CN107228771B - 一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业机械技术领域，涉及一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统和方法。该系统包括发动机转速传感器、地面多普勒低速雷达、电液比例控制集成阀块、电磁式流量计、轴销式牵引力传感器、自动控制操纵面板、耕深传感器、控制器和驱动器；发动机转速传感器布置在拖拉机发动机内部；地面多普勒低速雷达设置在拖拉机底盘上，地面多普勒低速雷达发射面朝向拖拉机前进方向，并与地面形成45°夹角；耕深传感器安装在拖拉机的提升臂上；轴销式牵引力传感器安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内；电磁式流量计串联安装在连接拖拉机油箱和发动机的油箱输出管路中。本发明实现对拖拉机滑转率、耕深、牵引力等参数的实时测量。
Description
技术领域
本发明属于农业机械技术领域，涉及一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统和方法。
背景技术
随着农业向机械化和集约化程度的不断发展，在现代农业生产过程中，对农业机械智能化作业的要求越来越高，人口老龄化程度的加速，又对农业生产的机械化、低人力成本和高作业效率提出了更高的要求。在现代化农业生产过程中，轮式拖拉机犁耕作业是最为常见而又极其重要的一个环节，根据不同的农艺要求和燃油经济性要求，分别对拖拉机耕作深度和牵引力有不同要求。除了保证基本的耕深和牵引力控制需要，土地可持续发展和保护性耕地的要求，对拖拉机作业过程中的滑转率控制也被提到了一个新的高度。由此，实现对犁耕作业轮式拖拉机工作过程中的耕深、牵引力和滑转率等参数的实时监测，并进行合理控制，使其保持在允许范围内，对提高拖拉机牵引效率、保护土壤耕层结构、保证作业质量具有重要意义。
发明内容
本发明的一个目的是提供一种低成本、安装方便、适用性强的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，面向拖拉机犁耕作业工况，保证农艺要求，兼顾燃油经济性和车辆动力性，实现对拖拉机滑转率、耕深、牵引力等参数的实时测量。
本发明的另一目的是提供一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法。
为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
本发明提供一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，适用于各马力段拖拉机，所述拖拉机包括车载稳压电源、发动机17、底盘、拖拉机油箱15、提升臂12、提升液压缸9、三点悬挂装置和液压输出手动控制单元。
该拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统包括发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电液比例控制集成阀块3、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5、自动控制操纵面板6、耕深传感器7、控制器8和驱动器10；
所述发动机转速传感器1布置在拖拉机发动机17内部；
所述地面多普勒低速雷达2设置在拖拉机底盘上，地面多普勒低速雷达2发射面朝向拖拉机前进方向；
所述耕深传感器7安装在拖拉机的提升臂12上；
所述轴销式牵引力传感器5安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内；
所述电磁式流量计4串联安装在连接拖拉机油箱15和发动机17的油箱输出管路16中；
所述发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7分别与拖拉机的车载稳压电源连接；发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7通过信号放大与隔离电路与控制器8连接；所述控制器8通过蓝牙模块与自动控制操纵面板6连接；所述控制器8与驱动器10连接；所述驱动器10与电液比例控制集成阀块3连接；
所述电液比例控制集成阀块3包括定差减压阀19、两位三通比例换向阀20、第一安全溢流阀21、两位两通比例换向阀22、负载压力传感单向阀23、第二安全溢流阀24、差压式溢流阀25、第一阻尼孔26和第二阻尼孔27；
其中，液压输出快速接口18经集成阀块进油口P与定差减压阀19的进油口连接；定差减压阀19的出油口分别与定差减压阀19的无弹簧端压力反馈口和两位三通比例换向阀20的进油口连接，两位三通比例换向阀20的出油口经集成阀块负载输出油口A与提升液压缸进油口13连接；
第一溢流阀21的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通，两位两通比例换向阀22的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通；
负载压力传感单向阀23的进油口除与两位三通比例换向阀20的压力反馈口相通外，还通过第二阻尼孔27与定差减压阀19的有弹簧端压力反馈口相通，LSout作为出油口用作负载反馈出油口，与第二安全溢流阀24和差压式溢流阀25的进油口连接，第二安全溢流阀24和差压式溢流阀25的出油口连接拖拉机油箱15；定差减压阀19的有弹簧端压力反馈口通过第一阻尼孔26与集成阀块回油口T相通。
所述发动机转速传感器1为霍尔式传感器；耕深传感器7采用绝对值型角度传感器。
