一种双钟摆喷杆悬架的建模和位置跟踪的控制方法技术

一种双钟摆喷杆悬架的建模和位置跟踪的控制方法，第一步：传感器检测喷杆和路面之间的倾斜角度，主控制器控制方法为读取喷杆和路面之间的倾斜角度信号与主控制器给定的控制命令信号，通过作差计算得出误差信号；第二步：根据第一步中的误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷杆的高度以及驱动伺服阀的电流信号的控制量，传递给伺服阀驱动单元，通过伺服阀驱动单元对植保机械喷杆进行角度调节并按照预定高度进行工作，实现对喷杆和路面之间的倾斜角度或植株冠层高度的跟踪。本发明专利技术使喷杆悬架在具有干扰的影响和作用下依旧能够保持较好稳定性的能力，从而保证施药的均匀性。对喷杆的位姿控制研究以及农业施药技术的发展具有重要的意义。的发展具有重要的意义。的发展具有重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种双钟摆喷杆悬架的建模和位置跟踪的控制方法

：
[0001]本专利技术涉及智能农业植保机械的控制领域，尤其是关于用于田间工作的大型植保机械的双钟摆喷杆悬架的建模和控制方法。

技术介绍
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[0002]为了解决病虫草害等农业问题，植保机械对于经济作物高产、面粮稳产上逐渐发挥着不可替代的作用，目前已经在世界上许多国家的植保机械中被广泛研究与使用。大型植保机械的喷杆悬架，主要有双连杆、梯形悬架、摆形悬架等等结构。到目前为止，国内外学者得到了喷杆悬架的频响函数，但是如今并没有对喷杆悬架状态空间形式的研究，除此之外，大多数对植保机械的液压驱动控制器采用较为传统的经典控制策略，然而，在田间的实际长时间连续工作过程中，植保机械极易受到外界环境、传感器特性变化等因素的影响，一些控制策略难以满足对喷杆的角度的控制需求，

