CN114793517A - 一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统及方法 - Google Patents

一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统及方法 Download PDF

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CN114793517A CN202210422930.0A CN202210422930A CN114793517A CN 114793517 A CN114793517 A CN 114793517A CN 202210422930 A CN202210422930 A CN 202210422930A CN 114793517 A CN114793517 A CN 114793517A
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Abstract

一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统及方法，系统：发动机通过分动箱分别连接耕作机械变量驱动泵和调控回路驱动泵，耕作机械变量驱动泵驱动耕作机械驱动马达动作，调控回路驱动泵分别通过耕深电液比例控制阀、调平电液比例控制阀驱动耕深调控液压缸、调平液压缸，转速传感器连接在耕作机械变量驱动泵的传动轴上，压力传感器连接在耕作机械驱动马达上，角度传感器安装在三点悬挂拉杆的销轴上，水平倾角传感器安装在拖拉机上，位移传感器连接在三点悬挂液压缸上。方法：获得监测信号；控制耕作机械驱动马达的转速保持在目标转速；实现耕作深度的控制；实现耕作机械的姿态的控制。该系统及方法能便捷的实现对耕作机械的姿态与作业深度的控制。

Description

一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统及方法
技术领域
本发明属于农业种植机技术领域，具体涉及一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统及方法。
背景技术
机械耕作是农业生产的重要环节之一，耕作深度对土壤的物理特性、作物的后续生长情况均具有重要的影响。在传统作业过程中，往往是通过人工来对耕作深度进行控制，这种方式不仅作业质量得不到有效的保证，而且还会增加拖拉机驾驶者的劳动强度，这样，在进行大规模作业过程中，还容易引发安全事故。
现有技术中，由于受到拖拉机三点悬挂的锁止位置、拖拉机俯仰姿态和耕作机械自身的倾斜角度等多个参数的影响，耕作机械的作业深度往往难以进行稳定的控制，进而会影响耕作的作业质量。为此，亟需提供一种能对耕作机械的作业深度进行稳定的控制系统。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，该系统能便捷的实现对耕作机械的姿态与作业深度进行稳定的自动化控制，能够有利于确保耕作的作业质量。该方法步骤简单，实施成本低，能通过多种参数的监测来全方面的保障耕作机械姿态与作业深度稳定的可靠控制。
为了实现上述目的，本发明提供一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，包括发动机、联轴器、分动箱、油箱、控制器、耕作机械驱动系统和耕深调控与耕作机械调平系统；所述发动机通过联轴器与分动箱的输入轴连接；
所述耕作机械驱动系统主要由耕作机械变量驱动泵、耕作机械驱动马达、安全阀一、转速传感器和压力传感器组成；所述耕作机械变量驱动泵与分动箱的一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱连接，其排油口分别与耕作机械驱动马达的A口和安全阀一的进油口连接，耕作机械驱动马达的B口和安全阀一的出油口均与油箱连接；耕作机械驱动马达的传动轴与耕作机械的传动轴连接；所述转速传感器连接在耕作机械变量驱动泵的传动轴上，用于实时采集耕作机械变量驱动泵的转速信号，并实时发送给控制器；所述压力传感器连接在耕作机械驱动马达的A口上，用于实时采集耕作机械驱动马达的工作压力信号，并实时发送给控制器；
