就可ａｈ＝ｌ一·，Ｓｓ一～队圳’帆口Ｊ／／ｆ∥ｊｆ：：：衽～’卜－÷…ｏ、…ｊ…～÷…一；…．ｊ…～；…．…｝…！～０００．磐ｆ，ｆ…一ｒ～一：蕊．～００…００—…■ｏ．．．、：—护１｝１｝＿｝—。毒。瓦’■～一。一ｉ７———ｒ———Ｔ…ｉ了≯专牲≤：．．一：Ｆ．．．．曩≯焱．；…，ｊ～÷｝．÷ｆ２８江苏大学硕士学位论文此外，还得到了外提升臂转角与活塞位移、耕深变化率与活塞位移相互关系的性能曲线，如图３．４（ｃ）和３．４（ｄ）所示。由图可看出，外提升臂位置角与活塞位移基本成线性关系，从而为构建电控液压悬挂系统位置控制和选取相应的角位移传感器提供了参考依据。∞艇∞柚一∞，／／ｊｙ接。∞ｊｊ／一７８／ｉ｛＿／翻７／盏∞／＊７４篁｛争（７２｝／索／。磺霎１０／蒋７０／７一墨／∞；／０／。∞∥ＨＯ１０∞∞∞∞∞∞∞Ｏ∞∞柏∞∞为∞∞＇∞活塞位移ｓ（－）活塞位移ｓ（ｍ）图３．４（ｃ）外提升臂位置角与活塞位移的关系图３．４（ｄ）耕深变化率与活塞位移的关系Ｆｉｇ．３．∽ＲｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｏｕｔｅｒｌｉｆｔａｒｍｐｏｓｉｔｏｎａｎｇｌｅａｎｄｔｈｅｐｉｓｔｏｎｓｔｒｏｋｅＦｉｇ．３．４（ｄ）Ｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｔｉｌｌａｇｅｄｅｐｔｈｃｈａｎｇｅｒａｔｅａｎｄｔｈｅｐｉｓｔｏｎｓｔｒｏｋｅ３．１．２液压悬挂机构动力学分析３．１．２．１土壤阻力模型的建立如图３．５所示，机组作业时，土壤对农具的综合作用阻力可分解为水平阻力Ｒ和垂直阻力墨。研究表明，农具所受的土壤作用力与耕深的大小有关，其数学模型如下：水平阻力：Ｒ＝置ｏｈ（３．３８）垂直阻力：只，：马·掣＋Ｂ２·五（３．３９）ｘ（ｆ）式中：ｈ——为耕作深度，（ｒａｉｎ）马——稳态水平土壤作用力对耕深的比例系数（哕缸）Ｂ２——稳态垂直土壤作用力对耕深的比例系数（哕缸）色——由运动速度决定的动态阻力系数（哕缸）江苏大学硕士学位论文ｙａ）——土壤对犁体作用力点的垂直运动速度（舢ｃ％）毒）——机组前进速度（删％）图３．５农机具受力示意图Ｆｉｇ．３．５Ｔｈｅｆｏｒｃｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｉｔｃｈ由式（３．３９）Ｎ知，垂直阻力Ｒｙ由两部分组成：垂直阻力的动态分量：Ｒｍ：色·掣《ｆ）Ｒ＝Ｂ２ｏｈ（３．４０）垂直阻力的稳态分量：（３．４１）将垂直阻力的稳态分量和稳态的水平阻力合成，得到农具上总的稳态工作阻力Ｒ，即式中，曰＝厢Ｒ。与水平方向的夹角为凡＝口·｛｝ｌ（３．４２）够：ａｒｃｔａｎ丝够＝—生（．）（３一．４‘３一）且因土壤水平阻力系数置＝ｋ，ｗｄ，其中ｋ为土壤对犁体的比阻（Ｎ／ｎｕｎ２），ｗｄ为农具的耕宽（Ｉ姗），代入（３．４２）式可得：曰＝厢＝压≮丽＝墨扛丽面：ｋ·ｗｄ·４ｉ＋（ｔａｎ０２’（３．４４）可以看出稳态土壤作用力凡与土壤比阻七，耕宽ｗｄ以及尺。作用线的位置有关。江苏大学硕士学位论文由此可得水平牵引阻力为：足＝刀·ｈ·ｃｏｓｔｐ＝ｋ·ｗｄ·ｈ·，Ｊ—ｌ＋（ｒａ—ｎｔ，ｏ）２·ｃｏ印ｚ（ｆ）（３．４５）垂直阻力中的动态分量：屯：粤·ｙｉｔ）蔓ｔｊ一动态土壤阻尼力，其方向与农具垂直运动方向相反，大小与动态垂直阻力系数马和牵引速度有关。若拖拉机牵引速度赤）不变，则仍：旱为常数，于是有ｘ（ｆ）如＝色·ｙ（Ｄ可见，此时阻尼力如只与农具速度有关。３．１．２．２悬挂犁耕机组纵垂面内的牵引阻力拖拉机水平牵引阻力：（３．４６）弓＝恐＋Ｌｘ＋见（３．４７）影响牵引阻力的因素很多，但在作业环境一定的情况下，牵引阻力主要取决于耕深和耕宽，并且随着耕深的增加，牵引阻力近似直线上升。在实际应用中，一般按下式计算平均牵引阻力：弓＝ｋｏｈ·ｚｏｗ，ｒＤ（３．４８）式中：Ｒ——土壤水平阻力，Ｎ；ｔ——土壤对犁侧板的摩擦力，Ｎ；见——土壤对犁底的摩擦力，Ｎ；ｋ——土壤的比阻，‰ｚ；ＷＤ——单体犁铧宽度，ｎｌｌｉｌ：ｈ——耕深，ｎｌｌｎ；ｚ——犁铧数。３．１．２．３悬挂杆件受力分析（１）由图３．５可知，上拉杆为二力杆，在下悬挂点Ｅ取矩得：ｔ·／６，ｃｏｓ０＝Ｒ·乞＋肌·ｌｃｏ（ａ秽一ｇ）一Ｒｙ·乞３１（３．４９）于脯￡＝盟竺篇掣式中ａ。为农具垂直方向运动的加速度。江苏大学硕士学位论文（３．５。）（２）下拉杆的受力情况比上拉杆复杂，其分离体上所受的外力如图３．６所示，共有五个外力：作用在中间Ｄ点的提升杆拉力Ｌ、作用在下铰接点Ｃ的水平分力置和垂直分力弓、作用在悬挂点Ｅ的水平分力￡和垂直分力弓。为求得水平分力Ｅ和垂直分力只，列平衡方程如下：只＝Ｌ—Ｌ·ｃｏｓ（∥＋Ｄ（３．５１）（３．５２）Ｅ＝０一Ｌ·ｓｉｎ（ｐ＋∞图３．６．Ｆ拉秆分离俸受力ｌ奎ＩＦｉｇ．３．６Ｔｈｅｕｎｄｅｒｂａｒｓｅｐａｒａｔｏｒｆｏｒｃｅｄｉａｇｒａｍ在铰接点Ｃ取矩得：乙＊／４·ｓｉＩｌ力＋ｔ·毛．ｓｉｎｐ＝弓·毛．ｃｏｓ，ｆｌ故瓦＝丝｛掣Ｚ。·ｓｈｌ名（３．５３）（３．５４）将上式代入（３．５１）和（３．５２）式得下拉杆处于一般位置时铰接点Ｃ的水平分力和垂直分力为：Ｅ：ｔ一—Ｔｙ—·Ｉ—ｓ·—ｃ了ｏｓ—，ｆｌ＿－Ｔ—ｘ＿－·Ｉ—ｓ·一ｓｉｎｅ·ｃｏｓ（∥＋Ｄ…、…一，（３．５５）………、…～７Ｚ。·血力Ｂ：Ｌ一—Ｔｙ—·Ｉｓ—·ｃｌｏｓ—ｆｌ－＿Ｔ＿ｚ·—ｌｓ＊一ｓｉｎ，ｆｌ·ｓｉＩｌ（∥＋五）１】，‘。’’（３．５６）～“～江苏大学硕士学位论文如图３．５所示，取农具为分离体可得下拉杆悬挂点Ｅ处受力方程：￡＝Ｒｘ＋Ｌ·ＣＯＳＯ（３．５７）（３．５８）Ｌ＝尺），＋历·ｇ—ｍｅａ秽一瓦·ｓｉｎ０为了简化计算，可以假设下拉杆在工作中处于水平位置，同时提升杆处于垂直位置（即∥＝０，Ａ＝９０。），于是（３．５５）和（３．５６）式可变为：疋＝乏＝疋＋互，ｃｏｓＯ（３．５９）Ｌ—Ｌ却（１寺＝（Ｒｙ＋ｍ，ｇ－ｍ，％，－ｔ．ｓｉＩｌ。·（１一净Ｅ２／（３．６０）／．７，／／ｊ／／／／／／／７／７／７／／糨（Ⅲ）绷釉湘图３．７（ａ）下拉杆铰接点处水平分力与耕深的关系图３．７（ｂ）水平牵引阻力与耕深的关系Ｆｉｇ．３．７（ａ）Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｕｎｄｅｒｂａｒｈｉｎｇｅｔｉｌｌａｇｅｄｅｐｔｈｐｏ硫ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｆｏｒｃｅａｎｄｔｈｅＦ远．３．７０，）Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｒａｃｔｉｏｎｒｅｓｉｓｉｔａｎｃｅａｎｄｔｈｅｔｉｌｌａｇｅｄｅｐｔｈ以本课题所研究的某型号轮式拖拉机的悬挂机构参数为例，通过上述相关公式分别计算得到机组在工作过程中受到的水平牵引阻力和下拉杆与机架铰接点处的水平分力。图３．７（ａ）ｈｇｌ３．７（ｂ）为它们与耕深的相互关系性能曲线。由图３．７（ａ）可见下拉杆铰接点处的力由负变为正，充分反映了在工作时中下拉杆水平分力由压力变为拉力这一实际过程，从而说明了理论建模的正确性。此外，由图３．７（ｂ）可以看出，水平牵引阻力与耕深基本成线性关系，从而为构建电控液压悬挂系统构建阻力控制和选取相应力传感器提供了参考依据。江苏大学硕士学位论文３．２液压悬挂系统数学模型的建立３．２．１比例电磁铁数学模型电液比例阀中的电——机械转换元件是耐高压直流比例电磁铁。通电以后电磁铁产生电磁吸力，克服弹簧力推动比例阀阀芯运动，其实质是电．力．位移的转换关系。比例电磁铁在其额定行程范围内的电磁吸力与通入其线圈的电流成正比。设墨为阀芯位移，Ｕ；为电磁比例阀输入电流，则电磁铁关系可表示为：毛＝Ｋ·蚝其中：Ｋ为电流位移转换系数对上式进行拉氏变换可得：Ｘ，（ｓ）－－Ｋ，ｓＵ；０）（３．６１）３．２．２比例方向阀控制液压缸数学模型３．２．２．１电液比例阀流量数学模型由第２章图２．５可知，电液比例阀由两个控制阀组成，卸油阀为二位二通阀，进油阀为二位三通阀，数学建模时可将电液比例阀看作三位三通阀。假定用于控制阀节流口开启面积是对称的，设控制阀阀芯位移为瓦死区重叠量为万。则当阀芯的位移一万＜≮＜万时（即ｋｌ＜万），控制阀没有负载流量（即Ｑ工＝ｏ）。当阀芯位移毛＞万时，高压油流入液压缸进油腔，农具上升，当阀芯位移毛＜一万时，油液流出液压缸，农具下降，则流量Ｑ分别可表示为‘２１：ｌ么＝州耳“）居慨刊‘河｛幺＝ｏＭ＜万ＩＱ钉ｄ国瓴句）括凡其中：ｑ——流量系数；缈——面积梯度，ｍ；瓦＜＿６（３．６２）江苏大学硕士学位论文ｐ——油液密度，ｋｇ／ｍ３；Ｐ。——油泉压力，Ｐ。；当阀芯离开死区后，对上式在设定耕深附近进行线性化：鱿＝警卜詈卜却‘却仇其中：巧——比例阀稳态工作点流量增益，１嘭；Ｋ——阀流量一压力增益，吆·ｓ对上述（３．６３）式进行拉氏变换得：Ｑ（ｓ）＝Ｋ·ｘ，（ｓ）一Ｋｃ＂ＰＬ（Ｓ）３．２．２．２液压缸流量连续性数学模型根据流量的连续性，可写出液压缸动态负载流量的连续性方程：ＱＬ＝Ａｏｄ甜Ｙ＋老·警心饥其中：骁——进入液压缸的流量，嘭；ｙ——为活塞位移，ｍ；ｃｌ——阀控动力机构总内、外泄漏系数，？誓ｐ。；Ａ——液压缸活塞有效工作面积，ｍ２。忍——液压系统有效体积弹性模量，Ｐ。：Ｖ——包括油道的总工作容积，Ｉｌｌ３；ＰＬ——液压缸工作压力，Ｐ。ＱＬ（沪胛∽ｓ＋告ｐ小）ｓ＋Ｃ，ｐＬ㈣忽略静摩擦和动摩擦负载，液压缸与负载的力平衡方程可写为：（３．６３）（３．６４）（３．６６）（３．６５）对上述（３．６５）式进行拉氏变换可得：３．２．２．３液压缸与负载的力平衡Ａ－程数学模型江苏大学硕士学位论文Ｆ＝仇Ａ＝Ｍ万ｄ２ｙ＋啡象＋墨），＋Ｅ其中：Ｆ——液压缸活塞受力，Ｎ５（３．６７）Ｍ——折算到活塞上的负载等效质量，ｋｇ。曰Ｐ——折算到活塞上的粘性阻尼系数，％５毛——折算到活塞上的负载弹性刚度，％；兄——作用在活塞上的任意外负载力，Ｎ。对上述（３．６７）式进行拉氏变换得：ＡｐＬＯ）＝椰（ｓ）Ｊ２＋ＢｐＹ（ｓ）ｓ＋ＫＬＹ（ｓ）＋Ｅ３．８所示。（３．６８）根据（３．６１）式、（３．６４）式、（３．６６）式和（３．６８）式绘制传递函数框图，如图图３．８液压系统方块图Ｆｉｇ．３．８Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｆｌｏｗｃｈａｒｔ３．２．３液压系统传递函数及传递函数的简化㈣罢，＋攀＋跏＋警＋杂声＋掣嚣２孑焉霉弘净万面平＠６”…Ｋ，／江苏大学硕士学位论文巫艘竺Ⅵ兰≯竺哪憎（３．７０）在动态方程式中，考虑了惯性负载、粘性摩擦负载、弹性负载以及油的压缩性和液压马达的泄漏等影响因素，这样分析动态过程比较麻繁，在不影响分析动态过程的前提下可以忽略一些次要因素的影响，简化传递函数，由条件“１：蘸一（１）吃附％＜＜１；（２）液压弹簧刚度％＝型≠与负载弹簧刚度吃的比值远远小于１；（３）【坠Ａ２（Ｉ盟＋ＫＬ必Ｋ）２／３】２＜１从而上述（３．