夏俊芳 李 棟 劉國(guó)陽(yáng) 程 健 鄭 侃 羅承銘

(1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院， 武漢 430070； 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430070)

0 引言

耕作深度(耕深)及其穩(wěn)定性對(duì)土壤物理特性、作物生長(zhǎng)具有重要影響[1]，長(zhǎng)江中下游地區(qū)土壤多為黏土，因其土壤含水率大而造成收獲后地表平整度差、耕作時(shí)耕深穩(wěn)定性差[2]。傳統(tǒng)機(jī)械式耕深力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)及力位綜合調(diào)節(jié)等方式往往無(wú)法滿足田間作業(yè)要求，通常需要人工來(lái)控制耕深，不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且作業(yè)質(zhì)量得不到保證[3-4]。因此實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耕深、獲取耕深變化數(shù)據(jù)、再進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)節(jié)是保證拖拉機(jī)耕深穩(wěn)定的關(guān)鍵[5-6]。

為了提高耕深穩(wěn)定性，研究人員對(duì)拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛高度調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)、滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)、壓力調(diào)節(jié)等進(jìn)行了大量研究[7-9]。其中高度調(diào)節(jié)是在農(nóng)具一側(cè)或兩側(cè)安裝限深輪通過(guò)仿形調(diào)節(jié)耕作深度[10]，這種方式用于旱田耕作機(jī)具，但隨著土壤含水率的增加，限深輪粘土量和滑移增大，使耕深調(diào)節(jié)效果變差[11]。文獻(xiàn)[12]提出一種基于力傳感器和位移傳感器綜合控制耕深的耕深電液控制系統(tǒng)，位移傳感器反饋耕深，力傳感器反饋工作阻力，阻力控制系統(tǒng)用于維持作用在農(nóng)具上的阻力恒定，拖拉機(jī)發(fā)生傾仰時(shí)，入土農(nóng)具受到的阻力發(fā)生變化，當(dāng)農(nóng)具阻力大于給定值時(shí)，便提升農(nóng)具、減小耕深，當(dāng)農(nóng)具阻力小于給定值時(shí)便增加耕深。文獻(xiàn)[13]提出一種基于傾角傳感器的耕深測(cè)量方法，根據(jù)懸掛機(jī)構(gòu)的幾何關(guān)系和傾角傳感器的輸出特性，得出耕深與測(cè)量電壓之間呈線性關(guān)系，并通過(guò)轉(zhuǎn)換獲得實(shí)際耕深。文獻(xiàn)[14]研究了拖拉機(jī)電控液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制方法，提出一種基于模糊控制的液壓懸掛系統(tǒng)耕深自動(dòng)控制方法和綜合度系數(shù)的概念，設(shè)計(jì)了耕深模糊控制器。模糊控制規(guī)則是通過(guò)總結(jié)拖拉機(jī)駕駛員的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定，而這些操作經(jīng)驗(yàn)則通過(guò)模糊控制規(guī)則表達(dá)出來(lái)，控制規(guī)則必須保證被控系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能達(dá)到最佳[15-17]。在實(shí)際作業(yè)中，因地表平整度差、拖拉機(jī)俯仰而造成的耕深變化對(duì)耕深穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響，但未見(jiàn)相關(guān)研究報(bào)道。

本文提出一種基于提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機(jī)傾仰角度調(diào)節(jié)的拖拉機(jī)耕深監(jiān)測(cè)與控制方法，通過(guò)建立耕深控制模型、開發(fā)電液監(jiān)控系統(tǒng)、對(duì)耕深進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)、實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)耕深來(lái)提高工作效率，降低因地表平整度差產(chǎn)生的干擾。采用PID控制策略并利用Simulink仿真分析該系統(tǒng)，并進(jìn)行系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)和田間旋耕試驗(yàn)，以測(cè)試其作業(yè)性能。

1 耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

基于角度檢測(cè)的懸掛耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)采用控制面板實(shí)現(xiàn)輸入和顯示耕深功能，系統(tǒng)執(zhí)行部分采用電磁比例換向閥。傳感器采集實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，控制器接收拖拉機(jī)手的輸入指令和傳感器的反饋信息，經(jīng)過(guò)程序算法處理后輸出命令指令控制電磁比例換向閥，調(diào)整三點(diǎn)懸掛裝置升降，實(shí)現(xiàn)耕深監(jiān)測(cè)與控制?；诮嵌葯z測(cè)的懸掛耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其結(jié)構(gòu)主要包括：控制器、控制面板、提升臂、角位移傳感器、傾角傳感器、同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和電磁比例換向閥。

耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)工作原理為：將設(shè)定的耕深輸入耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)，耕深控制執(zhí)行系統(tǒng)根據(jù)目標(biāo)信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)提升臂，帶動(dòng)旋耕作業(yè)機(jī)到達(dá)設(shè)定耕深。提升臂轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)則反饋實(shí)時(shí)耕深給耕深電液控制系統(tǒng)，若拖拉機(jī)因地表平整度差產(chǎn)生傾仰，則反饋實(shí)時(shí)耕深的同時(shí)反饋由于車身傾仰產(chǎn)生的耕深誤差給耕深電液控制系統(tǒng)?？刂破魈幚砗?，發(fā)送目標(biāo)信號(hào)給執(zhí)行系統(tǒng)，液壓裝置中電磁比例換向閥閥口開關(guān)操控液壓油的流動(dòng)，推動(dòng)液壓缸活塞的運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)，控制三點(diǎn)懸掛機(jī)構(gòu)提升或下降。循環(huán)執(zhí)行信號(hào)發(fā)送與接收，形成耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)。

2 耕深自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要以檢測(cè)懸掛裝置提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機(jī)車身俯仰角為目標(biāo)，對(duì)懸掛裝置連接旋耕機(jī)作業(yè)時(shí)姿態(tài)進(jìn)行分析，建立耕深與角度之間的幾何關(guān)系式，構(gòu)建耕深檢測(cè)模型，利用角位移傳感器和傾角傳感器分別測(cè)量提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機(jī)車身俯仰角的變化來(lái)間接確定耕深。

2.1.1旋耕作業(yè)機(jī)組姿態(tài)分析

懸掛裝置連接旋耕機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其主要結(jié)構(gòu)為提升臂、旋耕機(jī)、上拉桿和下拉桿等[18-19]。

拖拉機(jī)懸掛裝置連接旋耕機(jī)提升或下降以及車身發(fā)生傾仰時(shí)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律如圖3所示，其中點(diǎn)A為拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)，點(diǎn)B為拖拉機(jī)后輪接觸地面點(diǎn)；點(diǎn)A2為拖拉機(jī)車身下傾姿態(tài)時(shí)下拉桿懸掛點(diǎn)，L1為下傾時(shí)實(shí)際高度；點(diǎn)A1為拖拉機(jī)車身上仰姿態(tài)時(shí)下拉桿懸掛點(diǎn)，L2為上仰時(shí)實(shí)際高度；r為提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)角。當(dāng)提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，r變大，旋耕機(jī)耕深變?。籸變小，旋耕機(jī)耕深變大；當(dāng)拖拉機(jī)下傾，拖拉機(jī)后懸掛裝置抬升，下拉桿懸掛點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)A2，此時(shí)實(shí)際高度L1變大，控制器為保證耕深穩(wěn)定，需減少后懸掛裝置的高度，降低下傾產(chǎn)生的高度影響；當(dāng)拖拉機(jī)上仰，下拉桿懸掛點(diǎn)A運(yùn)動(dòng)到點(diǎn)A1，拖拉機(jī)后懸掛裝置變低，此時(shí)實(shí)際高度L2變小，控制器為保證耕深穩(wěn)定，需增加后懸掛裝置的高度，減弱上仰產(chǎn)生的高度影響。

2.1.2耕深檢測(cè)模型建立

將提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)角設(shè)定一個(gè)百分比行程，提升臂到達(dá)上極限位置標(biāo)定為100%，到達(dá)下極限位置，標(biāo)定為0%。選取旋耕機(jī)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度為H1，將提升臂從下極限位置提升至上極限位置。每隔10%記錄一次耕深，用線性關(guān)系擬合出數(shù)據(jù)趨勢(shì)線，得到如圖4所示的提升臂提升百分比與高度H1關(guān)系曲線圖。

由圖4可知，旋耕機(jī)與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度H1與提升臂提升百分比x的線性關(guān)系式為

H1=6.037 3x+343.77

(1)

