穴盤苗自動移栽機液壓變速器控制仿真研究

王林生，林衛國，劉志剛

( 1.河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.華中農業大學 工學院，武漢　430070；

3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌　330031)

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穴盤苗自動移栽機液壓變速器控制仿真研究

王林生1，林衛國2，劉志剛3

( 1.河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽473000；2.華中農業大學 工學院，武漢430070；

3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌330031)

摘要：在穴盤苗自動移栽機液壓變速系統中引入了無級變速控制策略，設計了液壓機械無級變速器的機械結構，建立了CATIA三維模型，并對其傳動比特性、效率特性以及模糊控制特性進行了深入分析。利用MatLab軟件建立了MatLab和CATIA的數據接口，設計了傳動比的Simulink仿真模型，通過計算得到了液壓效率曲線、傳動比隨排量變化曲線、等燃油三維擬合曲線和模糊控制曲線。由計算結果可以看出：聯合仿真可以得到可靠的無級變速控制參考數據，提高了秧苗移栽作業的穩定性與高效性,以及整車的自動化水平，對農作物操作的突變環境具有良好的適應性，為穴盤苗自動移栽機的優化設計提供了一種新的計算機方法。

關鍵詞：穴盤苗；移栽機；無級變速；模糊控制；Simulink工具箱；CATIA軟件；MatLab

0引言

穴盤育苗技術是20世紀70年代中期由歐美國家發展起來的一種適合于大型生產的現代化秧苗培育方式，受到了種植業者的歡迎，代表了育苗技術的發展方向，對于實施大量蔬菜作物和經濟作物生產的機械化和規模化及保障其持續高效發展具有非常重要的意義。作為穴盤育苗的重要環節—秧苗移栽，其作業方式主要分為人工移栽和機械移栽兩種方式。目前，我國的農作物移栽絕大部分是由人工來完成的，但是這種作業方式不僅勞動強度大、作業效率低，而且栽植質量差、移栽成本高，難以實現大面積移栽，制約了穴盤育苗技術的發展。因此，采用機械移栽取代人工移栽已成為穴盤育苗移栽作業中的一種迫切需求，實現作物移栽的機械化和自動化是我國目前農業種植中急需解決的一個問題。

無級變速通過機-電-液結合的控制方式，可以使機械系統有效地避免效率較低的工作區間，減少功率循環的影響，具有減輕傳動系動載、衰減振動及減少噪音的優點。將無級調速控制策略應用到穴盤苗移栽機優化設計中，可以使變速器自動調節適應車速和負載的變化，連續的傳動比可以確保發動機工作在所需最佳工作點，提高了作業的穩定性與高效性，在一定程度上提高了整車的自動化水平，減少了誤操作，對農作物的操作環境具有良好的適應性。

1無級變速控制系統

1.1總體設計

隨著穴盤苗自動移栽機設計技術的不斷提高，穴盤苗移栽機除了可控制同時傳輸多盤穴盤秧苗及實現末端執行器的數目可調整之外，還設計有專門的視覺識別系統。例如，利用CCD來識別不健康的幼苗以及空的穴孔，該系列的移栽系統具有較好的可開發性，能夠滿足不同用戶的需求。但是，穴盤苗動力機械的工作受到環境影響較大，因此需要設計專門的控制系統，使動力系統和發動機達到最佳匹配，最終實現穴盤苗自動移栽機的優化設計。

圖1為穴盤苗自動移栽機的基本框架。其工作的精度和效率對穴盤苗的成活率影響較大，而工作精度和效率受機器移動速度關系密切。本文采用液壓無級變速系統對穴盤苗動力系統進行設計，使其能夠適應不同的工作環境。

