基于AMEsim的拖拉機自動耕深控制系統(tǒng)仿真研究

白學峰，常江雪，魯植雄，紀鴻波，鄭 巍

(1.江蘇省農業(yè)機械試驗鑒定站，南京 210017；2.江蘇經貿職業(yè)技術學院，南京 210007；3.南京農業(yè)大學 工學院，南京 210031)

0 引言

耕作是拖拉機的重要功能，而液壓懸掛系統(tǒng)是影響耕作質量的關鍵因素。液壓懸掛技術發(fā)展至今主要經過了機械液壓控制、液壓伺服控制、電子液壓控制3個階段，現(xiàn)在國外拖拉機先進生產企業(yè)普遍標配電控液壓懸掛系統(tǒng)，國內還主要是液壓伺服控制系統(tǒng)，部分企業(yè)在高端拖拉機上引進了電控技術，也有一些企業(yè)和高校進行了相應的研究，取得了較大進展，但暫沒有十分可靠的量產產品[1-3]。Jeyong L.等人就電控液壓懸掛系統(tǒng)進行試驗研究，證明裝有該系統(tǒng)的拖拉機效率更高，滑轉率可降低7%～30%，能耗可降低2%～3%，工作效率可提高3.4%～3.8%[4-6]。因此，有必要進行電控液壓懸掛研究，攻克技術難題，提高我國拖拉機技術水平。本文以穩(wěn)定、高效、可行的原則設計拖拉機自動耕深控制系統(tǒng)及新型的油路系統(tǒng)。LMS公司的AMESim軟件是當今工業(yè)界功能最全面、最為普及的機電液智能系統(tǒng)仿真分析平臺，擁有全面的液壓元件模型，可以快捷、方便地實現(xiàn)仿真分析，是了解和改善產品動態(tài)特性、提升產品性能、分析和解決產品故障的有效手段。本文基于AMEsim對系統(tǒng)進行仿真分析，研究其動態(tài)特性，驗證系統(tǒng)的響應性與穩(wěn)定性。

1 自動耕深控制系統(tǒng)設計

1.1 整體概述

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

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

工作時，控制器根據控制面板設定的力、位、滑轉率初始值輸出控制信號控制電液比例換向閥，通過閥的動作進一步控制雙作用油缸的升降，油缸的升降帶動三點懸掛及作業(yè)機組的升降，在下拉桿、提升臂處設有拉壓力和角位移傳感器，可以獲取作業(yè)機組的作業(yè)深度和工作阻力。同時，在車輪處設有編碼器獲取車輪轉速，在拖拉機下部裝有測速雷達獲取拖拉機行駛速度，進而根據輪速和車速獲取拖拉機的滑轉率。此時，位置、阻力、滑轉率信號反饋到控制器中，通過計算偏差，再根據控制算法輸出修正信號，直至達到設置，并保持在一定的偏差范圍內。

1.2 液壓油路設計

液壓油路是系統(tǒng)的重要組成部分，應滿足高效、穩(wěn)定、適應性強的原則，同時應在滿足控制精度的情況下降低成本，這樣才有量產化的可行性。該系統(tǒng)需要實現(xiàn)的控制功能主要是方向、流量與壓力的控制。方向控制可以實現(xiàn)液壓懸掛的上升與下降，一些學者采用單作用油缸與電磁比例換向閥結合進行控制[7]，上升時系統(tǒng)供油推動油缸運動，帶動懸掛上升，下降時靠自重，此方法控制響應慢，不能實現(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合實現(xiàn)控制，上升和下降都通過系統(tǒng)供油推動油缸作用，響應快，控制精度高，還可以通過控制閥的開度控制流量，進而控制油缸運行速度。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)設有先導式溢流閥控制系統(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，起價廉、抗污能力強，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[8]，足以滿足多數(shù)工業(yè)需求，且其在農林機械上也已較為普遍[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，當提升控制信號輸入到電液比例換向閥，閥芯右移，油泵壓力油進入P口進入控制閥，A口輸出壓力油，進入油缸左腔，推動油缸右移，右腔液壓油通過B口、T口流回油箱；當下降信號輸入時，閥芯左移，油泵壓力油P口進入，B口輸出送到油缸右腔，推動油缸左移，左腔液壓油通過A口、T口流回油箱。無信號時，閥芯處于中位，油缸不工作，壓力油通過溢流閥流回油箱。本系統(tǒng)基于95.6kW四輪驅動拖拉機進行設計，拖拉機相關參數(shù)如表1所示。經計算，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 拖拉機相關參數(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數(shù)學關系建立數(shù)學模型。以MatLab/Smulink為例，需要建立數(shù)學關系表達式或者系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，進而進行系統(tǒng)的時域分析、頻域分析，探討系統(tǒng)的穩(wěn)定性、適應性及誤差等[10]。對于液壓系統(tǒng)來說，影響系統(tǒng)的因素較多，包括大氣壓強、油液體積模量、油管材質及泄露系數(shù)等；對于對稱閥控制對稱缸來說，其傳遞函數(shù)建立較為簡單；而對于對稱閥控制非對稱缸來說，傳遞函數(shù)較為復雜，基于傳遞函數(shù)的仿真分析較為困難。本系統(tǒng)采用的是對稱閥控制非對稱缸，并選用AMEsim進行仿真分析。AMEsim擁有豐富的液壓模塊，仿真方便直觀且準確可靠。

