拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)

1、-拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)王會(huì)明侯加林耀華東民【摘要】在原拖拉機(jī)半分置式液壓懸掛機(jī)構(gòu)中改進(jìn)設(shè)計(jì)了自動(dòng)控制系統(tǒng)。分別闡述了自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成、工作原理、土壤阻力傳感器、農(nóng)具提升高度傳感器、主控制閥位移傳感器信號的測取與處理以及單片機(jī)控制的實(shí)現(xiàn)?？刂葡到y(tǒng)試驗(yàn)說明,拖拉機(jī)液壓懸掛系統(tǒng)的自動(dòng)控制是有效的。關(guān)鍵詞:液壓懸掛機(jī)構(gòu)換向閥傳感器油缸自動(dòng)控制中圖:S219;O32.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AStudyonAutomaticControlSystemforHydraulicHitchEquipmentofTractorWangHuiming1HouJialin1ZhaoYaohua2LiDongmin

2、1(1.ShandongAgriculturalUniversity2.ShandongTractorManufactory)AbstractAsimplestructureofsemi-partitionhydraulichitchequipmentandconstitutingofautomaticcontrolsystemwasprovided.Thesignalofsoilresistancesensorandtheimplementliftheightsensorandthecontrol-valvesensorweremeasuredandmanaged.Thesystemwasu

3、nderthecon-troloftheSCM.Finally,theanalyticresultswereprovided,whichshowedthattherelationshipbetweentractionandthecultivatingdeepnesswasthelinear,andthehydraulichitchsystemoftractorwasautomaticcontrolled.Theresultsofe*perimentshowedthatthedesigningplanisre-liable,theautomationofthesystembasicallyrea

4、lized,operationcouldbemadeeasily,produc-tioncosthasbeenreducedanditissimpleandconvenienttoinstall.KeywordsHydraulichitchequipment,Changevalve,Sensor,Cylinder,Automaticcontrol收稿日期:20050729王會(huì)明農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院教授,271018市侯加林農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院教授耀華拖拉機(jī)廠工程師,272000市東民農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院碩士生引言現(xiàn)有的多數(shù)農(nóng)用拖拉機(jī)的液壓懸掛系統(tǒng),其農(nóng)具的提升和下降的控制局部

5、是機(jī)械式的,由駕駛員通過操縱手柄和一套桿件機(jī)構(gòu)以位移量的形式輸入信號,輸出量則是通過彈簧、凸輪和力、位調(diào)節(jié)杠桿機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換成的位移量,從而實(shí)現(xiàn)操縱主控制閥對農(nóng)具位置的調(diào)整。機(jī)械控制的液壓懸掛系統(tǒng)采用桿件和彈性元件,構(gòu)造比較復(fù)雜,彈性元件的遲滯、機(jī)械摩擦和桿件的脹縮會(huì)影響調(diào)節(jié)性能。進(jìn)入21世紀(jì)后,拖拉機(jī)向大功率、低油耗、輕排放、智能化、密封和舒適性方向開展,機(jī)械式的控制系統(tǒng)在構(gòu)造布置和性能方面已不適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)機(jī)開展的要求。將農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備技術(shù)融合現(xiàn)代液壓技術(shù)、傳感器技術(shù)、微電子技術(shù)和單片機(jī)控制技術(shù),可極提高液壓懸掛系統(tǒng)操作的舒適性和簡捷性,準(zhǔn)確、快速地使用和調(diào)節(jié)液壓懸掛系統(tǒng),可提高生產(chǎn)率和作業(yè)質(zhì)量。因此

6、,對傳統(tǒng)式液壓懸掛系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)勢在必行。1液壓懸掛系統(tǒng)的組成與工作改進(jìn)后的液壓懸掛系統(tǒng)的組成如圖1所示。它由液壓懸掛系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和信號檢測與處理系統(tǒng)組成。圖1電控液壓系統(tǒng)原理圖Fig.1Sketchofelectriccontrolhydraulicsystem1.液壓缸2.下降速度調(diào)節(jié)閥3.分配器4.油泵5.主控制閥6.回油閥7.平安閥8.單向閥9.小油缸10.電磁換向閥11.中央處理器12.油缸13.活塞桿14.光電耦合器15.背壓閥16.減壓閥17.濾油器18.位移傳感器19.角位移傳感器20.力傳感器21.控制面板液壓懸掛系統(tǒng):由原液壓懸掛系統(tǒng)的油泵、分配器、液壓油缸、提升臂、

