吳偉斌 ，馮運琳 ，許棚搏，張建莉 ，洪添勝，游展輝 ，朱高偉

( 1.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州　510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械研究室，廣州　510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州　510642 )

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基于路譜的車載噴霧器噴桿振動聯(lián)合仿真系統(tǒng)

吳偉斌1,2,3，馮運琳3，許棚搏3，張建莉3，洪添勝1,2,3，游展輝3，朱高偉3

( 1.南方農(nóng)業(yè)機械與裝備關鍵技術教育部重點實驗室，廣州510642；2.國家柑橘產(chǎn)業(yè)技術體系機械研究室，廣州510642；3.華南農(nóng)業(yè)大學 工程學院，廣州510642 )

摘要：在農(nóng)業(yè)藥物噴霧過程中，由于噴霧器在水平和垂直方向不必要的頻繁運動，造成噴霧的不足或過量，產(chǎn)生農(nóng)藥的浪費、殘留和環(huán)境污染等問題。為此，設計一種按照不同地形、不同振動程度進行實時調節(jié)的噴霧系統(tǒng)，并進行仿真測試。首先通過ADAMS和MatLab建模，然后使用五輪儀進行路譜數(shù)據(jù)采集并結合LabVIEW進行聯(lián)合仿真，與此同時進行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g這3種正弦激勵的試驗。數(shù)據(jù)顯示：當振幅由0.5g增至1g時，加速度的增幅將近50%；當頻率從1Hz增至2Hz時，加速度的增幅則超過了50%。在速度為5km/h和8km/h的兩種情況下進行實地與仿真測試,仿真的結果與路面激勵下噴霧器噴桿的實際振動情況基本相符。

關鍵詞：車載噴霧器；虛擬樣機；聯(lián)合仿真；路譜

0引言

隨著可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)農(nóng)業(yè)觀念的廣泛普及，我國在農(nóng)藥噴施和霧化機械的研究逐漸深入[1]。經(jīng)過多年的研究，國內外專家認為噴霧的霧滴大小直接影響農(nóng)藥的使用劑量和防治效果[2-5]，應采用先進技術使霧粒徑針對不同的生物靶標保持在適宜范圍內，減少飄移。噴霧技術向小霧滴方向發(fā)展，是當前改善傳統(tǒng)噴霧器械的趨勢[6-11]。因此，對微噴頭噴霧分布質量的研究成為噴霧器械研究的一個新的方向。

使用先進的農(nóng)藥噴施技術是解決農(nóng)藥殘留量問題的有效措施之一。目前主要存在的問題：噴桿振動大、不平衡；影響霧滴質量(顆粒大小、穿透性、飄移性)；影響噴施均勻性，當流量小時造成噴灑不夠均勻，當流量大時造成藥液流失污染環(huán)境；影響噴施效果，不能滿足植物對藥液的實際需求[12-14]。

起伏不平的路譜會引起機械的振動[15]，特別是噴桿系統(tǒng)的振動，成為影響噴霧質量不容忽略的一個因素。因此，本文進行基于路譜的車載噴霧器噴桿系統(tǒng)研究并進行仿真測試。

1振動原因分析

以農(nóng)用噴桿式噴霧機為例，當輪胎與土壤接觸時，由于沒有限制噴桿式噴霧機機構的自由度，所以它有6個自由度：3個平移和3個轉動，如圖1所示。圍繞X、Y、Z旋轉的分別是俯仰、滾動和偏轉。噴桿式噴霧機及輪胎的特點決定了地面的起伏作用于噴桿式噴霧機上，引起噴桿的振動。

圖1　噴桿式噴霧機自由度示意

噴桿式噴霧機的車輪和地面接觸由兩個力組成：徑向的接觸力和切向的摩擦力，而徑向的接觸力就是引起垂直振動的激勵源。

2系統(tǒng)構建

2.1　建立仿真模型

由于汽車動力學模型的應用領域不同，對模型的精度要求也不一樣，一方面要求模擬部分汽車動力學特性，另一方面要求有控制系統(tǒng)。所以，采用ADAMS和MatLab分別對農(nóng)用運輸機的機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)建模，并實現(xiàn)ADAMS環(huán)境下建立的虛擬樣機模型與SIMULINK環(huán)境下建立的模型之間的通訊，進行在環(huán)仿真研究。

