丘陵山地拖拉機坡地自適應控制系統仿真分析與試驗

摘要：針對丘陵山地地形復雜、耕作阻力波動大等問題，基于研制的新型丘陵山地拖拉機及三點懸掛式后懸掛機構，設計坡地自適應控制系統。對位姿調整機構的調整原理進行分析，得出左右懸掛點距車身基準面的距離與地面坡度的函數關系；設計橫向位姿調整液壓系統，運用AMEsim搭建橫向位姿調整系統的液壓系統仿真模型，并采用模糊PID控制方法對仿真模型進行控制性能仿真；搭建拖拉機后懸掛系統控制試驗平臺，進行拖拉機后懸掛橫向位姿調整試驗。當坡度低于15°，后懸掛機構跟隨坡地調整效果良好，具有良好的穩定性。由仿真結果和對比試驗可知，二者位姿調整位移最大誤差為9.32%、平均誤差為4.2%；所開發的坡地自適應控制系統具有較高的控制精度，可為丘陵山地拖拉機坡地自適應問題提供借鑒。

關鍵詞：丘陵山地拖拉機；后懸掛；位姿調整系統；AMEsim

中圖分類號：S232.3" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 09?0141?07

Simulation analysis and experiment of slope adaptive control system of

hilly and mountain tractor

Li Lingling， Li Guangyu， Xu Feng， Wang Huaze， Gao Ruiyao， Zhang Yuhan

（Jilin Province Academy of Agricultural Machinery， Changchun， 130000， China）

Abstract： In view of the problems of complex terrain and large tillage resistance fluctuation in hilly and mountainous areas，based on the developed new hilly and mountainous tractor and three?point suspension rear suspension mechanism， an adaptive slope control system was designed. Firstly， the adjustment principle of the posture adjustment mechanism was analyzed， and the functional relationship between the distance between the left and right suspension points and the reference plane of the car body and the ground slope was obtained. Secondly， the electronic control hydraulic system for lateral position and attitude adjustment was designed. The hydraulic system simulation model of lateral position and attitude adjustment system was built by AMEsim， and the control performance of the simulation model was simulated by fuzzy PID control method. Finally， the control test platform of tractor rear suspension system was built， and the lateral posture adjustment test of tractor rear suspension was carried out. The results showed that the rear suspension mechanism had good adjustment effect and good stability when it followed the slope within 15°. According to" the simulation results and comparison test， the maximum error of the pose adjustment displacement was 9.32% and the average error was 4.2%. It was proved that the developed slope adaptive control system had high control accuracy and could provide reference for hill and mountain tractor slope adaptive problem.

Keywords： hilly mountain tractor; rear suspension; pose adjustment system; AMEsim

0 引言

我國丘陵山區縣級行政區占全國的2/3，其耕地面積約占全國耕地總面積的63.2%[1， 2]。丘陵山區地形復雜，農業作業多樣化[3?5]。丘陵山地的作業質量、作業效率取決于拖拉機機具懸掛裝置對丘陵坡地的自適應[6]。丘陵山地的坡度多為6°～15°，普通的機具懸掛系統在耕作時無法完成調整機具懸掛姿態角的功能，造成懸掛機具傾斜嚴重，導致耕深均勻性差等問題，大大降低耕作質量[7?11]。因此，需要研發具有坡地自適應性的丘陵山地拖拉機懸掛控制系統。

目前，相關專家學者已經對拖拉機懸掛系統進行了一些卓有成效的研究。陳晨等[12]提出了一種坡地自適應電控液壓懸掛反饋控制系統，該控制系統能夠有效控制拖拉機懸掛機具橫向耕深波動在±10 mm內；李超軍[13]以提高耕作機械作業過程中的耕作穩定性為前提，設計了一種耕深自動調節系統，利用電控和液壓技術實現對耕深的自動控制，同時加入PID控制算法優化控制結果；商高高等[14]提出了一種基于P—模糊PID雙模態控制原理的自動控制方法，建立懸掛系統位置控制過程中的數學模型，對拖拉機電控液壓懸掛系統耕深自動控制方法進行仿真研究。蔣俊等[15]對丘陵山地拖拉機的電控液壓懸掛系統的運行機理與控制方法進行了分析，在定負載和變負載2種典型工況下進行了仿真分析。夏長高等[16]提出對懸掛機具在坡地等高作業及耕作自適應等關鍵技術的研究，是整個山地拖拉機調平系統研究的關鍵問題。分析上述文獻可知，對于拖拉機后懸掛的位姿姿態調整研究僅限于耕深自動調節系統設計或者電控液壓懸掛系統運動機理的分析，對于丘陵山地拖拉機坡地自適應控制系統的研究較少，現有的后懸掛控制系統難以應用于丘陵山地農機實際作業中。