7、拉桿和彈簧等組成。主要完成液壓油路的控制,以完成農(nóng)具的提升、中立、下降過程1。控制系統(tǒng):由電磁換向閥、減壓閥、小油缸、控制面板等組成。主要完成控制信號的輸入,并由三位四通電磁換向閥和小油缸,完成分配器主閥移動(dòng)位置的控制。信號檢測與處理系統(tǒng):由位移傳感器、壓力傳感器、提升軸轉(zhuǎn)角傳感器、放大電路、CPU等組成,主要完成土壤阻力、農(nóng)具提升高度和主閥位移量的信號檢測與數(shù)據(jù)處理。工作中,操作控制面板上的調(diào)節(jié)旋鈕,電信號輸入控制電路使電磁閥換向,改變小油缸中的液壓流向,使小油缸位移,推動(dòng)主閥移動(dòng),農(nóng)具提升或下降。主閥的位移量則由位移傳感器檢測并控制。隨著農(nóng)具提升(下降)高度的變化,提升器軸轉(zhuǎn)角傳感器測得電

8、信號不斷變化,當(dāng)轉(zhuǎn)角信號(提升高度)與操縱信號進(jìn)展比較量到達(dá)預(yù)定值時(shí),CPU發(fā)出信號,操縱電磁閥動(dòng)作,小油缸位移,主閥移動(dòng)使農(nóng)具處于中立狀態(tài)。農(nóng)具入土后,隨著耕深、土質(zhì)和濕度的不斷變化,土壤的阻力不斷變化。該變化經(jīng)上拉桿反響在彈簧總成上,并通過彈簧桿作用在壓力傳感器上。壓力傳感器測得其壓力信號與預(yù)置參數(shù)相比較,當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)值時(shí),控制系統(tǒng)使電磁閥動(dòng)作,改變油路,使小油缸帶動(dòng)主閥移動(dòng),改變分配器油路,使液壓懸掛系統(tǒng)對農(nóng)具進(jìn)展相應(yīng)的提升或下降。力、位調(diào)節(jié)過程的信號傳遞路線見圖2所示。圖2力、位調(diào)節(jié)的信號傳遞路線Fig.2Delivercicuitofforce2液壓回路設(shè)計(jì)及硬件選型2.1電控液壓系統(tǒng)回

9、路設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和液壓執(zhí)行元件的工作狀況設(shè)計(jì)液壓根本回路,在電控液壓懸掛系統(tǒng)自動(dòng)控制中,所選擇的液壓回路必須使液壓執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。根據(jù)農(nóng)田作業(yè)中的根本要求,電控液壓懸掛系統(tǒng)需滿足農(nóng)具的提升、中立、下降的要求。電控液壓回路如圖3所示,由三位四通電磁閥、小油缸、分配器、油泵、減壓閥和溢流閥等組成。設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的工作壓力、流量、功率的大小以及系統(tǒng)對溫升、工作平穩(wěn)性等方面的要求選擇回路,以滿足上述要求。由于所采用的推動(dòng)主控制閥彈簧的最大負(fù)荷力為300N,因此控制主控制閥的小油缸的油壓大于400kPa即可,遠(yuǎn)小于油泵的輸出壓力14MPa,為了系統(tǒng)的平安和節(jié)能,懸掛系統(tǒng)中要有減壓回路

10、。在回油路中,控制分配器主閥的小油缸的出油口,如果直接和油箱相連接,系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)負(fù)值負(fù)載。為了減輕負(fù)值負(fù)載所造成的不良影響,回油路上裝有背壓閥,在背壓閥作用下,小油缸的速度受到限制,防止出現(xiàn)速度失控現(xiàn)象。根據(jù)溢流閥的特點(diǎn)和性能,可用溢流閥做背壓閥。由于小油缸要實(shí)現(xiàn)向左、右運(yùn)動(dòng)和中立3種狀態(tài),設(shè)計(jì)系統(tǒng)油路時(shí),為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制,需要一個(gè)三位四通換向閥。43第10期王會(huì)明等:拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)ld(script);圖3電控液壓系統(tǒng)Fig.3Electriccontrolhydraulicsystem1.液壓缸2.下降速度調(diào)節(jié)閥3.分配器4.油泵5.主控制閥6.回油閥7.平安閥8.單向閥