拖拉機(jī)提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)的上極限位置轉(zhuǎn)動(dòng)到下極限位置之間的角位移為70°，對(duì)應(yīng)提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)角行程百分比為100%，故百分比變化1%，提升臂對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)0.7°。得到拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度H1與角r之間線性關(guān)系。

如圖5所示，當(dāng)拖拉機(jī)發(fā)生傾仰時(shí)，后輪胎與地面接觸點(diǎn)B為基準(zhǔn)點(diǎn)，點(diǎn)A轉(zhuǎn)動(dòng)到點(diǎn)A1位置，此時(shí)角r未發(fā)生變化。監(jiān)測(cè)得到傾角q，耕深發(fā)生變化，點(diǎn)B到下拉桿懸掛點(diǎn)距離為1 100 mm，設(shè)拖拉機(jī)發(fā)生下傾時(shí)，角q為負(fù)；拖拉機(jī)發(fā)生上仰時(shí)，角q為正；將拖拉機(jī)傾仰角從0°轉(zhuǎn)動(dòng)到-10°，再?gòu)?°轉(zhuǎn)動(dòng)到10°；每轉(zhuǎn)動(dòng)1°，記錄一次傾仰時(shí)高度變化值H2，得到如圖6所示的拖拉機(jī)傾仰角與高度變化值關(guān)系圖，將q轉(zhuǎn)換得到拖拉機(jī)發(fā)生傾仰時(shí)高度變化值H2

(2)

實(shí)際工況下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度L由H1和H2在不同耕深狀況經(jīng)運(yùn)算得出。拖拉機(jī)懸掛旋耕機(jī)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)到旋耕機(jī)最底端的實(shí)際高度H、實(shí)際工況下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度L和耕深h關(guān)系式為

h=H-L

(3)

其中L=H1-H2

2.1.3耕深檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的耕深測(cè)量為間接方式，將角位移傳感器和傾角傳感器連接控制器安裝于拖拉機(jī)上。提升臂轉(zhuǎn)角處不易安裝角位移傳感器，因此采用同步帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，連接傳感器與提升臂轉(zhuǎn)角，傳遞角位移變化值。若地面平整度良好，采用角位移傳感器，通過(guò)監(jiān)測(cè)懸掛裝置提升臂轉(zhuǎn)角的變化量得到耕深。傾角傳感器安裝位置在拖拉機(jī)底盤水平于地面處，拖拉機(jī)車身發(fā)生傾仰時(shí)，耕深發(fā)生變化，傾角傳感器測(cè)量拖拉機(jī)車身傾仰產(chǎn)生的水平夾角，將傾仰角變化量轉(zhuǎn)換為電壓變化量輸入至控制器?？刂破鹘邮战俏灰苽鞲衅骱蛢A角傳感器發(fā)出的反饋信號(hào)后，對(duì)電控液壓轉(zhuǎn)向閥進(jìn)行調(diào)控，保持拖拉機(jī)耕深穩(wěn)定在設(shè)定值。

2.2 耕深電液控制系統(tǒng)

耕深電液控制系統(tǒng)作為耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)耕深的監(jiān)測(cè)和處理傳感器反饋的信號(hào)，保證拖拉機(jī)在地表平整度差時(shí)耕深穩(wěn)定，系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。其硬件結(jié)構(gòu)基本框架圖如圖7所示[20-24]。

為實(shí)現(xiàn)耕深電液控制器系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)耕深和快速處理反饋信號(hào)，確保拖拉機(jī)耕深穩(wěn)定。通過(guò)采用位置式PID控制算法，將偏差的比例系數(shù)kp、積分系數(shù)ki、微分系數(shù)kd通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量，對(duì)液壓執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行控制，使拖拉機(jī)進(jìn)行田間作業(yè)，三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)在田間地表平整度差時(shí)耕深穩(wěn)定。按模擬PID控制算法[25-28]，得離散PID表達(dá)式為

(4)

其中

ki=kp/TIkd=kpTD

式中T——采樣周期

TI——積分時(shí)間常數(shù)

TD——微分時(shí)間常數(shù)

k——采樣序號(hào)，k=1，2，…

error(k-1)——第k-1時(shí)刻所得的偏差信號(hào)

error(k)——第k時(shí)刻所得的偏差信號(hào)