本文以新研制的丘陵山地拖拉機為研究對象，基于三點懸掛式后懸掛機構位姿調整問題設計一種基于二自由度外置式雙作用油缸獨立控制的液壓懸掛系統，采用模糊PID控制，運用AMEsim對控制系統性能進行仿真分析，通過搭建控制系統試驗臺進行性能試驗，以驗證控制系統的性能與理論分析的正確性。

1 位姿調整機構設計

為了實現丘陵山地拖拉機在坡地作業時，后懸掛機構自適應姿態調節，且保持耕作位置不變，本文設計了二自由度外置式雙作用油缸三點懸掛機構，通過調整左右2個提升油缸的活塞桿行程來調整農具橫向傾角，保證其可在3 s內實現15°的橫向位姿調整，通過調整電動推桿行程，實現縱向位姿調整；考慮到拖拉機在丘陵山地環境下工作時主要的安全隱患為側翻，所以在控制策略中，先進行橫向位姿調整，待左提升油缸和右提升油缸活塞桿位移達到目標值，再進行縱向位姿調整。

1.1 后懸掛位姿調整機構

為解決機具懸掛系統坡地自適應性問題，本文設計了一種基于液壓缸可變長度提升桿拖拉機后懸掛位姿調整機構。該位姿調整機構由提升器總成（左提升臂、右提升臂）、提升油缸總成（左提升油缸、右提升油缸）、懸掛桿件總成（上拉桿、下拉桿、中拉桿）、車身傾角傳感器、機具傾角傳感器、電動推桿、電液比例控制閥組、控制器組成。

為了實現機具相對地面能夠保持耕作位置不變的目的，將提升器中提升軸從中間斷開，使得左提升臂與右提升臂可以獨立動作。由車身傾角傳感器、電子尺和機具傾角傳感器分別檢測車身傾角數據、活塞桿數據和機具傾角數據，將信號傳給控制器，控制器經判斷發出控制信號，控制電液比例控制閥組，通過外置的左、右提升油缸獨立驅動，帶動相應提升桿（左、右）、下拉桿（左、右）動作，即可調整后懸掛機構位姿。該系統應當滿足在3 s內完成橫向位姿調整，且耕作位置保持不變。位姿調整機構主要參數見表1。位姿調整機構如圖1所示。

1.2 位姿調整原理及設計計算

為得出液壓缸活塞桿位移與農具橫向傾角的關系，以進行橫向位姿調整機構控制，需對橫向位姿調整機構的運動原理進行分析，解算出液壓缸活塞桿位移與農具橫向傾角、地面坡度的函數關系[17?19]。本文將車身調整前后，位姿調整機構與坡度簡化到一個平面內，建立液壓缸活塞桿位移與傾斜角度的幾何關系函數。

橫向位姿調整原理：基于具有車身調平功能的丘陵山地拖拉機，根據車身位姿調整前的油缸位移信息，可測量出機具橫向調整前左右懸掛點距車身基準面距離，懸掛中點距地面垂直距離，車身位姿調整后，通過計算調整后懸掛點的變化值進而調整油缸位移，保證調整前后懸掛中點距地面垂直距離不變，與地面保持平行，最終實現機具橫向位姿調整。圖2為車身位姿調整前的后懸掛位姿結構圖，圖3為車身位姿調整后的后懸掛位姿結構圖。