11、9.小油缸10.電磁換向閥11.活塞桿12.背壓閥13.減壓閥14.濾油器2.2小油缸的選型電控液壓系統(tǒng)中用小油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)來控制分配器中的主控制閥,以實(shí)現(xiàn)液壓懸掛系統(tǒng)中的油路換向,進(jìn)展農(nóng)具的相關(guān)操作。分配器中主控制閥的位移量為13mm,分配器的彈簧對主控制閥的負(fù)荷力為300N。在提升器中,小油缸的安裝空間為寬50mm,高98mm,長150mm,由此可初步確定小油缸的最大外徑不能超過50mm。經(jīng)計(jì)算,小油缸工作壓力為p=1.5MPa,缸徑D=32mm,長度L=100mm,工作流量Q=0.5L/min,最大行程為16mm,確定小油缸的型號為YGC32×16G。2.3換向閥的選擇換向閥

12、是實(shí)現(xiàn)油路的換向、順序動(dòng)作及卸荷等功能的閥門。根據(jù)小油缸控制分配器主閥完成提升、中立、下降的需要及壓力、流量和拖拉機(jī)采用直流電的條件,選擇SWHG02C2D2431FDC000型三位四通電磁換向閥。此電磁換向閥具有抗震耐水性能,優(yōu)良的電器防塵性能,非常適用于農(nóng)業(yè)機(jī)械及車輛中。其最大流量為63L/min,最高壓力35MPa,換向頻率為250次/min。2.4減壓閥和溢流閥的選擇減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓降的原理,使出口壓力低于進(jìn)口壓力的壓力控制閥。在電控液壓系統(tǒng)中,減壓閥作為穩(wěn)定油路工作壓力的調(diào)節(jié)裝置,使油路的壓力不受油源壓力的影響。由于小油缸工作壓力變化較小,選擇定值減壓閥的型號為PR

13、CVG06110型。溢流閥在液壓懸掛系統(tǒng)中做背壓閥用,背壓閥裝于液壓系統(tǒng)的回油路中,給液壓系統(tǒng)形成一定的背壓力,以增加小油缸的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。根據(jù)油路的流量確定其型號為RFG04130型。2.5液壓泵和分配器的選擇電控液壓懸掛系統(tǒng)中的液壓泵及分配器,使用原泰山25型拖拉機(jī)半分置式液壓系統(tǒng)的液壓泵及分配器。液壓泵的型號為CB306,工作壓力14MPa,Q=6mL/r1。3信號處理電路設(shè)計(jì)3.1傳感器的選擇在電控液壓懸掛系統(tǒng)中,需要把主控制閥的位置信號、農(nóng)具的提升位置信號和土壤阻力對彈簧桿的壓力信號傳給CPU,以進(jìn)展數(shù)據(jù)處理和發(fā)出控制指令。主控制閥的位置信號用位移傳感器,農(nóng)具的提升位置信號用提升軸轉(zhuǎn)角

14、傳感器,土壤阻力對彈簧桿的壓力信號用壓力傳感器。農(nóng)具提升時(shí),油缸的活塞桿推動(dòng)提升臂使提升臂軸轉(zhuǎn)動(dòng),經(jīng)外提升臂和上下拉桿帶動(dòng)農(nóng)具提升。提升臂軸的轉(zhuǎn)角反映了農(nóng)具的提升高度,安裝在提升臂軸上的轉(zhuǎn)角傳感器,根據(jù)提升臂軸的不同轉(zhuǎn)角輸出不同電量。傳感器采用WYT2型轉(zhuǎn)角傳感器,其技術(shù)參數(shù)見表1所示2。表1WYT2型轉(zhuǎn)角傳感器參數(shù)Tab.1Technicparametersofrotationalanglesensor量程/(°)±45使用溫度/-2575輸入電壓/V212工作電流/mA5輸入阻抗/k85±30%靈敏度/%/Vin>2.5/10分辨率/(°)0.