６９）式和（３．７０）式可简化为：ｙ（ｓ）一Ｘ（ｓ）（３．７１）塑：二望！二南！：二挚二竺州曲ｏ＋坠睾超）（毒＋等酣１）限卅１）（毒＋等¨１）式中：阀控动力机构的液压固有频率：％＝”譬产，ｃ毒＋等删＠７２，放大系数：髟＝燕转折频率：…………：彘＝紫√孚嗉√丢；Ｌ＝石ｉ丽Ａ２江苏大学硕士学位论文转折频率：乃２志因此，液压系统传递函数方块图可简化为图３．９所示。图３．９液压悬挂系统传递函数简化方块图Ｆｉｇ．３．９Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｔｒａｎｓｆｅｒｆｕｎｃｔｉｏｎｆｌｏｗｃｈａｒｔ３．２．４系统参数的确定液压悬挂系统相关参数计算结果见附录Ａ。另外，在实际工作中，液压频率是比较容易确定的量，其变化范围也不大“１，液压固有频率常常是系统中最低的频率，其大小也就决定了系统响应的快速性，修正公式为：ｗｈ＝口·ｗｏ＝（０．７—０．９）ｅｗｏ（％——为计算得到的液压固有频率；口为修正系数）（３．７３）液压阻尼比随工况的变化会发生很大的变化，其变化范围达２０．３０倍，是难以准确确定的量，因此在分析系统性能时，我们一般不使用计算值，而是根据经验确定，一般取彘＝０．５３．３电液悬挂系统其他部件分析３．３．１悬挂杆件液压缸位移Ｙ与农具耕深ｈ在设定的耕深处可以近似认为比例环节，设其比例系数为Ｋ，液压缸位移少与提升臂转角口之间具有近似关系为：吩＝么；江苏大学硕士学位论文耕深矗与提升臂转角口之间的关系：从而可以计算得到，毛＝％；（３．７４）Ｋｇ＝形＝１／（Ｋｙ·Ｋ一）３．３．２角位移传感器角位移传感器根据其特性曲线可知，在耕深设定值处，输入角度为口，与输出电压Ｕ为比例环节，可得其增益为疋＝％于是对于位置反馈来说，它也是一个比例环节，其增益为：（３．７５）Ｋ＝瓦·％３．３．３压力传感器（３．７６）为了检测牵引力，在下拉杆转轴处分别放置两个压力传感器，根据压力传感器特性曲线可知，在耕深设定值处，力反馈增益为：Ｋ，＝％３．４液压悬挂系统力位调节传递函数模型（３．７７）１．根据图３．９并综合（３．７１）式、（３．７２）式和（３．７６）式可得电控液压悬挂系统以耕深为输出的位置调节方式传递函数框图，如图３．１０所示；２．根据图３．９并综合（３．７１）式、（３．７２）式和（３．７７）式可得电控液压悬挂系统以牵引力为输出的力调节方式传递函数框图，如图３．１１所示。图３．１０位置调节方式传递函数框图Ｆ适．３．１０Ｔｈｅ咖ｓｆｃｒｂｌｏｃｋｄｉａｇ舢ｆｏｒｐｏｓｉｔｉｏｎａ由ｕｓｔｅｄｆａｓｈｉｏｎ江苏大学硕士学位论文图３．１１力调节方式传递函数框图Ｆｉｇ．３．１１Ｔｈｅｔｒａｎｓｆｅｒｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｆｏｒｄｒａｆｔａｄｊｕｓｔｅｄｆａｓｈｉｏｎ３．５系统稳定性分析以位调节为例，系统的特征方程为：郇）＝仉删（毒噜州＋ＫｉＫｄＫｇ驴。（３．７８）经计算，Ｄ（ｓ）＝口３Ｊ３＋口２ｓ２＋ｑｓ＋％中的系数‰、ａｌ、ａ２和口３均大于０，且ａｏａ。＞ａｘａ：，根据控制理论中劳斯判据可知，三阶系统是稳定的。３．６本章小结１．建立了悬挂机构和液压系统的数学模型。２．简化了悬挂系统的传递函数模型。３．给出了系统传递函数框图并分析了其稳定性。江苏大学硕士学位论文第４章电液悬挂系统控制方案的选择拖拉机悬挂系统是一个由机．液构成的复杂的非线性系统，无论是在机械部分，还是在液压部分都存在着许多不确定因素，而且工作中还同时存在土壤条件的不确定性等，也就是说整个悬挂系统是一个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，需要选择合适的控制方案。目前流行的控制算法有ＰＩＤ控制、模糊控制、模糊．ＰＩＤ控制等，本章主要介绍ＰＩＤ控制、模糊控制、模糊ＰＩＤ控制三种控制方法，通过比较选取适合本系统的控制策略。４．１ＰＩＤ控制技术４．１．１ＰＩＤ控制简述ＰＩＤ（比例Ｐ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、积分Ｉ（ｉｎｔｅｇｒａｌ）和微分Ｄ（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ））控制方法是经典控制算法中的典型代表。在实际的过程控制和运动控制中，ＰＩＤ家族占有相当的地位。据统计，工业控制的控制器中ＰＩＤ类占有９０％以上。ＰＩＤ控制策略是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，所以适用面很广，使用也很方便简单。尤其数学模型已知的控制系统控制效果好。然而实际被控过程往往具有非线性、时变不确定性、难以建立精确的数学模型，应用常规的ＰＩＤ控制算法不能达到理想的控制效果。随着计算机技术和智能控制理论的发展为复杂动态不确定系统的控制提供了新的途径。４．１．２ＰＩＤ控制的基本原理常规ＰＩＤ控制系统原理框图如图４．１所示。图４．１ＰＩＤ控制原理图Ｆｉｇ．４．１ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ４１江苏大学硕士学位论文ＰＩＤ控制器是一种比例、积分、微分并联控制器，它是广泛应用的一种控制器。其数学模型可以用一下式表示‘４¨：㈤吗心）＋ｉ１∽出＋％警】其中：“（ｆ）——控制器的输出；（４．１）ｅ（ｆ）——控制器的输入，它是给定值和被控对象输出值的差，称偏差信号；Ｋｐ——控制器的比例系数；正——控制器的积分时间常数；乙——控制器的微分时间常数。在ＰＩＤ控制中，比例项用于纠正偏差，积分项用于消除系统的稳态误差，微分项用于减小系统的超调量，增加系统稳定性。ＰＩＤ控制器的性能取决于Ｋ。、￡和乙这三个系数。如何选用这三个系数是ＰＩＤ控制的核心。ＰＩＤ控制器各校正环节的作用如下：（１）比例环节即时成比例地反映控制系统的偏差信号雄），偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。（２）积分环节主要用于消除静差，提高系统的误差度。积分作用的强弱取决于时间常数乃，乃越大，积分作用越弱，反之则越强。（３）微分环节能反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。４．１．３数字ＰＩＤ控制算法在计算机控制系统中，使用的是数字ＰＩＤ控制器，数字ＰＩＤ控制算法通常又分为位置式ＰＩＤ控制算法和增量式ＰＩＤ控制算法“”。１．位置式ＰＩＤ控制算法在以微处理器为硬件核心的控制系统中，由于是以采样周期对输入和输出状４２江苏大学硕士学位论文态进行实时采样，故它是离散时间控制系统。在离散控制系统中，ＰＩＤ控制器采用差分方程表示为：“ｃ尼）＝盔。｛Ｐｃ尼，＋号喜Ｐｃ歹，＋等ｔｅｃ七，一ｅｃ七一。，）ｋｃ４．２，或Ｈ（七）＝Ｋｐｅ（ｋ）＋Ｋ１∑ｅ（Ｊ）＋Ｋ。［ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ一１）】式中：七——采样序号，ｋ＝０，１，２…；“（七）——第ｋ次采样时刻的计算机输出值；Ｐ（七）——第ｋ次采样时刻输入的偏差值；ｅ（ｋ一１）——第七一１次采样时刻输入的偏差值；（４．３）ｒ——采样周期；墨——积分系数，Ｋ，＝ｒ，ｒ／ｒ，；％——微分系数，Ｋｏ＝ＫｅＴＤ／ｒ。由于控制器输出的“＠）直接去控制执行机构（如阀门），ｕ（ｋ）的值和执行机构的位置（如阀门开度）是一一对应的，所以通常（４．２）或（４．３）式称为位置式ＰＩＤ控制算法。这种算法的缺点是由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对ｅ（ｋ）进行累加，计算机运算工作量大。而且，因为计算机的输出Ｍ＠）对应的是执行机构的实际位置，如果计算机出现故障，ｕ（ｋ１的大幅度变化，会引起执行机构位置的大幅度变化，这种情况往往是实践中不允许的，在某些场合，还可能造成重大的生产事故，因而产生了增量式ＰＩＤ算法。２．增量式ＰＩＤ控制算法当执行机构需要的是控制量的增量（如驱动步进电机）时，可由式（４．３）导出提供增量的ＰＩＤ控制算法［４３１。根据递推原理可得：ｋ＂－１ｕ（ｋ一１）＝Ｋｐｅ（ｋ－１）∑ｅ（ｊ）＋Ｋｏ［ｅ（ｋ－１）－ｅ（ｋ一２）】４３（４．４）江苏大学硕士学位论文用（４．３）式减去（４．４）式，可得△“（七）＝／Ｇ【８（七）一ｅ（ｋ一１）】＋Ｋ１ｅ（Ｋ）＋盔，Ｄ［ｅ（七）一２“七一１）＋ｅ（七一２）】＝耳＆＠）＋巧ｅ岱）＋如【垃（七）一垃＠一１）】（４．５）式中姒露）＝ｅ（ｋ）－ｅ（ｋ－１），（４．５）式称为增量式ＰＩＤ控制算法。可以看出，由于一般计算机控制系统采用恒定的采样周期ｚ，一旦确定了坼、墨、％，只要使用前后三次测量值的偏差，即可由（４．５）求出控制增量。采用增量式算法时，计算机输出的控制增量缸（忌）对应的是本次执行机构位置（如阀门开度）的增量。对应阀门实际位置的控制量，目前采用较多的是利用算式ｕ（ｋ）＝Ｍ＠一１）＋血（七）通过执行软件来完成。增量式控制虽然只是在算法上作了一点改进，但却带来了不少优点：（１）由于计算机输出增量，所以误动作时影响小，必要时可用逻辑判断的方法去掉。（２）手动／自动切换时冲击小，便于实现无扰动切换。此外，当计算机发生故障时，由于输出通道或执行装置具有信号的锁存作用，故依然能保持原值。（３）算式中不需要累加。控制增量血（七）的确定，仅与最近ｋ次的采样值有关，所以较容易通过加权处理而获得比较好的控制效果。但增量式控制也有不足之处：积分截断效应大，有静态误差，溢出的影响大。因此，在选择时不可一概而论，一般认为在以晶闸管作为执行器或在控制精度要求高的系统中，可采用位置控制算法，而在以步进电机或电动阀门作为执行器的系统中，则可采用增量式ＰＩＤ控制算法。４．１．４传统ＰＩＤ控制的局限性及解决办法ＰＩＤ控制器广泛应用于冶金、机械、热工、化工和轻工等工业过程控制中，对于具有线性特性的被控对象，调试整定好ＰＩＤ控制器参数峰、局、妫后，便可投入生产运行，具有结构简单、稳定性好、可靠性高等优点，在控制理论与自动化技术飞跃发展的今天，仍有其强大的生命力。但在实际工业过程控制中，许多被控过程机理较复杂，具有高阶非线性、时变、纯滞后等特点。在噪声、负江苏大学硕士学位论文载扰动和其它一些环境条件变化的影响下，过程参数甚至模型结构均会发生变化。采用传统ＰＩＤ控制器，难以获得满意的控制效果。当参数变化超过一定的范围时，系统性能就会明显变差，致使ＰＩＤ控制难以发挥作用而无法使用。为克服传统ＰＩＤ控制的不足，提高其适应能力，一种途径是改善ＰＩＤ参数的自整定问题，如在线辨识过程模型。