CN108021022B - 一种拖拉机后置式三点悬挂装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拖拉机后置式三点悬挂装置，包括：桥箱连接板，用于与拖拉机后桥箱连接；连接板，其竖直与桥箱连接板的后侧面平行放置且中心设置有通孔；第一轴承，其外轴套穿过所述通孔并与所述通孔固定连接，内轴套套设在所述拖拉机后桥箱伸出的输出轴上；蜗轮，其设置在所述连接板下方中部且与连接板固定连接，用于驱动旋转板旋转；蜗杆，其与所述蜗轮啮合，用于驱动所述蜗轮旋转；电机，其与所述蜗杆连接，用于驱动所述蜗杆旋转。连接板能够绕其轴向旋转，操作简单。本发明还提供一种拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，基于PID模糊控制，根据地面坡度以及拖拉机振幅控制连接板旋转角度，使机具处于最优的工作状态，操作简单。

Description

一种拖拉机后置式三点悬挂装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及农用机械设备技术领域，更具体的是，本发明涉及一种拖拉机后置式三点悬挂装置及其控制方法。
背景技术
在进行农作物种植时，需要使用农用机具以节省人力。常用的农用机具有牵引式、半悬挂式和悬挂式，在我国使用最为广泛的主要是牵引式和悬挂式两种。牵引式机具的结构复杂，重量大，机动性差，多用于与大功率的拖拉机匹配，与拖拉机单点挂接，运输时，全部重量由牵引机具承受；悬挂式机具适用于壤土、沙壤土地区熟地旱田耕作，其结构简单，重量轻，机动性好，耕作适应范围较大，作业质量好，地表平整，碎土覆性能好，墒沟小，多与中小功率的拖拉机匹配，与拖拉机三点挂接，节省了人力、时间，提高了耕作效率，是农民必备之良材。
悬挂式机具通过与拖拉机的三点悬挂机械(悬挂系统)连接，靠拖拉机的液压提升机构升降，运输时，全部重量由拖拉机承受。现有的悬挂式在使用前必须调整好悬挂参数，以使其适应土地形貌，进而达到最好的效果，然而对于地表不平整、多沟壑的土地则无法进行有效工作，亦或即使地表平整在更换不同地势土地时，仍需调整悬挂的参数，操作复杂，浪费人力且工作效率低。现有技术研究中，有些人员采用分别控制三点悬挂机械提升杆的高度进而控制不同提升杆距离地面的高度，常常会导致有些提升杆之间发生扭曲而降低工作效率，为避免扭曲通常会在设计调整机构，在调整提升杆的高度的同时调整长度，致使整体结构复杂，调节效果较差。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种拖拉机后置式三点悬挂装置，所述连接板能够绕其轴向旋转，同步调节左下拉杆和右下拉杆距离地面高度，使机具处于最优状态，操作简单，工作效率高。
本发明的另一个目的是设计开发了一种拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，基于PID模糊控制，根据地面坡度以及拖拉机的振幅控制连接板旋转角度，使机具处于最优的工作状态，整个过程设备操作简单且工作效率高。
本发明提供的技术方案为：
一种拖拉机后置式三点悬挂装置，包括：
桥箱连接板，用于与拖拉机后桥箱连接；
连接板，其竖直与桥箱连接板的后侧面平行放置且中心设置有通孔；
第一轴承，其外轴套穿过所述通孔并与所述通孔固定连接，内轴套套设在所述拖拉机后桥箱伸出的输出轴上；
蜗轮，其设置在所述连接板下方中部且与连接板固定连接，用于驱动旋转板旋转；
蜗杆，其与所述蜗轮啮合，用于驱动所述蜗轮旋转；
电机，其与所述蜗杆连接，用于驱动所述蜗杆旋转。。
优选的是，还包括：
支撑板，其设置在所述蜗杆两侧且与所述桥箱连接板固定连接；
第二轴承，其设置在所述支撑板上，所述蜗杆两端穿过所述第二轴承；
蜗轮支块，其一侧与所述蜗轮固定连接，另一侧与所述连接板固定连接。
优选的是，还包括：
联轴器，所述电机通过联轴器与所述握杆连接；
圆螺母，其设置在所述第一轴承的外轴套和内轴套之间的所述第一轴承一侧，用于固定所述第一轴承；
毡圈，其设置在所述第一轴承的外轴套和内轴套之间的所述第一轴承另一侧，用于密封所述第一轴承。
优选的是，还包括：
上拉杆，其一端与所述连接板上方中部铰接，所述上拉杆可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转；
左下拉杆，其一端与所述连接板下方左侧铰接，其可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转；
右下拉杆，其一端与所述连接板下方右侧铰接，其可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转。
优选的是，还包括：
第一提升杆，其一端与所述左下拉杆的中部铰接并能够带动所述左下拉杆旋转；
第二提升杆，其一端与所述右下拉杆的中部铰接并能够带动所述右下拉杆旋转；
第一提升臂，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第一提升杆另一端铰接，另一端与所述连接板上方左侧铰接；
第二提升臂，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第二提升杆另一端铰接，另一端与所述连接板上方右侧铰接。
优选的是，还包括：
第一支撑杆，其一端与所述第一提升臂中部铰接，另一端与所述连接板下方左侧铰接；