1.2聯合仿真結構框架

Simulink是MatLab最重要的組件之一，提供一個動態系統建模、仿真和綜合分析的集成環境。在該環境中，無需大量書寫程序，而只需要通過簡單、直觀的鼠標操作，就可構造出復雜的系統,被廣泛應用于控制理論和數字信號處理的復雜仿真和設計。本文利用CATIA軟件的建模與Simulink的數據接口建立了穴盤苗自動移栽機無級變速液壓機械的聯合仿真，其主要框架架構如圖2所示。該框架采用CATIA軟件進行參數化建模，將模型導入到MatLab的Simulink工具箱中進行聯合仿真，最后得到一系列的結果曲線。

圖1　穴盤苗自動移栽機基本框架

圖2　無級變速聯合仿真框架

2無級變速控制算法

2.1無級變速基本原理數學模型

無級變速通過將發動機的液壓流和機械流分流之后，再利用行星排匯流實現連續的傳動比，基本結構原理如圖3所示。

圖3　無級變速機構原理圖

為了方便分析和控制仿真，本文中定義無級變速的傳動比為輸出軸轉速與輸入軸轉速之比，則

(1)

其中，ib為無級變速的傳動比；Tout、Tin為輸出和輸入軸的轉速。將變量泵的變量比定義為實際泵的排量和額定排量之比,有

(2)

對于圖3所示的傳動比，其公式為

(3)

其中，i0為多檔位的變速機構的傳動比；i1為分流齒輪副的傳動比；i2為液壓匯流齒輪副的傳動比；k為行星機構的特性常數。一般情況下，通過改變液壓泵傾斜盤的傾斜角便可以實現傳動比的連續性變化。

2.2無級變速模糊控制算法設計

無級變速主要是為了實現傳動比的連續性變換，主要通過調整變量泵的排量和各段的傳動比來實現。控制狀態主要包括穴盤苗自動移栽機的前進、雙向移動和后退，其離合器的狀態如表1所示。

表1　離合器接合狀態表

表1中，在行駛方向可以形成無級調速段位F1，倒車方向只需增加反向齒輪，從而形成后退段R1；當離合器L3和L4同時使用時，動力只通過液壓流，此時可形成連續變速的雙向純液壓段H1。其中F1段的傳動比為

(4)

在純液壓調速Hl段時，離合器L3 、L4 、L5接合，此時傳動比為

(5)

為了實現穴盤苗自動移栽機的自動化控制，本文在無級變速系統中引入了模糊控制原理，并利用MatLab軟件對模糊控制系統進仿真模擬實驗，仿真的框架結構如圖4所示。

圖4中，主要是對輸入油門踏板的變化量和變化率進行量化，其變化量的取值域為[0,100]，變化率的取值域為[0,200]。動力因子的取值域為[0,1]，其主要是駕駛員對動力或者車速的模糊控制。根據模糊規則，動力因子在MatLab中的設置如圖5所示。

圖4　模糊控制結構框圖

圖5　動力性因子

假設油門踏板的變化量、變化率和動力因子的模糊論域相同且都為{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，則其量化因子可以由以下公式確定，即

k=[(b-a)/(c-d)e*][e*-(c-d)/2] (6)

通過計算，得到量化因子分別為：k1=10/100，k2=10/200，k3=10。在第3節中，通過仿真模擬實驗得到模糊控制的結果。

3穴盤苗自動移栽機無級變速控制系統

為了驗證所設計的無級變速基本模型和模糊控制算法的有效性和可靠性，本節利用CATIA和MatLab聯合仿真的方法對無級變速器的變速性能和模糊控制性能進行模擬研究，通過系統設計和測試數據，驗證系統的可靠性。

3.1系統設計

根據穴盤自動移栽機液壓無級變速箱的結構，建立了無級變速箱機械部分的CATIA三維模型，如圖6所示。為了聯合仿真，在模型中簡化了離合器，在仿真時只考慮齒輪傳動的齒輪副，將齒輪的轉速作為輸出值。

在MatLab界面中，可以通過建立命令的形式實現其與CATIA的數據接口。在命令窗口輸入controlspid、ADAMS_sys命令后，從窗口中選擇ADAMS模型，建立傳動比的Simulink模型，如圖7所示。