技术实现思路
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[0003]专利技术目的：
[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供了一种双钟摆喷杆悬架的建模方法以及一种跟踪控制器的设计方法。
[0005]技术方案：
[0006]一种植保机械双钟摆喷杆悬架的跟踪控制方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
[0007]第一步：传感器检测喷杆和路面之间的倾斜角度，主控制器控制方法为读取喷杆和路面之间的倾斜角度信号与主控制器给定的控制命令信号(设定的目标值，根据传感器实时测量得到反馈信号，然后通过控制器作用于执行器上，从而驱动伺服阀带动喷杆的动作)，通过作差计算得出误差信号；
[0008]第二步：根据第一步中的误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷杆的高度(是喷杆两侧和地面间的高度。因为在实现跟踪(即喷杆平行于地面)时最终喷杆两侧距离地面的高度是相同的)以及驱动伺服阀的电流信号的控制量，传递给伺服阀驱动单元，通过伺服阀驱动单元对植保机械喷杆进行角度调节并按照预定高度进行工作，实现对喷杆和路面之间的倾斜角度或植株冠层高度的跟踪。
[0009]主控制器构建方法如下：
[0010]1)、结合第二类Lagrange(拉格朗日)动力学方程(即为第二类Lagrange方程)，建立植保机双钟摆喷杆悬架的非线性模型，并在工作点处线性化得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程；
[0011]2)、基于所得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程，引用一定的不确定参数(这个参数是考虑到了植保机械在工作过程中温度、湿度等环境因素对传感器造成的影响以及元器件老化等因素，悬架的状态方程会发生一定的变化，因此考虑了引入不确定参数。)，选取线性
二次型性能指标(最优控制中的线性二次型性能指标)，构建主控制器。通过主控制器实时控制喷杆的位姿，从而使之对地面倾角或作物冠层高度实现渐进跟踪，实现仿形控制。
[0012]1)步骤中结合第二类Lagrange动力学方程，建立植保机双钟摆喷杆悬架的非线性模型,并在工作点处线性化得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程的步骤如下：
[0013]第二类Lagrange动力学方程为：
[0014][0015]其中L＝T-V为拉格朗日函数，T为植保机械的总动能，V为植保机械总势能，D
L
为所消耗与散失的热能，Q
i
(i＝1,2,3...)为广义坐标θ
i
(i＝1,2,3...)下的广义力。
[0016]喷杆悬架中总动能T主要包括平动动能T
t
和喷杆的转动动能T
r
：
[0017]T＝T
t
+T
r
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0018]L1和L2分别为一、二级摆杆的摆长，设喷杆重心坐标为B(x
B
，y
B
)，x
B
为重心的横坐标， y
B
为纵坐标，则有：
[0019][0020]B点的速度为：
[0021][0022]此公式为喷杆重心点移动速度的计算，也是对上式位置变化公式的进一步求导；
[0023]M为喷杆的质量，因此，喷杆的平动动能T
t
为：
[0024][0025]I为喷杆的转动惯量，则喷杆的转动动能T
r
可以表示为：
[0026][0027]此处根据动能定理计算喷杆的转动动能；
[0028]因此，总动能T(平动转动动能之和)为：
[0029][0030]喷杆在运动过程中只受到重力的作用，因此，喷杆所具有的重力势能V为：
[0031]V＝Mg(L
1 cosθ1+L
2 cosθ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0032]g为公知的重力加速度；
[0033]因此由第二类Lagrange动力学方程可得：
[0034][0035]C为阻尼器的阻尼系数，因此，经整理可得到Rayleigh耗散函数D
L
：
[0036][0037]其中，Q
i
为广义坐标下的广义力，其中Q1＝0，Q2＝F，其中F为液压驱动施加给喷杆的广义力矩。
[0038]因此可得到以下两个非线性运动方程：(这个方程是双钟摆喷杆悬架系统在广义坐标下建系并采用第二类Lagrange方程所得到的非线性运动学方程，植保机双钟摆喷杆悬架的非线性模型)
[0039][0040][0041]针对大型植保机械的双钟摆喷杆悬架具有高度的非线性特性，在得到非线性运动方程之后，考虑到悬架位置一般处于工作点附近，选取状态向量为在初始工作点的线性化后，可以表示为：
[0042][0043][0044]因此，可将非线性方程线性化表示为状态空间的形式：
[0045][0046]令：
[0047][0048]其中，A＝a-1
b，B＝a-1
c，C＝c
T
，u为控制律，A为状态矩阵，B为控制矩阵，C为输出矩阵。
[0049]因此，可以得到状态空间方程：
[0050][0051]将二级摆杆和竖直方向的夹角θ2作为输出，则输出方程为(这个式子是系统模型的输出，为二级摆杆和竖直方向的夹角，不是角度的控制量。是控制量作用后角度的变化(输出))：
[0052][0053]针对大型植保机械的双钟摆喷杆悬架跟踪控制器的设计目标，在得到了状态空间方程之后，双钟摆喷杆悬架跟踪控制器的设计目标是使输出角度y(t)用于跟踪角度的期望输出角度y
r
，(最终的控制量应该是按照此方法经过计算求得反馈系数K作为反馈控制器参数，最终的控制信号为此系数与所选取的状态变量当前状态的乘积，控制信号是由状态和反馈系数共同决定的)因此，定义跟踪误差向量为：
[0054][0055]双钟摆喷杆悬架的跟踪控制器的设计，需要建立一个新的增广方程，由于本专利技术目的是通过控制二级摆杆的摆角从而使喷杆角度跟踪对路面的实时倾本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种植保机械双钟摆喷杆悬架的跟踪控制方法，其特征在于：所述方法步骤如下：第一步：检测喷杆和路面之间的倾斜角度，读取喷杆和路面之间的倾斜角度信号与主控制器给定的控制命令信号，通过作差计算得出误差信号；第二步：根据第一步中的误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷杆的高度以及驱动伺服阀的电流信号的控制量，传递给伺服阀驱动单元，通过伺服阀驱动单元对植保机械喷杆进行角度调节并按照预定高度进行工作，实现对喷杆和路面之间的倾斜角度或植株冠层高度的跟踪。2.根据权利要求1所述的一种植保机械双钟摆喷杆悬架的跟踪控制方法，其特征在于：主控制器构建方法如下：1)、结合第二类Lagrange动力学方程，建立植保机双钟摆喷杆悬架的非线性模型，并在工作点处线性化得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程；2)、基于所得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程，引用不确定参数，选取线性二次型性能指标，构建主控制器。3.根据权利要求2所述的一种植保机械双钟摆喷杆悬架的跟踪控制方法，其特征在于：1)步骤中结合第二类Lagrange动力学方程，建立植保机双钟摆喷杆悬架的非线性模型,并在工作点处线性化得到的双钟摆喷杆悬架的状态方程的步骤如下：第二类Lagrange动力学方程为：其中L＝T-V为拉格朗日函数，T为植保机械的总动能，V为植保机械总势能，D
L
为所消耗与散失的热能，Q
i
(i＝1,2,3...)为广义坐标θ
i
(i＝1,2,3...)下的广义力；喷杆悬架中总动能T主要包括平动动能T
t
和喷杆的转动动能T
r
：T＝T
t
+T
r
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(2)L1和L2分别为一、二级摆杆的摆长，设喷杆重心坐标为B(x
B
，y
B
)，x
B
为重心的横坐标，y
B
为纵坐标，则有：B点的速度为：M为喷杆的质量，喷杆的平动动能T
t
为：I为喷杆的转动惯量，则喷杆的转动动能T
r
表示为：
总动能T为：喷杆在运动过程中只受到重力的作用，喷杆所具有的重力势能V为：V＝Mg(L
1 cosθ1+L
2 cosθ2)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)由第二类Lagrange动力学方程得：C为阻尼器的阻尼系数，经整理得到Rayleigh耗散函数D
L
：其中，Q
i
为广义坐标下的广义力，其中Q1＝0，Q2＝F，其中F为液压驱动施加给喷杆的广义力矩；得到以下两个非线性运动方程：得到以下两个非线性运动方程：4.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李树江，苗昊卿，孔丽新，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：