CN111133853A - 一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统及方法，本发明在拖拉机耕作前，系统进行初始化并设定耕作参数、选取加权系数；耕作时，系统判别是否进行联合自动调节后根据传感器的反馈信号计算实时滑转率；当滑转率在设定门限内时，系统判别加权系数取值是否合理，若其超出设定区间需重新输入或退出调节，否则系统将根据加权系数取值分配反馈信号比例，输出相应的耕深调节模式；耕作过程中，若滑转率超出设定门限，系统直接进行滑转率调节直至调整到设定门限内，系统再次判别加权系数，如此循环调整，可实现多种调节模式的自动判别与柔性切换。本发明提高了拖拉机的耕作质量与效率，提升了整机智能化水平。

Description

一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统及方法

技术领域

本发明属于农业机械技术领域，尤其涉及一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，具体涉及拖拉机耕深力-位-滑转率联合调节模式的自动判别与柔性切换。

背景技术

历经数十载在发展，我国农业生产机械化已在各种农艺作业中广泛应用。而拖拉机作为现代农业规模化作业的重要动力平台，在作物的耕、种、收及田间管理全过程均发挥着不可或缺的作用，其耕深调节技术因涉及机械、液压、电控等多个领域成为人们研究研究的热点。近年来，随着精准农业技术的进步，拖拉机耕深调节技术也取得了较大突破，但缺乏对各子系统综合调控及多参数智能调节的深入探索。

现行的拖拉机耕深调节方法主要以单参数调节和力位综合调节为主。单参数调节仅基于单一目标调控，不受其他参数制约，很难在错综复杂的耕作环境中获得满意的作业质量；力位综合调节综合考虑了耕深和牵引力对耕作质量的影响，提高了耕深调节系统的适应性，但此方法仅将悬挂作业机组作为一个隔离的整体来研究，并未考虑拖拉机耕作过程中驱动轮的滑转情况，实际耕作效果与理论存在偏差，特别在湿滑地块耕作时，车轮严重滑转将破坏土壤结构，影响作物生长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种以力位调节为主线、滑转率调节为门限的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统及方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，包括人机交互模块、信号检测装置、系统决策模块和执行元件，

所述人机交互模块与所述系统决策模块连接，所述人机交互模块安装在驾驶室内，用于设定拖拉机的耕作深度、牵引力、驱动轮滑转率门限及加权系数，并将设定的参数传输至所述系统决策模块；

所述信号检测装置与所述系统决策模块连接，用于检测拖拉机的实时耕作深度、牵引力、作业速度及理论车速信号，并将检测到的信号反馈至所述系统决策模块；

所述系统决策模块与所述执行元件连接，用于接收所述人机交互模块设定的参数和处理所述信号检测装置反馈的实时信号，并根据预先设定控制逻辑进行运算后输出相应的控制信号，从而控制所述执行元件来实现耕深的调整。

作为优选的技术方案，所述人机交互模块包括安装在驾驶室内的操纵面板，所述操纵面板上包括参数设定区域、报警提示灯和显示装置，所述操纵面板上还设置有联合自动控制按钮。

作为优选的技术方案，所述执行元件包括安装在拖拉机后部的悬挂机组，所述悬挂机组的后部下端安装有液压翻转犁，所述悬挂机组的提升臂与拖拉机之间安装有悬挂油缸，所述执行元件还包括液压油泵，所述液压油泵与所述悬挂油缸之间连接有叠加式电液比例阀组。

作为优选的技术方案，所述叠加式电液比例阀组包括连接在所述悬挂油缸一端与所述液压油泵之间的比例下降阀，所述叠加式电液比例阀组还包括依次连接在所述悬挂油缸另一端的液控单向阀、比例提升阀和定差减压阀，所述定差减压阀与所述液压油泵连接。

作为优选的技术方案，所述悬挂油缸与所述液压油泵之间还连接有二次溢流阀，所述二次溢流阀还连接至所述液控单向阀。

作为优选的技术方案，所述信号检测装置包括位置传感器、牵引力传感器、车速传感器和轮速传感器，所述位置传感器安装在悬挂机组的提升臂处，用于检测提升臂的转角，进而间接测算拖拉机的耕作深度信号；所述牵引力传感器安装在悬挂机组的左右下拉杆的轴销处，用于检测耕作过程中拖拉机牵引力的变化；所述车速传感器安装在拖拉机底部，用于检测拖拉机的实际作业速度；所述轮速传感器安装在驱动轮的轮毂处，用于测算驱动轮的理论车速。