根据辨识模型来整定ＰＩＤ参数的自校正ＰＩＤ控制器；另一种途径是寻找新的控制模式，如模糊控制、神经网络控制等；第三种途径是上述控制模式的组合，如模糊自适应ＰＩＤ控制器、神经网络智能ＰＩＤ控制、精确．模糊混合控制等。４．２模糊控制技术模糊控制系统是一种新的控制方法，它的数学基础、理论基础、实现方法都和传统的控制方法有很大的区别。４．２．１模糊控制系统基本工作原理模糊控制系统是一种自动控制系统，它是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑推理为理论基础，采用计算机控制技术构成的一种具有闭环结构的数字控制系统，一般由四个部分组成，原理图如图４．２所示。图４．２模糊控制原理图Ｆ谵．４．２Ｆｕｚｚｙｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｈａｒｔ１．模糊控制器实际上是一台微型计算机，根据控制系统的需要，可选用通用计算机也可选用单片机。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模糊化，将其转化为模拟信号，送给执行机构去控制被控对象。３．广义对象包括被控对象及执行机构，被控对象可以是线性的和非线性的、定常或时变的，也可以是单变量或多变量、有时滞的或有强干扰等多种情况。江苏大学硕士学位论文当被控对象缺乏精确数学模型的情况适宜选择模糊控制，但也不排除有效精确数学模型的被控对象采用模糊控制的方案。４．传感器传感器是将被控对象或各种过程的被控制量转换为电压信号的一类装置。被控制量往往都是非电量，如温度、压力、位移、流量等。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。模糊控制器是模糊控制系统的核心，一个模糊控制系统性能的优劣，主要取决于模糊控制器的结构，以及所采用的模糊规则、合成推理算法和模糊决策方法等因素。４．２．２模糊控制器的设计方法模糊控制器是模糊控制系统的核心，它一般以系统的误差和误差变化率为输入量，以被控对象的控制量作为输出量。具体设计方法如下：（１）精确量的模糊化在控制系统中，误差及误差变化率的实际变化范围叫做这些变量的基本论域，分别记为【叩，ｅ］及［－ｄｅ，ｄｅ】ｏ设误差所取得论域［－ｎ，－ｎ＋１，…０，…，ｎ－ｌ，ｎ】，一般取甩＝６或者７．通过所谓量化因子进行论域变化。其中量化因子Ｋ的定义是：Ｋｅ＝ｎ｛ｅ媳国同理，设误差变化率所取得模糊子集论域为【堋，嘲＋１，…Ｏ，…，ｍ－ｌ，ｍ】，则误差变化率的量化因子Ｋ出的定义为：瓯＝，ｎ／ｄｅ（４．７）如果在实际中，精确量的变化范围不是在［一万，ｎ］Ｚｆ司，而是在【口，纠之间，那么可以通过变化式：Ｙ＝≠冬＠一冬３，将在【口，剀之间的变化量转化为【川，以】之Ｄ一口Ｚ间的变量ｙ。如果计算得出的Ｙ值不是整数，可以把它归入最接近于ｙ的整数。实际上通过量化因子，可把基本论域中任意一点映射到模糊集论域中相近的整点江苏大学硕士学位论文数。设计一个模糊控制器除了要有一个好的模糊控制规则，合理地选择模糊控制器输入变量的量化因子也是非常重要的。量化因子墨、瓯的大小对控制系统的动态性能影响很大。一般只能初步选择，在系统调整时再根据系统的输出特性进一步确定。量化因子Ｋ、Ｋ如的大小对控制系统的作用可分别描述如下：（ａ）Ｋ增大，可以加快系统响应速度，减小稳态误差，提高控制精度。从理论上讲，疋增大相当于缩小了误差的基本论域，增大了对误差的控制作用，因此导致上升时间变短，稳态误差减小。但疋选得过大，系统的超调量也较大，甚至不稳定，同时由于出现超调，过渡时间变长。反之，选得太小则系统快速性变差，稳态品质也下降。（ｂ）也增大，对系统状态变化的抑制能力增大，增加了系统的稳定性。也过大，系统输出上升率过小，系统的过渡时间变长；Ｋ如过小，系统输出上升速率增大，可能导致系统输出产生过的超调和振荡。（２）输入输出空间的模糊分割模糊控制规则中前提的语言变量构成模糊输入空间，结论的语言变量构成模糊输出空间。每个语言变量的取值为一组模糊语言名称，它们构成了语言名称的集合。每个语言名称对应一个模糊集合。对于每个语言名称，其取值的模糊集合具有相同的论域。这些语言名称通常具有一定的含义。如：ＮＢ（负大）、ＮＭ（负中）、ＮＳ（负小）、ｚＲ（零）、丹（正小）、ＰＭ（正中）、ＰＢ（正大）。设论域为卜６＇６】，隶属函数的形状为三角形。如图４．３所示。图４．３ｅ（ｄｅ、“）的隶属度函数Ｆｉｇ．４．３Ｍｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆ４７ｅ（ｄｅ、“）江苏大学硕士学位论文（３）模糊控制器的控制规则１）Ｍａｍｄａｎｉ模糊模型Ｍａｍｄａｎｉ模糊模型是一种语言模型，利用Ｍａｍｄａｎｉ模型构成的模糊逻辑系统实质上是一组ＩＦ．ＴＨＥＮ规则，在这组规则中前件变量和后件变量均为模糊语言集合，其一般形式如下：Ｒ１：如果Ｐ是Ａ，ａｎｄｅｄ是且，则甜是Ｃ１Ｒ２：如果Ｐ是Ａ，ａｎｄ：ｅｄ７黾．Ｂ２，Ｎｕ是Ｃ２Ｒ“：如果ｅ是Ａ，ａｎｄｅｄｆｌｙ．Ｂ，，则Ｕ是ｑ在现有的模糊控制系统中，大多数采用这种形式。２）Ｔａｋａｇｉ－Ｓｕｇｅｎｅ模糊模型这种模型也是基于ＩＦ．ＴＨＥＮ规则，规则的前件含有模糊语言值，后件是前件变量的函数，即：Ｒ‘：如果Ｐ是Ａ，ａｎｄｄｅ，Ｂ，，则Ｈ＝正＠，哟模糊控制器的控制规则是由一组彼此通过“或＂句来描述的。集中每一条模糊条件语句，当输入、输出的关系连结起来的模糊条件输出语言变量在各自论域上反映各语言值的模糊子集为己知时，都可以表达为论域的积集上的模糊关系，即：Ｒ，Ｒ，…，Ｒ计算出每一条模糊条件语句决定的模糊关系足，（ｆ＝１，２，…，，ｚ）之后，考虑到每条模糊条件语句间的或关系，可得描述整个系统的控制规则的总模糊关系Ｒ＝ＲＵＲＵ马Ｕ…ＵＲｎ＝ＵＲ模糊控制规则可以通过总结模糊关系Ｒ的设计来实现。（４）输出量的解模糊化（４．８）有了模糊关系ＲＯ＝１，２，…，甩）则输出语言变量论域上的模糊子集Ｕ可记为江苏大学硕士学位论文Ｕ＝Ｕ（ＥｘＤＥ）。Ｒ（４．９）但是此时，模糊控制器的输出是一个模糊量，不能直接控制被控对象，还需要采取合理的方法将模糊量转换为精确量，以便最好地发挥模糊推理结果的决策效果。把模糊量转换为精确量的过程称为非模糊化，或解模糊化。解模糊化的方法很多，不同的方法有不同的结果，在实际应用中常用的有最大隶属度法、重心法、中位数法、左取最大法、右取最大法、最大平均值法。在此仅介绍模糊自动控制中常用的三种解模糊化方法。１）最大隶属度函数法直接选取全部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。如果在输出论域ｙ中，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具有最大隶属度输出的平均值。最大隶属度法的突出优点是计算简单。但因为不考虑输出隶属度函数的形状，造成很多次要信息丢失，因此比较粗糙，一般用于控制性能要求不高的系统中。２）中位数法论域上把隶属度函数与横坐标围成的面积平分为两部分的论域元素ｘ称为模糊集的中位数。中位数法就是将这个中位数作为系统控制量。当ｘ落在两个元素之间，可用插值的方法求取中位数。与第一种方法相比，中位数法包括了更多的信息，但计算复杂，特别是在隶属度函数连续的时候，需要求解积分方程，因此应用场合相对较少。３）加权平均法这是一种应用比较广泛的判决方法。它由（４．１０）决定：厶艺ｖ，ｋｆｙｆｏ＝上｝一∑ｋ；ｉ＝１（４．１０）系数毛的选择根据实际情况决定，不同的系数决定系统有不同的响应特性。当ｔ取隶属度函数值时，就转化为重心法。这种方法的计算比中位数法相对简单。（５）比例因子经过模糊判决的输出量，虽然已是精确量，但不在控制量变化的基本论域范围内，还不能直接去控制对象，必须通过比例因子变换，将其转换为控制对象所能接受的基本论域中去，才能控制对象。同量化因子的定义，ｉ发［－ｕ，“】为控制量４９江苏大学硕士学位论文变化的基本论域，可根据被控对象的数据选定，若控制量所取得模糊子集的论域为：【－１，Ｚ＋１，…，０，…，ｌ－ｌ，１】则输出控制量的比例因子为：Ｋ。＝ｕ／１（４．１１）比例因子的大小也对模糊控制系统的动静态性能有较大的影响。一般来说，Ｋ选择过小会使系统动态响应过程变长；而Ｋ选择过大会导致系统振荡。输出比例因子作为模糊控制器总的增益，它的大小影响控制量的输出，通过调整Ｋ可以改变被控对象输出的大小。每一次控制过程结束后，都要根据被控对象的输出响应特性与要求的性能进行比较，根据系统的实际情况，依据以上量化因子Ｋ、Ｋ如及比例因子Ｋ的大小对控制系统的作用调整其参数。经过多次调整，选取适当的量化因子和比例因子，逐步改善被控对象的动态性能和静态性能，最终满足系统的要求。４．２．３模糊控制的局限性及改善方法常规模糊控制器具有过渡过程好、无需建立被控对象的数学模型、对被控对象的非线性和时变性具有一定的适应能力，即鲁棒性好和设计简单等优点。但是由于模糊控制器本质上属于ＰＤ控制器，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，存在稳态误差，易产生极限振荡环，导致速度在小范围内波动，限制了它在对稳态精度要求高的工程上的广泛应用。为了提高模糊控制器的性能，一般要从动态、静态和适应性等方面着手，主要是提高控制的快速性、稳定性、准确性和鲁棒性的指标。因为模糊控制器的设计涉及到输入、输出变量的确定，模糊变量论域及模糊子集隶属度函数的选取，模糊控制规则的建立，模糊推理决策以及量化因子、比例因子等众多因素，所以，改善模糊控制器性能的方法也多种多样。例如，采用自调整因子模糊控制算法、Ｆｕｚｚｙ．ＰＩＤ复合控制、自寻优控制系统等。江苏大学硕士学位论文４．３模糊ＰＩＤ控制技术根据以上分析ＰＩＤ控制与模糊控制均存在的一定不足，如将二者结合起来，利用模糊控制法，将ＰＩＤ控制参数的实时调整策略制定为模糊控制规则，实现ＰＩＤ控制器的在线参数实时调整。由此构成的模糊自整定ＰＩＤ控制器，实际上是对ＰＩＤ控制器进行了非线性处理，实现了系统特性变化与控制量之间的非线性映射关系，从而把ＰＩＤ控制与模糊控制的简便性、灵活性以及鲁棒性融为一体，发挥了传统控制与模糊控制的各自长处，是一种性能更优良的新型智能控制策略。４．３．１模糊ＰＩＤ控制的基本原理对于一个多变量、非线性、时变的系统，仅仅由常规ＰＩＤ调节器进行控制，由于其对静态与动态性能之间的矛盾、跟踪设定值与抑制扰动之间的矛盾、鲁棒性和控制性能之间的矛盾等方面都没有很好的解决。此外，常规ＰＩＤ调节器不具备在线整定参数砗、蟛、％的功能，致使其不能满足系统在不同偏差ｅ及偏差变化率如时对ＰＩＤ参数的自整定要求，从而影响了其控制性能的进一步提高。