15、02線性度/%1.5拖拉機(jī)工作過程中農(nóng)具的提升、中立、下降由分配器主閥的位置來確定,主閥的位置是由小油缸的活塞桿控制的。主閥的位置由位移傳感器檢測,位移傳感器采用電感式,其技術(shù)參數(shù)如表2所示2。表2電感式位移傳感器參數(shù)Tab.2Technicparametersofdisplacementsensor工作電壓/V1018額定電流/mA200工作溫度/-2080響應(yīng)時(shí)間/ms<3檢測距離/mm20絕緣電阻/k8>20農(nóng)具入土中的土壤阻力測定,是通過上拉桿對力調(diào)節(jié)彈簧的作用力來反映的,該力通過彈簧桿作用在壓力傳感器上,當(dāng)壓力變化時(shí),輸出電量變化。壓力傳感器采用YYZ2型,其技術(shù)參數(shù)見表

16、3所示2。表3YYZ2型壓力傳感器技術(shù)參數(shù)Tab.3Technicparametersofpressuresensor量程/MPa0.1350溫度/-40125精度零點(diǎn)輸出/mV500±100電源/V815過載能力/%F.S120此外,為了切斷CPU和電磁換向閥間的電氣聯(lián)系,兩者間參加了光電耦合器。44農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)2006年下載文檔到電腦，查找使用更方便2下載券18人已下載下載還剩2頁未讀，繼續(xù)閱讀3.2傳感器信號放大電路和濾波器由于傳感器輸出信號較弱,角位移傳感器的工作電流小于5mA,壓力傳感器輸出電壓為0.5V,信號需經(jīng)放大電路放大。3個(gè)傳感器的輸出采用同一種放大電路,如圖4所示

17、。放大電路為兩級放大,兩級都是反向輸入:第一級由LM358A組成差模放大,R1為調(diào)節(jié)電位器,由它輸入一個(gè)補(bǔ)償電壓,適當(dāng)調(diào)節(jié)它的大小,可以抵消放大器本身的失調(diào)電壓,消除傳感器輸入的共模干擾信號。電路中取R2=R3=R4=R5;第二級由LM358B組成反向放大電路。圖中C1、R10、C2組成P型濾波電路,以濾除噪聲3。圖4傳感器信號放大電路Fig.4Signalamplifyingcircuitofthesensor3.3光電耦合器和三極管放大電路電路中涉及到電磁換向閥。為了消除執(zhí)行機(jī)構(gòu)對CPU系統(tǒng)的干擾,電路中使用光電耦合器進(jìn)展信號傳遞,以隔離執(zhí)行機(jī)構(gòu)與單片機(jī)系統(tǒng)之間的電氣聯(lián)系。光電耦合器輸出電

18、流較小(1020mA),不能直接驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載。因此,設(shè)計(jì)了三極管放大電路來驅(qū)動(dòng)負(fù)載,而將光電耦合器放在驅(qū)動(dòng)器前面。當(dāng)光電耦合器前端為低電平時(shí),光耦后接通三極管放大電路驅(qū)動(dòng)電磁換向閥的左(或右)端電磁鐵,控制小液壓缸向右(左)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而控制農(nóng)具升降,到達(dá)耕深自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的?？刂齐娐吩韴D如圖5所示3。圖5電磁換向閥控制電路原理圖Fig.5Electriccircuitofelectromagnetvalve4電控液壓系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)電控液壓懸掛系統(tǒng)的主程序框圖如圖6所示。本控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了耕深的3種調(diào)節(jié)控制方式:位調(diào)節(jié)控制、力調(diào)節(jié)控制和力位綜合調(diào)節(jié)控制?？刂品绞降倪x擇由控制面板的按鍵來實(shí)現(xiàn)。5試驗(yàn)與