所述耕深调控与耕作机械调平系统主要由调控回路驱动泵、耕深电液比例控制阀、调平电液比例控制阀、耕深调控液压缸、调平液压缸、安全阀二、角度传感器、位移传感器和水平倾角传感器组成；所述调控回路驱动泵与分动箱的另一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱连接，其排油口分别与耕深电液比例控制阀的P口、调平电液比例控制阀的P口和安全阀二的进油口连接，耕深电液比例控制阀的A口和B口分别与耕深调控液压缸的无杆腔油口和有杆腔油口连接，调平电液比例控制阀的A口和B口分别与调平液压缸的无杆腔油口和有杆腔油口连接，耕深电液比例控制阀的T口、调平电液比例控制阀的T口和安全阀二的出油口均与油箱连接；所述角度传感器安装在耕作机械中三点悬挂拉杆的销轴上，用于实时采集耕作机械与拉杆的相对角度信号，并实时发送给控制器；所述水平倾角传感器安装在带动耕作机械行走的拖拉机机体上，用于实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，并实时发送给控制器；所述位移传感器连接在耕作机械中三点悬挂液压缸上，用于实时采集三点悬挂液压缸的行程信号，并实时发送给控制器；
所述控制器分别与发动机、耕作机械变量驱动泵、调控回路驱动泵、耕深电液比例控制阀、调平电液比例控制阀、转速传感器、压力传感器、角度传感器、水平倾角传感器和位移传感器连接。
进一步，为了方便提高耕深调控液压缸和调平液压缸动作的灵敏度，还包括与控制器连接的测速雷达，所述测速雷达安装在拖拉机上。
进一步，为了避免杂质进入到系统中损坏液压元件，所述耕作机械驱动系统还包括过滤器一，所述耕深调控与耕作机械调平系统还包括过滤器二，所述耕作机械变量驱动泵的吸油口通过过滤器一与油箱连接，所述调控回路驱动泵的吸油口通过过滤器二与油箱连接。
作为一种优选，所述耕深电液比例控制阀为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。通过使耕深电液比例控制阀为M型中位机能，能在耕深调控液压缸均不工作时，使调控回路驱动泵的输出油液直接流回油箱，从而可有效减少系统的发热情况。
作为一种优选，所述调平电液比例控制阀为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。通过使调平电液比例控制阀为M型中位机能，能在调平液压缸均不工作时，使调控回路驱动泵的输出油液直接流回油箱，从而可有效减少系统的发热情况。
作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。作为一种优选，角度传感器为拉线式位移传感器。
本发明中，通过在耕作机械变量驱动泵的传动轴上设置转速传感器，能便于实现对耕作机械变量驱动泵转速的监测；通过在耕作机械驱动马达的A口上设置压力传感器，能便于实时获得耕作机械驱动马达的工作压力；通过在耕作机械中三点悬挂拉杆的销轴上设置角度传感器，能便于实时获得集耕作机械与拉杆的相对角度；通过在拖拉机机体上设置水平倾角传感器，能便于实时获得拖拉机的俯仰姿态；通过在三点悬挂液压缸上设置位移传感器，能便于实时获得三点悬挂液压缸的行程。这样，控制器可以便于通过对耕作机械变量驱动泵的控制来实现对耕作机械驱动马达转速的控制，从而能方便的实现对耕作机械作业速度的控制；再者，控制器还可以便于通过耕作机械驱动马达的工作压力、排量和机械效率获得耕作机械驱动马达的负载扭矩，并进一步根据负载扭矩和耕作机械的幅宽来匹配出作业深度，同时，控制器还可以三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据匹配出实际作业深度，进而控制器可以便于通过对电液比例控制阀的控制来实现对耕深调控液压缸的控制，以使耕作深度保持在设定深度。此外，控制器还可以通过角度传感器实时获得耕作机械宽度方向上的姿态，这样能便于通过对电液比例控制阀的控制来实现对调平液压缸的控制，进而能使耕作机械保持在水平作业状态。该系统能便于自动化的实现对耕作机械的姿态与作业深度进行稳定的控制，能够有效保证耕作的作业质量。
本发明还提供了一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤一：在控制器收到与其连接的操纵手柄发出的启动信号后，控制发动机启动，进而通过分动箱分别驱动耕作机械变量驱动泵和调控回路驱动泵工作；
该过程中，控制器通过压力传感器实时采集耕作机械驱动马达的工作压力信号、通过转速传感器实时采集耕作机械变量驱动泵的转速信号，并实时获取耕作机械变量驱动泵的当前排量信号，获得耕作机械驱动马达的工作压力Δp、耕作机械变量驱动泵的转速和耕作机械变量驱动泵的当前排量数据；
步骤二：控制器基于耕作机械变量驱动泵的转速、当前排量和耕作机械驱动马达的排量参数，根据公式(1)输出调整电信号，且调整电信号通过放大器放大后发送给耕作机械变量驱动泵，耕作机械变量驱动泵根据调整电信号调整自身的排量，以使耕作机械驱动马达的转速保持在目标转速ntar；
Figure BDA0003608679250000041
式中，nr为耕作机械变量驱动泵的实时转速，Vp为所需要的耕作机械变量驱动泵的排量，Vm为耕作机械驱动马达的排量，为一常数值；
步骤三：操作人员根据实际作业工况利用与控制器连接的操纵手柄发出耕深监测模式信号或耕作机械调平模式信号；