而参数一旦整定好，就固定不变，很难保证系统在变工况前后都有良好的控制品质。为此在常规ＰＩＤ控制器的基础上加上模糊参数自整定控制器，使其根据系统的偏差ｅ的大小、方向、以及变化趋势等特征，通过模糊推理作出相应决策，自动的在线调整ＰＩＤ参数值砗、蜀、％，以适应控制系统的参数变化和工作条件变化。研究表明，模糊控制和ＰＩＤ控制的结合是提高控制性能的有效手段。它是为提高系统的控制精度和鲁棒性，而提出的一种利用模糊逻辑对ＰＩＤ控制器进行在线自调整的方法。模糊控制器的设计是一个核心，因为它的好坏将直接影响到坼、Ｋ、％的选取，从而影响到系统的控制精度。模糊ＰＩＤ控制器由模糊控制器和ＰＩＤ调节器构成，模糊控制器的输入变量为偏差Ｐ和偏差变化率如，输出变量为ＰＩＤ控制器的三个参数耳、墨、％或ＰＩＤ参数的增量耻０、ＡＫ！、丛Ｄ，它首先进行模糊化计算，然后根据模糊控制规则进行逻辑推理和判决，得到三个输出变量≮、墨、％（或ＡＫＰ、ＡＫＩ、５１江苏大学硕士学位论文ＡＫｖ）。其原理图如图４．４所示图４．４模糊Ｐｍ控制原理图Ｆｉｇ．４．４Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｈａｒｔ４．３．２模糊ＰＩＤ控制器的设计步骤有了前面的理论基础，可以根据需要设计出合适的模糊ＰＩＤ控制器，下面先简要说明模糊ＰＩＤ控制器的设计步骤。（１）确定模糊控制器的输入、输出变量，从而也就确定了模糊控制器的维数。一般输入变量取为系统的偏差和偏差变化率，输出变量为ＰＩＤ参数ＫＰ、墨、％或者ＰＩＤ参数的增量址ｒ（Ｐ、△蜀、越ｒ（Ｄ。（２）根据实际要求确定各个输入、输出变量的变化范围，然后确定他们的量化等级、量化因子、比例因子。（３）在每个变量的量化论域内定义模糊子集。首先确定模糊子集个数，确定每个模糊子集的语言变量，然后为各语言变量选择隶属度函数。（４）确定模糊控制规则。这实质上是将操作人员的控制经验加以总结得出的一条条模糊条件语句的集合。确定模糊控制规则要遵守的原则是保证控制器的输出能够使系统输出响应的动、静态性能达到最佳。（５）求出模糊控制表。根据（４）的模糊控制规则和（２）、（３）中确定的输入、输出变量求出模糊控制器的输出。这些输出值是ＰＩＤ参数的调整量，把他们与输入量在一个表中按一定关系列出就构成了模糊控制表。ＰＩＤ三个参数一般是独立调整，所以有三个模糊控制表。５２江苏大学硕士学位论文（６）把采样得到的偏差、偏差变化率经过（２）、（３）后，带入模糊控制规则表，得出新的ＰＩＤ参数，再经过ＰＩＤ算法计算就得出了最后的输出量，也就是系统的控制量。（７）根据仿真效果或实验结果分析模糊ＰＩＤ的控制性能，再对量化因子和比例因子进行调整以达到理想的控制效果。４．４拖拉机电液悬挂系统控制方案的确定由第３章的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的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。所以我们要选取合适的控制方案，以取得较好的控制效果。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状，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。而经典控制理论使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，则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，是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。本文针对这一问题采用ＰＩＤ控制和模糊控制一起组成的模糊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参数的最佳调整。综上对控制理论的分析和比较，并考虑拖拉机电控液压悬挂系统的特性，根５３江苏大学硕士学位论文据当前控制技术的发展和系统的特点，可知单纯采用ＰＩＤ控制或模糊控制都不会取得较好的控制效果。采用模糊ＰＩＤ控制实现了ＰＩＤ参数的在线自调整功能，能够进一步完善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。４．５本章小结１．简述了ＰＩＤ控制技术的基本原理和算法。２．总结了ＰＩＤ策略的局限性和解决方法。３．简述了模糊控制技术的基本原理和算法。４．总结了模糊控制技术的局限性和解决方法。５．介绍了模糊ＰＩＤ控制的基本原理和设计步骤。６．确定了本课题选用的控制策略。江苏大学硕士学位论文第５章电液悬挂系统模糊ＰＩＤ控制器的设计与仿真５．１电液悬挂系统模糊ＰＩＤ控制器的设计５．１．１确定模糊控制器的结构和隶属度函数为模糊控制器选择和确定一种合理的结构，是设计模糊控制器的第一步。选择模糊控制器的结构就是确定模糊控制器的输入变量与输出变量。本论文中模糊控制器的设计中采用了二维模糊ＰＩＤ控制器，其结构如图４．４所示，输入量为耕深（或牵引力）的偏差Ｐ和偏差变化率如，输出量为华Ｐ、ｚｋＫＩ、必Ｄ。对于系统响应的误差Ｅ、误差变化率ＤＥ分别具有一定的变化范围，将其变化范围分别定义为模糊集上的论域。（１）液压悬挂位调节中，取耕深的变化ｅ及其变化率如为输入量，输出量为砗、巧、％的增量，即华Ｐ、ＡＫｔ、华Ｄ。Ｅ、ＤＥ的模糊论域和量化因子分别为：Ｅ＝【＿６，６】，量化因子初值Ｋ＝８；ＤＥ＝【＿６，６】，量化因子初值Ｋ如＝０．１５。蟛Ｐ、ＡＫｔ、罅Ｄ的模糊论域分别为：脚，（Ｐ＝【飞６】，比例因子初值如＝４．６；ＡＫＩ＝【＿６，６】，比例因子初值％＝１２０．０５；罅Ｄ＝【—６，６】，比例因子初值％＝０．０２。（２）液压悬挂牵引力调节中，取耕深的变化ｅ及其变化率如为输入量，输出量为Ｋ、局、％的增量，即耻ｒ（Ｐ、ＡＫｌ、华Ｄ。Ｅ、ＤＥ的模糊论域和量化因子分别为：Ｅ＝【＿６，６】，量化因子初值Ｋ。＝６．５；ＤＥ＝【也６】，量化因子初值玩＝１２０．３。ＳＳ江苏大学硕士学位论文ＡＫ．、ｄ墨、丝。的模糊论域分别为：龋，＝卜毛６】，比例因子初值ｊｏ＝２．５；△ｑ＝卜ｔ６】，比例因子初值Ｋ。＝０５；Ａ％＝卜毛６】，比例因子初值Ｋ曲＝１。在调试过程中可以通过观察系统的运行性能来修改量化因子与比例因子。各个变量的模糊于集分别为：Ｅ、ＤＥ、缸Ｐ、ＡＫＩ、ＡＫｏ５口旧、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。由于各变量模糊集合隶属度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太，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．如果所造宽度较小，则部分区域投有规则相适应，那么收敛性就不好，相反，重叠规则相加．规则问相互影响大，使得响应慢。加上三角函数隶属度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。所阻在此我们选择三角形作为语言变量Ｅ、ＤＥ、枨，、△ｑ、△ｊ（。的隶属度函数，其隶属函数如图５．１所示。三＝：＝。惟一＿二。ｊ圈５ｉＥ、ＤＥ、斌，、△墨、斌Ｄ的隶属度函数Ｆｉｇ．５１ＭｅｍｂｅｒｓｈｉｐｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆＥ、ＤＥ、ＡＫｅ、ａＸ，、缱Ｄ江苏大学硕士学位论文５．１．２确定模糊控制规则参数模糊自调整ＰＩＤ控制器就是找到在不同时刻ＰＩＤ三个参数与ｅ和如之间的模糊关系，在运行中通过不断检测ｅ和如，根据模糊控制原理来对三个参数进行在线修改，以满足不同ｅ和如对控制参数的不同要求，而使被控对象有良好的动、静态性能。由ＰＩＤ控制器的原理可知，砗、墨、磁三个参数对系统输出特性的影响不同。三个参数的作用如下：比例增益Ｋｐ的作用：保证控制量的输出含有与系统偏差成线性关系的量，能够快速反应系统输出偏差的变化情况。由经典控制理论可知，比例环节不能彻底消除系统的偏差，系统偏差随着比例系数的增大而减少，但比例系数过大将导致系统不稳定。积分增益Ｋ的作用：控制器的输出不仅与输入信号偏差的大小有关，还与偏差持续的时间有关，并与偏差对时问的积分成线性关系。只要偏差存在，控制就要发生改变，实现对控制对象的调节，直到系统偏差为零。因此积分的作用主要用来消除系统的静态偏差，提高精度，改善系统的静态特性。积分作用的强弱取决于积分时间，积分时间越大，积分作用越弱，反之则越强。然而，单纯的积分作用速度太慢，无法及时对系统的偏差变化作出快速反应。微分增益ＫＤ的作用：对输入信号的变化趋势作出反应，即它的输入与输出的大小无关，但与输入量的导数成线性关系。用来控制被调量的震荡，减小超调量，使系统趋向稳定，减小调节时间，用来改善系统的动态特性。由于微分环节在系统传递函数中引入了一个零点，如果使用不当会使系统不稳定。根据上述ＰＩＤ三参数对系统输出特性的影响，再结合大量仿真和实验的经验，可归纳出在被控过程中的对于不同的偏差和偏差变化率，参数鲜、巧、％的自整定原则（如图５．２）：（１）当悬挂系统位置偏差或者牵引力偏差Ｈ较大时，ｄｅ无论多大，为了加快系统的响应速度，并防止因开始时偏差ＩｅＩ的瞬间变化可能引起的微分过饱和而５７江苏大学硕士学位论文使控制作用超出许可范围，都采用较大的Ｋｊ，，这样能使悬挂系统响应速度加快。另外为防止积分饱和，ＫＩ取最小或较小，同时为避免悬挂系统响应出现较大的超调，应去掉微分作用，即Ｋ，＝０。（２）当悬挂系统位置偏差或者牵引力偏差ｌ叫和偏差变化率ｌ别处于中等时，为使位置响应或牵引力响应具有较小的超调，酢应取得小些，墨值要取得适当。在这种情况下％的取值对系统影响较大，取值要大小适中，以保证悬挂系统的响应速度。（３）当悬挂系统位置偏差或者牵引力偏差ｌｅＩ处于较小时，为使系统具有良好的稳态特性，应增加Ｋ，和墨的取值。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。当偏差变化率Ｉ如Ｉ处于较小时，％可取值大些；当偏差Ｉ如ｌ处于较大时，％可取值小些。此外，在控制系统中纯滞后往往是影响系统动态特性的不利因素。控制器如果设计不当，常常会引起系统的超调和持续振荡。对于这类系统的控制，快速性往往是次要的，主要要求系统没有超调量或者很少超调量，要求系统闭环稳定，而调整时间允许在较多的采样周期内结束。根据上述ＰＩＤ参数的作用以及在不同的偏差及偏差变化下对ＰＩＤ参数的要求，并结合电控液压悬挂系统的实际控制情况，可得到群、墨、％三参数分别整定的初始模糊控制规则表，如表５．１、５．２和５．３所示。ｙ０：八………二。／．