所述地面多普勒低速雷达2与地面形成45°夹角。
轴销式牵引力传感器5为一根承受剪力作用的空心截面圆轴，在中心孔内凹槽中心的水平牵引力测力点14上分布惠斯通电桥；
惠斯通电桥包括粘贴在水平牵引力测力点14上的第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4以及补偿电路；补偿电路包括零点温度补偿电阻Rt、零点输出补偿电阻Rz、灵敏度温度补偿电阻Rm、输入调整电阻Ri和输出调整电阻Ro；
其中，第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4依次串联在一个回路中，零点温度补偿电阻Rt串联在第一电阻应变计R1与第四电阻应变计R4之间，零点输出补偿电阻Rz串联在第二电阻应变计R2与第三电阻应变计R3之间，灵敏度温度补偿电阻Rm和输入调整电阻Ri串联，并与第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4并联，输出调整电阻Ro串联在输出回路上，所述输出回路的正极从第一电阻应变计R1和第二电阻应变计R2之间引出，输出回路的负极从第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4之间引出。
车载稳压电源包括5V、12V和24V直流稳压电源模块；信号放大与隔离电路对采集得到的传感器信号进行处理，经过调理统一输出0-5V电压信号。
拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统进一步包括液压输出自动控制单元；
液压输出自动控制单元包括电动缸37和并联动机构34；并联动机构34的一端具有紧固套筒30，另一端具有凹槽35；并联动机构34通过紧固套筒30套接在拉杆29上；电动缸37的电动缸推杆36伸出时，电动缸推杆36的端部插入凹槽35。
一种利用拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统的拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，包括拖拉机滑转率的测控；
测量过程如下：
通过拖拉机发动机转速传感器1测量拖拉机的理论速度，通过地面多普勒低速雷达2测量拖拉机实际速度，然后通过如下公式计算获得拖拉机滑转率：
V1＝(U1×2×π×R)/(i×n) (1)
V2＝U2/(f0×3.6) (2)
δ＝(V1-V2)/V1 (3)
式中：
V1为拖拉机的理论速度，m·s-1；
V2为拖拉机实际速度m·s-1；
U1为发动机转速传感器的输出电压，V；
U2为地面多普勒低速雷达的输出电压，V；
R为拖拉机动力半径，m；
i为拖拉机当前档位传动比，无量纲；
n为发动机转速传感器的固有参数，取126，m·s-1·V-1；
f0为地面多普勒低速雷达的输出参数，m·s-1·V-1；
δ为滑转率，无量纲；
控制过程如下：
将测得的拖拉机滑转率与滑转率控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变滑转率，直至与滑转率控制目标相同；
其中，如果拖拉机滑转率大于滑转率控制目标，则控制农具11提升；否则，控制农具11降低。
该方法包括拖拉机耕深的测控；
测量过程如下：
耕深传感器7采用绝对值型角度传感器，测量拖拉机提升臂12的角度变化，通过数学建模与计算机数值分析，得到提升臂角度变化与耕深的关系式，结合耕深传感器电压输出特性，并通过多次标定进行修正；
所述提升臂角度变化与耕深的关系式如下:
αD＝arcsin(((lFC0+xL)2-lFE 2-lEC 2)/(2lEC×lFE))+αCED+βFE (4)
h＝-4.225×xL+0.535 (5)
式中：
h为拖拉机耕深，m；
xL为液压缸活塞位移，m；
αD为提升臂角度变化，度；
lFC0为提升液压缸活塞杆完全缩回时的长度，m；
lFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心之间的距离，m；
lEC为提升臂轴心E和提升液压缸与提升臂的铰接点C两点间的距离，m；
βFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心连线与垂直方向的夹角，度；
αCED为提升臂上CD连线与ED连线的夹角，度；
由式(4)、(5)可换算出提升臂角度变化与耕深的关系式，但耕深传感器7采用的绝对值型角度传感器输出信号为电压值，由此需要通过标定和多次修正，以得到绝对值型角度传感器输出电压值与耕深的关系式，具体标定与修正过程如下：
从最大耕深位置开始，不断提升农具，测量每次耕深和绝对值型角度传感器相应的输出电压；当农具提升到最高位置时，反向逐渐降低农具位置，至最大耕深处，测量每次耕深和绝对值型角度传感器相应的输出电压。由此，经过多次反复提升和下降，记录农具提升或者下降时，绝对值型角度传感器的输出电压值，不同电压对应不同的提升臂角度变化；由式(4)、(5)可知，不同的提升臂角度变化对应不同的耕深，由此不同耕深对应的绝对值型角度传感器的输出电值，对实验数据进行处理，修正得到如下公式计算获得拖拉机耕深：
h＝27.66×U3-40.74 (6)
式中：
h为拖拉机耕深，m；
U3为耕深传感器7的输出电压的数值，无量纲；
控制过程如下：
将测得的拖拉机耕深与耕深控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变耕深，直至与耕深控制目标相同。
该方法包括拖拉机牵引力的测控；
测量过程如下：
通过安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内的轴销式牵引力传感器5，测量水平方向的牵引力。