步骤四：控制器在接收到耕深监测模式信号后执行耕深监测模式；控制器在接收到耕作机械调平模式信号后执行耕作机械调平模式；
在耕深监测模式下，控制器进一步执行负载监测法或姿态监测法；
所述负载监测法具体步骤如下：
S31：控制器根据公式(2)计算出耕作机械驱动马达的负载扭矩T；
Figure BDA0003608679250000042
式中，Vm为耕作机械驱动马达的排量，为一常数值，nm为耕作机械驱动马达的机械效率，为一常数值；
S32：控制器根据耕作机械的幅宽和获得的负载扭矩T匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸的无杆腔中，使耕深调控液压缸的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸的有杆腔中，使耕深调控液压缸的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀失电工作在中位；
所述姿态监测法具体步骤如下：
A31：控制器通过位移传感器实时采集三点悬挂液压缸的行程信号、通过角度传感器实时采集耕作机械与拉杆的相对角度信号、通过水平倾角传感器实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，获得三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据；
A32：控制器根据三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸的无杆腔中，使耕深调控液压缸的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸的有杆腔中，使耕深调控液压缸的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀失电工作在中位；
在耕作机械调平模式下，控制器通过角度传感器实时采集耕作机械与拉杆的相对角度信号，获得耕作机械宽度方向上的姿态，若与调平液压缸相对一侧的高度高于调平液压缸所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀左位得电接通，以将液压油供入调平液压缸的无杆腔中，使调平液压缸的活塞杆伸出，直至调平液压缸相对一侧的高度等于调平液压缸所在一侧的高度时控制电液比例控制阀失电工作在中位；若与调平液压缸相对一侧的高度低于调平液压缸所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀右位接通，以将液压油供入调平液压缸的有杆腔中，使调平液压缸的活塞杆缩回，直至调平液压缸相对一侧的高度等于调平液压缸所在一侧的高度时控制电液比例控制阀失电工作在中位。
作为一种优选，在步骤四中，控制器根据操纵手柄发出的负载监测信号或姿态监测信号来执行负载监测法或姿态监测法。
作为一种优选，在步骤二中，控制器根据测速雷达实时采集拖拉机的速度信号获得拖拉机的实时速度，并根据实时速度输出对应的控制信号给耕深电液比例控制阀和调平电液比例控制阀，以适应性的改变控制耕深电液比例控制阀和调平电液比例控制阀的阀口开度，进而适应性的改变耕深电液比例控制阀和调平电液比例控制阀的灵敏度。
进一步，为了确保在耕作机械驱动马达不工作时，系统无多余流量溢流，在步骤二中，当Δp为0时，控制器输出控制信号给耕作机械变量驱动泵，控制耕作机械变量驱动泵的排量为0。
本方法步骤简单，调节途径灵活，可根据不同实际工况来进行作业深度的调节，进而能够通过多种途径来确保作业深度的可靠控制。同时，该就去能方便的实现拖拉机姿态的可靠控制。由于拖拉机的姿态能够方便的调整为水平状态，再配合耕作机械与拉杆的相对角度能够实现耕作机械姿态的可靠调整，这样能确保机械姿态始终保持水平状态，进而能有效保障作业的质量满足设定的要求。
附图说明
图1是本发明中控制系统的液压原理图；
图2是本发明中的耕作机械结构的俯视图；
图3是本发明中的耕作机械结构的立体图；
图4是本发明中控制方法的流程图。
图中：1、发动机，2、转速传感器，3、联轴器，4、分动箱，5、过滤器一，6、耕作机械变量驱动泵，7、压力传感器，8、耕作机械驱动马达，9、耕作机械，10、油箱，11、安全阀一，12、过滤器二，13、调控回路驱动泵，14、耕深电液比例控制阀，15、耕深调控液压缸，16、调平液压缸，17、调平电液比例控制阀，18、安全阀二，19、三点悬挂左拉杆，20、三点悬挂中拉杆，21、三点悬挂右拉杆，22、角度传感器，23、上铰链，24、下铰链。
具体实施方式
下面对本发明作进一步说明。