作为优选的技术方案，所述系统决策模板包括控制器，所述控制器与所述比例提升阀、所述比例下降阀连接。

作为优选的技术方案，一种拖拉机耕深多参数联合自动调节方法，包括如下步骤：

步骤一：拖拉机耕作前，系统初始化处理，同时驾驶者综合土质情况、地形变化、拖拉机型号等多种因素通过所述操纵面板设定拖拉机的耕作深度H、牵引力F_t、驱动轮滑转率门限S_max及加权系数a，系统进入待耕状态；

步骤二：开始耕作时，系统首先根据所述车速传感器检测到拖拉机的实际作业速度v_T，所述轮速传感器检测到驱动轮的理论车速v_r，并将测量的信号传输至所述控制器，所述控制器计算得出驱动轮的实时滑转率S＝(v_R-v_T)/v_R；

步骤三：当实时滑转率S在设定滑转率门限S_max内，即S≤S_max时，所述控制器判别加权系数a的取值是否合理，若其超出设定区间需重新输入或退出调节，当加权系数a在设定区间内后，所述控制器将根据其取值分配反馈信号比例，输出相应的调节模式，进而通过所述执行元件实现耕深的精准调整；

步骤四：拖拉机耕作过程中，当S＞S_max时，所述控制器直接进行滑转率S的调节，直至实时滑转率S调整到设定的滑转率门限S≤S_max时，所述控制器再次判别加权系数a，如此循环调整，实现多种调节模式的自动判别与柔性切换。

作为优选的技术方案，滑转率门限S_max设定为20.5％；加权系数a的取值区间为[0,1]；当a＝0时，进行拖拉机的牵引力的调节，当0＜a＜1时，进行拖拉机的牵引力和拖拉机的耕作深度的综合调节，a＝1时，进行拖拉机的耕作深度的调节。

作为优选的技术方案，所述控制器通过控制所述叠加式电液比例阀组的动作来调整所述液压翻转犁的入土深度；

当所述控制器传来提升指令时，所述比例提升阀右位通电，但所述比例下降阀因未通电而处于左位截止状态，此时所述液压油泵输出的油液经所述定差减压阀和所述比例提升阀作用于所述悬挂油缸，完成所述液压翻转犁的提升动作；

当所述控制器输入下降指令时，所述比例下降阀导通，但所述比例提升阀因未通电而处于左位截止状态，此时在农机具自重作用下油液经所述比例下降阀流回油箱，所述液压翻转犁完成下降动作；

当所述控制器不发出指令时所述比例提升阀与所述比例下降阀均处于截止状态，此时流入系统的油液经所述定差减压阀后流回油箱，液压翻转犁处于保持状态。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：通过本发明将驱动轮滑转程度的监测融入到力位综合调节中，拖拉机可依据实际耕作需要自动切换工作模式，消除了传统耕深调节方法的弊端，减少了人为因素的干预，实现了拖拉机耕深多参数的联合自动调节，这在保证牵引效率的同时也提升了拖拉机的耕作质量，确保了稳定的动力输出，具备更大的研究与实用价值。

附图说明

以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：

图1为拖拉机耕深多参数联合自动调节的流程图；

图2为拖拉机耕深多参数联合自动调节的原理图；

图3为拖拉机的结构原理图；

图4为叠加式电液比例阀组的原理图；

图中：1-操纵面板；2-控制器；3-液压油泵；4-叠加式电液比例阀组；5-悬挂油缸；6-悬挂机组；7-液压翻转犁；8-位置传感器；9-牵引力传感器；11-轮速传感器；12-比例提升阀；13-比例下降阀；14-定差减压阀；15-液控单向阀；16-二次溢流阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

如图1和图2所示，一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，包括人机交互模块、信号检测装置、系统决策模块和执行元件，所述人机交互模块与所述系统决策模块连接，所述系统决策模块与所述执行元件连接，所述信号检测装置与所述系统决策模块连接。本发明的耕深调节方法既涵盖了单参数调节的特性，又能将多个参数联合起来共同作用于耕作过程。

所述人机交互模块安装在驾驶室内，用于设定拖拉机的耕作深度、拖拉机的牵引力、驱动轮滑转率门限及加权系数，并将设定的参数传输至所述系统决策模块；所述人机交互模块包括安装在驾驶室内的操纵面板1，所述操纵面板1上包括参数设定区域、报警提示灯和显示装置，驾驶者在参数设定区域输入拖拉机的耕深H、拖拉机的牵引力F_t、驱动轮滑转率门限S_max及加权系数a，所述报警提示灯包括提升指示灯和下降指示灯，当所述执行元件被控制上升时，所述提升指示灯亮起，当所述执行元件被控制下降时，所述下降指示灯亮起；所述显示装置为显示屏，所述显示屏内用于显示输入的参数值。所述操纵面板1上还设置有联合自动控制按钮，当按下所述联合自动控制按钮后，所述系统决策模块将进行耕深多参数联合自动调节，当未按下所述联合自动控制按钮，所述系统决策模块将不进行耕深多参数联合自动调节，所述联合自动控制按钮相当于一个控制开关。