19、結(jié)論電控液壓懸掛系統(tǒng),是以拖拉機(jī)廠生產(chǎn)的泰山25型拖拉機(jī)的半分置式液壓懸掛系統(tǒng)為根底進(jìn)展改進(jìn)設(shè)計(jì)的。系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)采集包括牽引力、耕深、比阻等試驗(yàn)數(shù)據(jù);并根據(jù)設(shè)定數(shù)據(jù)和采集信號,進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)控;傳感器將采集的信號經(jīng)信號處理后傳給單片機(jī),單片機(jī)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù)后,進(jìn)展數(shù)據(jù)處理,實(shí)時(shí)對系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能做出判斷,并向執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出信號進(jìn)展糾正。圖6主程序圖Fig.6Mainprogram動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)進(jìn)展了位調(diào)節(jié)、力調(diào)節(jié)、力位綜合調(diào)節(jié)等控制方式的試驗(yàn)。當(dāng)輸入信號給定后,工作中不再變化。當(dāng)土壤出現(xiàn)擾動(dòng)力使農(nóng)具上的作用力偏離給定值,或由于發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高油液壓力變大或油缸油液泄漏引起的犁架升降時(shí),控制系統(tǒng)就自動(dòng)消除偏差

20、以維持農(nóng)具的工作阻力或耕作深度。5.1牽引阻力與耕深的關(guān)系作用在農(nóng)具上的牽引阻力F*與單作用液壓缸位移*及耕深變化量$d有關(guān)。試驗(yàn)過程中,在正常的耕作深度圍,通過調(diào)節(jié)旋鈕來改變農(nóng)具的設(shè)定耕深,得到阻力與耕深的變化曲線如圖7所示,近似線性關(guān)系。圖7耕深與牽引阻力的關(guān)系Fig.7Relationbetweencultivatingdeepnessandtraction5.2力、位調(diào)節(jié)的響應(yīng)試驗(yàn)在耕深為30cm穩(wěn)定狀態(tài)下,由耕深調(diào)節(jié)旋扭給出一個(gè)調(diào)節(jié)信號,得到系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性如圖8所示。從圖中可看出位調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡時(shí)間為1s,沒有超調(diào)量,靜差小于5%,能夠滿足規(guī)定的拖拉機(jī)耕作在±10%耕深圍

21、的要求。(下轉(zhuǎn)第49頁)45第10期王會(huì)明等:拖拉機(jī)液壓懸掛機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)圖5斗齒軌跡示意圖Fig.5Trajectoryofbuckettip基于以上事實(shí),本區(qū)間的控制策略確定為:首先以一定的速度旋轉(zhuǎn)鏟斗到恰當(dāng)?shù)淖藨B(tài),然后以較快的速度提升動(dòng)臂直至鏟斗從物料脫出。至此,3個(gè)區(qū)間的控制策略全部得到。根據(jù)上述控制策略,即可完成基于實(shí)時(shí)軌跡規(guī)劃的自主鏟裝作業(yè)。4完畢語將鏟裝作業(yè)循環(huán)劃分為插入、鏟取和上升3個(gè)區(qū)間,并分別提出了各個(gè)作業(yè)區(qū)間的自主作業(yè)控制策略。3個(gè)區(qū)間中,鏟取區(qū)間是整個(gè)作業(yè)循環(huán)的關(guān)鍵。通過分析,提出了鏟取區(qū)間的水平等阻線的概念,并建立了基于水平等阻線的控制策略。本文的成果為最大限度地發(fā)

22、揮裝載機(jī)的能力,提高作業(yè)效率,實(shí)現(xiàn)自主作業(yè)的高效低耗打下了根底,并使系統(tǒng)具備了智能環(huán)境識(shí)別能力,對裝載機(jī)自主鏟裝作業(yè)的實(shí)現(xiàn)具有重要的理論意義及應(yīng)用價(jià)值。參考文獻(xiàn)1胡鐵華,高秀華,孔德文,等.鏟運(yùn)機(jī)裝載作業(yè)最小能耗軌跡研究J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),1998,29(4):2125.2成剛.裝載機(jī)工作裝置鏟裝軌跡的分析與優(yōu)化D.:大學(xué),2002.3Biss󰀁E,HemamiA,BukasEK.AparisonoftherequiredenergyinloadingforfourscoopingstrategiesCProceedingsof3rdInternationalSymposiumonMineMechanizationandAutomatio