如图1至图3所示，本发明提供一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，包括发动机1、联轴器3、分动箱4、油箱10、控制器、耕作机械驱动系统和耕深调控与耕作机械调平系统；所述发动机1通过联轴器3与分动箱4的输入轴连接；
所述耕作机械驱动系统主要由耕作机械变量驱动泵6、耕作机械驱动马达8、安全阀一11、转速传感器2和压力传感器7组成；所述耕作机械变量驱动泵6与分动箱4的一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱10连接，其排油口分别与耕作机械驱动马达8的A口和安全阀一11的进油口连接，耕作机械驱动马达8的B口和安全阀一11的出油口均与油箱10连接；安全阀一11用于设定耕作机械驱动系统的安全压力，当耕作机械驱动系统的工作压力大于等于安全阀一11的设定压力时，安全阀一11打开卸荷，当耕作机械驱动系统的工作压力小于安全阀一11的设定压力时，安全阀一11关闭；耕作机械驱动马达8的传动轴与耕作机械9的传动轴连接；所述转速传感器2连接在耕作机械变量驱动泵6的传动轴上，用于实时采集耕作机械变量驱动泵6的转速信号，并实时发送给控制器；所述压力传感器7连接在耕作机械驱动马达8的A口上，用于实时采集耕作机械驱动马达8的工作压力信号，并实时发送给控制器；
所述耕深调控与耕作机械调平系统主要由调控回路驱动泵13、耕深电液比例控制阀14、调平电液比例控制阀17、耕深调控液压缸15、调平液压缸16、安全阀二18、角度传感器、位移传感器和水平倾角传感器组成；所述调控回路驱动泵13与分动箱4的另一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱10连接，其排油口分别与耕深电液比例控制阀14的P口、调平电液比例控制阀17的P口和安全阀二18的进油口连接，耕深电液比例控制阀14的A口和B口分别与耕深调控液压缸15的无杆腔油口和有杆腔油口连接，调平电液比例控制阀17的A口和B口分别与调平液压缸16的无杆腔油口和有杆腔油口连接，耕深电液比例控制阀14的T口、调平电液比例控制阀17的T口和安全阀二18的出油口均与油箱10连接；安全阀二18用于设定耕深调控与耕作机械调平系统的安全压力，当耕深调控与耕作机械调平系统的工作压力大于等于安全阀二18的设定压力时，安全阀二18打开卸荷，当耕深调控与耕作机械调平系统的工作压力小于安全阀二18的设定压力时，安全阀二18关闭；所述角度传感器安装在耕作机械9中三点悬挂拉杆的销轴上，用于实时采集耕作机械9与拉杆的相对角度信号，并实时发送给控制器；所述水平倾角传感器安装在带动耕作机械9行走的拖拉机机体上，用于实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，并实时发送给控制器；所述位移传感器连接在耕作机械9中三点悬挂液压缸上，用于实时采集三点悬挂液压缸的行程信号，并实时发送给控制器；
所述控制器分别与发动机1、耕作机械变量驱动泵6、调控回路驱动泵13、耕深电液比例控制阀14、调平电液比例控制阀17、转速传感器2、压力传感器7、角度传感器、水平倾角传感器和位移传感器连接；所述控制器用于实时获得耕作机械变量驱动泵6的当前排量；用于根据接收到的耕作机械变量驱动泵6的转速信号获得耕作机械变量驱动泵6的转速；用于根据接收到的耕作机械驱动马达8的工作压力信号获得耕作机械驱动马达8的工作压力；用于根据耕作机械9与拉杆的相对角度信号获得耕作机械与拉杆的相对角度；用于根据拖拉机的俯仰姿态信号获得拖拉机的俯仰姿态数据；用于根据三点悬挂液压缸的行程信号，获得三点悬挂液压缸活塞杆的行程；用于根据耕作机械变量驱动泵6的转速和当前排量、耕作机械驱动马达8的排量参数控制耕作机械变量驱动泵调整自身的排量，以使耕作机械驱动马达8的转速保持在目标转速ntar；用于根据接收到的耕深监测模式信号或耕作机械调平模式信号执行耕深监测模式或耕作机械调平模式；用于在耕深监测模式下，根据耕作机械9的幅宽和获得的负载扭矩T匹配出实际作业深度，或者，用于根据三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行电液比例控制阀14的控制，使耕深调控液压缸15进行相应的动作，以确保耕作作业维持在设置作业深度；用于在耕作机械调平模式下，根据耕作机械与拉杆的相对角度信号，获得耕作机械宽度方向上的姿态，并根据姿态情况控制电液比例控制阀17进行相应的动作，以确保电液比例控制阀17始终处于水平状态。
如图2和图3所示，耕作机械9通过销轴与三点悬挂左拉杆19、三点悬挂右拉杆21、三点悬挂中拉杆20挂接，角度传感器22优先安装在三点悬挂中拉杆20的销轴上。调平液压缸16的一端通过上铰链23与三点悬挂中拉杆20连接，其另一端通过下铰链24与三点悬挂右拉杆21连接，并确保连接位置具有一定的转动自由度，以能方便的实现耕作机械9的调平作业。耕深调控液压缸15的两端连接耕作机械9与限深轮，用于调节限深轮与耕作机械9支承面的距离，从而来改变耕作深度；