F1＝U4×6.4888 (7)
F2＝U5×6.8632 (8)
F＝F1+F1 (9)
式中：
F1为左下拉杆的轴销式牵引力传感器5的水平牵引力值，kN；
F2为右下拉杆的轴销式牵引力传感器5的水平牵引力值，kN；
U4为左下拉杆的轴销式牵引力传感器5的输出电压的数值，无量纲；
U5为右下拉杆的轴销式牵引力传感器5的输出电压的数值，无量纲；
F代表拖拉机水平方向牵引力，kN；
控制过程如下：
将测得的拖拉机牵引力与牵引力控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变牵引力，直至与牵引力控制目标相同；
其中，如果拖拉机牵引力大于牵引力控制目标，则控制农具11提升；否则，控制农具11降低。
该方法包括拖拉机油耗的测量；
测量过程如下：
通过安装在拖拉机油箱输出管路18中的电磁式流量计4采集拖拉机油箱15的柴油输出流速，通过如下公式计算获得拖拉机发动机油耗：
Q＝q×U6 (10)
式中：
Q为发动机油耗，L；
q为流经电磁式流量计4的输出参数，L·V-1；
U6为电磁式流量计4的输出电压，V。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明设计的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，经过大量的实验室测试和田间验证，完全满足实际犁耕作业的农艺要求，并能有效提高犁耕作业工况下的作业效率。
2.本发明适用于各马力段拖拉机，主要应用于大中型拖拉机，并且可基于现有拖拉机平台进行改造，简单易行、实用性较高。
3.本发明提出的基于拖拉机自身发动机转速传感器的滑转率测试方法，有效提高了其采集精度并降低了成本，为实现精准的拖拉机田间作业驱动防滑控制提供了更加精确的保障。
4.本发明设计的自动控制操纵面板(包含可触摸显示终端)，方便驾驶员观测当前拖拉机工作状态，并进行参数输入和精确控制。自动控制操纵面板与控制器通过蓝牙连接，方便了控制器与操纵面板在驾驶室内的布局，减少了集成线束的使用，节省了空间；自动控制操纵面板中的可触摸显示终端方便驾驶员观测当前拖拉机工作状态(耕深、牵引力、滑转率、油耗、作业速度和作业面积等)，并进行参数输入和精确控制，与传统的拖拉机驾驶室手柄操作相比，在提高驾驶操纵舒适性的同时，实现了良好的人机交互，也提高了作业过程中的安全性。
附图说明
图1为拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统示意图；
图2为耕深传感器安装位置示意图；
图3为牵引力传感器结构示意图；
图4为牵引力传感器内部电路简图；
图5为油耗测量原理示意图；
图6为拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统原理示意图；
图7为拖拉机自动控制电液提升系统液压回路原理示意图；
图8为拖拉机外接液压输出自动控制结构示意图。
其中的附图标记为：
1发动机转速传感器 2地面多普勒低速雷达
3电液比例控制集成阀块 4电磁式流量计
5轴销式牵引力传感器 6自动控制操纵面板
7耕深传感器 8控制器
9提升液压缸 10驱动器
11农具 12提升臂
13提升液压缸进油口 14水平牵引力测力点
15拖拉机油箱 16油箱输出管路
17发动机 18液压输出快速接口
19定差减压阀 20两位三通比例换向阀
21第一安全溢流阀 22两位两通比例换向阀
23负载压力传感单向阀 24第二安全溢流阀
25差压式溢流阀 26第一阻尼孔
27第二阻尼孔 28操纵手柄
29拉杆 30紧固套筒
31拉杆换向机构 32第一快速接口
33第二快速接口 34并联动结构
35凹槽 36电动缸推杆
37电动缸 R1第一电阻应变计
R2第二电阻应变计 R3第三电阻应变计
R4第四电阻应变计 Rt零点温度补偿电阻
Rz零点输出补偿电阻 Rm灵敏度温度补偿电阻
Ri输入调整电阻 Ro输出调整电阻
A集成阀块负载输出油口 C提升液压缸与提升臂的铰接点
D提升杆与提升臂铰接点 E提升臂轴心
F提升液压缸与拖拉机的铰接点 P集成阀块进油口
T为集成阀块回油口 LSout集成阀块负载反馈出油口
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步说明。
如图1所示，拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，适用于各马力段拖拉机，所述拖拉机包括车载稳压电源、发动机17、底盘、拖拉机油箱15、提升臂12、提升液压缸9、三点悬挂装置和液压输出手动控制单元。
拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统包括发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电液比例控制集成阀块3、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5、自动控制操纵面板6、耕深传感器7、控制器8和驱动器10。
所述发动机转速传感器1布置在拖拉机发动机17内部；发动机转速传感器1为霍尔式传感器。
所述地面多普勒低速雷达2设置在拖拉机底盘上，地面多普勒低速雷达2发射面朝向拖拉机前进方向，并与地面形成45°夹角。
如图2所示，耕深传感器7采用绝对值型角度传感器，间接测量拖拉机犁耕深度。耕深传感器7安装在拖拉机的提升臂12上。当提升液压缸9的活塞杆伸缩时，带动与其连接的提升臂12上下运动，从而带动提升臂12所挂农具11上下运动，改变耕深。安装在拖拉机的提升臂12上的耕深传感器7从而可以测量拖拉机犁耕深度。
