果园自变速宽深开沟施肥机设计与仿真

摘要

果园面积的不断扩大以及水果消费量的不断提升对果园机械化的发展提出新的要求。在果树生产管理中，开沟施肥起到至关重要的作用，但是由于果园行间空间的限制，现有大型开沟机无法在狭小空间内进行作业，而小型开沟机则无法满足宽深开沟的要求。为此研究设计了适用于低矮果园的宽深开沟施肥机，并针对开沟机作业工况复杂这一问题进行自变速调控系统的研究，论文主要研究内容如下:
　　(1)针对500×400mm宽深开沟的要求，分析了开沟尺寸与机身尺寸间的相互制约关系，进行了机身长度和宽度的设计，使开沟机满足工作性能要求的同时保证在低矮果园的通过性，最终设计整机尺寸为:4200×1800×1900mm。为满足沟内深施肥要求，分析了开沟与施肥的匹配问题，设计了减速电机驱动外槽轮式排肥装置，并根据设计结果开发了果园开沟施肥机样机。
　　(2)针对果园工况复杂性及分级响应要求设计了白变速调控系统，开沟负载的变化通过开沟器输入轴转速间接得到，行走速度的调节通过改变变量泵斜盘转角实现。基于开沟、行走机构的基础数学模型建立了自变速调控系统的调控模型和反馈模型，验证了调控方案的可行性，进而根据调控系统的总体结构确定采用AVR单片机作为控制器，开关型霍尔传感器测量转速，混合式步进电机调节行走速度，并根据动力切断的要求确定了电磁离合器安装位置及型号。
　　(3)对转速信号测量时存在的干扰进行了分析与处理，首先通过电机转速测试验证了信号调理电路效果，确定了磁钢数量以及数据采集卡的读取间隔，滤除测试硬件及其参数设置对转速信号的干扰;然后测量了空载时不同万向节夹角下开沟输入轴转速，分析了万向节输入输出轴角度差引起的输入轴转速周期性波动;最后进行了开沟负载特性试验，通过测量不同深度以及遇到树根障碍时开沟输入轴转速反映复杂工况下开沟载荷变化，为自变速调控提供依据。
　　(4)根据数学模型运用仿真软件Matlab/Simulink建立了行走速度-开沟输入轴转速及电机转角-行走速度变化模型，并通过仿真验证了模型的正确性，然后以此为基础确定了自变速调控流程，以开沟输入轴转速及变化速率作为判断量，选择对步进电机进行调节，或对电磁离合器进行断电;其中步进电机的调节通过模糊控制实现，根据控制要求进行了模糊控制器的设计及仿真试验;最后对样机进行了鉴定试验，鉴定结果表明，机器满足设计要求。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 开沟机国内外研究现状

1．2．2 自变速调控系统研究现状

1．2．3 小结

1．3 本课题研究的主要内容

1．3．1 本课题的主要工作

1．3．2 主要技术路线

第二章 果园宽深开沟施肥机关键结构设计

2．1 总体结构概述

2．2 关键结构分析与设计

2．2．1 设计的关键问题

2．2．2 机身尺寸设计

2．2．3 施肥装置的设计

2．3 设计结果

2．4 本章小结

第三章 果园开沟机自变速调控系统设计

3．1 自变速调控的目的

3．2 自变速调控的方案与模型机理

3．2．1 调控方案的确定

3．2．2 自变速调控数学模型

3．3 硬件设计与选型

3．3．1 调控系统总体结构

3．3．2 系统硬件

3．4 本章小结

第四章 转速信号的采集与处理

4．1 霍尔转速传感器室内测试

4．1．1 转速测量原理

4．1．2 信号调理电路

4．1．3 磁钢个数和读取间隔

4．2 空载状态底盘输出后轴转速特性分析

4．2．1 试验材料与方法

4．2．2 试验结果与分析

4．3 空载状态万向节传动特性分析

4．3．1 试验材料与方法

4．3．2 试验结果分析

4．4 开沟负载特性分析

4．4．1 不同深度时转速采集

4．4．2 遇障时转速采集

4．5 本章小结

第五章 自变速调控系统建模仿真及控制策略研究

5．1 行走速度、开沟输入轴转速与步进电机转角关系建模及仿真

5．1．1 行走速度-开沟输入轴转速建模及仿真

5．1．2 步进电机转角-行走速度变化量建模与仿真

5．2 自变速调控控制策略

5．2．1 调控流程

5．2．2 模糊控制算法在自变速调控系统中的应用

5．2．3 仿真试验

5．3 技术参数与性能检测试验

5．3．1 主要技术参数

5．3．2 果园开沟施肥性能检测试验

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 研究工作总结

6．2 后续工作展望

参考文献

致谢

硕士期间参加的科研项目和科研成果