所述系统决策模块，用于接收所述人机交互模块设定的参数和处理所述信号检测装置反馈的实时信号，并根据设定的控制逻辑将所述人机交互模块设定参数与所述信号检测装置检测到的信号进行逻辑运算后输出相应的控制信号，从而控制所述执行元件来实现耕深的调整。

参见图3，所述执行元件包括安装在拖拉机后部的悬挂机组6，所述悬挂机组6的后部下端安装有液压翻转犁7，所述悬挂机组6的提升臂与拖拉机之间安装有悬挂油缸5，所述执行元件还包括液压油泵3，所述液压油泵3与所述悬挂油缸5之间连接有叠加式电液比例阀组4。

所述叠加式电液比例阀组4是连接所述系统决策模块与控制所述悬挂机组6的液压系统之间的“桥梁”，参见图4，所述叠加式电液比例阀组4包括连接在所述悬挂油缸5一端与所述液压油泵3之间的比例下降阀13，所述叠加式电液比例阀组5还包括依次连接在所述悬挂油缸5另一端的液控单向阀15、比例提升阀12和定差减压阀14，所述定差减压阀14与所述液压油泵3连接。所述比例提升阀12上对应安装有比例提升电磁铁，所述比例下降阀13上对应安装有比例下降电磁铁；所述悬挂油缸5与所述液压油泵3之间还连接有二次溢流阀16，所述二次溢流阀16还连接至所述液控单向阀15，在提升时多余的油液通过它流回油箱。

参见图4，所述叠加式电液比例阀组4可实现液压翻转犁7的提升、下降和保持三个动作：

当所述系统决策模块传来提升指令时，比例提升电磁铁通电，比例提升阀12的阀杆克服弹簧力而左移，比例提升阀12右位导通，但比例下降阀13因未通电而处于左位截止状态，此时液压泵输出的油液经定差减压阀14和比例提升阀12作用于悬挂油缸5，完成液压翻转犁7的提升动作；

当所述系统决策模块输入下降指令时，比例下降电磁铁通电，比例下降阀13的阀杆克服弹簧力而右移，比例下降阀13导通，但比例提升阀12因未通电而处于左位截止状态，此时在农机具自重作用下油液经比例下降阀13流回油箱，液压翻转犁7完成下降动作；

当所述系统决策模块不发出指令时，因比例提升电磁铁与比例下降电磁铁不通电，两阀均处于截止状态，此时流入系统的油液经定差减压阀14后流回油箱，液压翻转犁7处于保持状态。

在升降液压翻转犁7的历程中，所述系统决策模块的电流决定了阀芯开口度及流量大小，进而控制作业机组的升降速度。

所述信号检测装置，用于检测拖拉机的实时耕作深度、牵引力、作业速度及理论车速信号，并将检测到的信号反馈至所述系统决策模块；具体地，所述信号检测装置包括位置传感器8、牵引力传感器9、车速传感器和轮速传感器11，所述位置传感器8安装在悬挂机组6的提升臂处，用于检测提升臂的转角，进而间接测算拖拉机的耕作深度信号；所述牵引力传感器9安装在悬挂机组6的左右下拉杆的轴销处，用于检测耕作过程中拖拉机牵引力的变化；所述位置传感器8和所述牵引力传感器9分别与设定耕深、牵引力存在某种线性关系，需进行耕作前的标定工作。

所述车速传感器安装在拖拉机底部，它利用雷达传感的原理检测拖拉机的实际作业速度；所述车速传感器发射源与地面间有相对的径向移动时，发射源信号频率f₁与地面反射频率f₂存在的差值，用多普勒频率f_d可表示为：