第二支撑杆，其一端与所述第二提升臂中部铰接，另一端与所述连接板下方右侧铰接。
油缸，其分别轴向设置在所述第一支撑杆和第二支撑杆内，用于驱动所述第一支撑杆和第二支撑杆沿其轴向运动。
优选的是，还包括：
倾角传感器，其设置在所述桥箱连接板上，用于检测地面坡度；
振动传感器，其设置在所述桥箱连接板上，用于检测拖拉机的振幅和振动频率；
角度传感器，其设置在连接板上，用于检测连接板的旋转角度；
控制器，其与所述倾角传感器、振动传感器、角度传感器和电机连接，用于接收所述倾角传感器、振动传感器和角度传感器的检测数据并控制电机工作。
相应地，本发明还提供一种拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，所述控制器包括模糊控制器：
将地面坡度γ和拖拉机的振幅A输入模糊控制器，所述地面坡度γ和拖拉机的振幅A分为7个等级；
模糊控制器输出连接板的旋转角度θ，输出分为7个等级；
所述地面坡度γ的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为15；所述拖拉机的振幅A的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；输出连接板的旋转角度θ的模糊论域为[-1,1]，量化因子为15；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行连接板旋转角度误差补偿控制。
优选的是，
所述拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为40；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，所述连接板能够绕其轴向旋转，同步调节左下拉杆和右下拉杆距离地面高度，避免左下拉杆和右下拉杆分别调节造成的扭曲现象，结构简单，能够使机具处于最优状态，操作方便，工作效率高。
(2)本发明所述的拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，基于PID模糊控制，根据地面坡度以及拖拉机振幅控制连接板旋转角度，使机具处于最优的工作状态，整个过程设备操作简单且工作效率高。
附图说明
图1为本发明所述拖拉机后置式三点悬挂装置的右视剖视结构示意图。
图2为本发明所述拖拉机后置式三点悬挂装置的左视结构示意图。
图3为本发明所述拖拉机后置式三点悬挂装置的前视结构示意图。
图4为本发明所述拖拉机后置式三点悬挂装置的后视结构示意图。
图5为本发明所述拖拉机后置式三点悬挂装置控制系统的模块示意图。
图6是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。
图7是本发明所述的模糊控制器的输入地面坡度γ的隶属度函数图。
图8是本发明所述的模糊控制器的输入拖拉机的振幅A的隶属度函数图。
图9是本发明所述的模糊控制器的输出连接板的旋转角度θ的隶属度函数图。
图10是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图11是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图12是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图13是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图14是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-5所示，本发明提供一种拖拉机后置式三点悬挂装置，包括：桥箱连接板100，用于与拖拉机后桥箱200连接；连接板120，其竖直与桥箱连接板100的后侧面平行放置且中心设置有通孔；第一轴承130，其外轴套131穿过所述通孔并与所述通孔固定连接，内轴套132套设在所述拖拉机后桥箱200伸出的输出轴110上，所述内轴套132和外轴套131之间设置有圆锥滚子轴承即第一轴承130，以便于旋转板120的旋转，所述圆锥滚子轴承130一侧设置有毡圈133，用于密封第一轴承130，另一侧设置有圆螺母134，用于固定第一轴承130；动力机构140，其与所述连接板120连接，用于驱动所述连接板绕输出轴旋转。本实施例中，所述动力机构140包括：蜗轮141，其设置在所述连接板120下方中部且与连接板120固定连接，用于驱动所述连接板120旋转，本实施例中，所述蜗轮141和连接板120之间设置有蜗轮支架1411并通过螺栓将蜗轮141、蜗轮支架1411和连接板120固定连接；蜗杆142，其与所述蜗轮141啮合，用于驱动所述蜗轮141旋转，联轴器143，其与所述蜗杆142连接；电机144，其与所述联轴器143连接，用于驱动所述蜗杆143旋转。本实施例中，还包括：支撑板，145，其设置在所述蜗杆143两侧且与所述桥箱连接板100固定连接；第二轴承146，其设置在所述支撑板145上，所述蜗杆142两端穿过所述第二轴承146，用于支撑所述蜗杆142。