轴销式牵引力传感器5安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内，取代原有轴销,测量拖拉机水平方向的牵引力,牵引力为两个轴销式牵引力传感器5的水平牵引力之和。
所述轴销式牵引力传感器5通过传感器固定片安装在拖拉机三点悬挂的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内；传感器固定片加厚处理，用于减小轴销式牵引力传感器5与左下拉杆和右下拉杆之间的缝隙，从而防止轴销式牵引力传感器5在轴销孔内转动。
如图3和图4所示，轴销式牵引力传感器5为一根承受剪力作用的空心截面圆轴，在中心孔内凹槽中心的水平牵引力测力点14上分布惠斯通电桥，测量水平方向的牵引力。惠斯通电桥包括粘贴在水平牵引力测力点14上的第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4；为了提高轴销式牵引力传感器5的综合性能指标，采用多种补偿电路，对其逐步进行电路补偿与调整，包括零点温度补偿电阻Rt、零点输出补偿电阻Rz、灵敏度温度补偿电阻Rm、输入调整电阻Ri和输出调整电阻Ro。
其中，第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4依次串联在一个回路中，零点温度补偿电阻Rt串联在第一电阻应变计R1与第四电阻应变计R4之间；零点输出补偿电阻Rz串联在第二电阻应变计R2与第三电阻应变计R3之间；灵敏度温度补偿电阻Rm和输入调整电阻Ri串联，并与第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4并联；输出调整电阻Ro串联在输出回路上，所述输出回路的正极从第一电阻应变计R1和第二电阻应变计R2之间引出，输出回路的负极从第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4之间引出；U4(U5)为左(右)轴销式牵引力传感器5输出电压。
如图5所示，所述电磁式流量计4串联安装在连接拖拉机油箱15和发动机17的油箱输出管路16中。
所述自动控制操纵面板6设置在拖拉机驾驶室内。
如图6所示，所述发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7分别与拖拉机的车载稳压电源连接。发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7通过信号放大与隔离电路与控制器8连接。所述控制器8通过蓝牙模块与自动控制操纵面板6连接。所述控制器8与驱动器10连接。
所述驱动器10与电液比例控制集成阀块3连接。驱动器10的工作特性为：当输入电压为0-2.5V时，驱动电液比例控制集成阀块3动作，提升液压缸9的活塞杆伸出，使农具11提升；当输入电压为2.5V时，驱动电液比例控制集成阀块3不动作，提升液压缸9锁死；当输入电压为2.5-5V时，驱动电液比例控制集成阀块3动作，提升液压缸9的活塞杆缩回，从而带动农具11下降。
拖拉机的车载稳压电源包括5V、12V和24V直流稳压电源模块，满足发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7供电。由于各传感器输出信号格式不同，尤其是发动机转速传感器1和地面多普勒低速雷达2输出的是变频信号，需要采集其输出信号的频率，来计算速度，由于采样周期一定，误差较大。在控制器8与各传感器之间设置信号放大与隔离电路，对采集得到的传感器信号进行处理，经过调理统一输出0-5V电压信号，方便控制器8采集。对于控制器8采集到的传感器信号，根据采样周期的不同，进行适当周期的中值滤波和平均值滤波，剔除野点并防止对频率信号采集出现漏波现象。
如图7所示，所述电液比例控制集成阀块3包括定差减压阀19、两位三通比例换向阀20、第一安全溢流阀21、两位两通比例换向阀22、负载压力传感单向阀23、第二安全溢流阀24、差压式溢流阀25、第一阻尼孔26和第二阻尼孔27。
其中，液压输出快速接口18经集成阀块进油口P与定差减压阀19的进油口连接；定差减压阀19的出油口分别与定差减压阀19的无弹簧端压力反馈口和两位三通比例换向阀20的进油口连接，两位三通比例换向阀20的出油口经集成阀块负载输出油口A与提升液压缸进油口13连接。
第一溢流阀21的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通，两位两通比例换向阀22的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通。
负载压力传感单向阀23的进油口除与两位三通比例换向阀20的压力反馈口相通外，还通过第二阻尼孔27与定差减压阀19的有弹簧端压力反馈口相通，LSout作为出油口用作负载反馈出油口，与第二安全溢流阀24和差压式溢流阀25的进油口连接，第二安全溢流阀24和差压式溢流阀25的出油口连接拖拉机油箱15；此外，定差减压阀19的有弹簧端压力反馈口通过第一阻尼孔26与集成阀块回油口T相通。
拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统进一步包括液压输出自动控制单元。
如图8所示，液压输出手动控制单元包括操纵手柄28、拉杆29、拉杆换向机构31和液压快速输出接口18。