圖6　CATIA模型設計

圖7　MatLab和CATIA聯合仿真結構

在Simulink仿真模擬工具箱中需要設計發動機的轉速以及變量泵的排量，實現CATIA的動力學仿真，如圖8所示。

圖8　Simulink模型設置

圖8中，將發動機的輸入轉速設置為2 000r/min，變量泵的排量比設置為-1→+1 變化，可以在Communication Interval中調整MatLab和ADAMS之間進行一次數據交換的時間間隔。

3.2測試數據

為了驗證不同排量比下液壓系統是否能正常工作，利用MatLab仿真得到了液壓系統在轉速和油壓恒定的情況下效率隨排量比變化曲線，如圖9所示。

圖9　液壓效率排量比測試曲線

由圖9可以看出：在不同排量比下，液壓泵效率最低達到了0.86。這說明，系統的工作效率比較高，系統是有效的。將得到的傳動比數據點在 Simulink 中利用最小二乘法進行線性擬合，得到無級變速傳動比隨排量的變化曲線，如圖10所示。由圖10可以看出：隨著排量比的不同，傳動比也有所不同，傳動比隨排量比連續變化。

圖10　不同排量比工況下的傳動比

圖11為燃油消耗率與發動機轉速和轉矩的關系。在MatLab中利用Mesh命令生成等燃油消耗曲線的三維擬合圖，結合曲線使用模糊控制，可以實現發動機和燃油的最佳匹配。

圖12為油門腳踏板和傳動比的模糊控制曲線。由圖12可以看出：為了適應不同環境，使穴盤苗在移栽過程中具有連續變化的轉速，利用腳踏板排量比的模糊控制成功實現連續的傳動比控制，實現了自動化控制。

圖11　等燃油消耗曲線

圖12　傳動比模糊控制曲線

4結論

1)設計了穴盤苗自動移栽機的無級液壓機械變速系統，并在系統中引入了模糊控制策略，提高了移栽機的自動化作業水平。

2)利用CATIA和MatLab相結合的方法對液壓無級變速系統進行了聯合仿真，建立了CATIA三維模型，并利用MatLab的Simulink工具箱對其傳動比特性、效率特性及模糊控制特性進行了深入分析。

3)仿真模擬表明：無級變速系統可以有效提高穴盤苗自動移栽機作業的穩定性與高效性，在一定程度上提高了整車的自動化水平，對農作物的操作環境具有良好的適應性，是一種可靠的動力系統優化策略。

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Simulation Research on Speed Variator of Hydraulic Machinery in Transplanting Machine of Plug Seedlings

Wang Linsheng1, Lin Weiguo2, Liu Zhigang3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.College of Engineering Technology, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China； 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：The seedlings transplanting machine hydraulic automatic transmission system is introduced in the stepless speed control strategy. Firstly,It designed the mechanical structure of hydraulic machinery for stepless speed variator,established the three-dimensional model by CATIA, and analyzed the ratio characteristic, efficiency characteristic and fuzzy control characteristi. Then,it established the data interface of Matlab and CATIA by using the Matlab software, designed the Simulink simulation model of transmission ratio, the calculated hydraulic efficiency curve, transmission ratio with the displacement curve, such as fuel and fuzzy control curve 3D curve fitting. By the calculation results,it can be seen that the united simulation can get the reliable reference data for stepless speed control,which can improve the stability and effectiveness of seedling transplanting operation, improve the level of automation of the vehicle, the mutation operation environment to crops with good comfort. The results provides a new method for the optimization design of transplanting seedlings machine for computer automatic control.

Key words：plug seedlings; transplanting machine; stepless speed change; fuzzy control; simulink toolbox; CATIA software; MatLab

文章編號：1003-188X(2016)02-0039-05

中圖分類號：S233.92；TP277

文獻標識碼：A

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-01-06