圖8為耕深控制原理圖，輸入目標(biāo)耕深到控制器，控制器輸出控制信號(hào)調(diào)整電液比例換向閥閥芯移動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)帶動(dòng)農(nóng)具到達(dá)目標(biāo)耕深。提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)升降農(nóng)具時(shí)，角位移傳感器接收到的電壓發(fā)生了變化。當(dāng)?shù)乇砥秸炔顣r(shí)，三點(diǎn)懸掛裝置距離地面高度發(fā)生變化，傾角傳感器接收到的電壓信號(hào)也發(fā)生改變，綜合角位移傳感器和傾角傳感器反饋實(shí)際耕深信號(hào)值。控制器對(duì)實(shí)際信號(hào)值與目標(biāo)信號(hào)值誤差比較，按照控制算法得出控制量，調(diào)節(jié)電磁比例換向閥閥芯，對(duì)提升臂轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，控制農(nóng)具升降。農(nóng)具的耕深發(fā)生變化后，傳感器信號(hào)又會(huì)發(fā)送實(shí)際耕深信號(hào)反饋給控制器形成閉環(huán)控制。

3 基于Simulink的耕深監(jiān)控系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真

3.1 系統(tǒng)建模

經(jīng)上述模型設(shè)計(jì)出一種基于提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機(jī)傾仰角度調(diào)節(jié)的拖拉機(jī)耕深監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)，自動(dòng)檢測(cè)并實(shí)時(shí)精準(zhǔn)調(diào)節(jié)耕深，減少因地表平整度差產(chǎn)生的干擾。利用建立的拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控裝置物理模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)。檢驗(yàn)耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和液壓執(zhí)行系統(tǒng)對(duì)PID控制信號(hào)的反應(yīng)時(shí)間；通過(guò)Simulink軟件中SimHydraulics液壓和液壓機(jī)械系統(tǒng)模塊庫(kù)[29-31]構(gòu)建仿真模型，其中重點(diǎn)由控制模塊、液壓模塊、懸掛機(jī)構(gòu)模塊和拖拉機(jī)傾仰產(chǎn)生的干擾模塊組成。驗(yàn)證拖拉機(jī)耕深監(jiān)控系統(tǒng)快速精準(zhǔn)達(dá)到設(shè)定耕深，當(dāng)?shù)乇砥秸炔?，拖拉機(jī)車身發(fā)生俯仰，導(dǎo)致耕深發(fā)生變化時(shí)，實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整三點(diǎn)懸掛系統(tǒng)，以維持田間的整體耕深穩(wěn)定性的效果。構(gòu)建的仿真模型如圖9所示。

系統(tǒng)包括控制信號(hào)部分、液壓系統(tǒng)和懸掛機(jī)構(gòu)。其中控制信號(hào)部分主要包含PID控制信號(hào)，控制電磁閥閥芯移動(dòng)以及接收位移傳感器和傾角傳感器的反饋信號(hào)?？刂葡到y(tǒng)取比例系數(shù)kp=10，積分系數(shù)ki=8，微分系數(shù)kd=6。液壓系統(tǒng)參數(shù)選用了東方紅LX954型拖拉機(jī)。電磁比例換向閥固有頻率10 Hz，阻尼0.8 N·s/m，安全壓力設(shè)置為18 MPa，溢流閥安全壓力設(shè)置為16 MPa[32-34]。

由于懸掛機(jī)構(gòu)中液壓油缸活塞桿平移，推動(dòng)提升臂發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，提升三點(diǎn)懸掛改變耕深。因此將仿真中耕深變化轉(zhuǎn)換為液壓油缸活塞桿位移。三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)下降到最低點(diǎn)，獲取此時(shí)活塞桿位于液壓油缸的位置，隨機(jī)提升三點(diǎn)懸掛裝置并量取下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度，獲取活塞桿的位移。得到如圖10所示的活塞桿移動(dòng)距離y和拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度H1關(guān)系圖。

由圖10可知，活塞桿移動(dòng)距離y與拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度H1的線性關(guān)系式為

y=0.215 4H1-81.238

(5)