为了方便提高耕深调控液压缸和调平液压缸动作的灵敏度，还包括与控制器连接的测速雷达，所述测速雷达安装在拖拉机上。
为了避免杂质进入到系统中损坏液压元件，所述耕作机械驱动系统还包括过滤器一5，所述耕深调控与耕作机械调平系统还包括过滤器二12，所述耕作机械变量驱动泵6的吸油口通过过滤器一5与油箱10连接，所述调控回路驱动泵13的吸油口通过过滤器二12与油箱10连接。
作为一种优选，所述耕深电液比例控制阀14为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。通过使耕深电液比例控制阀为M型中位机能，能在耕深调控液压缸均不工作时，使调控回路驱动泵的输出油液直接流回油箱，从而可有效减少系统的发热情况。
作为一种优选，所述调平电液比例控制阀17为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。通过使调平电液比例控制阀为M型中位机能，能在调平液压缸均不工作时，使调控回路驱动泵的输出油液直接流回油箱，从而可有效减少系统的发热情况。
作为一种优选，所述控制器为PLC控制器。
如图4所示，本发明还提供了一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，包括以下步骤：
步骤一：在控制器收到与其连接的操纵手柄发出的启动信号后，控制发动机1启动，进而通过分动箱4分别驱动耕作机械变量驱动泵6和调控回路驱动泵13工作；
该过程中，控制器通过压力传感器7实时采集耕作机械驱动马达8的工作压力信号、通过转速传感器2实时采集耕作机械变量驱动泵6的转速信号，并实时获取耕作机械变量驱动泵6的当前排量信号，获得耕作机械驱动马达8的工作压力Δp、耕作机械变量驱动泵6的转速和耕作机械变量驱动泵6的当前排量数据；
步骤二：控制器基于耕作机械变量驱动泵6的转速、当前排量和耕作机械驱动马达8的排量参数，根据公式(1)输出调整电信号，且调整电信号通过放大器放大后发送给耕作机械变量驱动泵6，耕作机械变量驱动泵6根据调整电信号调整自身的排量，以使耕作机械驱动马达8的转速保持在目标转速ntar；其中，目标转速ntar可以设置为三档，分别为540rev/min、720rev/min和1000rev/min；为了确保在耕作机械驱动马达不工作时，系统无多余流量溢流，该过程中，当Δp为0时，控制器控制耕作机械变量驱动泵6的排量为0；
Figure BDA0003608679250000091
式中，nr为耕作机械变量驱动泵6的实时转速，Vp为所需要的耕作机械变量驱动泵6的排量，Vm为耕作机械驱动马达8的排量，耕作机械驱动马达8为定量马达，为一常数值；
步骤三：操作人员根据实际作业工况利用与控制器连接的操纵手柄发出耕深监测模式信号或耕作机械调平模式信号；
步骤四：控制器在接收到耕深监测模式信号后执行耕深监测模式；控制器在接收到耕作机械调平模式信号后执行耕作机械调平模式；
在耕深监测模式下，控制器进一步执行负载监测法或姿态监测法；
所述负载监测法具体步骤如下：
S31：控制器根据公式(2)计算出耕作机械驱动马达8的负载扭矩T；
Figure BDA0003608679250000101
式中，Vm为耕作机械驱动马达8的排量，为一常数值，nm为耕作机械驱动马达8的机械效率，为一常数值；
S32：控制器根据耕作机械9的幅宽和获得的负载扭矩T匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀14左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸15的无杆腔中，使耕深调控液压缸15的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀14失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀14右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸15的有杆腔中，使耕深调控液压缸15的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀14失电工作在中位；
所述姿态监测法具体步骤如下：
A31：控制器通过位移传感器实时采集三点悬挂液压缸的行程信号、通过角度传感器实时采集耕作机械与拉杆的相对角度信号、通过水平倾角传感器实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，获得三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据；