二ｊ二二ｉ二二高王ｊ．；图５．２被控对象的典型阶跃响应曲线Ｆｉｇ．５．２Ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｓｔｅｐｆｕｎｃｔｉｏｎｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｏｂｊｅ斌ｃｕｒｖｅ５８江苏大学硕士学位论文表５．１举Ｐ的模糊规则表Ｔａｂ．５．１Ｆｕｚｚｙｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔ△ＫＰ＼；弋ＮＢＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＢＮＢＰＢＰＢＰＭＰＭＰＳＺＺＮＭＰＢＰＢＰＭＰＳＰＳＺＮＳＮＳＰＭＰＭＰＭＰＳＺＮＳＮＳＺＰＭＰＭＰＳＺＮＳＮＭＮＭＰＳＰＳＰＳＺＮＳＮｓＮＭＮＭＰＭＰＳＺＮＳＮＭＮＭＮＭＮＢＰＢＺＺＮＭＮＭＮＭＮＢＮＢ表５．２蝎的模糊控制表Ｔａｂ．５．２ＦｕｚｚｙｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔＡＫＩ＼ｅ＼ｅＮＢＮＭＮＳＺＰｓＰＭＰＢ＼ＮＢＮＢＮＢＮＭＮＭＮＳＺＺＮＭＮＢＮＢＮＭＮＳＮＳＺＺＮＳＮＢＮＭＮＳＮＳＺＰｓＰｓＺＮＭＮＭＮＳＺＰＳＰＭＰＭＰＳＮＭＮＳＺＰＳＰＳＰＭＰＢＰＭＺＺＰＳＰｓＰＭＰＢＰＢＰＢＺＺＰＳＰＭＰＭＰＢＰＢ江苏走学硕士学位论文表５．３斌Ｄ的模糊控制表Ｔａｂ５３Ｆｕ皿＇ｙｒｅｇｕｌａｔｉｏｎａｂｏｕｔＡＫＤ弋ＮＢＮＳＮＳＰＳＮＳＮＳＮｓＮｓＰＳＰＳＰＳＰｓＰＢＰＳ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。通过模糊推理得到的结果是一个模糊集合，不能直接控制被控对象，这里采用加权平均法，如图５．３所示；打开规则编辑器，把表５．１、表５．２和表５．３中控制规则输入到模糊控制编辑器中．如图５．４所示；由规则腮察器可以看到由图形表示的控制规则，如图５．５所示；为了直观地看到输入输出变量的隶属度关系，还可以打开曲面观察器，结果如图５．６所示。墓图５．３模糊推理系统Ｆ幢５３Ｆｕｚｚｙｉｎｆｅｒｅｎｃｅｓｙｓｔｅｍ江苏大学硕士学位论文暖５．４模糊规刑墒辑器Ｆ唔５４Ｆｕ砑ｙｍｌｅｅｄｉｔｏｒ图５．５模糊规则观剥器Ｆ＊ｊ５Ｆｕｚｚｙｒｕｌｅｖｉｅｗｅｒ鳓ｔ！黪ｔ！霉图５，６丛Ｐ、蝎－Ａｋ的曲面观剥器Ｅ曲６Ｓｕｒｆａｃｅｖｉｅｗｅｒｏｆ龌Ｐ、啦ｌ，豳ｎ５．１．３算法流程缉、蜀、＾毛的模糊规则表建立好后，根据Ｊ０、墨、ｊ０的模糊控制表查江苏大学硕士学位论文出修正参数，可得到ＰＤ参数的调整算式为：ｆＫｅ＝Ｋｅｏ＋征，ＤＥ泳Ｐ＝Ｋｅｏ＋必Ｐ｛Ｋｆ＝ＫＪｏ＋伍，加遮ｆ＝Ｋ，ｏ＋ＡＫＪ【ＫＤ＝ＫＤｏ＋征，ＤＥｇＤ＝Ｋｏｏ＋ＡＫＤ（５．１）其中伍，ＤＥ泳Ｐ、仁，ＤＥ诼Ｊ、但，ＤＥ诼Ｄ是模糊推理的结果，即参数的校正量，酢ｏ、Ｋｏ、％ｏ为参数设置初值，它们可以通过很多整定的方法得到。例如Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ整定方法、解析整定法、衰减曲线整定法，本系统采用的是Ｚｉｅｇｌｅｒ－Ｎｉｃｈｏｌｓ整定方法中的临界比例度法，该方法适用于已知对象传递函数的场合并且系统必须是３阶或３阶以上。在闭合的控制系统中，将调节器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变调节器的比例度，得到等幅振荡的过渡过程，此时的比例度称为临界比例度瓯，相邻两个波峰间的时间间隔称为临界振荡周期瓦，然后根据如下经验公式得到控制器参数。Ｉ耳＝０．６６ｋｌ耳＝０．６８ｋ或写成｛互＝０．５Ｔｋ旧＝ｏ．１２５Ｔｋ｛Ｋ＝２ＫＰ皿（５．２）‰＝ｏ．１２５ＫｐＴｋ量将得到的ＰＩＤ参数代入（５．３）式，得到控制量输出量材。“（七）＝玉ｒＰｅ（七）＋墨∑ｅ（ｊ『）＋ｊ，Ｄ【ｅ（七）一ｅ（ｋ－１）］５．１．４电液悬挂系统模糊ＰＩＤ控制器控制流程图（５．３）模糊ＰＩＤ控制器在一个周期的工作流程图如图５．７所示：图５．７模糊ＰＩＤ控制器工作流程图Ｆｉｇ．５．７Ｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｆｕｚｚｙ－ＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ江苏大学硕士学位论文５．２系统仿真与分析悬挂系统模型的仿真是基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境进行的，根据前面建立的数学模型和模糊ＰＩＤ控制器，尽可能的模拟电液悬挂系统真实的工作过程。本节对液压悬挂系统进行了位置控制、牵引力控制和力位综合控制的模糊ＰＩＤ建模与仿真研究，并在系统阶跃响应方面，分别将位置控制和牵引力控制的仿真结果与常规ＰＩＤ控制结果做了比较。５．２．１电液悬挂系统位置控制位置控制即耕深控制，经安装在提升轴处的传感器测得的提升轴转角信号，由ＣＡＮ总线送到ＥＣＵ，与预设的耕深值进行比较，然后经过模糊ＰＩＤ控制其计算得到电液比例阀的控制电流，控制电流的大小决定控制阀芯的移动量，决定了流入液压缸液压油的流量和压力，液压油流量和压力的变化通过悬挂机构带动悬挂农具的变化，从而达到调节耕深的目的。根据第３章电控液压悬挂系统的动力学模型，在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ里分别建立了系统的ＰＩＤ和模糊ＰＩＤ仿真模型，如图５．８和图５．９所示。输入阶跃信号经ＰＩＤ或模糊ＰＩＤ控制器输出电液比例阀的输入电流，再经过液压系统传递函数，控制液压缸活塞的位移，活塞位移通过增益转换到耕深，反馈信号表示由提升轴转角转化得到的实际信号。图５．８位置控制ＰＩＤ仿真框图Ｆｉｇ．５．８ＰＩＥ）ｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ江苏大学硕士学位论文图５．９位置控制模糊ＰＤ仿真框图Ｆｉｇ．５．９Ｆｕｚｚｙ·ＰＩＤｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ设定仿真时间为１０秒，仿真参数选为变步长的ｏｄｅ４５仿真方法。启动仿真，通过示波器即可得到悬挂系统位置调节的阶跃响应曲线，将输入、输出和时间存入工作空间中，再通过画图命令可分别打开ＰＩＤ控制和模糊ＰＩＤ控制阶跃响应曲线图，为方便比较，现将两幅图叠加在一起，如图５．１０所示。”憾ｙ１９＃｜璧１１。气模糊∞Ｊ…ＰＪｐ哺《孽∞哺们慵¨００．５１１．５２２５３ａ５４４．５５时间（ｓ）图５．１０位置控制单位阶跃响应曲线Ｆｉｇ．５．１０ＰｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｉｔｓｔｅｐｒｅｓｐｏｎｓｅｃＩ：ｌｒＶＣ从图５．１０可以看出，采用模糊ＰＩＤ控制器后，悬挂系统的动态响应时间约江苏大学硕士学位论文为Ｏ．２ｓ，基本上没有波动，也就是说，悬挂机组开始工作时大概只需要０．２ｓ就能达到所设定的耕深值；而采用ＰＩＤ控制器所得到的耕深响应时间约为０．５ｓ左右，其幅度有２％左右的波动，但是也基本上控制在耕深１０％的范围之内。由此可以看出ＰＩＤ控制没有模糊ＰＩＤ控制鲁棒性好，控制精度也没有后者高。模糊ＰＩＤ、遵』／天ｍｌ＼纷图５．１１位置控制控制脉冲激励响应Ｆｉｇ．５．１１Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｒｖｅｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ图５．１１示出了在模拟电控液压悬挂系统位置控制在运行稳定情况下突然受到外在载荷（如树根、石块等）冲击时的运行工况。从仿真结果可以看出系统约在３秒时受到外界脉冲激励。对于脉冲干扰信号，系统在设定耕深的情况下，ＰＩＤ控制和模糊控制分别能够在５．２秒和５秒左右达到预先设定的耕深，由叠加图还可以看出模糊ＰＩＤ响应幅值比ＰＩＤ响应幅值要小，充分说明在受到外界干扰情况下模糊ＰＩＤ控制比ＰＩＤ控制响应速度快，并且能够在较短的时间内达到稳定状态。由此可知模糊ＰＩＤ控制具有较好的自适应性，反应速度比ＰＩＤ控制较快，能够对系统性能进行在线调整，采用模糊ＰＩＤ控制进行耕深自动控制是可行的。５．２．２电液悬挂系统阻力控制阻力控制即牵引力控制，阻力控制中将安装在下拉杆铰接点处的力传感器，实时检测拖拉机工作过程中农具作用在下拉杆所受到的拉力，来反映耕作过程中的阻力大小。然后，将传感器测得的信号转换为电信号，作为反馈信号传送给江苏大学硕士学位论文ＥＣＵ，在ＥＣＵ中转化为牵引力信号并与预设牵引力做比较，所得比较值作为控制器（模糊ＰＩＤ或者ＰⅢ）的输入信号，计算得出电液比例阀的输入电流，根据输入电流的正负大小，控制阀芯的位移量，从而控制液压缸内的压力大小，实现调节耕深的目的。拖拉机牵引力控制的目标是使拖拉机在额定功率下作业中保持牵引力不变，保证拖拉机在较高的工作效率下工作。耕作过程中，当耕作阻力变大时，牵引力随之增加，耕作所消耗的功也随之增加，为使牵引力保持不变，控制系统将减小耕深，从而在新的耕作深度条件下牵引力再次达到稳定，保持不变，保证了拖拉机工作效率。通过上述分析，根据第３章建立的电控液压悬挂系统动力学数学模型，在ＭＡｎＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ里分别建立了悬挂系统的ＰＩＤ和模糊ＰＩＤ仿真模型，如图５．１２和图５．１３所示。输入阶跃信号经ＰＩＤ或模糊ＰＩＤ控制输出电液比例阀的输出电流，再经过液压系统传递函数，控制液压缸活塞的位移，活塞位移通过增益转换到实际响应信号，反馈信号表示由下拉杆传感器测得的压力或者拉力转化得到的实际信号。采用一个随机信号输入模块作为土壤比阻的模拟信号源，设置随机信号的平均值为６，其标准差值为０．２，使随机信号在５—７之间随机变化，采样时间取０．２秒，可得土壤比阻输入信号，如图５．１４所示。图５．１２牵引力控制ＰＩＤ仿真框图Ｆｉｇ．５．１２ＰＩＤｄｒａｆｔｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ江苏大学硕士学位论文图５．１３牵引力模糊ＰＩＤ控制仿真框图Ｆｉｇ．５．１３Ｆｕｚｚｙ－ＰＩＤｄｒａｆｔｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ１Ｉ７ｍＵ—一工＿］ｕ惑乞门Ｌ斫ＬＵ—图５．１４土壤比阻信号模拟Ｆｉｇ．５．１４Ｓｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌ设定仿真时间为１０秒，仿真参数选为变步长的ｏｄｃ４５仿真方法。