仿真模型在1.1 s輸入拖拉機(jī)上仰信號(hào)，上仰角由0°增到5°，1.6 s后上仰角回到0°，拖拉機(jī)車身保持水平；由式(2)、(3)、(5)可知，當(dāng)上仰角為5°時(shí)，三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度降低，為補(bǔ)償高度變化值，活塞桿移動(dòng)距離應(yīng)增加20.97 mm。

3.2 仿真結(jié)果與分析

基于建立的拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)模型及設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)Simulink軟件仿真，驗(yàn)證控制系統(tǒng)在地表平整度差時(shí)仍能保持耕深穩(wěn)定性。在耕深自動(dòng)控制系統(tǒng)和液壓系統(tǒng)的液壓驅(qū)動(dòng)力、懸掛機(jī)構(gòu)重力載荷、拖拉機(jī)車身俯仰產(chǎn)生干擾等作用下，可以得到液壓油缸活塞桿移動(dòng)距離隨著時(shí)間的變化情況。圖11為控制系統(tǒng)的輸出波形。

由圖11可知，液壓油缸活塞桿位移從0 mm快速響應(yīng)，變?yōu)?6 mm，在約0.6 s后，響應(yīng)到達(dá)并保持在終值96 mm的±5%內(nèi)；在1.1 s時(shí)由于拖拉機(jī)上仰信號(hào)的輸入，液壓油缸活塞桿位移從96 mm快速響應(yīng)，變?yōu)?16.97 mm，在約0.2 s后，響應(yīng)到達(dá)并保持在116.97 mm的±5%內(nèi)；在1.6 s時(shí)伴隨著拖拉機(jī)上仰信號(hào)的消失，液壓油缸活塞桿位移快速響應(yīng)，變回96 mm，在約0.2 s后，響應(yīng)到達(dá)并保持在96 mm的±5%內(nèi)。

仿真結(jié)果表明，當(dāng)?shù)乇砥秸炔顚?dǎo)致拖拉機(jī)產(chǎn)生車頭上仰5°時(shí)，傳感器產(chǎn)生信號(hào)給控制器，三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度降低。為使高度保持穩(wěn)定，液壓油缸活塞桿位移發(fā)生變化，從96 mm移動(dòng)到116.97 mm，提升三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)，保證耕深穩(wěn)定。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角為0°時(shí)，地表平整度良好，此時(shí)液壓油缸活塞桿回到調(diào)整前位置，系統(tǒng)控制調(diào)整時(shí)間約為0.2 s。仿真驗(yàn)證了控制系統(tǒng)能保證良好的耕深均勻性，響應(yīng)速度較快，當(dāng)?shù)乇砥秸炔顣r(shí)，仍能在較短時(shí)間內(nèi)到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，能滿足拖拉機(jī)耕深控制的基本要求。

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

對(duì)上述系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真驗(yàn)證得到的耕深電液監(jiān)控裝置進(jìn)行田間試驗(yàn)，在平整度差的地表行進(jìn)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)拖拉機(jī)耕深電液控制系統(tǒng)下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度變化量判斷耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可行性。通過(guò)田間試驗(yàn)對(duì)比分析電液監(jiān)控裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置在不同工況下，對(duì)拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)采用旋耕作業(yè)后耕深標(biāo)準(zhǔn)差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)，驗(yàn)證拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)可行性、裝置控制精度及控制系統(tǒng)穩(wěn)定性。

4.2 試驗(yàn)條件

2020年8月在華中農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗(yàn)基地試驗(yàn)田進(jìn)行試驗(yàn)。該田塊為偏黏性旱地土壤，試驗(yàn)前田塊長(zhǎng)有雜草和秸稈殘茬，土壤狀況適耕，田塊各處試驗(yàn)條件基本相同，試驗(yàn)田塊面積滿足測(cè)試要求。試驗(yàn)儀器主要包括東方紅LX954型拖拉機(jī)(中國(guó)一拖集團(tuán))、旋耕作業(yè)機(jī)、TJSD-750型土壤緊實(shí)度測(cè)定儀(浙江托普云農(nóng)科技股份有限公司，精度：±0.5‰FS)、電子秤、卷尺、直尺等；經(jīng)測(cè)量，拖拉機(jī)提升臂實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)角范圍為0°～70°，車載電壓為12 V，故采用米朗科技的WDA-D22-A型角位移傳感器，角度測(cè)量范圍(-41°，41°)，輸出信號(hào)電壓為0.5～4.5 V，電源電壓為10～12 V；采用青島有田測(cè)控公司工業(yè)級(jí)電壓型CQ-V傾角傳感器，角度測(cè)量范圍(-90°，90°)，電源電壓為10～12 V，輸出電壓信號(hào)為0～5 V，對(duì)應(yīng)角度測(cè)量范圍(-90°，90°)；當(dāng)輸出電壓為2.5 V時(shí)，對(duì)應(yīng)為角度測(cè)量范圍中的0°；傾角傳感器安裝于拖拉機(jī)底盤平行于地面處接收信號(hào)，電壓信號(hào)通過(guò)控制器進(jìn)行采集；耕前地表平整度為2 cm，試驗(yàn)前田塊其他各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)前田塊各項(xiàng)參數(shù)