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控制器及信號輸入口等組成，按照設計元件參數(shù)進行設置。

圖3 基于AMEsim的自動耕深控制系統(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，機具受力情況應分兩種情況來描述。當機耕犁未入土時，負載主要是機耕犁及其連接設備的自重；當機耕犁入土時，其還要受土壤的作用力。本仿真系統(tǒng)設定機耕犁及其負載質量500kg，油缸行程為300mm，假定200mm處進入到耕作狀態(tài)。耕作時，機耕犁受力較為復雜且影響因素較多[11]，經簡化之后，機耕犁主要受與行駛方向相反的工作阻力與負載自重力。工作阻力與耕作深度H(m)、工作速度v(m/s)、土壤比阻、犁體結構有關[12-13]，現(xiàn)簡化成水平力F1與垂直力F2。假定作業(yè)時速度恒定，F(xiàn)1便主要與耕深和比阻有關，現(xiàn)設定

F1=20 000H

其中，H為耕深，取H=0～40cm。

F2=vB1+HB2

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

該設定是仿真的前提，有一定的簡化，但基本可以反映耕作時的力學關系。垂直力與機具自重影響油缸的運行，需要通過力加載模塊進行加載，水平力直接在系統(tǒng)中設定并反饋到系統(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

力與位置反饋信號均換算成0～1之間，并與相應的比例系數(shù)相乘，再經過相加反饋到輸入。力位比例系數(shù)可以自由調整，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，此時便是力控制。力位反饋模塊如圖5所示。輸入信號也在0～1之間，信號越大相應的力或位的期望值就越大。

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

2.2 動態(tài)特性分析

2.2.1 PID控制性能分析

PID控制算法是較為經典控制方法，其性能穩(wěn)定可靠、結構簡單、魯棒性好。AEMsim中含有PID控制模塊，只要對比例因子P、積分因子I、微分因子D進行設置即可。為分析其控制性能，分別進行了響應分析、抗干擾分析，同時設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 響應分析

1)階躍信號響應。設定油缸初始位置位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，同時分別設定綜合控制量(綜合控制量大小為0～1，對應耕深0～40cm)為0.3、0.6、1，進行階躍函數(shù)輸入。設定PID控制器的P=10，I=0.1，D=0，響應情況如圖6所示。圖6中，0.6s以內均達到設定值，無超調，響應性較好，綜合控制量越大對應耕深越大(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)，與實際情況相符。響應速度可以進一步通過提高P的數(shù)值來調整，也可以采用自適應模糊PID控制算法。當偏差較大時，提高比例因子系數(shù)；當偏差較小時，適當減小比例因子。

圖6 階躍信號響應Fig.6 Response of step signal

為驗證小偏差情況下的響應情況，在綜合系數(shù)為0.7的情況下，設定油缸初始位置為0.05m進行仿真。響應情況如圖7所示。油缸初始位置和穩(wěn)定位置相差5mm，偏差較小，此時0.3s達到預期位置，無超調，響應性好。

圖7 偏差信號響應Fig.7 Response of deviation signal

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

3)力位耦合方法仿真分析。設定油缸初始位置為0.3m，綜合控制量為0.8，分別設定力控制比例系數(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，進行仿真分析，系統(tǒng)響應情況如圖9所示。可以發(fā)現(xiàn)：系數(shù)不同；響應情況也不同，力控制系數(shù)越大，耕深越大，與實際情況相符。

圖8 正弦信號響應Fig.8 Response of sinusoidal signal

圖9 力位耦合控制響應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，設定綜合值為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，響應情況如圖10所示。當阻力增加時，油缸活塞桿會上升，推動機耕犁上升，此時耕深減少，相應的阻力便會隨之減少，達到新的穩(wěn)定狀態(tài)。此過程在0.3s之內完成，響應較快。

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

2.2.2 液壓動態(tài)特性分析

設定綜合控制量為正弦信號，正弦信號均值為0.8，振幅為0.1，頻率為0.5Hz，設置力控制比例系數(shù)為0.5，位控制比例系數(shù)為0.5。分別記錄過程中的油壓、流量、活塞桿位移速度，如圖11～圖13所示。可以發(fā)現(xiàn)：第1個周期屬于快速響應期，各參數(shù)變化較快；之后便進入穩(wěn)定期，響應情況較好。其中，油壓最大達到19MPa，與現(xiàn)行農業(yè)機械液壓技術水平相當。響應初期，活塞桿運動速度達到1.2m/s，屬于瞬時速度，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 油壓變化過程Fig.11 Process of oil pressure variation

圖12 流量變化過程Fig.12 Process of flow variation

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

3 結論

1)基于AMEsim設計了新型的拖拉機自動耕深控制系統(tǒng)油路，建立了PID控制算法仿真模型，進行了PID控制性能分析及液壓動態(tài)特性分析。結果表明：PID控制可以滿足自動耕深控制系統(tǒng)的工作要求，響應較快，適應性好，跟隨效果好，控制程序簡單，方便產品化，為進一步的臺架試驗或者基于拖拉機的試驗提供了理論基礎。

2)PID控制算法較為穩(wěn)定，魯棒性好，但是存在偏差較大時響應較慢的問題。現(xiàn)有新型的PID控制算法(包括自適應PID、模糊PID等算法)，可以在偏差較大時設置較大的比例系數(shù)，提高了大偏差情況下的響應性，這將在進一步的試驗研究中進行探討。