其中，拉杆29的一端连接位于拖拉机驾驶室内的操纵手柄28，另一端通过拉杆换向机构31连接液压快速输出接口18。液压快速输出接口18包括第一快速接口32和第二快速接口33。当操纵手柄28静止在初始位置时，拉杆29和拉杆换向机构31都保持在初始位置，此时拉杆换向机构31不与液压快速输出接口18接触，液压快速输出接口18不供油；当手动向上扳动操纵手柄28时，带动拉杆29向上侧运动，拉杆29带动拉杆换向机构31向左运动，打开第一快速接口32内部的阀门，此时第一快速接口32为拖拉机液压快速输出的出油口，第二快速接口33为拖拉机液压快速输出的回油口；当手动向下按动操纵手柄28时，带动拉杆29向下侧运动，拉杆29带动拉杆换向机构31向右运动，打开第二快速接口33内部的阀门，此时第二快速接口33为拖拉机液压快速输出的出油口，第一快速接口32为拖拉机液压快速输出的回油口。
液压输出自动控制单元包括电动缸37和并联动机构34；并联动机构34的一端具有紧固套筒30，另一端具有凹槽35。并联动机构34通过紧固套筒30套接在拉杆29上；电动缸37的电动缸推杆36伸出时，电动缸推杆36的端部插入凹槽35。当电动缸37通电时，电动缸推杆36伸出，其端部插入凹槽35内，推动并联动结构34运动，从而带动拉杆29运动向下侧运动，拉杆29带动拉杆换向机构31向右运动，打开第二快速接口33内部的阀门，此时第二快速接口33为拖拉机液压快速输出的出油口，第一快速接口32为拖拉机液压快速输出的回油口；当电动缸37断电时，电动缸推杆36缩回，其端部与凹槽35脱离，拉杆29回到初始位置，结束供油。
一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，包括拖拉机滑转率的测控、拖拉机耕深的测控、拖拉机牵引力的测控和拖拉机油耗的测控。
其中，
拖拉机滑转率的测控
滑转率测量：
滑转率是一个无量纲量，不能通过直接测量得到，需要间接测量拖拉机前进的理论速度与实际速度，然后通过计算得到。具体过程如下：
通过拖拉机发动机转速传感器1测量拖拉机的理论速度，通过地面多普勒低速雷达2测量拖拉机实际速度，然后通过如下公式计算获得拖拉机滑转率：
V1＝(U1×2×π×R)/(i×n) (1)
V2＝U2/(f0×3.6) (2)
δ＝(V1-V2)/V1 (3)
式中：
V1为拖拉机的理论速度，m·s-1；
V2为拖拉机实际速度m·s-1；
U1为发动机转速传感器的输出电压，V；
U2为地面多普勒低速雷达的输出电压，V；
R为拖拉机动力半径，m；
i为拖拉机当前档位传动比，无量纲；
n为发动机转速传感器的固有参数，取126，m·s-1·V-1；
f0为地面多普勒低速雷达的输出参数，m·s-1·V-1；
δ为滑转率，无量纲。
滑转率控制：
将测得的拖拉机滑转率与滑转率控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变滑转率，直至与滑转率控制目标相同。
其中，如果拖拉机滑转率大于滑转率控制目标，则控制农具11提升；否则，控制农具11降低。
拖拉机耕深的测控
耕深测量：
耕深传感器7采用绝对值型角度传感器，测量拖拉机提升臂12的角度变化，通过数学建模与计算机数值分析，得到提升臂角度变化与耕深的关系式，结合耕深传感器电压输出特性，并通过多次标定进行修正。
所述提升臂角度变化与耕深的关系式如下:
αD＝arcsin(((lFC0+xL)2-lFE 2-lEC 2)/(2lEC×lFE))+αCED+βFE (4)
h＝-4.225×xL+0.535 (5)
式中：
h为拖拉机耕深，m；
xL为液压缸活塞位移，m；
αD为提升臂角度变化，度；
lFC0为提升液压缸活塞杆完全缩回时的长度，m；
lFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心之间的距离，m；
lEC为提升臂轴心E和提升液压缸与提升臂的铰接点C两点间的距离，m；
βFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心连线与垂直方向的夹角，度；
αCED为提升臂上CD连线与ED连线的夹角，度。
由式(4)、(5)可换算出提升臂角度变化与耕深的关系式，但耕深传感器7采用的绝对值型角度传感器输出信号为电压值，由此需要通过标定和多次修正，以得到绝对值型角度传感器输出电压值与耕深的关系式，具体标定与修正过程如下：
农具11选用的是五铧犁，以五铧犁中间犁尖距离未耕地地面的距离为拖拉机实际耕深，当中间犁尖高度与未耕地相齐时，耕深为零，当农具11提升至地面以上时，耕深为负值，当农具11提升至最高处时，耕深为负的最大值。拖拉机悬挂机组按最大耕深时，使犁架处于左右与前后水平位置，且左右限位范围适当。从最大耕深位置开始，不断提升农具，测量每次耕深和耕深传感器相应的输出电压；当农具提升到最高位置时，反向逐渐降低农具位置，至最大耕深处，测量每次耕深和耕深传感器相应的输出电压。由此，经过多次反复提升和下降，记录犁具提升或者下降时，绝对值型角度传感器的输出电压，不同电压对应不同的提升臂角度变化；由式(4)、(5)可知，不同的提升臂角度变化对应不同的耕深，由此不同耕深对应的绝对值型角度传感器的输出电，对实验数据进行处理，修正得到如下公式计算获得拖拉机耕深：
h＝27.66×U3-40.74 (6)
式中：
h为拖拉机耕深，m；
U3为耕深传感器7的输出电压的数值，无量纲。
耕深控制：
将测得的拖拉机耕深与耕深控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变耕深，直至与耕深控制目标相同。
拖拉机牵引力的测控
牵引力测量：
通过安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内的轴销式牵引力传感器5，测量水平方向的牵引力。
F1＝U4×6.4888 (7)
F2＝U5×6.8632 (8)
F＝F1+F1 (9)
式中：
F1为左下拉杆的轴销式牵引力传感器5的水平牵引力值，kN；
F2为右下拉杆的轴销式牵引力传感器5的水平牵引力值，kN；