4.3 試驗(yàn)方法

4.3.1耕深自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證拖拉機(jī)裝配了角度檢測(cè)的耕深電液監(jiān)控裝置在地表平整度差影響下，車身發(fā)生了傾仰，是否仍精準(zhǔn)調(diào)整三點(diǎn)懸掛裝置，使下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度能夠保持穩(wěn)定，高度與地表平整度良好時(shí)高度一致。

如圖12所示，將拖拉機(jī)置于平整地面上，此時(shí)可得傾角傳感器電壓為2.5 V，測(cè)量拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度。將拖拉機(jī)置于凹坑內(nèi)，前輪凹陷車身下傾，傾角傳感器可得到車身下傾角度變化后的電壓，由此可知拖拉機(jī)發(fā)生下傾的實(shí)際角度。凹坑深度由淺入深6次，測(cè)得6次的車身下傾角和對(duì)應(yīng)的拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度；同理，將拖拉機(jī)置于凸坡上，凸坡高度逐次升高6次，測(cè)得6次的車身上仰角和對(duì)應(yīng)的三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度。對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以得到拖拉機(jī)在不同傾仰狀態(tài)下，三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度變化量。

4.3.2耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)田間作業(yè)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)田間作業(yè)性能，分別采用電液監(jiān)控裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置在不同工況下對(duì)拖拉機(jī)耕深電液控制系統(tǒng)采用旋耕作業(yè)進(jìn)行性能試驗(yàn)。當(dāng)速度過(guò)快，耕深較深時(shí)會(huì)導(dǎo)致拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)熄火，因此拖拉機(jī)設(shè)2個(gè)平均作業(yè)速度0.52、0.84 m/s。

拖拉機(jī)分別采用電液監(jiān)控系統(tǒng)和機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，每種系統(tǒng)安裝后都分為4個(gè)工況進(jìn)行，試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 耕深系統(tǒng)試驗(yàn)工況

參考GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》，選用試驗(yàn)田塊長(zhǎng)度為60 m，取中間40 m為拖拉機(jī)穩(wěn)定工作區(qū)間，兩頭各留10 m作為拖拉機(jī)耕深達(dá)到設(shè)定深度的距離。每個(gè)工況重復(fù)3次，取其平均值作為該工況試驗(yàn)結(jié)果。開始計(jì)時(shí)后，拖拉機(jī)行進(jìn)，同時(shí)控制農(nóng)具達(dá)到指定耕深，記錄達(dá)到指定耕深所需最短時(shí)間。每隔3 s標(biāo)記一次旋耕機(jī)經(jīng)過(guò)的點(diǎn)，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)45 s，共記錄16次，旋耕作業(yè)結(jié)束后，采用人工測(cè)量標(biāo)記點(diǎn)的實(shí)際旋耕深度。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)記錄了12次測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，當(dāng)傾角傳感器電壓為2.5 V時(shí)，地表平整度良好，對(duì)應(yīng)角度為0°，拖拉機(jī)三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度為60.5 cm。設(shè)拖拉機(jī)下傾時(shí)角度為負(fù)，上仰時(shí)角度為正，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同傾仰角下高度

根據(jù)GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》所規(guī)定農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，判斷旋耕作業(yè)質(zhì)量的重要指標(biāo)是耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)V，其計(jì)算式為

(6)

式中S——耕深標(biāo)準(zhǔn)差，cm

a——平均耕深，cm

耕深電液監(jiān)控裝置田間作業(yè)性能試驗(yàn)旋耕作業(yè)時(shí)，分別設(shè)置平均作業(yè)速度為0.84、0.52 m/s，耕深設(shè)定為12、18 cm，得出不同工況下的耕深穩(wěn)定試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