如圖2所示，通過測量可得到輪胎直徑D0，輪距L0，車身調平橫向距離L2，左輪胎中心點距離車身基準面距離[h1']，右輪胎中心點距離車身基準面距離[h2']，調整前左懸掛點距車身基準面距離[H1']，調整前右懸掛點距車身基準面距離[H2']，控制基點O0（提升臂與車身鉸接點），懸掛中點X0與地面垂直距離H，地面與水平基準夾角β1，左右懸掛點水平距離L1，懸掛點角對稱調整量a，調整前懸掛中點X0距地面橫向距離Y。圖3中，調整后左懸掛點距車身基準面距離[H1'']，調整前右懸掛點距車身基準面距離[H2'']，機具調整前后左右懸掛點橫向調整量ΔH3，位姿調整后車輛所在路面與水平基準夾角[β1'']，位姿調整后的左輪胎中心點距離車身基準面距離[h1'']，調整后懸中點與地面距離[H3'']，調整前懸掛中點距離地面橫向距離Y。

由圖2車身位姿調整前的后懸掛位姿結構圖可得出懸掛中點與地面垂直距離的函數關系。

上述左右懸掛點距車身基準面距離與地面坡度、車身油缸位移的函數關系是基于已經確定了懸掛點位置的基礎上實現的。為了確定懸掛點位置，可通過油缸位移和懸掛點關系確定懸掛點位置，如圖4所示，懸掛點距鏟尖距離為S1，鉸接點距地面距離為S0，下拉桿長度為K，鉸接點與懸掛點連接方向與地面的水平夾角θ，解算得出鏟尖距地面距離

當拖拉機從地面坡度11°（左低右高）行駛至地面坡度為4.5°時，根據以上測量結果，通過上述函數關系，可計算得到，懸掛中點距地面橫向距離a為13.2 mm，調整后左右懸掛點橫向調整量ΔH3為50.68 mm，左懸掛點距離車身基準面的距離[H1'']為668.16 mm，右懸掛點距離車身基準面的距離[H2'']為558.84 mm。

1.3 位姿調整控制策略

橫向位姿調整控制策略：丘陵山地拖拉機采用了車身調平機構，遇到橫向坡度可以自動調整車身橫向角度，調整范圍β1≤15°（這里的β1與上述路面與水平基準夾角為相同含義）。在坡度較小（β1≤2°）工況下，后懸掛不需要進行調整，液壓缸沒有動作。當橫向坡度為2°～15°時，后懸掛提升桿雙液壓缸動作，依據坡度角度與機具傾角的反饋差值進行調整，自動調整流程如圖5所示。縱向位姿調整控制策略：待橫向位姿調整結束后，電動推桿推動下拉桿縱向調整機具位姿。

2 液壓系統設計

根據丘陵山地拖拉機后懸掛機構位姿調整的設計要求，液壓系統采用定流量負載敏感回路，在地面坡度≤15°范圍內，能夠保證機具姿態隨車身姿態變化及時做出調整，同時保證耕作位置不變。

如圖6所示，該液壓系統由2個雙作用提升油缸代替后懸掛機構左右提升桿，每個液壓缸都有相應的電磁比例閥進行獨立控制。該系統具備自動控制與手動控制兩種功能；為了使橫向位姿調整后能迅速鎖定，保持控制精度，采用兩位兩通的電磁比例球閥。根據設計參數與性能要求可以計算左、右提升液壓缸最大行程均為130 mm，系統最大承受壓力16 MPa。