f_d＝f₁-f₂＝2v_r/λ

式中，v_r为径向速度，m/s；λ为发射波波长，m。

所述速度传感器与地面间的夹角为β，拖拉机实际车速v_T可表示为：

v_T＝λf_d/2cosβ

所述轮速传感器11安装在驱动轮的轮毂处，利用电磁感应原理测算检测驱动轮的理论车速；所述轮速传感器11齿圈与车轮同步运转其频率为

拖拉机的理论速度v_R可表示为：

式中，R为车轮半径，m；n为车轮转过的圈数。

拖拉机驱动轮滑转率S可表示为：

S＝(v_R-v_T)/v_R

本发明将驱动轮滑转程度的监测融入到力位综合调节中，实现了拖拉机耕深多参数的联合自动调节，保证了拖拉机的牵引效率和耕作质量，也确保发动机动力输出的稳定性。

所述系统决策模板包括控制器2，所述控制器2与所述比例提升电磁铁、所述比例下降电磁铁连接。

参见图1和图2，一种拖拉机耕深多参数联合自动调节方法，包括如下步骤：

步骤一：拖拉机耕作前，系统初始化处理，耕深调节系统在拖拉机耕作前需进行各传感器的标定以及犁架调平等准备工作；同时驾驶者综合土质情况、地形变化、拖拉机型号等多种因素通过所述操纵面板1设定拖拉机的耕作深度H、牵引力F_t、驱动轮滑转率门限S_max及加权系数a，系统进入待耕状态；

步骤二：开始耕作时，开启联合自动控制按钮，系统首先根据所述车速传感器检测到拖拉机的实际作业速度v_T，所述轮速传感器11检测到驱动轮的理论车速v_r，并将测量的信号传输至所述控制器2，所述控制器2计算得出驱动轮的实时滑转率S＝(v_R-v_T)/v_R；

步骤三：当实时滑转率S在设定滑转率门限S_max内，即S≤S_max时，所述控制器2判别加权系数a的取值是否合理，若其超出设定区间需重新输入或退出调节，当加权系数a在设定区间内后，所述控制器2将根据加权系数a的取值分配反馈信号比例，输出相应的调节模式，进而通过执行元件实现耕深的精准调整；

步骤四：拖拉机耕作过程中，当S＞S_max时，所述控制器2直接进行滑转率S的调节，即通过所述执行元件调节拖拉机的实际作业速度v_T与驱动轮的理论车速v_r，直至实时滑转率S调整到设定的滑转率门限S_max内，即直到S≤S_max时，所述控制器2再次判别加权系数a，如此循环调整，实现多种调节模式的自动判别与柔性切换。

所述耕深调节系统配套120马力以上轮式拖拉机，因此，滑转率门限S_max设定为20.5％，适用于北方旱田大面积的跨区耕作；加权系数a是力位综合调节的灵魂，反映了力调节和位调节所占权重，因此设定加权系数a的取值区间为[0,1]；当a＝0时，进行拖拉机的牵引力的调节，当0＜a＜1时，进行拖拉机的牵引力和拖拉机的耕作深度的综合调节，a＝1时，进行拖拉机的耕作深度的调节；

所述控制器2通过控制所述叠加式电液比例阀组的动作来调整所述液压翻转犁的入土深度；

当所述控制器2传来提升指令时，所述比例提升电磁铁通电，所述比例提升阀12右位通电，但所述比例下降阀13因未通电而处于左位截止状态，此时所述液压油泵3输出的油液经所述定差减压阀14和所述比例提升阀12作用于所述悬挂油缸5，完成所述液压翻转犁7的提升动作；

当所述控制器2输入下降指令时，所述比例下降电磁铁通电，所述比例下降阀13导通，但所述比例提升阀12因未通电而处于左位截止状态，此时在农机具自重作用下油液经所述比例下降阀13流回油箱，液压翻转犁7完成下降动作；

当所述控制器2不发出指令时，因所述比例提升电磁铁与比例下降电磁铁均不通电，所述比例提升阀12与所述比例下降阀13均处于截止状态，此时流入系统的油液经所述定差减压阀14后流回油箱，液压翻转犁7处于保持状态。在升降液压翻转犁7的历程中，所述控制器2的电流决定了阀芯开口度及流量大小，进而控制作业机组的升降速度。

通过本发明将驱动轮滑转程度的监测融入到力位综合调节中，拖拉机可依据实际耕作需要自动切换工作模式，消除了传统耕深调节方法的弊端，减少了人为因素的干预，实现了拖拉机耕深多参数的联合自动调节，这在保证牵引效率的同时也提升了拖拉机的耕作质量，确保了稳定的动力输出，具备更大的研究与实用价值。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：包括人机交互模块、信号检测装置、系统决策模块和执行元件，

所述人机交互模块与所述系统决策模块连接，所述人机交互模块安装在驾驶室内，用于设定拖拉机的耕作深度、牵引力、驱动轮滑转率门限及加权系数，并将设定的参数传输至所述系统决策模块；

