葉 娟,陳君梅*

（廣東科學(xué)技術(shù)職業(yè)學(xué)院廣州學(xué)院，廣東廣州，510640）

0 引言

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),發(fā)展農(nóng)業(yè)規(guī)?；途?xì)化生產(chǎn)離不開(kāi)土地平整技術(shù)。農(nóng)田表面平整狀況對(duì)地面灌溉質(zhì)量和效率有著重要影響, 應(yīng)用激光控制平地技術(shù)進(jìn)行農(nóng)田土地平整, 可以有效改善農(nóng)田表面狀況, 提高農(nóng)田灌溉水的利用率, 實(shí)現(xiàn)精細(xì)地面灌溉。世界范圍內(nèi)的大量研究表明，土地被平整后可提高莊稼產(chǎn)量20 ～30%，可節(jié)水30 ～50%，水田土地利用率提高9%，并可減少農(nóng)藥、化肥和除草劑的使用量。激光平地技術(shù)是現(xiàn)有的最先進(jìn)、最有效的土地精平技術(shù)，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中一項(xiàng)重要的節(jié)本增效措施，應(yīng)用前景開(kāi)闊，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械化建設(shè)具有重要意義。

通過(guò)對(duì)水田激光平地機(jī)平地鏟工作原理的分析和數(shù)學(xué)推算，建立水田激光平地機(jī)平地鏟液壓伺服系統(tǒng)（電磁閥）傳遞函數(shù)模型。

水平平地鏟工作示意圖如圖1 所示，經(jīng)過(guò)初步推算，建立平地鏟傳遞函數(shù)模型為

擬對(duì)該模型使用Matlab 進(jìn)行機(jī)械、液壓、電控系統(tǒng)仿真，以求達(dá)到理想控制效果。

圖1 平地鏟工作示意圖

1 系統(tǒng)模擬概述

系統(tǒng)模擬（亦稱系統(tǒng)仿真）是指通過(guò)建立和運(yùn)行系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，來(lái)模仿實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及其隨時(shí)間變化的規(guī)律，以實(shí)現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)的全過(guò)程。這是近年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新興技術(shù)學(xué)科。實(shí)際對(duì)象通常是復(fù)雜系統(tǒng)，難以通過(guò)真實(shí)的實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析、研究。因此，系統(tǒng)模擬技術(shù)就成為十分重要甚至必不可少的工具。本文中介紹的水田激光平地機(jī)，有高程控制系統(tǒng)而且擁有獨(dú)立的水平控制系統(tǒng)，能較好地保持平地鏟水平，具有良好的平地效果，能滿足更廣泛、更實(shí)際的水田地形條件。但水田激光平地機(jī)功率大機(jī)身重，易受干擾而出現(xiàn)誤操作，在田埂轉(zhuǎn)彎處水平難以控制?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐操作工作不協(xié)調(diào)，相互干涉，工作效率偏低。我們采用系統(tǒng)模擬通過(guò)對(duì)水田激光平地機(jī)模擬運(yùn)行過(guò)程的觀察和統(tǒng)計(jì)，得到被模擬系統(tǒng)的模擬輸出參數(shù)和基本特性，以此來(lái)估計(jì)和推斷實(shí)際系統(tǒng)的真實(shí)參數(shù)和真實(shí)性能，為真實(shí)系統(tǒng)問(wèn)題的決策提供科學(xué)依據(jù)。

系統(tǒng)模擬作為系統(tǒng)研究和實(shí)踐中的一個(gè)重要技術(shù)手段，在求解水田激光平地機(jī)傳遞函數(shù)模型等復(fù)雜的系統(tǒng)問(wèn)題中，具有下列幾個(gè)特點(diǎn)：

圖2 系統(tǒng)模擬的特點(diǎn)

2 激光平地機(jī)系統(tǒng)模擬分析

激光平地機(jī)工作時(shí)，激光發(fā)射器發(fā)出旋轉(zhuǎn)光束，在工作地塊的定位高度上形成一片光平面，此光平面就是憑證地的基準(zhǔn)平面。激光接收器安裝在靠近刮土鏟鏟刃的固定桿上，從激光束到鏟刃之間的這段固定距離，即為標(biāo)高定位測(cè)量基準(zhǔn)。當(dāng)接收器檢測(cè)到激光信號(hào)后，不停的向控制箱發(fā)送電信號(hào)，控制箱接收到標(biāo)高變化的信號(hào)后，進(jìn)行自動(dòng)修正，修正后的電信號(hào)控制液壓控制閥，以改變液壓油輸向油缸的流向與流量，自動(dòng)控制刮土鏟的高度，使之保持定位的標(biāo)高平面，即可完成高精度的土地平整作業(yè)。

