白學(xué)峰，常江雪，魯植雄，紀(jì)鴻波，鄭 巍

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗(yàn)鑒定站，南京 210017；2.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南京 210007；3.南京農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，南京 210031)

0 引言

耕作是拖拉機(jī)的重要功能，而液壓懸掛系統(tǒng)是影響耕作質(zhì)量的關(guān)鍵因素。液壓懸掛技術(shù)發(fā)展至今主要經(jīng)過(guò)了機(jī)械液壓控制、液壓伺服控制、電子液壓控制3個(gè)階段，現(xiàn)在國(guó)外拖拉機(jī)先進(jìn)生產(chǎn)企業(yè)普遍標(biāo)配電控液壓懸掛系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)還主要是液壓伺服控制系統(tǒng)，部分企業(yè)在高端拖拉機(jī)上引進(jìn)了電控技術(shù)，也有一些企業(yè)和高校進(jìn)行了相應(yīng)的研究，取得了較大進(jìn)展，但暫沒(méi)有十分可靠的量產(chǎn)產(chǎn)品[1-3]。Jeyong L.等人就電控液壓懸掛系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究，證明裝有該系統(tǒng)的拖拉機(jī)效率更高，滑轉(zhuǎn)率可降低7%～30%，能耗可降低2%～3%，工作效率可提高3.4%～3.8%[4-6]。因此，有必要進(jìn)行電控液壓懸掛研究，攻克技術(shù)難題，提高我國(guó)拖拉機(jī)技術(shù)水平。本文以穩(wěn)定、高效、可行的原則設(shè)計(jì)拖拉機(jī)自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)及新型的油路系統(tǒng)。LMS公司的AMESim軟件是當(dāng)今工業(yè)界功能最全面、最為普及的機(jī)電液智能系統(tǒng)仿真分析平臺(tái)，擁有全面的液壓元件模型，可以快捷、方便地實(shí)現(xiàn)仿真分析，是了解和改善產(chǎn)品動(dòng)態(tài)特性、提升產(chǎn)品性能、分析和解決產(chǎn)品故障的有效手段。本文基于AMEsim對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，研究其動(dòng)態(tài)特性，驗(yàn)證系統(tǒng)的響應(yīng)性與穩(wěn)定性。

1 自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 整體概述

拖拉機(jī)自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)主要由控制器、電液比例換向閥、雙作用油缸、控制面板、測(cè)速雷達(dá)、角位傳感器、拉壓力傳感器及編碼器等組成。其主要是實(shí)現(xiàn)基于力-位-滑轉(zhuǎn)率三參數(shù)的液壓懸掛自動(dòng)控制，以力位控制為主，兼顧滑轉(zhuǎn)率的控制。系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)工作原理Fig.1 Operating principle of tractor tilling depth automatic control system

工作時(shí)，控制器根據(jù)控制面板設(shè)定的力、位、滑轉(zhuǎn)率初始值輸出控制信號(hào)控制電液比例換向閥，通過(guò)閥的動(dòng)作進(jìn)一步控制雙作用油缸的升降，油缸的升降帶動(dòng)三點(diǎn)懸掛及作業(yè)機(jī)組的升降，在下拉桿、提升臂處設(shè)有拉壓力和角位移傳感器，可以獲取作業(yè)機(jī)組的作業(yè)深度和工作阻力。同時(shí)，在車輪處設(shè)有編碼器獲取車輪轉(zhuǎn)速，在拖拉機(jī)下部裝有測(cè)速雷達(dá)獲取拖拉機(jī)行駛速度，進(jìn)而根據(jù)輪速和車速獲取拖拉機(jī)的滑轉(zhuǎn)率。此時(shí)，位置、阻力、滑轉(zhuǎn)率信號(hào)反饋到控制器中，通過(guò)計(jì)算偏差，再根據(jù)控制算法輸出修正信號(hào)，直至達(dá)到設(shè)置，并保持在一定的偏差范圍內(nèi)。

1.2 液壓油路設(shè)計(jì)