启动仿真，通过示波器即可得到悬挂系统阻力调节的阶跃响应曲线，将输入、输出和时间存入工作空间中，再通过画图命令可打开ＰＩＤ控制和模糊ＰＩＤ控制阶跃响应曲线６７江苏大学硕士学位论文图，为更直观的观察图形，定义纵坐标的范围，如图５．１５和５．１６。他，黼ｍ㈧蝴谢怖蝴黼蝌｝｜１黼¨《氅¨¨雌州㈧蝴狮啪洲ｌ蚺蝴洲江苏大学硕士学位论文应，调整耕深，保持牵引力不变。为了较真实的模拟耕作环境，在表示土壤比阻的随机信号发生器中叠加一个脉冲激励信号，来表示实际耕作中土壤比阻的变化情况，如图５．１７所示。广－惑≯］广＿Ｆ≮磊够。≮一Ｚ呵一图５．１７土壤比阻突变信号Ｆｉｇ．５．１７Ｓｏｉｌｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｃｈａｎｇｅａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌ由图５．１７可知，土壤比阻分别在３秒和７秒时刻发生突变，过后在５秒和９秒又恢复正常比阻范围。启动仿真，通过图形命令调出仿真图形，观察阻力控制外加脉冲激励的动态响应变化情况，如图５．１８和图５．１９所示。ＩｈＩ肌ｌＪ．血ｌ腿●枞。Ｉ心‰‰ｋＬＩ㈧灿５ｍ１１１１卵１口ｌ『｜｜１Ｗ｝“ＩＩＩｆｆ’，嗍甲ＩＩ’ＩｍＶ州＂㈦山ＩＬ．岫儿’ｉＩ；１Ｉ．１ｒ’。甲ｒ，ｎ图５．１８牵引控制ＰＩＤ仿真脉冲激励响应Ｆｉｇ．５．１８ＴｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｒｖｅｏｆＰＩＤｄｒａｆｔｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ江苏大学硕士学位论文ｎ４２３４５Ｂ７８●１０时间（８）图５．１９牵引力控制模糊ＰＩＤ脉冲激励响应曲线Ｆｉｇ．５．１９Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｔｖｅｏｆｆｕｚｚｙ－ＰＩＤｄｒａｆｔｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ图５．１８反映了ＰＩＤ控制在外加冲击激励时电控液压悬挂系统的动态响应；图５．１９反映了模糊ＰＩＤ控制在外加冲击激励时电控液压悬挂系统的动态响应。由仿真结果可以看出，在外加冲击激励作用下，模糊ＰＩＤ控制和ＰＩＤ控制的系统在短暂波动后，均能作出适时调整，并恢复到预定牵引力范围内。经计算模糊ＰＩＤ控制的幅度最大值和最小值分别为１．２７和０．７８，ＰＩＤ控制的幅度最大值和最小值为１．３３和０．７０，由此可知模糊ＰＩＤ控制系统比ＰＩＤ控制系统波动幅度要小，且反应迅速，能够较快地回到系统设定的稳定状态。总之，采用模糊ＰＩＤ自适应控制后，电控液压悬挂系统的动态性能大大改善，响应速度变快，稳态性能变好，在受到外在冲击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，可以得到较满意的控制效果，进一步说明对于电控液压悬挂系统采用模糊ＰＩＤ控制达到对耕深和阻力的综合控制是可行的。５．２．３电液悬挂系统综合控制综合控制是由两种不同的控制方法综合而成的一种新的控制方法。采用力、位综合控制方法调节农具时，由阻力控制传感器输出的阻力信号和由位置控制传感器输出的位控制信号，经过设定的比例叠加以后，再反馈到控制部分。因此这时液压悬挂系统控制的是作用在悬挂机构拉杆上的力和农具相对于拖拉机位置变化量二者信号按一定的比例组合以后的叠加量。江苏大学硕士学位论文综合控制时，设定好牵引力和耕深，并且确定阻力和位置控制参数与比例系数口，当阻力控制参与比例（１一口）减少到零时，即成为单一的位置控制；反之，当位置控制参与比例６ｔ＇减少到零时，即成为单一的阻力控制；当位置控制、阻力控制均参与工作时，由于耕作时土壤性质的变化，牵引力随之变化，经过悬挂系统调整耕深，从而缓解了一部分阻力的变化，耕深的变化大小由设定的比例系数口决定。在ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ环境下建立了电控液压悬挂系统的仿真模型，如图５．２０所示。图５．２０综合控制仿真结构框图Ｆｉｇ．５．２０Ｄｒａｆｔａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ为了实现对电控液压悬挂系统的力位综合控制，在图５．２０中采用了与Ｍ蝴ＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ无缝结合的Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ模块，如图５．２１所示。Ｓｔａｔｃｆｌｏｗ是一种图形化的设计开发工具，是有限状态机的图形化实现工具，主要用于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中控制和检测逻辑关系的表示。用户可以在进行Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真时，使用这种图形化的工具实现各个状态之间的转换，解决复杂的监控逻辑问题。Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ生成的监控逻辑可以直接嵌入到Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型下，两者之间能够实现无缝连接。图５．２１Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ模型Ｆｉｇ．５．２１Ｓｔａｔｅｆｌｏｗｍｏｄｅｌ７１江苏大学硕士学位论文图５．２０中两个Ｓｕｂｓｙｓｔｅｍ模块是封装的子系统，它们分别由位置控制和阻力控制的模糊ＰＩＤ控制器封装而成。由于５．２．１和５．２．２节已经分别对ＰＩＥ）控制和模糊ＰＩＤ控制针对位置调节和阻力调节仿真情况做了比较，而综合控制是建立在位置调节和力调节的基础之上，故本节不再重复构建ＰＩＤ控制仿真结构框图。仿真过程中采用５．２．２节相同的脉冲激励信号和比阻模拟信号，仿真时间设定为１０秒，仿真参数选为变步长ｏｄｅ４５仿真方法。设定比例系数口，将比例系数设为０．６，启动仿真，通过画图命令可得耕深、牵引力脉冲激励阶跃响应曲线，由土壤比阻变化引起的耕深和牵引力响应曲线如图５．２２、５．２３、５．２４、５．２５所示。１．土壤比阻稳定时．ｆ，－１一ｒ『＿胛｜１１４‘ｋｌ㈨｜』ｊ６山４｜ｊ“““Ｉ厶“山｝ｊ‘Ｉ山＾－ｉ血“㈣－＿下■帅『ｆ１『忡唧ｒⅣ。阿引＿ｌ甲”耵＿丌ｒＬ８幢图５．２２综合控制脉冲激励耕深响应曲线Ｆｉｇ．５．２２Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｒｖｅｏｆｐｌｏｕｇｈ－ｄｅｐｔｈｔｏｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ枷㈨Ｍ忡枞州川ｍ椭图５．２３综合控制脉冲激励牵引力响应曲线Ｆｉｇ．５．２３Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｔｖｅｏｆｕｎｄｅｒｄｒａｆｔｔｏｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅ江苏大学硕士学位论文２．土壤比阻突变时，¨他．－Ｌ血“Ｊ止－刖山岫“ｈｌ”唧１＿””惭㈧黼黼批州ｒ＂１ｒ’７丌’Ｉ『，■¨《宰¨¨旺ｏ０１３ｅ９时问（ｓ）图５．２４综合控制脉冲激励耕深响应曲线Ｆｉｇ．５．２４Ｔｈｅｒｅｓｐｏｎｄｃｕｔｖｅｏｆｐｌｏｕｇｈ－ｄｅｐｔｈｔｏｔｈｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ¨佗ｍ㈨州懒秸Ｍ肿＊嗍椭㈣¨《孽¨¨ｕｎｄｅｒｉｍｐｌｉｅｄｉｍｐｕｌｓｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ力位综合控制是将力调节和位调节的特点综合应用的一种新的调节方法。通过调节比阻值作为阶跃的干扰力，分别得到了在土壤比阻稳定时和土壤比阻突变时两组消扰动态特曲线图。综合图５．２２、５．２３、５．２４和５．２５可以看出，在力位综合控制中，当土壤阻力发生变化时，耕深和牵引力同时发生变化。通过Ｗｏｒｋｓｐａｃｅ模块将仿真数据导入工作空间，运用ＭＡＴＬＡＢ内置函数可计算得到土壤比阻稳定时图５．２２和图５．２３在幅度均值同为１时的标准差分别为江苏大学硕士学位论文０．０９４和０．１２３；在土壤比阻突变时，图５．２４的幅度最大值和最小值为１．２５和０．７５；图５．２５的幅度最大值和最小值为１．２６和０．７６。由仿真过程可知，比例系数口的设定对控制结果有着很大影响。当比例系数口＝０时，为单一的位置控制；当比例系数为ａ＝１时，为单一的阻力控制。本文通过大量实验确定，在正常耕作深度范围内，本综合控制系统比例系数口取为０．６时能取得较好的控制效果，充分体现了牵引负荷的稳定性和耕作深度的均匀性两方面，在各种土壤条件下都可获得较好的耕作质量。５．３三种控制方式的比较根据位置控制和综合控制原理，结合对图５．１０和图５．２２的比较可知，位置控制具有良好的稳定性，能够保持预定入土的耕深耕作，不受外界因素干扰，但是在土壤土质变化比较大的田地犁耕时，不能保持发动机负荷稳定；而综合控制能够随着地面仿形耕作，即在地面起伏不平和土壤土质变化时，机组能做出适时反应，且能保持在耕作深度在设定耕深控制范围内，从而保证了耕深的均匀性。根据阻力控制和综合控制原理，结合对图５．１８和图５．２３的幅度标准差（前者为０．１２５，后者为０．１２３）的比较可知，综合控制比阻力控制取得的控制效果要好，并且能够保证较好的耕作深度均匀度。对比图５．１９和图５．２５的幅度最大值和最小值（前者为１．２７和Ｏ．７８，后者为１．２６和０．７６）可知，在受到脉冲激励时，综合控制亦能像阻力控制那样作出迅速反应，都能使牵引力经过短暂波动（脉冲激励时刻）后回到预定的稳定状态，说明综合控制能够保持阻力控制的优点，即能在土壤阻力发生变化时，维持发动机负荷基本不变，从而延长了发动机的使用寿命。总之，力位综合控制克服了位置控制和阻力控制的缺点，综合了两者的优点，既保证了耕深的均匀性又保证了发动机负荷的稳定性，是一种比较理想的控制方式。５．４本章小结１．利用ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ设计了电控液压悬挂系统模糊ＰＩＥ）控制器，进而分别构建了位置调节、阻力调节和力位综合调节的模糊ＰＩＤ控制和ＰＩＤ控制７４江苏大学硕士学位论文仿真模型。