丘陵山地拖拉機橫向位姿調整控制流程為：在坡度≤15°的工況下，拖拉機啟動自動調整模式。機具角度為α，坡面角度為ω，根據坡面角度ω的正負，將機具橫向位姿調整工況分為四種情況：（1）當ω≥0且αlt;ω時，比例流量控制閥1得電，并根據油缸位移反饋信號調節閥口開度，油液依次經過比例流量控制閥1、單向閥2，推動右提升油缸12伸出，實現右側提升臂上升，直至α=ω，右側提升臂停止上升。由于右側提升臂上升過程中，懸掛中心點向上偏移ΔH，需左右提升臂同時下降ΔH，此時換向閥2、換向閥4和比例換向閥2得電，閥口全開。比例流量控制閥2根據油缸位移反饋信號，調節比例閥的閥口大小，進而控制油缸運動位移及速度；（2）當ω≥0且αgt;ω時，比例換向閥1、換向閥2得電，閥口全開，推動右提升油缸12縮回，實現右側提升臂下降，直至α=ω，右側提升臂下降停止。由于右側提升臂下降過程中，懸掛中心點向下偏移ΔH，需左右提升臂同時上升ΔH，此時比例流量控制閥1、2得電，油液依次經過比例流量控制閥1、比例流量控制閥2，單向閥2、單向閥8，推動左右提升油缸伸出，直至左右提升臂同時上升ΔH距離，油缸運動停止。同理，（3）當ωlt;0且αlt;ω時，降左側提升臂再同升ΔH距離；（4）當ωlt;0且αgt;ω時，升左側提升臂再同降ΔH距離。同時，本液壓系統采用負載敏感設計，運動過程中的泵多余油液經主定壓差閥卸荷回油箱。同時，由于采用液壓鎖設計，可以將液壓缸鎖定在某一位置，避免負載傳感小流量泄露導致的液壓缸振動以及頻繁調整。

3 液壓系統建模與分析

依據上述液壓系統原理，在滿足要求的情況下進行簡化建模，系統采用位移負反饋方式，在每個液壓缸上安裝有位移傳感器，采集來的信號由控制器進行處理，并將處理數據作用于電磁比例閥上，以此控制閥口的開度。在AMESim的液壓、機械、信號庫中選擇對應的元件建立仿真模型如圖7所示。仿真模型主要參數如表3所示。

由于左傾橫向位姿調整與右傾橫向位姿調整的調整方式和策略相同，只是調整方向不同，所以對坡地角度由5°（左低右高）到-10°（右低左高）進行仿真分析。坡地角度為5°（左低右高）時，左油缸活塞初始位置伸出12 mm，右油缸活塞初始位置伸出0 mm，通過式（6）和式（7）計算得到，左提升油缸需伸出92.63 mm，右提升油缸需伸出130 mm，才可實現橫向位姿調整。

在控制模型中加入角度傳感器及PID控制器。設定角度傳感器的值為機具位姿調整前的初始位姿，對PID控制器的參數進行合理設定，通過控制比例流量比例閥的開度和流量控制油缸活塞行程，最終實現機具位姿橫向調整的目的[20]。

圖8是液壓缸行程特性曲線，設定左右油缸負載均為5 MPa，坡地角度由5°（左低右高）變化到-10°（右低左高）。左、右提升油缸桿理想位移曲線在2.1 s時，均達到目標行程，滿足橫向位姿調整時間。為了確保系統安全運行，必須保證系統承受壓力大于正常工作所需的最大壓力，因此，只要系統壓力大于左、右提升油缸最大壓力，即可滿足要求。

控制閥開啟后，系統滯后0.1 s，液壓缸開始動作，左油缸活塞從初始位置12 mm達到目標位置，油缸位移為91.59 mm，用時2.1 s，右油缸活塞從初始位置達到目標位置，油缸位移達到最大130 mm，用時2.1 s，左右油缸基本同時達到目標位置，實現了機具橫向位姿調整。

4 坡地自適應系統臺架試驗

為了驗證所設計的坡地自適應控制系統的控制精度，測試提升油缸位移導致的角度是否與仿真結果一致。試驗過程中，通過HDMI設置不同的車身傾角值，控制器輸出控制信號，使左右兩側提升油缸產生位移，達到調節農具橫向傾角的目的。

在吉林省農業機械研究院實驗室，利用液壓站搭建試驗平臺，測試后懸掛橫向位姿調整角度能否達到設定目標值（0°～15°）。首先，對后懸掛傾角傳感器進行了標定，其次，采用手動調節車身傾角傳感器作為輸入信號。試驗采用雙液壓缸調節和模糊自適應整定PID控制策略。

試驗平臺主要由液壓系統、控制系統和后懸掛裝置3部分組成，如圖9、圖10所示，其中坡地自適應系統主要通過液壓站提供動力源，由后懸掛裝置、控制閥組、控制器、HDMI、角度傳感器負載、提升油缸、可調電源等組成；角度傳感器與控制器的輸入端口連接，控制器的輸出端口與控制閥組連接，構成控制回路。