液壓油路是系統(tǒng)的重要組成部分，應(yīng)滿足高效、穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的原則，同時(shí)應(yīng)在滿足控制精度的情況下降低成本，這樣才有量產(chǎn)化的可行性。該系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的控制功能主要是方向、流量與壓力的控制。方向控制可以實(shí)現(xiàn)液壓懸掛的上升與下降，一些學(xué)者采用單作用油缸與電磁比例換向閥結(jié)合進(jìn)行控制[7]，上升時(shí)系統(tǒng)供油推動(dòng)油缸運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)懸掛上升，下降時(shí)靠自重，此方法控制響應(yīng)慢，不能實(shí)現(xiàn)高精度的控制。本系統(tǒng)采用電液比例換向閥與雙作用油缸結(jié)合實(shí)現(xiàn)控制，上升和下降都通過(guò)系統(tǒng)供油推動(dòng)油缸作用，響應(yīng)快，控制精度高，還可以通過(guò)控制閥的開(kāi)度控制流量，進(jìn)而控制油缸運(yùn)行速度。壓力控制主要是為了控制系統(tǒng)油壓的穩(wěn)定，保證系統(tǒng)工作安全，本系統(tǒng)設(shè)有先導(dǎo)式溢流閥控制系統(tǒng)工作壓力。

電液比例閥是介于液壓閥與伺服閥之間的一種液壓元件，與伺服閥相比，起價(jià)廉、抗污能力強(qiáng)，控制精度較伺服閥差，但其他性能與控制水平與是十分相當(dāng)[8]，足以滿足多數(shù)工業(yè)需求，且其在農(nóng)林機(jī)械上也已較為普遍[8-9]。電磁比例換向閥成本較低，但是更多地適用于流量不大的場(chǎng)合，因此本系統(tǒng)選用電液比例換向閥。

液壓油路主要由溢流閥、電液比例閥、雙作用油缸、油泵、濾油器及油箱等組成，如圖2所示。工作時(shí)，當(dāng)提升控制信號(hào)輸入到電液比例換向閥，閥芯右移，油泵壓力油進(jìn)入P口進(jìn)入控制閥，A口輸出壓力油，進(jìn)入油缸左腔，推動(dòng)油缸右移，右腔液壓油通過(guò)B口、T口流回油箱；當(dāng)下降信號(hào)輸入時(shí)，閥芯左移，油泵壓力油P口進(jìn)入，B口輸出送到油缸右腔，推動(dòng)油缸左移，左腔液壓油通過(guò)A口、T口流回油箱。無(wú)信號(hào)時(shí)，閥芯處于中位，油缸不工作，壓力油通過(guò)溢流閥流回油箱。本系統(tǒng)基于95.6kW四輪驅(qū)動(dòng)拖拉機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，拖拉機(jī)相關(guān)參數(shù)如表1所示。經(jīng)計(jì)算，選取液壓元件及參數(shù)如表2所示。

1. 溢流閥 2.電液比例閥 3.雙作用油缸 4.油泵 5.濾油器 6.油箱

表1 拖拉機(jī)相關(guān)參數(shù)Table 1 Related parameters of the tractor

表2 系統(tǒng)主要部件參數(shù)Table 2 Main component parameters of the system

2 基于AMEsim的油路特性分析

2.1 仿真模型的建立

系統(tǒng)的仿真分析需要精確的仿真模型模型，傳統(tǒng)的分析方法依靠通過(guò)數(shù)學(xué)關(guān)系建立數(shù)學(xué)模型。以MatLab/Smulink為例，需要建立數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式或者系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進(jìn)而進(jìn)行系統(tǒng)的時(shí)域分析、頻域分析，探討系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性及誤差等[10]。對(duì)于液壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，影響系統(tǒng)的因素較多，包括大氣壓強(qiáng)、油液體積模量、油管材質(zhì)及泄露系數(shù)等；對(duì)于對(duì)稱閥控制對(duì)稱缸來(lái)說(shuō)，其傳遞函數(shù)建立較為簡(jiǎn)單；而對(duì)于對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸來(lái)說(shuō)，傳遞函數(shù)較為復(fù)雜，基于傳遞函數(shù)的仿真分析較為困難。本系統(tǒng)采用的是對(duì)稱閥控制非對(duì)稱缸，并選用AMEsim進(jìn)行仿真分析。AMEsim擁有豐富的液壓模塊，仿真方便直觀且準(zhǔn)確可靠。

基于AMEsim的仿真模型如圖3所示。其主要由油箱、油泵、溢流閥、電液比例換向閥、雙作用油缸、力加載模塊、力位反饋模塊、PID控制器及信號(hào)輸入口等組成，按照設(shè)計(jì)元件參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖3 基于AMEsim的自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)液壓油路仿真模型Fig.3 Simulation model of tractor tilling depth automatic control system based on AMEsim

