CN109819694A - 一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法，其调节系统包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块；其调节方法，悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围并输出控制信号给到液压执行模块，液压执行模块实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。本发明实时探测旋耕机的负载情况，并根据负载情况以及转速情况进行旋耕机深度自适应调整，能够在保证作业质量和作业效率的情况下，有效的节能并同时避免了负载过大对发动机以及动力输出轴、万向节的损害，保护机具并延长使用寿命。

Description

一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法

技术领域

本发明涉及农业机械智能控制，确切地说是一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法。

背景技术

拖拉机悬挂作业过程中，作业机具调节方式有力调节的方式，即农具有对应于某个牵引阻力的工作深度，当土壤比阻变化时，农具工作深度相应改变以保持牵引阻力不变的方法称为阻力调节法，简称力调节。它适合在土壤比阻变化不大的不平地面上工作，能在一定程度上保持耕深的稳定。拖拉机负荷基本不变，但轻负荷时，反应不灵敏，而土壤变硬，阻力变大时，反会引起耕深变浅，甚至不入土。且在作业过程中，需要人工根据所需耕深定位操纵手杆，具有很大的不确定性。尤其是人为确定的耕深时，无法准确获得旋耕机负载扭矩，加上地块作业状况复杂，万向节等后驱动连接部件会时刻承受超出应力范围的扭矩，导致万向节连接部位发生损坏，严重影响作业安全和效率。

申请号为201480044132.2的中国专利公开了“作业机的姿势控制装置”，存在机械结构复杂，实现困难，以及仅仅考虑旋耕深度的控制，一方面，没有考虑其他因素影响，如：由于田间地面凹凸不平，会有强烈的震动，拖拉机作业时，各类工作部件一般都是处理高强度状态，稳定性方面较差，再加上拖拉机作业的土壤的复杂情况，如土壤中杂物、湿度等的各类不确定性，些都会对工作形成各类不确定性和扰动，影响控制效果；另一方面，没有考虑拖拉机输出动力与旋耕机负载力的匹配问题，容易导致拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法，该系统及其方法，机械结构简单，控制方便，不仅考虑旋耕深度的控制，还考虑拖拉机输出动力与旋耕机负载力的匹配问题，避免了拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏；同时，本文采用的自适应控制方法具有较强的环境适应能力，能够有效应对田间复杂工作环境引起的各类不确定性和扰动等，使耕深控制更加稳定有效。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。

本系统悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度等的信号输入，根据旋耕深度需要，计算适旋耕机扭矩工作范围，此为理想的扭矩控制范围，从而可以构建旋耕机耕深自适应调节系统，避免了拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏。

进一步的优选技术方案如下：

所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围，在保证合适的耕深情况下，扭矩可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。

所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，所述的悬挂升降液压控制模块在接收旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型如下：

u＝K_aa＝R(sin M_h+cosM_h)-mg

M_r＝k_r·B·h

其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，K_a为比例系数， R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:

(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为

(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：

对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形成了稳定的固连，因此对旋耕机升降控制机构施加一个升降力矩输入，必定可以得到唯一的姿态响应输出；可以将输入与输出数据之间的关系简化为一类如下式所示的单输入单输出的离散时间非线性函数:

y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-n₀),u(k),…,u(k-n₁)) (1)

式中，y(k)∈R、u(k)∈R分别为函数在k时刻的输出和输入；n₀、n₁分别为两个未知的正整数；f(…)为未知的非线性函数；

约束条件1除有限时刻点之外，函数f(…)关于第(n₀+2)个变量的偏导数是连续的；

约束条件2除有限时刻点之外，函数(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意的 k₁≠k₂k₁、k₂≥0和u(k₁)≠u(k₂)有|y(k₁+1)-y(k₂+1)|≤b|u(k₁)-u(k₂)|，式中，b>0是个常数；

对于满足上述两条约束条件的如式(1)所示的非线性函数，当|Δu(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数的时变参数φ_c(k)∈R，可以使函数(1)转化为如下的动态线性化数据模型为：

Δy(k+1)＝φ_c(k)Δu(k) (2)

式中，φ_c(k)为函数(1)的伪偏导数；

对于式(1)所示的离散时间函数，考虑如下的输入准则函数：

J(u(k))＝|y^*(k+1)-y(k+1)|²+λ|u(k)-u(k-1)|² (3)

式中，λ>0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化，y^*(k+1)为期望值；

将式(2)带入准则函数(3)中，对u(k)求导数，并令其等于零，可以得到如下控制算法:

式中，ρ∈(0，1]为步长因子，它加入的目的是使控制算法更加具有一般性；

由式(4)可知，控制器u(k)的求解需要已知的伪偏导数值，考虑伪偏导数估计准则函数为：

J(φ_c(k))＝|y(k)-y(k-1)-φ_c(k)Δu(k-1)|²+μ|φ_c(k)-φ_c(k-1)|² (5)

