一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法技术方案

本发明专利技术公开了一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法，其调节系统包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块；其调节方法，悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围并输出控制信号给到液压执行模块，液压执行模块实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。本发明专利技术实时探测旋耕机的负载情况，并根据负载情况以及转速情况进行旋耕机深度自适应调整，能够在保证作业质量和作业效率的情况下，有效的节能并同时避免了负载过大对发动机以及动力输出轴、万向节的损害，保护机具并延长使用寿命。

An Adaptive Regulation System for Rotary Tiller Tillage Depth and Its Method

The invention discloses an adaptive regulation system for tillage depth of a rotary tiller and its method, which comprises a torque detection module, a speed detection module, a speed measurement module, a hydraulic execution module, a hydraulic pressure detection module, a suspension lifting hydraulic control module and a power module; the adjustment method of the suspension lifting hydraulic control module is based on the torque of the rotary tiller and the speed of the main blade shaft. According to the need of rotary tillage depth, the working range of rotary tillage machine's torque is calculated and the control signal is output to the hydraulic execution module. The hydraulic execution module controls the lifting rod's lifting and landing in real time to drive the rotary tillage machine's lifting and landing. The invention detects the load of the rotary tiller in real time, and adjusts the depth of the rotary tiller adaptively according to the load and rotational speed. It can effectively save energy while ensuring the operation quality and efficiency, and avoid damage to the engine, power output shaft and universal joint caused by excessive load, protect the machine tool and prolong its service life.

【技术实现步骤摘要】
一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法
本专利技术涉及农业机械智能控制，确切地说是一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法。
技术介绍
拖拉机悬挂作业过程中，作业机具调节方式有力调节的方式，即农具有对应于某个牵引阻力的工作深度，当土壤比阻变化时，农具工作深度相应改变以保持牵引阻力不变的方法称为阻力调节法，简称力调节。它适合在土壤比阻变化不大的不平地面上工作，能在一定程度上保持耕深的稳定。拖拉机负荷基本不变，但轻负荷时，反应不灵敏，而土壤变硬，阻力变大时，反会引起耕深变浅，甚至不入土。且在作业过程中，需要人工根据所需耕深定位操纵手杆，具有很大的不确定性。尤其是人为确定的耕深时，无法准确获得旋耕机负载扭矩，加上地块作业状况复杂，万向节等后驱动连接部件会时刻承受超出应力范围的扭矩，导致万向节连接部位发生损坏，严重影响作业安全和效率。申请号为201480044132.2的中国专利公开了“作业机的姿势控制装置”，存在机械结构复杂，实现困难，以及仅仅考虑旋耕深度的控制，一方面，没有考虑其他因素影响，如：由于田间地面凹凸不平，会有强烈的震动，拖拉机作业时，各类工作部件一般都是处理高强度状态，稳定性方面较差，再加上拖拉机作业的土壤的复杂情况，如土壤中杂物、湿度等的各类不确定性，些都会对工作形成各类不确定性和扰动，影响控制效果；另一方面，没有考虑拖拉机输出动力与旋耕机负载力的匹配问题，容易导致拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法，该系统及其方法，机械结构简单，控制方便，不仅考虑旋耕深度的控制，还考虑拖拉机输出动力与旋耕机负载力的匹配问题，避免了拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏；同时，本文采用的自适应控制方法具有较强的环境适应能力，能够有效应对田间复杂工作环境引起的各类不确定性和扰动等，使耕深控制更加稳定有效。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术手段：一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。本系统悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度等的信号输入，根据旋耕深度需要，计算适旋耕机扭矩工作范围，此为理想的扭矩控制范围，从而可以构建旋耕机耕深自适应调节系统，避免了拖拉机与旋耕机的动力连接部件损坏。进一步的优选技术方案如下：所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围，在保证合适的耕深情况下，扭矩可表示为：其中，K0为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，vm为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，所述的悬挂升降液压控制模块在接收旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：(1)建立自适应控制算法的动力学模型如下：u＝Kaa＝R(sinMh+cosMh)-mgMr＝kr·B·h其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，Ka为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，Mh为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，Mr为旋耕机所受负载的扭矩，kr为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，Ks为扭矩传感器扭转刚度系数，δ1为万向节旋转角度，δ2为旋耕机输入轴旋转角度，J1为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形成了稳定的固连，因此对旋耕机升降控制机构施加一个升降力矩输入，必定可以得到唯一的姿态响应输出；可以将输入与输出数据之间的关系简化为一类如下式所示的单输入单输出的离散时间非线性函数:y(k+1)＝f(y(k),…,y(k-n0),u(k),…,u(k-n1))(1)式中，y(k)∈R、u(k)∈R分别为函数在k时刻的输出和输入；n0、n1分别为两个未知的正整数；f(…)为未知的非线性函数；约束条件1除有限时刻点之外，函数f(…)关于第(n0+2)个变量的偏导数是连续的；约束条件2除有限时刻点之外，函数(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意的k1≠k2k1、k2≥0和u(k1)≠u(k2)有|y(k1+1)-y(k2+1)|≤b|u(k1)-u(k2)|，式中，b>0是个常数；对于满足上述两条约束条件的如式(1)所示的非线性函数，当|Δu(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数的时变参数φc(k)∈R，可以使函数(1)转化为如下的动态线性化数据模型为：Δy(k+1)＝φc(k)Δu(k)(2)式中，φc(k)为函数(1)的伪偏导数；对于式(1)所示的离散时间函数，考虑如下的输入准则函数：J(u(k))＝|y*(k+1)-y(k+1)|2+λ|u(k)-u(k-1)|2(3)式中，λ>0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化，y*(k+1)为期望值；将式(2)带入准则函数(3)中，对u(k)求导数，并令其等于零，可以得到如下控制算法:式中，ρ∈(0，1]为步长因子，它加入的目的是使控制算法更加具有一般性；由式(4)可知，控制器u(k)的求解需要已知的伪偏导数值，考虑伪偏导数估计准则函数为：J(φc(k))＝|y(k)-y(k-1)-φc(k)Δu(k-1)|2+μ|φc(k)-φc(k-1)|2(5)式中，μ＞0为权重因子，对式(5)关于φc(k)求极值，可以得到伪偏导数的估计算法为：式中，η∈(0，1]为加入的步长因子，目的是使得该算法具有更强的灵活性和一般性；为φc(k)的估计值，式(4)、(6)即为无模型自适应控制器的求解方程；从而求解出自适应控制器；(4)自适应控制器根据产生实时控制信号给液压执行模块。所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，控制器产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电磁比例换向阀，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，其特征在于：所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。

【技术特征摘要】
1.一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，其特征在于：所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。2.根据权利要求1所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围，在保证合适的耕深情况下，扭矩可表示为：其中，K0为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，vm为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。3.根据权利要求2所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块在接收旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：(1)建立自适应控制算法的动力学模型如下：u＝Kaa＝R(sinMh+cosMh)-mgMr＝kr·B·h其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，Ka为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，Mh为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，Mr为旋耕机所受负载的扭矩，kr为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，Ks为扭矩传感器扭转刚度系数，δ1为万向节旋转角度，δ2为旋耕机输入轴旋转角度，J1为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐广飞，刁培松，陈美舟，姚文燕，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37