ADAMS和MATLA通過狀態(tài)變量進行通訊，如圖2所示。因此，必須基于一組狀態(tài)變量進行輸入、輸出定義。

在ADAMS/Controls中，輸出是指從ADAMS到控制軟件的數(shù)據(jù)，輸入是指從控制軟件傳回ADAMS的數(shù)據(jù)，通過輸入輸出實現(xiàn)ADAMS和控制軟件之間的信息閉合循環(huán)，即軟件在環(huán)仿真。

圖2　ADAMS/View虛擬樣機與MATLAB接口圖

2.2　基于LabVIEW/Simulink的仿真系統(tǒng)

將MatLab的Simulink開發(fā)工具和LabVIEW的仿真接口工具包(Simulation Interface Toolkit，簡稱SIT)相結合，對控制器的控制邏輯、控制對象環(huán)境進行建模仿真[11-12]，以在前期就對系統(tǒng)指標、誤差等進行快速評估，如圖3所示。

圖3　基于LabVIEW/Simulink的仿真系統(tǒng)結構圖

2.3　路面譜分析原理

道路是車輛振動最主要的輸入源, 研究路面不平度的統(tǒng)計規(guī)律是研究汽車振動與平順性的重要基礎工作[13-16]。車輛近似作為線性系統(tǒng)處理, 掌握了輸入的路面不平度功率譜及車輛系統(tǒng)的動態(tài)特性，就可求出噴桿式噴霧機振動系統(tǒng)的輸出。

時間頻率、空間頻率路面譜密度公式為

(1)

(2)

其中，Sq(f)為時間頻率路面自功率譜密度；Sq(n)為空間頻率路面自功率譜密度；Sz(f)為五輪軸頭道路實測時間頻率加速度自功率譜密度；Hy-x(f)為輪邊(激振臺臺面)至五輪軸頭的頻率響應函數(shù)(傳遞函數(shù))。

目前，我國在路面譜采集方面較為完善，最為簡單有效的方法是采用五輪儀法，把五輪儀根據(jù)實際安裝角度安裝在振動臺上，如圖4所示。

圖4　五輪儀在振動臺上安裝示意圖

2.4　系統(tǒng)結構圖

實時仿真系統(tǒng)結構如圖5所示。五輪儀用剛性材料與車輛連接，在行駛的過程中，地面的起伏引起五輪儀的垂直振動。DAQ采集卡將加速度傳感器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)通過USB數(shù)據(jù)線傳送到計算機內部，最后在ADAMS/View中實時仿真，并將仿真的結果輸出到LabVIEW進行保存。

圖5 系統(tǒng)結構圖

3試驗過程

3.1　激振試驗

完成3組標準激振試驗：①1Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應；②2Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應；③1Hz1g正弦激勵下激勵與響應。激振試驗現(xiàn)場如圖6所示。

圖6　激振試驗現(xiàn)場圖

3.2　測量信號采集

采用LabVIEW進行激振試驗的數(shù)據(jù)采集，程序框圖如圖7、圖8所示。

圖7　激振試驗的數(shù)據(jù)采集前面板

圖8　LabVIEW程序框圖

3.3　結果數(shù)據(jù)

3組激振試驗測量信號結果如表1～表3所示。

表1　1Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應

續(xù)表1

表2　2Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應

表3　1Hz1g正弦激勵下激勵與響應

4數(shù)據(jù)分析

4.1　離散系統(tǒng)的模型辨識

通過3組標準試驗得到不同振幅和頻率激勵下的數(shù)據(jù)，將結果轉換成離散傳遞函數(shù)模型，則

試驗結果對比分別如圖8～圖10所示。

圖9　1Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應

圖10　2Hz0.5g正弦激勵下激勵與響應

圖11　1Hz1g正弦激勵下激勵與響應

振幅的大小代表路面不平度，而頻率變化則代表著行駛車速。

對比3組試驗，隨著激勵振幅和頻率的增大，加速度也隨之增大。比較圖8和圖9可知：當振幅由0.5g增至1g時，簧載質量加速度的增幅將近50%左右；而當頻率從1Hz增至2Hz時，簧載質量加速度的增幅則超過了50%。