激光不但發(fā)射頻率大而且傳輸速度也快，因此在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，直接針對(duì)單個(gè)激光粒子或激光脈沖直接進(jìn)行分析研究可行性較低，該仿真系統(tǒng)以可視化的激光傳輸過(guò)程、機(jī)械、液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)管理和電控系統(tǒng)的虛擬訓(xùn)練為對(duì)象。通過(guò)模擬，實(shí)現(xiàn)位置偏差信號(hào)識(shí)別，可實(shí)時(shí)控制平地鏟的移動(dòng)方向與幅度，完成一體化仿真。操作人員全面把握試驗(yàn)過(guò)程中各元器件的安全狀態(tài)，并檢驗(yàn)裝置的合理性等，通過(guò)計(jì)算軟件Matlab 的處理，記錄、對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，獲得一個(gè)完整全面的分析結(jié)果，不斷改進(jìn)和完善水平控制系統(tǒng)，直至達(dá)到最優(yōu)控制效果。因此，激光平地機(jī)系統(tǒng)模擬應(yīng)具備以下功能：

圖3 系統(tǒng)模擬的功能

3 編程方法實(shí)現(xiàn)

MATLAB 是由美國(guó)mathworks 公司開(kāi)發(fā)的高科技計(jì)算環(huán)境，具有數(shù)值分析、矩陣計(jì)算、科學(xué)數(shù)據(jù)可視化、非線性動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等強(qiáng)大功能。以高性能的數(shù)組運(yùn)算（包括矩陣運(yùn)算）為基礎(chǔ)，不僅實(shí)現(xiàn)了大多數(shù)數(shù)學(xué)算法的高效運(yùn)行函數(shù)和數(shù)據(jù)可視化，而且提供了非常高效的計(jì)算機(jī)高級(jí)編程語(yǔ)言。在激光平地機(jī)的仿真系統(tǒng)中，通過(guò)分析和數(shù)學(xué)推算，建立電磁閥傳遞函數(shù)模型，以Matlab 實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)的后處理，建立了粒子系統(tǒng)進(jìn)行管理，再對(duì)激光光束傳輸?shù)目梢暬?、傳遞函數(shù)模型計(jì)算機(jī)三維仿真驗(yàn)證。

激光感應(yīng)系統(tǒng)的靈敏度較人工肉眼判斷和拖拉機(jī)上操作人員的手動(dòng)液壓系統(tǒng)準(zhǔn)確10 ～15 倍，采用水平控制算法，使水平控制精度提高20%以上，加入控制參數(shù)自適應(yīng)和自診斷功能，實(shí)現(xiàn)水平控制與高程控制協(xié)同工作。仿真流程為：

南方水田硬底層高低不平,水田激光平地機(jī)利用MATLAB軟件完成編程如下：

1）假設(shè)x,y,z 組成一組曲線的坐標(biāo)參數(shù)，當(dāng)x,y,z 是同維向量時(shí)，則x,y,z 對(duì)應(yīng)元素構(gòu)成一條三維曲線。當(dāng)x,y,z 是同維矩陣時(shí)，則以x,y,z 對(duì)應(yīng)列元素繪制三維曲線，曲線條數(shù)等于矩陣列數(shù)。

2）MATLAB 具有極其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)可視化功能，可制作激光平地機(jī)具有出版質(zhì)量圖形，在同一圖形窗口布置幾幅獨(dú)立的子圖，產(chǎn)生的子圖彼此獨(dú)立。

4 結(jié)論

在水田激光平地機(jī)中應(yīng)用Matlab 軟件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬仿真，有助于我們實(shí)現(xiàn)高效的開(kāi)發(fā)、調(diào)試，耗時(shí)短，耗資小，耗材少，通過(guò)仿真校驗(yàn)分析，不斷地修訂算法和函數(shù)模型，做到了直觀顯示與復(fù)雜計(jì)算的統(tǒng)一，以獲取最佳狀態(tài)和最精準(zhǔn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)控制效果最優(yōu)化。

圖4 系統(tǒng)仿真流程

圖5 曲面的繪制結(jié)果

[1] 姚亞萍.激光控制平地系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西北農(nóng)林科技大學(xué)2010 屆攻讀碩士學(xué)位研究生學(xué)位論文，2010.

[2] 黎永鍵，趙祚喜.水田激光平地機(jī)平地鏟姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2012，（2）：69-74

[3] 葛建兵，倪向東，李盛林，曹杰.Multisim 在激光控制平地機(jī)控制器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].中國(guó)科技博覽，2009，(7)：30.

[4] 夏文俊，王峻峰，李世其.基于虛擬樣機(jī)的激光傳輸模擬仿真系統(tǒng)開(kāi)發(fā)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，（14）：3237-3240

[5] Rickman J F.Manual for laser land leveling[R]. Rice-Wheat Consortium Technical Bulletin Series 5，2002.