A32：控制器根据三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀14左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸15的无杆腔中，使耕深调控液压缸15的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀14失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀14右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸15的有杆腔中，使耕深调控液压缸15的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀14失电工作在中位；
在耕作机械调平模式下，控制器通过角度传感器实时采集耕作机械与拉杆的相对角度信号，获得耕作机械宽度方向上的姿态，若与调平液压缸16相对一侧的高度高于调平液压缸16所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀17左位得电接通，以将液压油供入调平液压缸16的无杆腔中，使调平液压缸16的活塞杆伸出，直至调平液压缸16相对一侧的高度等于调平液压缸16所在一侧的高度时控制电液比例控制阀14失电工作在中位；若与调平液压缸16相对一侧的高度低于调平液压缸16所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀17右位接通，以将液压油供入调平液压缸16的有杆腔中，使调平液压缸16的活塞杆缩回，直至调平液压缸16相对一侧的高度等于调平液压缸16所在一侧的高度时控制电液比例控制阀14失电工作在中位。
作为一种优选，在步骤四中，控制器根据操纵手柄发出的负载监测信号或姿态监测信号来执行负载监测法或姿态监测法。
作为一种优选，在步骤二中，控制器根据测速雷达实时采集拖拉机的速度信号获得拖拉机的实时速度，并根据实时速度输出对应的控制信号给耕深电液比例控制阀14和调平电液比例控制阀17，以适应性的改变控制耕深电液比例控制阀14和调平电液比例控制阀17的阀口开度，进而适应性的改变耕深电液比例控制阀14和调平电液比例控制阀17的灵敏度。具体地，当拖拉机的行走速度为1m/s时，耕深调控液压缸15和调平液压缸16的动作速度为k(m/s)，当拖拉机行走速度增加至2.0m/s时，耕深调控液压缸15和调平液压缸16的动作速度为2k(m/s),比例系数k由控制器调整进行设定。
本方法步骤简单，调节途径灵活，可根据不同实际工况来进行作业深度的调节，进而能够通过多种途径来确保作业深度的可靠控制。同时，该就去能方便的实现拖拉机姿态的可靠控制。由于拖拉机的姿态能够方便的调整为水平状态，再配合耕作机械与拉杆的相对角度能够实现耕作机械姿态的可靠调整，这样能确保机械姿态始终保持水平状态，进而能有效保障作业的质量满足设定的要求。

Claims (10)

1.一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，包括发动机(1)、联轴器(3)、分动箱(4)、油箱(10)和控制器，所述发动机(1)通过联轴器(3)与分动箱(4)的输入轴连接；其特征在于，还包括耕作机械驱动系统和耕深调控与耕作机械调平系统；
所述耕作机械驱动系统主要由耕作机械变量驱动泵(6)、耕作机械驱动马达(8)、安全阀一(11)、转速传感器(2)和压力传感器(7)组成；所述耕作机械变量驱动泵(6)与分动箱(4)的一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱(10)连接，其排油口分别与耕作机械驱动马达(8)的A口和安全阀一(11)的进油口连接，耕作机械驱动马达(8)的B口和安全阀一(11)的出油口均与油箱(10)连接；耕作机械驱动马达(8)的传动轴与耕作机械(9)的传动轴连接；所述转速传感器(2)连接在耕作机械变量驱动泵(6)的传动轴上，用于实时采集耕作机械变量驱动泵(6)的转速信号，并实时发送给控制器；所述压力传感器(7)连接在耕作机械驱动马达(8)的A口上，用于实时采集耕作机械驱动马达(8)的工作压力信号，并实时发送给控制器；