懸掛作業(yè)時(shí)，機(jī)具受力情況應(yīng)分兩種情況來(lái)描述。當(dāng)機(jī)耕犁未入土?xí)r，負(fù)載主要是機(jī)耕犁及其連接設(shè)備的自重；當(dāng)機(jī)耕犁入土?xí)r，其還要受土壤的作用力。本仿真系統(tǒng)設(shè)定機(jī)耕犁及其負(fù)載質(zhì)量500kg，油缸行程為300mm，假定200mm處進(jìn)入到耕作狀態(tài)。耕作時(shí)，機(jī)耕犁受力較為復(fù)雜且影響因素較多[11]，經(jīng)簡(jiǎn)化之后，機(jī)耕犁主要受與行駛方向相反的工作阻力與負(fù)載自重力。工作阻力與耕作深度H(m)、工作速度v(m/s)、土壤比阻、犁體結(jié)構(gòu)有關(guān)[12-13]，現(xiàn)簡(jiǎn)化成水平力F1與垂直力F2。假定作業(yè)時(shí)速度恒定，F(xiàn)1便主要與耕深和比阻有關(guān)，現(xiàn)設(shè)定

F1=20 000H

其中，H為耕深，取H=0～40cm。

F2=vB1+HB2

其中，B1是與懸掛垂直運(yùn)行速度相關(guān)的系數(shù)，設(shè)定為600(反映土壤比阻大小)；B2是與耕深相關(guān)的系數(shù)，設(shè)定為5 000。

該設(shè)定是仿真的前提，有一定的簡(jiǎn)化，但基本可以反映耕作時(shí)的力學(xué)關(guān)系。垂直力與機(jī)具自重影響油缸的運(yùn)行，需要通過(guò)力加載模塊進(jìn)行加載，水平力直接在系統(tǒng)中設(shè)定并反饋到系統(tǒng)輸入。力加載模塊如圖4所示。

圖4 力加載模塊Fig.4 Force loading module

力與位置反饋信號(hào)均換算成0～1之間，并與相應(yīng)的比例系數(shù)相乘，再經(jīng)過(guò)相加反饋到輸入。力位比例系數(shù)可以自由調(diào)整，其和等于1。例如，力比例系數(shù)等于0.8，位比例系數(shù)等于0.2，此時(shí)力控制程度較大；力比例系數(shù)等于1，位比例系數(shù)等于0，此時(shí)便是力控制。力位反饋模塊如圖5所示。輸入信號(hào)也在0～1之間，信號(hào)越大相應(yīng)的力或位的期望值就越大。

圖5 力位信號(hào)反饋模塊Fig.5 Feedback module of force and position signals

2.2 動(dòng)態(tài)特性分析

2.2.1 PID控制性能分析

PID控制算法是較為經(jīng)典控制方法，其性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性好。AEMsim中含有PID控制模塊，只要對(duì)比例因子P、積分因子I、微分因子D進(jìn)行設(shè)置即可。為分析其控制性能，分別進(jìn)行了響應(yīng)分析、抗干擾分析，同時(shí)設(shè)定不同的力位比例系數(shù)，分析力位綜合控制的耦合方法的可行性。

2.2.1.1 響應(yīng)分析

1)階躍信號(hào)響應(yīng)。設(shè)定油缸初始位置位0.3m，油缸角度為90°(代表油缸垂直向上)，力控制比例系數(shù)為0.5，位控制比例系數(shù)為0.5，同時(shí)分別設(shè)定綜合控制量(綜合控制量大小為0～1，對(duì)應(yīng)耕深0～40cm)為0.3、0.6、1，進(jìn)行階躍函數(shù)輸入。設(shè)定PID控制器的P=10，I=0.1，D=0，響應(yīng)情況如圖6所示。圖6中，0.6s以內(nèi)均達(dá)到設(shè)定值，無(wú)超調(diào)，響應(yīng)性較好，綜合控制量越大對(duì)應(yīng)耕深越大(由于油缸垂直向上，所以油缸位移值與耕深值得變化方向是相反的)，與實(shí)際情況相符。響應(yīng)速度可以進(jìn)一步通過(guò)提高P的數(shù)值來(lái)調(diào)整，也可以采用自適應(yīng)模糊PID控制算法。當(dāng)偏差較大時(shí)，提高比例因子系數(shù)；當(dāng)偏差較小時(shí)，適當(dāng)減小比例因子。