２．由模糊ＰＩＤ和ＰＩＤ仿真结果可知，无论是悬挂系统的过渡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是基本相符的，充分说明了电控液压悬挂系统采用智能化控制——模糊ＰＩＤ控制的可行性。３．通过对仿真曲线的分析可知，不同的调节方式能满足不同的耕作需求，采用力位综合调节通过调节位置信号和牵引力信号比例系数是一种比较理想的控制方式。４．综合分析了三种控制方式的优劣性。７５江苏大学硕士学位论文第６章电液悬挂系统的试验验证６．１试验前的准备６．１．１试验目的１．验证拖拉机在室内仿真作业时电控液压悬挂系统是否满足试验要求，并能保持耕作深度的稳定性。２．测试电液悬挂系统开始工作达到预定耕深时的动态性能，验证理论分析的正确性３．通过调整一些控制参数，使控制性能得到改善，进而探讨控制系统的合理性。６．１．２试验对象本次试验是以配装电液悬挂系统的某型号轮式拖拉机为试验对象，其主要性能参数见下表６．１。表６．１拖．拉机性能参数Ｔａｂ．６．１Ｔｒａｃｔｏｒｐａｒａｍｅｔｅｒ＝ｆ＼＼芝ｊ技术参数～—～发动机功率悬挂装置形式耕深控制方式轴距后轮轮距发动机油耗发动机转速适于耕作的Ｔ作速度１６２０Ｂ１１．８ｋｗＩＩ类悬挂阻力控制、位置控制和综合控制２８４８ｍｎｌ１９０４ｍｍ２３５９ｐ娜幸ｈ２８００ｒｐｍ１．６８－－．２７．７ｋｍ／ｈ７６江苏大学硕士学位论文６．１．３试验的仪器设备试验的主要仪器及设备有：压力传感器，数据记录采集处理系统，动态压力测试设备，皮尺，秒表，温度计等．６．１．４试验方案电室掖内是仿停止状态．测定７最大提升力Ｉ控晕上怛土。＾Ｉ验证．１（畿客嚣蕃裔耥置）。Ｉ是否满足提升要求挂真系试统验一位置控制ｈ—◆Ｈ液压泵压力工作时。制设定７面板阻力控制—１崖刀伟悬奋１．．—＿舅丘－ｈ此亩蟹Ｈ—’’综合控制图６．１室内仿真试验框图掖压缸压力Ｆｉｇ．６．１Ｉｎｄｏｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍ１．拖拉机静止时，测试拖拉机在停止状态下液压悬挂系统的整个提升行程内所能发挥的最大提升力并测定拖拉机所能输出的最大功率和在切断动力情况下提升系统保持负荷与提升位置上的能力。２．当拖拉机仿真试验台工作时，检验电液悬挂控制系统是否能够满足耕作要求。通过压力传感器测量液压泵、液压缸压力变化情况。室内仿真试验分三个方面进行：（ａ）位置控制时，控制面板设定耕深值，由压力传感器测得油压变化值，由数据记录采集处理系统观察液压缸油压变化情况，从侧面反应耕深变化情况。（ｂ）阻力控制时，由信号发生器产生一比阻信号，通过压力传感器测得油压变化数据，观察液压缸压力随模拟土壤比阻信号变化时的响应情况，从而侧面反应耕作阻力随土壤性质变化时的响应情况。（ｃ）力位综合控制时，调节阻力、位置控制权值，输入模拟比阻信号，压力传感器测得油压变化数据，观察液压缸压力变化情况，从而侧面反映耕深和牵引力综合控制所取得的效果。（如图６．１所示）江苏大学硕士学位论文６．２试验及结果分析＿雌型试验地点；省农机鉴定基地例６２试验照片Ｆ嘻６２Ｅｘｐｅｒｉｍ朗ｔａｌｐｉｃｔｍｔ６２１压力传藤器标定在室内仿真试验中，采用压电式压力传感器，将两个压力传感器分别安装在油泵和油缸油管处，测量悬挂系统工作时油泵压力和油缸压力变化，从而通过油缸压力变化情况分析耕作深度和耕作阻力变化情况。如图６．３为压力传感器的标定曲线，它较好的反映了工作油压ｆ在Ｏ－１８ＭＰａ范围内、和传感器输出电压（在㈣．９ｖ范围）之间的近似线性关系。…ｊ卜ｉ｝卜｛身等一鲁■：：莹ｊ．Ｉ箬｝：≥；：李：：０７ｒ？？”ＰＰＰ。／ｌ；ｌ；ｉ图６．３压力特感器性能曲线６２２拖拉机液压提升与静沉降试验１．最大提升力试验分别在下悬挂点上和专用框架上（框架质心应在悬挂江苏大学硕士学位论文点后６１０＋１０ｍｍ处）进行，试验时将加载点行程分为间隔大致相等的６个以上分店（包括最低点即尽可能接近的最高点），分别在每个分点处进行测量，测出每个分点处的最大提升力及响应压力。然后将各分点最大提升力中的最小值，修正到使用说明所规定的安全阀最小开启压力的９０％压力时的响应值，此值即为全行程最大提升力（见表６．２和图６．４所示），经测量可知最大提升力为５４０ｋｇ。表６．２试验数据Ｔａｂ．６．２Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｄａｔａ序号１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５测量载荷ｌ【ｇ４４８４５３４６８４７５４８０４８５４９０４９０４８５４７８４７０４６９３８８１７７７２行程ｌｌｌｌｎ４６２５０５５４２５７３６０２６２８６５５６８０７０５７３４７５９７８０８００８２１８３５举升力蚝４９８５０３５１８５２５５３０５３５５４０５４０５３５５２８５２０５１９４３８２２７１２２／——，—一卜——『－ｉ～———～：５４诹ａ｝ｆ＿－＿／，ｂ缸行程（ｍ）图６．４提升过程曲线图Ｆｉｇ．６．４Ｌｉｆｔｐｒｏｃｅｓｓｃｕｒｖｅ扛苏大学硕士学位论文２．提升时间及静沉降试验拖拉机挂上专用试验框架，以全行程最大提升力作为载荷，测量将此载荷有最低点提升到最高点的提升时间及悬挂轴的垂赢行程，在提升到最高位置并处于中立状态后将发动机熄火，同时测量悬挂轴的离地高度，此后半个小时再次测量，两次测量值之差即为３０分钟后静沉降值。３悬挂系统室内仿真试验１．位置控制（１００％位置控制，Ｏ％阻力控制）位置控制时，通过控制面板设定位置控制按钮，并设定需要耕作的耕深值，待拖拉机工作稳定时开始测量油泵和油缸压力，所得油压变化曲线如图６．５所示。嚣％，ｒ６．２…Ｔ＿圳＿’■＿‘＿■＾Ｍ，…－ｖｖ＿ｔ…ｉ。【Ｈｃ】图６．５位置控帝Ｉ时油泵油缸压力曲线Ｆ唔６５Ｐｒ∞ｓｍｅａｌｒｖｅｏｆｈｙ＆ａｕｌｉｃｐｕｍｐａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｉｎｐｃＢｉｆｉｏｎｃｏａｔｒｏｌ由图６．５可知，绿线表示油缸压力（ｐ２）曲线，蓝线表示油泵压力（ｐ１）曲线，系统稳定时控制阀处于保持状态，当旄加在模拟农具上加载力发生变化时，油缸压力基本维持在８．５ｂａｒ左右均匀波动，表明耕作深度能够保持在设定值的上下范固内均匀波动。２．阻力控制（ｏ％位置控制，１００％阻力控制）阻力控制时，通过控制面板设定阻力控制按钮，牵引力设定为３５ｋＮ，待拖拉机稳定后测量油泵和油缸压力．测得油压变化曲线如图６．６所示。图６．６中绿线表示油缸压力（ｐ２）曲线，蓝线袁示油泵压力（ｐ１）曲线。由于施加在模拟农具上加载力发生变化，油缸压力曲线波动较大，表明拖拉机耕作时耕深波动较大，耕作质量较差，符合阻力控制的特征，不过阻力控制能得到稳江苏大学项士学位论文定的牵引力，保障拖拉机在额定功率范围内变化，有利于减少拖拉机的燃油消耗。‰必图６６阻力拉制时油泵油缸压力曲线Ｆｉ９６６Ｐｒｏｃｕｒｅａ删ｃｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｐｕｍｐａｎｄｃｙｌｉｎｄｃｒｉｎｄｒａｆｔｃｏｎｂｏｌ３．力位综合控制力位综合控制时，在控制面板上设定初始耕深值和牵引力值，并设定控制比例为６６％位置控制，４０％阻力控制，待拖拉机耕作稳定时测量油缸和油泵压力，测得油压变化曲线如图６．７所不。…Ⅳ一月…＾＿…＿Ⅲ…ｋ‘ｄ困６７综合控制时油泵油缸压力曲线ＦＩ＿ｇ．６．７Ｐｔｅ强ｕｒｅＣＵＩＮｅｏｆｈｙｄｒａｕｌｋ：ｐｏｍｐａｎｄｃｙｌｉｎｄｅｒｉｎ抽ｔｅ｛妒”ｄｃｏｎｔｒｏｌ由图６．７可知；绿线表示了油缸压力（ｐ２）曲线，蓝线表示油泵压力（ｐ１）曲线。由油缸压力波动曲线可知，旖加在模拟农具上的加载力发生了变化，从而使油缸压力有一定的波动，但相对于单一阻力控制时的油缸压力波动较小，因此，综合控制时，实际耕深会有一定的波动，牵引力也会有一定的变化，实际耕作时江苏大学硕士学位论文可根据实际情况来决定阻力控制和位置控制所占比例，若追求较高的耕作质量，则使位置控制所占比例偏大，若追求较高的经济效益，则使阻力控制所占比例偏大。６．３本章小结通过对试验车型进行改装，确定了试验目的和试验方案。在室内仿真试验台上对拖拉机电液悬挂控制系统进行了动静态仿真试验。试验中，着重对液压缸压力进行了测量，并对试验结果进行了分析。江苏大学硕士学位论文第７章总结与展望７．１总结电控液压悬挂系统控制技术是国外开始于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。本论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，针对某型号轮式拖拉机为样机，对原有的液压悬挂系统进行了部分机械改装，实现了对悬挂系统的电液控制。本文针对电控液压悬挂系统控制系统和室内仿真试验，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和配置参数，在分析系统元件特性和查阅相关资料的基础上，建立了悬挂系统的动态数学模型，为拖拉机悬挂系统的产品设计和改进提供了有力的理论依据。２．将智能控制理论引入到液压悬挂系统中，即采用模糊ＰＩＤ控制方法对液压悬挂系统进行了理论分析，并运用ＭＡＴＡＬＢ模糊逻辑工具箱设计了模糊ＰＩＤ控制器。３．采用图形化仿真工具ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ和Ｍ触Ｌ址；／Ｓｔａｔｅｆｌｏｗ对液压悬挂系统进行了位置控制、阻力控制和力位综合控制的模糊ＰＩＤ仿真，对仿真结果加以分析，并与ＰＩＤ仿真结果进行了分析比较，结果充分表明采用模糊ＰＩＤ控制的数学模型是由于ＰＩＤ模型的，验证了模糊ＰＩＤ控制应用与电控液压悬挂系统是可行的和合适的。４．根据制定的试验方案和实际情况，对采用模糊ＰＩＤ控制策略的拖拉机电控液压悬挂系统进行了位置控制、阻力控制和力位综合控制的室内仿真动态性能试验，并进行了性能分析。５．通过室内仿真试验所采集的数据分析处理所得到的试验曲线和建立模糊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，也验证了把模糊ＰＩＤ控制应用于拖拉机电控液压悬挂系统是可行的。江苏大学硕士学位论文６．试验所得的实际曲线和仿真曲线有一定的差别，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试验来确定，从而修正仿真曲线。７．２展望与国外拖拉机相比，中国拖拉机技术水平还比较低。