所述耕深调控与耕作机械调平系统主要由调控回路驱动泵(13)、耕深电液比例控制阀(14)、调平电液比例控制阀(17)、耕深调控液压缸(15)、调平液压缸(16)、安全阀二(18)、角度传感器(22)、位移传感器和水平倾角传感器组成；所述调控回路驱动泵(13)与分动箱(4)的另一个输出轴同轴连接，其吸油口与油箱(10)连接，其排油口分别与耕深电液比例控制阀(14)的P口、调平电液比例控制阀(17)的P口和安全阀二(18)的进油口连接，耕深电液比例控制阀(14)的A口和B口分别与耕深调控液压缸(15)的无杆腔油口和有杆腔油口连接，调平电液比例控制阀(17)的A口和B口分别与调平液压缸(16)的无杆腔油口和有杆腔油口连接，耕深电液比例控制阀(14)的T口、调平电液比例控制阀(17)的T口和安全阀二(18)的出油口均与油箱(10)连接；所述角度传感器(22)安装在耕作机械(9)中三点悬挂拉杆的销轴上，用于实时采集耕作机械(9)与拉杆的相对角度信号，并实时发送给控制器；所述水平倾角传感器安装在带动耕作机械(9)行走的拖拉机机体上，用于实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，并实时发送给控制器；所述位移传感器连接在耕作机械(9)中三点悬挂液压缸上，用于实时采集三点悬挂液压缸的行程信号，并实时发送给控制器；
所述控制器分别与发动机(1)、耕作机械变量驱动泵(6)、调控回路驱动泵(13)、耕深电液比例控制阀(14)、调平电液比例控制阀(17)、转速传感器(2)、压力传感器(7)、角度传感器(22)、水平倾角传感器和位移传感器连接。
2.根据权利要求1所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，其特征在于，还包括与控制器连接的测速雷达，所述测速雷达安装在拖拉机上。
3.根据权利要求1或2所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，其特征在于，所述耕作机械驱动系统还包括过滤器一(5)，所述耕深调控与耕作机械调平系统还包括过滤器二(12)，所述耕作机械变量驱动泵(6)的吸油口通过过滤器一(5)与油箱(10)连接，所述调控回路驱动泵(13)的吸油口通过过滤器二(12)与油箱(10)连接。
4.根据权利要求3所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，其特征在于，所述耕深电液比例控制阀(14)为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱(10)连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
5.根据权利要求4所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，其特征在于，所述调平电液比例控制阀(17)为三位四通换向阀，其得电工作在左位时，其P口与A口之间的油路连通，其T口和B口之间的油路连通，其失电工作在中位时，其A口和B口均封闭，且互不连通，其P口和T口相连通后与油箱(10)连通，其得电工作在右位时，其P口与B口之间的油路连通，其T口和A口之间的油路连通。
6.根据权利要求5所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。
7.一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在控制器收到与其连接的操纵手柄发出的启动信号后，控制发动机(1)启动，进而通过分动箱(4)分别驱动耕作机械变量驱动泵(6)和调控回路驱动泵(13)工作；
该过程中，控制器通过压力传感器(7)实时采集耕作机械驱动马达(8)的工作压力信号、通过转速传感器(2)实时采集耕作机械变量驱动泵(6)的转速信号，并实时获取耕作机械变量驱动泵(6)的当前排量信号，获得耕作机械驱动马达(8)的工作压力Δp、耕作机械变量驱动泵(6)的转速和耕作机械变量驱动泵(6)的当前排量数据；
步骤二：控制器基于耕作机械变量驱动泵(6)的转速、当前排量和耕作机械驱动马达(8)的排量参数，根据公式(1)输出调整电信号，且调整电信号通过放大器放大后发送给耕作机械变量驱动泵(6)，耕作机械变量驱动泵(6)根据调整电信号调整自身的排量，以使耕作机械驱动马达(8)的转速保持在目标转速ntar；
Figure FDA0003608679240000031
式中，nr为耕作机械变量驱动泵(6)的实时转速，Vp为所需要的耕作机械变量驱动泵(6)的排量，Vm为耕作机械驱动马达(8)的排量，为一常数值；
步骤三：操作人员根据实际作业工况利用与控制器连接的操纵手柄发出耕深监测模式信号或耕作机械调平模式信号；
步骤四：控制器在接收到耕深监测模式信号后执行耕深监测模式；控制器在接收到耕作机械调平模式信号后执行耕作机械调平模式；
在耕深监测模式下，控制器进一步执行负载监测法或姿态监测法；
所述负载监测法具体步骤如下：
S31：控制器根据公式(2)计算出耕作机械驱动马达(8)的负载扭矩T；
Figure FDA0003608679240000032
式中，Vm为耕作机械驱动马达(8)的排量，为一常数值，nm为耕作机械驱动马达(8)的机械效率，为一常数值；