U4为左下拉杆的轴销式牵引力传感器5的输出电压的数值，无量纲；
U5为右下拉杆的轴销式牵引力传感器5的输出电压的数值，无量纲；
F代表拖拉机水平方向牵引力，kN。
牵引力控制：
将测得的拖拉机牵引力与牵引力控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板6控制控制器8输出电压给驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3控制提升液压缸9的活塞杆伸缩，从而使农具11提升或降低，进而改变牵引力，直至与牵引力控制目标相同。
其中，如果拖拉机牵引力大于牵引力控制目标，则控制农具11提升；否则，控制农具11降低。
拖拉机油耗的测控
油耗测量：
通过安装在拖拉机油箱输出管路18中的电磁式流量计4采集拖拉机油箱15的柴油输出流速，通过计算得到单位时间内的发动机油耗。
通过如下公式计算获得拖拉机发动机油耗：
Q＝q×U6 (10)
式中：
Q为发动机油耗，L；
q为流经电磁式流量计4的输出参数，L·V-1；
U6为电磁式流量计4的输出电压，V。
本发明的工作过程如下：
根据不同的田间作业环境和耕作深度，通过驾驶室自动控制操纵面板，选择滑转率控制、耕深控制、牵引力控制等不同的控制模式，并设定控制目标值或控制区间；控制器8采集发动机转速传感器1、地面多普勒低速雷达2、电磁式流量计4、轴销式牵引力传感器5和耕深传感器7的反馈信号，经过计算输出模拟电压至驱动器10，驱动器10驱动电液比例控制集成阀块3，调节阀芯开口大小来控制输出流量，进而实现提升液压缸9和农具11的升降。
在电液比例控制集成阀块3工作过程中，当两位三通比例换向阀20通电时，由液压输出快速接口18输出的压力油经定差减压阀19减压后进入两位三通比例换向阀20，其中一部分压力油用于反馈负载压力，经第二阻尼孔27到达定差减压阀19的压力反馈口，与此同时，负载压力传感单向阀23经集成阀块负载反馈出油口LSout反馈最大负载压力，使拖拉机液压输出快速接口18输出压力随负载压力变化而变化；另一部分压力油经集成阀块负载输出油口A用于负载输出，此时提升液压缸9伸出，提升悬挂农具11，提升速度不受负载压力变化影响，只与两位三通比例换向阀20的阀口开度有关。两位三通比例换向阀20断电后，锁止农具11，油液流向从集成阀块进油口P到集成阀块负载输出油口A；
当两位两通比例换向阀22通电后，油液经集成阀块负载输出油口A和两位两通比例换向阀22回到拖拉机油箱15，此时提升液压缸9缩回，农具11下降，下降速度可通过改变两位两通比例换向阀22的阀口开度进行调节，油液流向从集成阀块负载输出油口A到集成阀块回油口T。
通过改变耕深来实现滑转率控制、耕深控制、牵引力控制等不同的控制模式。下面以具体实施例对本发明进行详细说明。
(1)滑转率控制实例
拖拉机田间作业时，驾驶员选择滑转率控制模式，设定滑转率控制目标值为0.2；发动机转速传感器1采集拖拉机工作的理论车速为2m/s，地面多普勒低速雷达2采集拖拉机工作的实际车速为1.5m/s，此时，控制器计算得到拖拉机滑转率为0.25，拖拉机滑转大于设定值，控制器8输出一个0-2.5V之间的电压值给驱动器10，驱动控制电液比例控制集成阀块3动作，提升液压缸9的活塞杆伸出，导致农具11提升，滑转率逐渐减小，直至减小至0.2。在这个过程中，发动机转速传感器1和地面多普勒低速雷达2不断采集拖拉机的理论车速和实际车速并反馈给控制器8，计算得到拖拉机滑转率，并与目标值0.2比较，做出相应控制。
(2)耕深控制实例
拖拉机田间作业时，驾驶员选择耕深控制模式，设定耕深控制目标值为0.25m；耕深传感器7采集拖拉机工作的耕深为0.30m，此时，拖拉机耕深大于设定值，控制器8输出一个0-2.5V之间的电压值给驱动器10，驱动控制电液比例控制集成阀块3动作，提升液压缸9的活塞杆伸出，导致农具提升，耕深逐渐减小，直至减小至0.25m。在这个过程中，耕深传感器7不断采集拖拉机耕深并反馈给控制器8，计算得到拖拉机耕深，并与目标值0.25m比较，做出相应控制。
(3)牵引力控制实例
拖拉机田间作业时，驾驶员选择牵引力控制模式，设定牵引力控制目标值为6KN；轴销式牵引力传感器5采集拖拉机工作的牵引力为7KN，此时，拖拉机牵引力大于设定值，控制器8输出一个0-2.5V之间的电压值给驱动器10，驱动控制电液比例控制集成阀块3动作，提升液压缸9的活塞杆伸出，导致农具11提升，牵引力逐渐减小，直至减小至6KN。在这个过程中，轴销式牵引力传感器5不断采集拖拉机牵引力并反馈给控制器8，计算得到拖拉机牵引力，并与目标值6KN比较，做出相应控制。
本发明实现了良好的人机交互，方便驾驶员观测当前拖拉机工作状态，并进行参数输入和精确控制。自动控制操纵面板6(包含可触摸显示终端)与控制器8通过蓝牙连接，实现数据通讯；通过继电器旋钮或开关选择不同的模式模式，通过可触摸显示终端输入设定耕深、牵引力和滑转率控制目标值；通过可触摸显示终端接收来自于控制器的实时数据并显示(耕深、牵引力、滑转率、油耗、作业速度、耕作宽度和犁耕面积等)。
Claims (8)
1.一种拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，适用于各马力段拖拉机，所述拖拉机包括车载稳压电源、发动机(17)、底盘、拖拉机油箱(15)、提升臂(12)、提升液压缸(9)、三点悬挂装置和液压输出手动控制单元，其特征在于：
该拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统包括发动机转速传感器(1)、地面多普勒低速雷达(2)、电液比例控制集成阀块(3)、电磁式流量计(4)、轴销式牵引力传感器(5)、自动控制操纵面板(6)、耕深传感器(7)、控制器(8)和驱动器(10)；