各工況下電液監(jiān)控裝置和機(jī)械調(diào)節(jié)裝置的平均耕深、標(biāo)準(zhǔn)差、耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)如表4所示。

表4 耕深電液控制系統(tǒng)的作業(yè)性能

4.5 結(jié)果分析

由表3可知，拖拉機(jī)傾仰時(shí)下拉桿距離地面高度與地表平整度良好時(shí)高度基本相符。最大誤差為0.8 cm，出現(xiàn)在測(cè)點(diǎn)1處，經(jīng)計(jì)算可知，拖拉機(jī)下傾時(shí)，平均誤差為0.3 cm，上仰時(shí)，平均誤差為0.15 cm，總體平均誤差為0.075 cm，標(biāo)準(zhǔn)差為0.507 cm。本次試驗(yàn)的最大誤差不超過(guò)0.80 cm，拖拉機(jī)在水平地面時(shí)，下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度為60.5 cm，綜合分析，誤差并不會(huì)對(duì)耕作質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。試驗(yàn)表明，當(dāng)?shù)乇砥秸炔顚?dǎo)致拖拉機(jī)發(fā)生傾仰時(shí)，耕深電液監(jiān)控裝置能得到三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)相對(duì)于地面垂直方向高度變化量，精準(zhǔn)調(diào)控高度穩(wěn)定在設(shè)定值，驗(yàn)證了耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確性。

由表4可知，采用基于角度檢測(cè)的拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，在不同速度、不同深度下，耕深標(biāo)準(zhǔn)差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)。其在各工況中耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)最大為4.28%，根據(jù)GB/T 5668—2017《旋耕機(jī)》所規(guī)定農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可知，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)需小于15%。拖拉機(jī)耕深電液監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)達(dá)到了農(nóng)藝作業(yè)要求。在旋耕作業(yè)中，耕深為12 cm，平均作業(yè)速度為0.84 m/s，此時(shí)采用機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制三點(diǎn)懸掛，耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)為各工況下最大，為8.20%。采用機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)耕深標(biāo)準(zhǔn)差較大，若坡度較高或地面平整度差，則機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)耕深穩(wěn)定性將達(dá)不到要求。采用電液監(jiān)控系統(tǒng)，耕深穩(wěn)定性更高，當(dāng)?shù)乇砥秸炔顣r(shí)，仍可達(dá)到較好的穩(wěn)定耕深效果。

5 結(jié)論

(1)采用角位移傳感器和傾角傳感器分別測(cè)量提升臂轉(zhuǎn)角和拖拉機(jī)車身俯仰角的變化，從而間接確定耕深。設(shè)計(jì)了耕深電液控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可預(yù)設(shè)和實(shí)時(shí)顯示耕深、處理傳感器反饋信號(hào)、對(duì)耕深控制執(zhí)行系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，從而使耕深穩(wěn)定在設(shè)定值。

(2)利用Simulink軟件構(gòu)建系統(tǒng)仿真模型，結(jié)果顯示，系統(tǒng)能在0.6 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明耕深監(jiān)控系統(tǒng)具有快速響應(yīng)速度。當(dāng)拖拉機(jī)車身發(fā)生俯仰、耕深不穩(wěn)定時(shí)，可實(shí)現(xiàn)快速調(diào)整懸掛裝置，以維持田間整體耕深穩(wěn)定性。

(3)通過(guò)耕深自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)準(zhǔn)確性試驗(yàn)得出，系統(tǒng)能檢測(cè)因傾仰導(dǎo)致的三點(diǎn)懸掛下拉桿懸掛點(diǎn)高度的變化量，調(diào)控高度穩(wěn)定在設(shè)定值，驗(yàn)證了耕深自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。對(duì)所設(shè)計(jì)的電液監(jiān)控系統(tǒng)與原機(jī)械控制系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示，電液監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行旋耕作業(yè)時(shí)，在各工況中耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)不超過(guò)4.28%，耕深標(biāo)準(zhǔn)差和耕深穩(wěn)定性變異系數(shù)均低于機(jī)械調(diào)節(jié)系統(tǒng)。