S32：控制器根据耕作机械(9)的幅宽和获得的负载扭矩T匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀(14)左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸(15)的无杆腔中，使耕深调控液压缸(15)的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀(14)右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸(15)的有杆腔中，使耕深调控液压缸(15)的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过实时获得的负载扭矩T进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位；
所述姿态监测法具体步骤如下：
A31：控制器通过位移传感器实时采集三点悬挂液压缸的行程信号、通过角度传感器(22)实时采集耕作机械(9)与拉杆的相对角度信号、通过水平倾角传感器实时采集拖拉机的俯仰姿态信号，获得三点悬挂液压缸的行程、耕作机械(9)与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据；
A32：控制器根据三点悬挂液压缸的行程、耕作机械(9)与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据匹配出实际作业深度，并根据实际作业深度与设置作业深度的对比情况进行判定；若监测出的实际作业深度大于设置作业深度，控制电液比例控制阀(14)左位得电接通，以将液压油供入耕深调控液压缸(15)的无杆腔中，使耕深调控液压缸(15)的活塞杆伸出，耕作深度变浅，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械(9)与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位；若监测出的实际作业深度小于设置作业深度，控制电液比例控制阀(14)右位接通，以将液压油供入耕深调控液压缸(15)的有杆腔中，使耕深调控液压缸(15)的活塞杆缩回，耕作深度变深，并通过获得的三点悬挂液压缸的行程、耕作机械(9)与拉杆的相对角度和拖拉机的俯仰姿态数据进行闭环控制，直至达到设置作业深度后控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位；
在耕作机械调平模式下，控制器通过角度传感器(22)实时采集耕作机械(9)与拉杆的相对角度信号，获得耕作机械宽度方向上的姿态，若与调平液压缸(16)相对一侧的高度高于调平液压缸(16)所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀(17)左位得电接通，以将液压油供入调平液压缸(16)的无杆腔中，使调平液压缸(16)的活塞杆伸出，直至调平液压缸(16)相对一侧的高度等于调平液压缸(16)所在一侧的高度时控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位；若与调平液压缸(16)相对一侧的高度低于调平液压缸(16)所在一侧的高度时，控制电液比例控制阀(17)右位接通，以将液压油供入调平液压缸(16)的有杆腔中，使调平液压缸(16)的活塞杆缩回，直至调平液压缸(16)相对一侧的高度等于调平液压缸(16)所在一侧的高度时控制电液比例控制阀(14)失电工作在中位。
8.根据权利要求7所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，其特征在于，在步骤四中，控制器根据操纵手柄发出的负载监测信号或姿态监测信号来执行负载监测法或姿态监测法。
9.根据权利要求8所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，其特征在于，在步骤二中，控制器根据测速雷达实时采集拖拉机的速度信号获得拖拉机的实时速度，并根据实时速度输出对应的控制信号给耕深电液比例控制阀(14)和调平电液比例控制阀(17)，以适应性的改变控制耕深电液比例控制阀(14)和调平电液比例控制阀(17)的阀口开度，进而适应性的改变耕深电液比例控制阀(14)和调平电液比例控制阀(17)的灵敏度。
10.根据权利要求9所述的一种耕作机械姿态与作业深度稳定控制方法，其特征在于，在步骤二中，当Δp为0时，控制器输出控制信号给耕作机械变量驱动泵(6)，控制耕作机械变量驱动泵(6)的排量为0。
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