所述发动机转速传感器(1)布置在拖拉机发动机(17)内部；
所述地面多普勒低速雷达(2)设置在拖拉机底盘上，地面多普勒低速雷达(2)发射面朝向拖拉机前进方向；
所述耕深传感器(7)安装在拖拉机的提升臂(12)上；
所述轴销式牵引力传感器(5)安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内；
所述电磁式流量计(4)串联安装在连接拖拉机油箱(15)和发动机(17)的油箱输出管路(16)中；
所述发动机转速传感器(1)、地面多普勒低速雷达(2)、电磁式流量计(4)、轴销式牵引力传感器(5)和耕深传感器(7)分别与拖拉机的车载稳压电源连接；发动机转速传感器(1)、地面多普勒低速雷达(2)、电磁式流量计(4)、轴销式牵引力传感器(5)和耕深传感器(7)通过信号放大与隔离电路与控制器(8)连接；所述控制器(8)通过蓝牙模块与自动控制操纵面板(6)连接；所述控制器(8)与驱动器(10)连接；所述驱动器(10)与电液比例控制集成阀块(3)连接；
所述电液比例控制集成阀块(3)包括定差减压阀(19)、两位三通比例换向阀(20)、第一安全溢流阀(21)、两位两通比例换向阀(22)、负载压力传感单向阀(23)、第二安全溢流阀(24)、差压式溢流阀(25)、第一阻尼孔(26)和第二阻尼孔(27)；
其中，液压输出快速接口(18)经集成阀块进油口P与定差减压阀(19)的进油口连接；定差减压阀(19)的出油口分别与定差减压阀(19)的无弹簧端压力反馈口和两位三通比例换向阀(20)的进油口连接，两位三通比例换向阀(20)的出油口经集成阀块负载输出油口A与提升液压缸进油口(13)连接；
第一安全溢流阀(21)的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通，两位两通比例换向阀(22)的进油口和出油口分别与集成阀块负载输出油口A和集成阀块回油口T相通；
负载压力传感单向阀(23)的进油口除与两位三通比例换向阀(20)的压力反馈口相通外，还通过第二阻尼孔(27)与定差减压阀(19)的有弹簧端压力反馈口相通，集成阀块负载反馈出油口LSout与第二安全溢流阀(24)和差压式溢流阀(25)的进油口连接，第二安全溢流阀(24)和差压式溢流阀(25)的出油口连接拖拉机油箱(15)；定差减压阀(19)的有弹簧端压力反馈口通过第一阻尼孔(26)与集成阀块回油口T相通；
所述发动机转速传感器(1)为霍尔式传感器；耕深传感器(7)采用绝对值型角度传感器；
拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统进一步包括液压输出自动控制单元；
液压输出自动控制单元包括电动缸(37)和并联动机构(34)；并联动机构(34)的一端具有紧固套筒(30)，另一端具有凹槽(35)；并联动机构(34)通过紧固套筒(30)套接在拉杆(29)上；电动缸(37)的电动缸推杆(36)伸出时，电动缸推杆(36)的端部插入凹槽(35)。
2.根据权利要求1所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，其特征在于：所述地面多普勒低速雷达(2)与地面形成45°夹角。
3.根据权利要求1所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，其特征在于：轴销式牵引力传感器(5)为一根承受剪力作用的空心截面圆轴，在中心孔内凹槽中心的水平牵引力测力点(14)上分布惠斯通电桥；
惠斯通电桥包括粘贴在水平牵引力测力点(14)上的第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4以及补偿电路；补偿电路包括零点温度补偿电阻Rt、零点输出补偿电阻Rz、灵敏度温度补偿电阻Rm、输入调整电阻Ri和输出调整电阻Ro；
其中，第一电阻应变计R1、第二电阻应变计R2、第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4依次串联在一个回路中，零点温度补偿电阻Rt串联在第一电阻应变计R1与第四电阻应变计R4之间，零点输出补偿电阻Rz串联在第二电阻应变计R2与第三电阻应变计R3之间，灵敏度温度补偿电阻Rm和输入调整电阻Ri串联，并与第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4并联，输出调整电阻Ro串联在输出回路上，所述输出回路的正极从第一电阻应变计R1和第二电阻应变计R2之间引出，输出回路的负极从第三电阻应变计R3和第四电阻应变计R4之间引出。
4.根据权利要求1所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统，其特征在于：车载稳压电源包括5V、12V和24V直流稳压电源模块；信号放大与隔离电路对采集得到的传感器信号进行处理，经过调理统一输出0-5V电压信号。
5.一种利用权利要求1-4之一所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统的拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，其特征在于：该方法包括拖拉机滑转率的测控；
测量过程如下：
通过拖拉机发动机转速传感器(1)测量拖拉机的理论速度，通过地面多普勒低速雷达(2)测量拖拉机实际速度，然后通过如下公式计算获得拖拉机滑转率：
V1＝(U1×2×π×R)/(i×n) (1)
V2＝U2/(f0×3.6) (2)
δ＝(V1-V2)/V1 (3)
式中：
V1为拖拉机的理论速度，单位为m·s-1；
V2为拖拉机实际速度，单位为m·s-1；