所述信号检测装置与所述系统决策模块连接，用于检测拖拉机的实时耕作深度、牵引力、作业速度及理论车速信号，并将检测到的信号反馈至所述系统决策模块；

所述系统决策模块与所述执行元件连接，用于接收所述人机交互模块设定的参数和处理所述信号检测装置反馈的实时信号，并根据预先设定控制逻辑进行运算后输出相应的控制信号，从而控制所述执行元件来实现耕深的调整。

2.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述人机交互模块包括安装在驾驶室内的操纵面板，所述操纵面板上包括参数设定区域、报警提示灯和显示装置，所述操纵面板上还设置有联合自动控制按钮。

3.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述执行元件包括安装在拖拉机后部的悬挂机组，所述悬挂机组的后部下端安装有液压翻转犁，所述悬挂机组的提升臂与拖拉机之间安装有悬挂油缸，所述执行元件还包括液压油泵，所述液压油泵与所述悬挂油缸之间连接有叠加式电液比例阀组。

4.如权利要求3所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述叠加式电液比例阀组包括连接在所述悬挂油缸一端与所述液压油泵之间的比例下降阀，所述叠加式电液比例阀组还包括依次连接在所述悬挂油缸另一端的液控单向阀、比例提升阀和定差减压阀，所述定差减压阀与所述液压油泵连接。

5.如权利要求4所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述悬挂油缸与所述液压油泵之间还连接有二次溢流阀，所述二次溢流阀还连接至所述液控单向阀。

6.如权利要求5所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述信号检测装置包括位置传感器、牵引力传感器、车速传感器和轮速传感器，所述位置传感器安装在悬挂机组的提升臂处，用于检测提升臂的转角，进而间接测算拖拉机的耕作深度信号；所述牵引力传感器安装在悬挂机组的左右下拉杆的轴销处，用于检测耕作过程中拖拉机牵引力的变化；所述车速传感器安装在拖拉机底部，用于检测拖拉机的实际作业速度；所述轮速传感器安装在驱动轮的轮毂处，用于测算驱动轮的理论车速。

7.如权利要求6所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统，其特征在于：所述系统决策模板包括控制器，所述控制器与所述比例提升阀、所述比例下降阀连接。

8.采用如权利要求7所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节系统的调节方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：拖拉机耕作前，系统初始化处理，同时驾驶者综合土质情况、地形变化、拖拉机型号等多种因素通过所述操纵面板设定拖拉机的耕作深度H、牵引力F_t、驱动轮滑转率门限S_max及加权系数a，系统进入待耕状态；

步骤二：开始耕作时，系统首先根据所述车速传感器检测到拖拉机的实际作业速度v_T，所述轮速传感器检测到驱动轮的理论车速v_r，并将测量的信号传输至所述控制器，所述控制器计算得出驱动轮的实时滑转率S＝(v_R-v_T)/v_R；

步骤三：当实时滑转率S在设定滑转率门限S_max内，即S≤S_max时，所述控制器判别加权系数a的取值是否合理，若其超出设定区间需重新输入或退出调节，当加权系数a在设定区间内后，所述控制器将根据其取值分配反馈信号比例，输出相应的调节模式，进而通过所述执行元件实现耕深的精准调整；

步骤四：拖拉机耕作过程中，当S＞S_max时，所述控制器直接进行滑转率S的调节，直至实时滑转率S调整到设定的滑转率门限S≤S_max时，所述控制器再次判别加权系数a，如此循环调整，实现多种调节模式的自动判别与柔性切换。

9.如权利要求8所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节方法，其特征在于：滑转率门限S_max设定为20.5％；加权系数a的取值区间为[0,1]；当a＝0时，进行拖拉机的牵引力的调节，当0＜a＜1时，进行拖拉机的牵引力和拖拉机的耕作深度的综合调节，a＝1时，进行拖拉机的耕作深度的调节。

10.如权利要求9所述的一种拖拉机耕深多参数联合自动调节方法，其特征在于：所述控制器通过控制所述叠加式电液比例阀组的动作来调整所述液压翻转犁的入土深度；

当所述控制器传来提升指令时，所述比例提升阀右位通电，但所述比例下降阀因未通电而处于左位截止状态，此时所述液压油泵输出的油液经所述定差减压阀和所述比例提升阀作用于所述悬挂油缸，完成所述液压翻转犁的提升动作；

当所述控制器输入下降指令时，所述比例下降阀导通，但所述比例提升阀因未通电而处于左位截止状态，此时在农机具自重作用下油液经所述比例下降阀流回油箱，所述液压翻转犁完成下降动作；

当所述控制器不发出指令时所述比例提升阀与所述比例下降阀均处于截止状态，此时流入系统的油液经所述定差减压阀后流回油箱，液压翻转犁处于保持状态。

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