圖6 階躍信號(hào)響應(yīng)Fig.6 Response of step signal

為驗(yàn)證小偏差情況下的響應(yīng)情況，在綜合系數(shù)為0.7的情況下，設(shè)定油缸初始位置為0.05m進(jìn)行仿真。響應(yīng)情況如圖7所示。油缸初始位置和穩(wěn)定位置相差5mm，偏差較小，此時(shí)0.3s達(dá)到預(yù)期位置，無(wú)超調(diào)，響應(yīng)性好。

圖7 偏差信號(hào)響應(yīng)Fig.7 Response of deviation signal

2)正弦信號(hào)相應(yīng)。設(shè)定力控制比例系數(shù)為0.5，位控制比例系數(shù)為0.5，正弦信號(hào)均值為0.8，振幅為0.1，頻率為0.5Hz，響應(yīng)情況如圖8所示。圖8中，0.5s時(shí)油缸達(dá)到設(shè)定位置并跟蹤設(shè)定信號(hào)，設(shè)定綜合控制量和反饋綜合控制量偏差在0.005以內(nèi)，跟蹤效果較好。

3)力位耦合方法仿真分析。設(shè)定油缸初始位置為0.3m，綜合控制量為0.8，分別設(shè)定力控制比例系數(shù)F為0、0.2、0.5、0.8、1，位控制比例系數(shù)W為1、0.8、0.5、0.2、0，進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)響應(yīng)情況如圖9所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：系數(shù)不同；響應(yīng)情況也不同，力控制系數(shù)越大，耕深越大，與實(shí)際情況相符。

圖8 正弦信號(hào)響應(yīng)Fig.8 Response of sinusoidal signal

圖9 力位耦合控制響應(yīng)Fig.9 Response of force and position coupling control

2.2.1.2 抗干擾能力分析

階躍輸入時(shí)，設(shè)定綜合值為0.8，油缸初始位置為0.1m，在5s和10s處分別增加1s的阻力干擾，阻力值為2 000N，響應(yīng)情況如圖10所示。當(dāng)阻力增加時(shí)，油缸活塞桿會(huì)上升，推動(dòng)機(jī)耕犁上升，此時(shí)耕深減少，相應(yīng)的阻力便會(huì)隨之減少，達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。此過(guò)程在0.3s之內(nèi)完成，響應(yīng)較快。

圖10 抗干擾能力響應(yīng)Fig.10 Response of anti-jamming

2.2.2 液壓動(dòng)態(tài)特性分析

設(shè)定綜合控制量為正弦信號(hào)，正弦信號(hào)均值為0.8，振幅為0.1，頻率為0.5Hz，設(shè)置力控制比例系數(shù)為0.5，位控制比例系數(shù)為0.5。分別記錄過(guò)程中的油壓、流量、活塞桿位移速度，如圖11～圖13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：第1個(gè)周期屬于快速響應(yīng)期，各參數(shù)變化較快；之后便進(jìn)入穩(wěn)定期，響應(yīng)情況較好。其中，油壓最大達(dá)到19MPa，與現(xiàn)行農(nóng)業(yè)機(jī)械液壓技術(shù)水平相當(dāng)。響應(yīng)初期，活塞桿運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到1.2m/s，屬于瞬時(shí)速度，表明該系統(tǒng)滿足提升或下降最大速度大于等于0.5m/s的要求。

圖11 油壓變化過(guò)程Fig.11 Process of oil pressure variation

圖12 流量變化過(guò)程Fig.12 Process of flow variation

圖13 活塞桿位移速度Fig.13 Displacement velocity of piston rod

3 結(jié)論

1)基于AMEsim設(shè)計(jì)了新型的拖拉機(jī)自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)油路，建立了PID控制算法仿真模型，進(jìn)行了PID控制性能分析及液壓動(dòng)態(tài)特性分析。結(jié)果表明：PID控制可以滿足自動(dòng)耕深控制系統(tǒng)的工作要求，響應(yīng)較快，適應(yīng)性好，跟隨效果好，控制程序簡(jiǎn)單，方便產(chǎn)品化，為進(jìn)一步的臺(tái)架試驗(yàn)或者基于拖拉機(jī)的試驗(yàn)提供了理論基礎(chǔ)。

2)PID控制算法較為穩(wěn)定，魯棒性好，但是存在偏差較大時(shí)響應(yīng)較慢的問(wèn)題?，F(xiàn)有新型的PID控制算法(包括自適應(yīng)PID、模糊PID等算法)，可以在偏差較大時(shí)設(shè)置較大的比例系數(shù)，提高了大偏差情況下的響應(yīng)性，這將在進(jìn)一步的試驗(yàn)研究中進(jìn)行探討。