采用與丘陵山地拖拉機坡地自適應控制系統相同的仿真方法對該模型進行了控制仿真，得到模糊PID仿真環境下模型油缸位移變化曲線，將試驗曲線與仿真曲線在同一坐標系中進行對比，結果如圖11所示。試驗的調整位移與仿真位移誤差較小，最大誤差為9.32%，平均誤差為4.2%，試驗的調整時間與仿真時間誤差較小，最大誤差為 3.6%，平均誤差為1.7%。

5 結論

針對新研制的丘陵山地拖拉機，設計三點式后懸掛的橫向位姿調整液壓和控制系統，并進行仿真試驗與臺架試驗。

1） 設計基于PID算法的丘陵山地拖拉機坡地自適應控制系統，該系統由位姿調整機構、負載敏感液壓系統和控制系統組成。運用AMEsim搭建橫向位姿調整系統的液壓系統仿真模型，并采用模糊PID控制方法對仿真模型進行控制性能仿真分析，結果表明，該控制算法能滿足后懸掛位姿調整需求。

2） 搭建臺架，對后懸掛位姿調整機構進行試驗驗證。設定傾斜角度由0°階躍至15°時，系統過渡過程時間為3 s。結果表明，本文所設計的后懸掛機構能適應地形在±15°范圍內的變化，滿足拖拉機在山地丘陵作業過程中的坡地自適應控制需求。

參 考 文 獻

[ 1 ] 魯植雄， 郭兵， 高強. 拖拉機耕深模糊自動控制方法與試驗研究[J]. 農業工程學報， 2013， 29（23）： 23-29．

Lu Zhixiong， Guo Bing， Gao Qiang. Study on auto?control method and experiment for tractor depth based on fuzzy control [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（23）： 23-29.

[ 2 ] 高墨堯. 丘陵山地農機動力底盤及車身調平裝置研究[D]. 長春： 吉林農業大學， 2017.

Gao Moyao. Study on the agricultural machinery of powered chassis and body leveling device of hilly mountainous [D]. Changchun： Jilin Agricultural University， 2017.

[ 3 ] 劉林. 基于拖拉機三點懸掛耕作機具調平系統研究[D]. 長沙： 湖南農業大學， 2014.

Liu Lin. Research on leveling system of tractor three?point hanging tillage equipment [D]. Changsha： Hunan Agricultural University， 2014.

[ 4 ] 王志勇. 拖拉機電控液壓懸掛系統的動力學特性分析[D]. 鎮江： 江蘇大學， 2012.

Wang Zhiyong. Analysis of dynamic characteristics of tractor electronically controlled hydraulic suspension system [D]. Zhenjiang： Jiangsu University， 2012.

[ 5 ] 羅錫文， 廖娟， 胡煉， 等. 提高農業機械化水平促進農業可持續發展[J]. 農業工程學報， 2016， 32（1）： 1-11.

Luo Xiwen， Liao Juan， Hu lian， et al. Improving agricultural mechanization level to promote agricultural sustainable development [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2016， 32（1）： 1-11.

[ 6 ] 齊文超， 李彥明， 陶建峰， 等. 丘陵山地拖拉機姿態主動調整系統設計與實驗[J]. 農業機械學報， 2019， 50（7）： 381-388.

Qi Wenchao， Li Yanming， Tao Jianfeng， et al. Design and experiment of active attitude adjustment system for hilly area tractors [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2019， 50（7）： 381-388.

[ 7 ] 朱思洪， 張超. 拖拉機電—液懸掛系統PID控制仿真研究[J]. 機械設計與制造工程， 2008， 37（21）： 49-53.

Zhu Sihong， Zhang Chao. The simulation research on PID controller of tractor electric?hydraulic hitch system [J]. Machine Design and Manufacturing Engineering， 2008， 37（21）： 49-53.

[ 8 ] 李曉. 丘陵山區農業機械化的幾點思考[J]. 農機市場， 2017（4）： 29-30.

[ 9 ] 彭賀， 馬文星， 王忠山， 等. 丘陵山地拖拉機車身調平控制仿真分析與試驗[J]. 吉林大學學報（工學版）， 2019， 49（1）： 162-170.