作为本发明的另一实施例，还包括：上拉杆150，其一端与所述连接板120上方中部铰接，所述上拉杆150可在垂直所述连接板120的竖直直平面内旋转；左下拉杆160，其一端与所述连接板120下方左侧铰接，其可在垂直所述连接板120的竖直直平面内旋转；右下拉杆170，其一端与所述连接板120下方右侧铰接，其可在垂直所述连接板120的竖直直平面内旋转。第一提升杆161，其一端与所述左下拉杆160的中部铰接并能够带动所述左下拉杆160旋转；第二提升杆171，其一端与所述右下拉杆170的中部铰接并能够带动所述右下拉杆170旋转；第一提升臂162，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第一提升杆160另一端铰接，另一端与所述连接板120上方左侧铰接；第二提升臂172，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第二提升杆170另一端铰接，另一端与所述连接板120上方右侧铰接。第一支撑杆163，其一端与所述第一提升臂162中部铰接，另一端与所述连接板120下方左侧铰接；第二支撑杆173，其一端与所述第二提升臂172中部铰接，另一端与所述连接板120下方右侧铰接。油缸(图中未示出)，其分别轴向设置在所述第一支撑杆163和第二支撑杆173内，用于驱动所述第一支撑杆163和第二支撑杆173沿其轴向运动。
作为本发明的另一实施例，还包括：倾角传感器181，其设置在所述桥箱连接板100上，用于检测地面坡度；振动传感器182，其设置在所述桥箱连接板100上，用于检测拖拉机的振幅和振动频率；角度传感器183，其设置在连接板120上，用于检测连接板120的旋转角度；控制器180，其与所述倾角传感器181、振动传感器182、角度传感器183和动力机构140连接，用于接收所述倾角传感器181、振动传感器182和角度传感器183的检测数据并控制动力机构工作。
本发明所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，所述连接板能够绕其轴向旋转，同步调节左下拉杆和右下拉杆距离地面高度，避免左下拉杆和右下拉杆分别调节造成的扭曲现象，结构简单，能够使机具处于最优状态，操作方便，工作效率高。
本发明还提供一种拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，本实施例中的控制器包括模糊控制器和模糊PID控制器，控制方法如图6所示，包括以下步骤：
步骤1：将地面坡度γ、拖拉机的振幅A和连接板的旋转角度θ进行模糊处理；在无控时，地面坡度γ的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为15，本实施例中-15代表左向右坡起的角度为15度，15代表右向左坡起的角度为15度；所述拖拉机的振幅A的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；输出连接板的旋转角度θ的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为15，本实施例中-15代表左向右旋转的角度为15度，15代表右向左旋转的角度为15度；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述地面坡度γ和拖拉机的振幅A分为7个等级；输出连接板的旋转角度θ，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：
(2.1)地面坡度γ一定，拖拉机的振幅A增大，需要增大连接板的旋转角度θ；
(2.2)拖拉机的振幅A一定，地面坡度γ增大时，需要增大连接板的旋转角度θ；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一连接板旋转角度的模糊控制表
模糊控制器输入地面坡度γ和拖拉机的振幅A，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出连接板的旋转角度θ，连接板的旋转角度θ利用重心法解模糊化。
步骤2：模糊PID控制器
将第i个拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为40；偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；PID的比例系数Kp的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数Ki的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数Kd的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图7-14。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大KpKi的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行连接板旋转角度θ误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对连接板旋转角度θ进行精确控制，连接板旋转角度θ为模糊控制器的输出旋转角度和PID控制器的旋转角度误差补偿值的加和，使拖拉机后置式三点悬挂装置的接板旋转角度θ得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