U1为发动机转速传感器的输出电压，单位为V；
U2为地面多普勒低速雷达的输出电压，单位为V；
R为拖拉机动力半径，单位为m；
i为拖拉机当前档位传动比，无量纲；
n为发动机转速传感器的固有参数，取126，单位为m·s-1·V-1；
f0为地面多普勒低速雷达的输出参数，单位为m·s-1·V-1；
δ为滑转率，无量纲；
控制过程如下：
将测得的拖拉机滑转率与滑转率控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板(6)控制控制器(8)输出电压给驱动器(10)，驱动器(10)驱动电液比例控制集成阀块(3)控制提升液压缸(9)的活塞杆伸缩，从而使农具(11)提升或降低，进而改变滑转率，直至与滑转率控制目标相同；
其中，如果拖拉机滑转率大于滑转率控制目标，则控制农具(11)提升；否则，控制农具(11)降低。
6.一种利用权利要求1-4之一所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统的拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，其特征在于：该方法包括拖拉机耕深的测控；
测量过程如下：
耕深传感器(7)采用绝对值型角度传感器，测量拖拉机提升臂(12)的角度变化，通过数学建模与计算机数值分析，得到提升臂角度变化与耕深的关系式，结合耕深传感器电压输出特性，并通过多次标定进行修正；
所述提升臂角度变化与耕深的关系式如下:
αD＝arcsin(((lFC0+xL)2-lFE 2-lEC 2)/(2lEC×lFE))+αCED+βFE (4)
h＝-4.225×xL+0.535 (5)
式中：
h为拖拉机耕深，单位为m；
xL为液压缸活塞位移，单位为m；
αD为提升臂角度变化，单位为度；
lFC0为提升液压缸活塞杆完全缩回时的长度，单位为m；
lFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心之间的距离，单位为m；
lEC为提升臂轴心E和提升液压缸与提升臂的铰接点C两点间的距离，单位为m；
βFE为提升液压缸下铰接点与提升臂轴心连线与垂直方向的夹角，单位为度；
αCED为提升臂上CD连线与ED连线的夹角，单位为度；
由式(4)、(5)可换算出提升臂角度变化与耕深的关系式，但耕深传感器(7)采用的绝对值型角度传感器输出信号为电压值，由此需要通过标定和多次修正，以得到绝对值型角度传感器输出电压值与耕深的关系式，具体标定与修正过程如下：
从最大耕深位置开始，不断提升农具，测量每次耕深和绝对值型角度传感器相应的输出电压；当农具提升到最高位置时，反向逐渐降低农具位置，至最大耕深处，测量每次耕深和绝对值型角度传感器相应的输出电压；由此，经过多次反复提升和下降，记录农具提升或者下降时，绝对值型角度传感器的输出电压值，不同电压对应不同的提升臂角度变化；由式(4)、(5)可知，不同的提升臂角度变化对应不同的耕深，由此不同耕深对应的绝对值型角度传感器的输出电值，对实验数据进行处理，修正得到如下公式计算获得拖拉机耕深：
h＝27.66×U3-40.74 (6)
式中：
U3为耕深传感器(7)的输出电压的数值，无量纲；
控制过程如下：
将测得的拖拉机耕深与耕深控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板(6)控制控制器(8)输出电压给驱动器(10)，驱动器(10)驱动电液比例控制集成阀块(3)控制提升液压缸(9)的活塞杆伸缩，从而使农具(11)提升或降低，进而改变耕深，直至与耕深控制目标相同。
7.一种利用权利要求1-4之一所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统的拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，其特征在于：该方法包括拖拉机牵引力的测控；
测量过程如下：
通过安装在拖拉机三点悬挂装置的左下拉杆和右下拉杆的轴销孔内的轴销式牵引力传感器(5)，测量水平方向的牵引力；
F1＝U4×6.4888 (7)
F2＝U5×6.8632 (8)
F＝F1+F1 (9)
式中：
F1为左下拉杆的轴销式牵引力传感器(5)的水平牵引力值，单位为kN；
F2为右下拉杆的轴销式牵引力传感器(5)的水平牵引力值，单位为kN；
U4为左下拉杆的轴销式牵引力传感器(5)的输出电压的数值，无量纲；
U5为右下拉杆的轴销式牵引力传感器(5)的输出电压的数值，无量纲；
F代表拖拉机水平方向牵引力，单位为kN；
控制过程如下：
将测得的拖拉机牵引力与牵引力控制目标进行比较，根据比较结果，通过自动控制操纵面板(6)控制控制器(8)输出电压给驱动器(10)，驱动器(10)驱动电液比例控制集成阀块(3)控制提升液压缸(9)的活塞杆伸缩，从而使农具(11)提升或降低，进而改变牵引力，直至与牵引力控制目标相同；
其中，如果拖拉机牵引力大于牵引力控制目标，则控制农具(11)提升；否则，控制农具(11)降低。
8.一种利用权利要求1-4之一所述的拖拉机犁耕作业性能测试与控制系统的拖拉机犁耕作业性能测试与控制方法，其特征在于：该方法包括拖拉机发动机油耗的测量；
测量过程如下：
通过安装在拖拉机的油箱输出管路(16)中的电磁式流量计(4)采集拖拉机油箱(15)的柴油输出流速，通过如下公式计算获得拖拉机发动机油耗：
Q＝q×U6 (10)
式中：
Q为发动机油耗，单位为L；
q为流经电磁式流量计(4)的输出参数，单位为L·V-1；
U6为电磁式流量计(4)的输出电压，单位为V。
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