Peng He， Ma Wenxing， Wang Zhongshan， et al. Control system of self?leveling in hilly tractor body through simulation experiment [J]. Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition）， 2019， 49（1）： 162-170.

[10] 郝希陽， 王玉林， 徐統偉， 等. 基于AMESim的拖拉機電控液壓懸掛系統建模與仿真[J]. 青島大學學報（工程技術版）， 2018， 33（1）： 125-129.

Hao Xiyang， Wang Yulin， Xu Tongwei， et al. Modeling and simulation of electronic control hydraulic hitch system of the tractor based on AMESim [J]. Journal of Qingdao University （Engineering amp; Technology Edition）， 2018， 33（1）： 125-129.

[11] 李明生， 趙建軍， 朱忠祥， 等. 拖拉機電液懸掛系統模糊PID自適應控制方法[J]. 農業機械學報， 2013， 44（S2）： 295-300.

Li Mingsheng， Zhao Jianjun， Zhu Zhongxiang， et al. Fuzzy?PID self adaptive control method in electro?hydraulic hitch system [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S2）： 295-300.

[12] 陳晨， 夏長高， 韓江義， 等. 基于側傾角預測的坡地作業機具懸掛自適應控制[J]. 江蘇大學學報（自然科學版）， 2020， 41（2）： 181-186.

Chen Chen， Xia Changgao， Han Jiangyi， et al. Self?adaptive control of slope work equipment hitch based on lateral angle prediction [J]. Journal of Jiangsu University （Natural Science Edition）， 2020， 41（2）： 181-186.

[13] 李超軍. 基于PID控制的電液耕深調節系統研究[D]. 重慶： 西南大學， 2018.

Li Chaojun. Research on the electro?hydraulic depth adjustment system based on PID control algorithm [D]. Chongqing： Southwest University， 2018.

[14] 商高高， 謝凌云， 季順靜. 拖拉機懸掛系統耕深自動控制策略的研究[J]. 中國農機化學報， 2016， 37（7）： 136-140.

Shang Gaogao， Xie Lingyun， Ji Shunjing．Research on plowing depth automatic control for tractor hitch system [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（7）： 136-140.

[15] 蔣俊， 張建， 馮貽江， 等. 丘陵山地拖拉機電液懸掛系統的設計與仿真分析[J]. 浙江師范大學學報（自然科學版）， 2019， 42（1）： 31-35.

Jiang Jun， Zhang Jian， Feng Yijiang， et al. The design and simulation analysis of the electro?hydraulichitch system in the tractor [J]. Journal of Zhejiang Normal University （Natural Sciences）， 2019， 42（1）： 31-35.

[16] 夏長高， 楊宏圖， 韓江義， 等. 山地拖拉機調平系統的研究現狀及發展趨勢[J]. 中國農業大學學報， 2018， 23（10）： 130-136.

Xia Changgao， Yang Hongtu， Han Jiangyi， et al. Research status and development trend of hilly mountain tractor leveling system [J]. Journal of China Agricultural University， 2018， 23（10）： 130-136.

[17] Mili? V， ?itum ?， Essert M. Robust position control synthesis of an electro?hydraulic servo system [J]. Isa Transactions， 2010， 49（4）： 535-542.

[18] 胡煉， 林潮興， 羅錫文， 等. 農機具自動調平控制系統設計與試驗[J]. 農業工程學報， 2015， 31（8）： 15-20.

Hu Lian， Lin Chaoxing， Luo Xiwen， et al. Design and experiment on auto leveling control system of agricultural implements [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2015， 31（8）： 15-20.

[19] 郭兵. 拖拉機電控液壓懸掛系統力位綜合控制技術研究[D]. 南京： 南京農業大學， 2013.

Guo Bing. Research of force?position combined control for tractor electro?hydraulic hitch system [D]. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2013.

[20] 邵明璽， 辛喆， 江秋博， 等. 拖拉機后懸掛橫向位姿調整的模糊PID控制[J]. 農業工程學報， 2019， 35（21）： 34-42.

Shao Mingxi， Xin Zhe， Jiang Qiubo， et al. Fuzzy PID control for lateral pose adjustment of tractor rear suspension [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2019， 35（21）： 34-42.