本发明所述的拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，基于PID模糊控制，根据地面坡度以及拖拉机的振幅和振动频率控制连接板旋转角度，使机具处于最优的工作状态，整个过程设备操作简单且工作效率高。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

1.一种拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，包括：
桥箱连接板，用于与拖拉机后桥箱连接；
连接板，其竖直与桥箱连接板的后侧面平行放置且中心设置有通孔；
第一轴承，其外轴套穿过所述通孔并与所述通孔固定连接，内轴套套设在所述拖拉机后桥箱伸出的输出轴上；
蜗轮，其设置在所述连接板下方中部且与连接板固定连接，用于驱动旋转板旋转；
蜗杆，其与所述蜗轮啮合，用于驱动所述蜗轮旋转；
电机，其与所述蜗杆连接，用于驱动所述蜗杆旋转；
上拉杆，其一端与所述连接板上方中部铰接，所述上拉杆可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转；
左下拉杆，其一端与所述连接板下方左侧铰接，其可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转；
右下拉杆，其一端与所述连接板下方右侧铰接，其可在垂直所述连接板的竖直直平面内旋转；
支撑板，其设置在所述蜗杆两侧且与所述桥箱连接板固定连接；
第二轴承，其设置在所述支撑板上，所述蜗杆两端穿过所述第二轴承；
蜗轮支块，其一侧与所述蜗轮固定连接，另一侧与所述连接板固定连接。
2.如权利要求1所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，还包括：
联轴器，所述电机通过联轴器与所述蜗杆连接；
圆螺母，其设置在所述第一轴承的外轴套和内轴套之间的所述第一轴承一侧，用于固定所述第一轴承；
毡圈，其设置在所述第一轴承的外轴套和内轴套之间的所述第一轴承另一侧，用于密封所述第一轴承。
3.如权利要求1所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，还包括：
第一提升杆，其一端与所述左下拉杆的中部铰接并能够带动所述左下拉杆旋转；
第二提升杆，其一端与所述右下拉杆的中部铰接并能够带动所述右下拉杆旋转；
第一提升臂，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第一提升杆另一端铰接，另一端与所述连接板上方左侧铰接；
第二提升臂，其呈中部上凸的弧形，其一端与所述第二提升杆另一端铰接，另一端与所述连接板上方右侧铰接。
4.如权利要求3所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，还包括：
第一支撑杆，其一端与所述第一提升臂中部铰接，另一端与所述连接板下方左侧铰接；
第二支撑杆，其一端与所述第二提升臂中部铰接，另一端与所述连接板下方右侧铰接；
油缸，其分别轴向设置在所述第一支撑杆和第二支撑杆内，用于驱动所述第一支撑杆和第二支撑杆沿其轴向运动。
5.如权利要求1所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，还包括：
倾角传感器，其设置在所述桥箱连接板上，用于检测地面坡度；
振动传感器，其设置在所述桥箱连接板上，用于检测拖拉机的振幅和振动频率；
角度传感器，其设置在所述连接板上，用于检测连接板的旋转角度；
控制器，其与所述倾角传感器、振动传感器、角度传感器和电机连接，用于接收所述倾角传感器、振动传感器和角度传感器的检测数据并控制电机工作。
6.一种拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，使用如权利要求1-5任意一项所述的拖拉机后置式三点悬挂装置，其特征在于，控制器包括模糊控制器：
将地面坡度γ和拖拉机的振幅A输入模糊控制器，所述地面坡度γ和拖拉机的振幅A分为7个等级；
模糊控制器输出连接板的旋转角度θ，输出分为7个等级；
所述地面坡度γ的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为15；所述拖拉机的振幅A的模糊论域为[-1,1]，量化因子为20；输出连接板的旋转角度θ的模糊论域为[-1,1]，量化因子为15；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
还包括模糊PID控制器：
输入第i个拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行连接板旋转角度误差补偿控制。
7.如权利要求6所述的拖拉机后置式三点悬挂装置的控制方法，其特征在于，
所述拖拉机的振动频率f和拖拉机在水平路面上的振动频率f0的振动频率差值Δf的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为40；所述偏差变化率的模糊论域为[-3,3]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
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