式中，μ＞0为权重因子，对式(5)关于φ_c(k)求极值，可以得到伪偏导数的估计算法为：

式中，η∈(0，1]为加入的步长因子，目的是使得该算法具有更强的灵活性和一般性；为φ_c(k)的估计值，式(4)、(6)即为无模型自适应控制器的求解方程；从而求解出自适应控制器；

(4)自适应控制器根据产生实时控制信号给液压执行模块。

所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，控制器产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电磁比例换向阀，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。

附图说明

图1是本发明的扭矩传感器安装示意图。

图2是旋耕机总体安装示意图。

图3是旋耕机及拖拉机后悬挂驱动部件动力学分析图。

图4是耕深自适应控制原理结构框图。

图5是电磁比例换向阀控制原理框图。

附图标记说明：1－易损部位；2－扭矩传感器；3－液压缸升降器；4－动力输出轴；5 －万向节；6－旋耕机主轴；7－转速传感器。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

一种旋耕机耕深自适应调节系统，由扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块、动力模块组成；所述扭矩检测模块由安装于动力输出轴4与旋耕机之间的扭矩传感器1组成，用于实时测量旋耕机的运行载荷。所述转速检测模块由安装于旋耕机刀轴6上的转速传感器7组成，用于实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块由加速度计组成，能够实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块是根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算一合适的控制信号，输出给到液压执行模块；所述液压执行模块由液压电磁阀、液压缸升降器3、液压管路以及后悬挂连杆机构组成，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，液压缸升降器3用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；所述动力模块由发动机以及液压泵组成，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。

结合图1所示，扭矩传感器1安装于万向节5与旋耕机动力输入轴之间，在不进行扭矩检测控制情况下，万向节5的十字轴部分是最容易发生损坏的易损部位1，因此加装一扭矩传感器1直接测量旋耕机的实时负载大小，传感器选择留有10％-30％的冗余量，扭矩传感器 1量程可由下式获得扭矩传感器1测量值并通过串口将实时数据采集给悬挂升降液压控制模块，信号输出频率一般为10kHz，其实时大小用M_h表示，其中ξ为安全系数，P为拖拉机发动机功率，n为输出轴的转速。

结合图2所示，转速检测模块由安装于旋耕机主刀轴上，转速传感器7能够实时测量主刀轴的转速，由于田间作业工况复杂，因此，采用激光式传感器，由于传感器外壳采用不锈钢材料制做，传感器坚固耐用，应用于测试环境较差、振动剧烈，响应频率为10kHz，使用湿度：<95％RH，通过串口将实时数据采集给悬挂升降液压控制模块，其值用ω表示。

速度测量模块由加速度计组成，安装于拖拉机的质心处，用于实时测量拖拉机作业的行驶速度，加速度计选择压阻式，具有功耗低、响应快的特点，响应频率为50Hz，并通过串口将数值实时采集给到悬挂升降液压控制模块，大小用v_m表示。

悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度等的信号输入，根据旋耕深度需要，计算一合适旋耕机扭矩工作范围，此为理想的扭矩控制范围。在保证合适的耕深情况下，理想扭矩可表示为其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。

结合图4所示，悬挂升降液压控制模块在接受旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：

(1)结合图3所示，将旋耕机及拖拉机后驱动部分进行简化并进行动力学分析建立自适应控制算法的动力学模型，如下所示：

u＝A_aa＝R(sinM_h+cosM_h)-mg

M_r＝k_r·B·h

其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，K_a为比例系数， R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器1测量值，m为旋耕机机组的质量，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，K_s为扭矩传感器1扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率，M_s为后驱动轴输出的总扭矩；

选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:

(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为

(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：

对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形成了稳定的固连，因此对旋耕机升降控制机构施加一个升降力矩输入，必定可以得到唯一的姿态响应输出，可以将输入与输出数据之间的关系简化为一类如下式所示的单输入单输出的离散时间非线性函数:

y(k+1)＝f(y(k)，…，y(k-n0)，u(k)，…，u(k-n₁)) (1)

式中，y(k)∈R、u(k)∈R分别为函数在k时刻的输出和输入；n₀、n₁分别为两个未知的正整数；f(…)为未知的非线性函数；

约束条件1除有限时刻点之外，函数f(…)关于第(n₀+2)个变量的偏导数是连续的，

约束条件2除有限时刻点之外，函数(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意的 k₁≠k₂k₁、k₂≥0和u(k₁)≠u(k₂)有：

|y(k₁+1)-y(k₂+1)|≤b|u(k₁)-u(k₂)|，式中，b＞0是个常数；

对于满足上述两条约束条件的如式(1)所示的非线性函数，当|Δu(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数的时变参数φ_c(k)∈R，可以使函数(1)转化为如下的动态线性化数据模型为：