4.2　激勵信號還原與仿真

加速度傳感器采集信號為

Y=H·X

其中，Y為加速度傳感器采集到的信號；H為傳遞函數(shù)(從地面激勵到加速度傳感器軸頭)；X為地面激勵信號。

由X=H-1·Y得到還原地面激勵信號X,結果如圖12和圖13所示。其分別為不同車速的加速度傳感器上采集到的加速度信號還原得到的路面加速度激勵信號和通過虛擬樣機仿真得到的噴桿振動響應信號。

圖12　激勵與響應(速度5km/h)

圖13　激勵與響應(速度8km/h)

由圖12和圖13可知：在速度為5km/h和8km/h兩種情況下，仿真的結果與路面激勵下噴霧器噴桿的實際振動情況基本相符。這說明，系統(tǒng)較準確可靠。

5結論

1)建立接口實現(xiàn)3種軟件的聯(lián)合仿真。在ADAMS/View中確定輸入輸出變量，然后導出控制MatLab參數(shù)控制參數(shù)，再應用SIT實現(xiàn)LabVIEW與MatLab的連接，實現(xiàn)了實時仿真，為研究創(chuàng)建一個簡單方便的平臺。

2)針對目前噴霧過程中不能根據(jù)地面特性進行動態(tài)調節(jié)噴桿噴霧的情況，設計一種依據(jù)不同地形、不同振動程度進行實時調節(jié)的噴霧系統(tǒng)并進行仿真測試，并進行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g這3種正弦激勵的試驗。結果表明：當振幅由0.5g增至1g時，加速度的增幅將近50%；當頻率從1Hz增至2Hz時，加速度的增幅則超過了50%。

3)在速度為5km/h和8km/h的兩種情況下，通過傳感器采集實地路面信號，同時進行仿真測試，將實際數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比。結果顯示：仿真的結果與路面激勵下噴霧器噴桿的實際振動情況基本相符，滿足系統(tǒng)設計要求。

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Joint Simulation System of Vehicle Sprayer Vibration Based on Road Spectrum

Wu Weibin1,2,3, Feng Yunlin3, Xu Pengbo3, Zhang Jiangli3, Hong Tiansheng1,2,3,You Zhanghui3, Zhu Gaowei3

( 1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China;2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System，Guangzhou 510642,China；3.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China )

Abstract：In the process of drug spraying in agriculture currently, due to the nebulizer frequent and unnecessary movement in the horizontal and vertical directions, it resulted in spraying insufficiently or excessively, caused many issues such as waste, residue, environmental pollution and so on. Therefore we designed a spray system that carried out real-time adjustment and made simulation tests which according to different topography and vary degrees of vibration. ADAMS and MATLAB were applied to model firstly, and then the data of road spectral were collected through the fifth wheel method and made the co-simulation with LabVIEW, meanwhile we conducted three kinds of sinusoidal excitation experiments which were 1Hz0.5g, 2Hz0.5g,1Hz1g.With data displayed that, when the amplitude increased from 0.5g to 1g,the growth in acceleration was nearly 50%,when the frequency was increased from 1Hz to 2Hz, the growth in acceleration was more than 50%. The test of reality and simulation were both carried out under the conditions of 5km / h and 8km / h, the simulation results conformed to the actual situation nearly.

Key words：car sprayer; virtual prototyping ; joint simulation; real-time simulation; road spectrum

中圖分類號：S491；S237

文獻標識碼：A

文章編號：1003-188X(2016)08-0227-05

作者簡介：吳偉斌(1978-)，男，廣東中山人，教授，博士，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。通訊作者：洪添勝(1955-)，男，廣東梅縣人，教授，博士生導師，博士，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

基金項目：公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(201203016,201403036)；廣東省惠州市產(chǎn)學研結合項目(2013B050013015)；“十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAD16B0103)

收稿日期：2015-07-20