对悬挂系统的控制也具有较大的差距，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试验研究，不论是研究的内容还是研究的方法，都是一种尝试和探索。由于时间短以及试验条件及其它客观条件的限制，还有本人水平和知识的局限，本文只对悬挂系统位置控制、阻力控制和力位综合控制进行了建模、仿真和试验，这其中也难免存在不足和谬误，还有很多工作需要进一步解决和更深入的研究。下面是本人基于上述总结，对下一步研究方向的几点展望：１．针对所设计的模糊ＰＩＤ控制器试验，由于目前条件限制，可以考虑通过半物理试验来验证模糊ＰＩＤ控制规则。２．对滑转率的控制需要更进一步的研究和开发，并结合对拖拉机变速器的控制和发动机的控制，形成一个比较完整的控制系统。３．对液压悬挂只进行了室内仿真试验，还需对配备农机具情况下运输时拖拉机的振动情况和驾驶员的舒适性进行研究。４．对于力、位调节系统的动态性能仍然没有形成一个合理的评价方法和合理的评价指标体系。江苏大学硕士学位论文参考文献【１】洛阳拖拉机研究所．拖拉机设计手册【Ｍ】．ｊ匕京：机械工业出版社．１９９４【２】洛阳拖拉机研究所．拖拉机现代设计方法应用文集【Ｍ】．《拖拉机》编辑部．１９８９．１２【３】中国农业机械化科学研究院．农业机械设计手册．上册【Ｍ】．北京：机械工业出版社．１９８８．４【４】王春行．液压伺服控制系统【Ｍ】．机械工业出版社．１９９５．６ｉｓ］路甬祥，胡大弘．电液比例控制技术ｐ川．机械工业出版社．１９８８［６１薛定宁，陈阳泉．基于ＭＡＴＬＡＢ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的系统仿真技术与应用嗍．北京：清华大学出版社．２００２．１［７１闻新，周露，李东江等．ＭＡＴＬＡＢ模糊逻辑工具箱的分析与应用ＩＭ］．北京：科学出版社．２００１．１［８１张国良．模糊控制及其ＭＡＴＬＡＢ脚ｑｌＭ］．西安：西安交通大学出版社．２００２【９】飞思科技产品研发中心编著．ＭＡＴＬＡＢ７辅助控制系统设计与仿真［Ｍ】．北京：电子工业出版社．２００５：２３０－２４３，２７３—２９１【１０】谭或．拖拉机液压悬挂和加载系统性能研究【Ｄ】．【博士学位论文】冲国农业大学．２００４．５【１１】庞昌乐．拖拉机作业机组仿真系统控制策略和模糊综合控制的研究【Ｄ】．【博士学位论文】．中国农业大学．２００２．５【１２】周志立．拖拉机犁耕机组系统系能分析和匹配方法研究【Ｄ】．【博士学位论文】．吉林工业大学．１９９３［１３１尹修杰．拖拉机作业机组电液耕深控制方法的研究ｐ】．【博士学位论文】．中国农业大学．２００７．５［１４１谭或．拖拉机农具仿真作业机组悬挂系统电液控制技术的研究【Ｄ】．【硕士学位论文】．中国农业大学．２０００．３【１５】谢斌．拖拉机农具仿真作业机组悬挂系统电液控制技术的研究【Ｄ】．【硕士学位论文】．中国农业大学．２０００．３【１６】【１７】孙昌旺．电控液压悬挂系统的动力学分析及控制【Ｄ】．【硕士学位论文】．江苏大学．２００７．１２齐学先．拖拉机电控液压悬挂系统控制技术的研究【Ｄ】．【硕士学位论文】．河南科技大学．２００７．６【１８】徐兆红．电液位置伺服系统的模糊控制研究［Ｄ】．【硕士学位论文】．昆明理工大学．２００４ＲＳ江苏大学硕士学位论文倒．１Ｊ张超．基于ＣＡＮ总线的拖拉机电液悬挂控制系统研究【Ｄ】．【硕士学位论文】．南京农业大学．２００８．６ｎＬｎＬ｛专．１Ｊ川．１Ｊ李晓丹．模糊ＰＩＤ控制器的设计研究【Ｄ】．ｆ硕士学位论文】．天津大学．２．．００５．５Ｅ．Ｔ．Ｗｅａｔｈｅｌｙ，Ｃ．ＧｂｏｃｅｒｓＪｒ．ＡｕｔｏｍａｔｉｃＤｒｙｉｎｇＤｅｐｔｈＣｏｎｔｒｏｌｏｆａＳｅｅｄＰｌａｎｔｅｒＢａｓｅｄｏｎＳｏｉｌＦｒｏｎｔｓｅｎｓｉｎｇ，ＡｍｅｒｉｃａｎＡＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒ．１９９７，似２）：２９５—３０５ｎＬ物一１ＪＳｃａｒｌｅｔＪＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎｏｆＴｒａｃｔｏｒＥｎｇｉｎｅ，ＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔＤｅｐｔｈＣｏｎｔｒｏｌｓ０＇ａａ２，ＣｏｎｔｒｏｌｒＬＳｙｓｔｅｍｓ）．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｌＩｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ．１９９３，５４（２）：８９—１１２纡．１ｊＩｓｍａｉｌＳＭ，ＳｉｎｇｈＧＧｅｅ－ＣｌｏｕｇｈＤ．ＣｏｍｐａｆｉｓｏｎｏｆｔｈｅＦｉｅｌｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｒｅｅＩｍｐｌｅｍｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｆｏｒａＴｒａｃｔｏｒ．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ．１９８５，２８（６）：５２１－５３６拼１ＪＴ．Ｈ．Ｇａｒｎｅｒ，Ｒ．Ｅ．Ｄｏｄｄ．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＮＯ．８５－１０７７，１９８５ａＴｈｒｅｅ－ｐｏｉｎｔＨｉｔｃｈＤｙｎａｍｏｍｅｔｅｒ，ＡＳＥＡＰａｐｅｒｒ．Ｌ药１ＪＩＣＡ．Ｓｕｄｄｕｔｈ，ＣｏｍｐｕｔｅｒＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅＴｈｒｅｅ－ｐｏｍＨｉｔｃｈ，ＡＳＥＡＰａｐｅｒＮＯ．８４－５５２２．１９８４ａｎｄＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｒ。Ｌ撕．１ＪＥＤ．Ａｙｅｒｓ，Ｋ．Ｖ．Ｖａｒｍａ，Ｍ．Ｎ．Ｋａｒｉｍ，ＤｅｓｉｇｎＥｌｅｅｔｒｏ－ｈｙｄｒａｕｉｌｉｃＤｒａｆｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ，ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅＡＳＥＡ．１９８９，Ｖ０１．３２（６）．１８５３—１８５５．万．１Ｊ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【Ｊ】．江苏工学院学报．１９８６，７（１）：５２－６９ｒ．Ｌ勰１Ｊ阮鸿雁．拖拉机悬挂系统研究状况及一种新研究方法初探［Ｊ１．江苏工学院学报．１９９３，１４（１）ｒ．Ｌ凹１Ｊ刘长年．拖拉机牵引阻力控制系统的建模与优化【Ｊ】．农业机械学报．１９８４刘长年．拖拉机力调节系统的物理仿真阴．农业机械学报．１９８５朱金山，金中豪．拖拉机液压悬挂系统动态性能分析【Ｊ】．农业机械学报．１９８２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【Ｊ】．农业机械学报．１９９４，２５（３），６—１１ｒ．Ｌ∞１Ｊｎ１Ｊｒ．Ｌｒ．Ｌ勉１Ｊｒ．Ｌ够１Ｊ董秀林，周福章，史维祥．拖拉机阻力控制系统的辨识建模川．农业机械学报．１９９８，２９（１）：２９—３３钳１Ｊ笱１ｊ吴国桢，程文祥，姚庆祥等．拖拉机耕深自动监测与控制【Ｊ】．农业机械学报．１９９３．３．３１．３５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川．农业机械学报．１９９０（１），３５－４０ｒ．Ｌ弘１ｊ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【Ｊ】．北京农业工程大学学Ｒ６江苏大学硕士学位论文报．１９８９．９（４Ｈ６．５３【３７１鄂卓茂，谢斌，谭或．拖拉机作业机组电·液悬挂控制系统的研制【Ｊ】．中国农业大学学报．２００２，７（６）－：６４－６７【３８】谭或，谢斌，鄂卓茂．拖拉机作业机组电液悬挂控制系统的研制川．中国农业大学学报．２００２，７（６）：６４－６７【３９】庞昌乐，谭或，鄂卓茂．拖拉机作业机组智能化技术的研究现状及发展趋势川．中国农业大学学报．２００１，６（４）：７１－７５【４０】【４１】伦冠德．拖拉机液压悬挂装置的建模及仿真分析川．机床与液压．２００７．６李重焕，秦维谦，陈秉聪．拖拉机阻力控制系统的统计分析计算方法嗍．吉林工业大学学报．１９８８：７７．８５【４２】战凯，格兰义，秦维谦．拖拉机悬挂耕作机组在微机上的仿真研究阴．吉林工业大学学报．１９９０．４，８１－８７【４３】【４４】【４５】陶永华，尹怡欣，葛卢生．新型ＰＩＤ控制及其应用川．北京：机械工业出版社．１９９８朱思洪，张超．拖拉机电一液悬挂系统ＰＩＤ控制仿真研究ｍ．中国制造业信息化．２００８．４刘绍鼎，樊立萍，姜长洪．基于模糊规则参数自整定ＰＩＤ控制器的设计阴．微计算机信息．２００７．２３（１０）江苏大学硕士学位论文江苏大学硕士学位论文致谢光阴荏苒，转眼我的硕士生学习生活已接近尾声，过去的近三年时光，成了我此生难忘的记忆。在导师高翔教授的关怀和悉心指导下，我顺利的完成了毕业课题及论文的撰写，高老师渊博的学识和丰富的实践经验、严谨的治学作风、勤奋的工作态度和谦逊的为人给我留下了深刻的印象，使我不仅在科学的道路上受益匪浅，更在人生观和世界观的培养上受到启迪。在此，谨对我的导师高翔教授表示衷心的感谢和崇高的敬意！感谢一直关心与支持我的同学和朋友们！感谢吕志华、宋世亮、杨涛和张冬青等同学给予的无私帮助与友爱，在与他们一起学习和生活的日子里，不但相互交流学习心得，还一起分享了很多快乐，这些点点滴滴对我将是一份美好的回忆。特别感谢我的父母和家人在我攻读硕士学位期间所提供的无私关爱，是他们给我不懈的鼓励和勇气，支持我在人生道路上不断进取。感谢汽车学院的领导和老师们给予的指导和帮助。最后，感谢各位专家和学者在百忙中对本论文的审阅和赐教！谢谢！江苏大学硕士学位论文攻读硕士学位期间发表的学术论文［１１沈则方，高翔，周小健．拖拉机悬挂机构参数的优化设计．中国制造业信息化．（已发表）【２】沈则方，高翔，周小健．电控液压悬挂系统耕深自动控制的研究．机床与液压．（拟录用）【３】周小健，高翔，沈则方．基于ＡｌＶＩＥｓｉｍ与Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的电动液压助力转向系统的联合仿真．拖拉机与农用运输车．（已录用）拖拉机电控液压悬挂系统的建模与仿真分析

作者：

学位授予单位：

沈则方江苏大学

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