Δy(k+1)＝φ_c(k)Δu(k) (2)

式中，φ_c(k)为函数(1)的伪偏导数；

对于式(1)所示的离散时间函数，考虑如下的输入准则函数：

J(u(k))＝|y^*(k+1)-y(k+1)|²+λ|u(k)-u(k-1)|² (3)

式中，λ＞0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化，y^*(k+1)为期望值；

将式(2)带入准则函数(3)中，对u(k)求导数，并令其等于零，可以得到如下控制算法：

式中，ρ∈(0，1]为步长因子，它加入的目的是使控制算法更加具有一般性；

由式(4)可知，控制器u(k)的求解需要已知的伪偏导数值，考虑伪偏导数估计准则函数为

J(φ_c(k))＝|y(k)-y(k-1)-φ_c(k)Δu(k-1)|²+μ|φ_c(k)-φ_c(k-1)|² (5)

式中，μ＞0为权重因子，

对式(5)关于φ_c(k)求极值，可以得到伪偏导数的估计算法为

式中，η∈(0，1]为加入的步长因子，目的是使得该算法具有更强的灵活性和一般性；为φ_c(k)的估计值，式(4)、(6)即为无模型自适应控制器的求解方程，从而求解出自适应控制器。

(4)自适应控制器根据产生实时控制信号给液压执行模块。

如图5所示，液压执行模块由液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构组成，利用 80C196KC微控制器的HSO(高速输出口)产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电磁比例换向阀的电磁铁，电磁比例换向阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。

如图4所示，动力模块由发动机以及液压泵、溢流阀、节流阀组成，发动机带动液压泵持续产生液压压力，为液压升降机构能够随时起降提供动力。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (4)

1.一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，其特征在于：所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。

2.根据权利要求1所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围，在保证合适的耕深情况下，扭矩可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。

3.根据权利要求2所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块在接收旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型如下：

u＝K_aa＝R(sin M_h+cos M_h)-mg

M_r＝k_r·B·h

其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，K_a为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:

(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为

(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：

对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形成了稳定的固连，因此对旋耕机升降控制机构施加一个升降力矩输入，必定可以得到唯一的姿态响应输出；可以将输入与输出数据之间的关系简化为一类如下式所示的单输入单输出的离散时间非线性函数:

y(k+1)＝f(y(k),…，y(k-n₀),u(k),…,u(k-n₁)) (1)

式中，y(k)∈R、u(k)∈R分别为函数在k时刻的输出和输入；n₀、n₁分别为两个未知的正整数；f(…)为未知的非线性函数；

约束条件1除有限时刻点之外，函数f(…)关于第(n₀+2)个变量的偏导数是连续的；

约束条件2除有限时刻点之外，函数(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意的k₁≠k₂k₁、k₂≥0和u(k₁)≠u(k₂)有|y(k₁+1)-y(k₂+1)|≤b|u(k₁)-u(k₂)|，式中，b>0是个常数；

对于满足上述两条约束条件的如式(1)所示的非线性函数，当|Δu(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数的时变参数φ_c(k)∈R，可以使函数(1)转化为如下的动态线性化数据模型为：

Δy(k+1)＝φ_c(k)Δu(k) (2)

式中，φ_c(k)为函数(1)的伪偏导数；

对于式(1)所示的离散时间函数，考虑如下的输入准则函数：

J(u(k))＝|y^*(k+1)-y(k+1)|²+λ|u(k)-u(k-1)|² (3)

式中，λ>0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化，y^*(k+1)为期望值；

将式(2)带入准则函数(3)中，对u(k)求导数，并令其等于零，可以得到如下控制算法:

式中，ρ∈(0，1]为步长因子，它加入的目的是使控制算法更加具有一般性；

由式(4)可知，控制器u(k)的求解需要已知的伪偏导数值，考虑伪偏导数估计准则函数为：

J(φ_c(k))＝|y(k)-y(k-1)-φ_c(k)Δu(k-1)|²+μ|φ_c(k)-φ_c(k-1)|² (5)

式中，μ＞0为权重因子，对式(5)关于φ_c(k)求极值，可以得到伪偏导数的估计算法为：

式中，η∈(0，1]为加入的步长因子，目的是使得该算法具有更强的灵活性和一般性；为φ_c(k)的估计值，式(4)、(6)即为无模型自适应控制器的求解方程；从而求解出自适应控制器；

(4)自适应控制器根据产生实时控制信号给液压执行模块。

4.根据权利要求3所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的控制器产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电磁比例换向阀，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。