基于滑转率的拖拉机自动耕深控制系统研究

摘要

拖拉机是农业中必不可少的作业工具，随着社会的发展，人们对拖拉机提出了新的要求，即是高效与节能。液压悬挂直接影响着拖拉机的作业效率，在中国传统的中大型拖拉机上已经实现了基于力位调节的悬挂控制，但是仅仅是手动调节，需要较多的人力支持。国外的大型拖拉机厂已经实现了拖拉机部分结构的智能控制，例如基于力-住调节的液压悬挂自动控制系统、多信号实时显示等，大大提高了拖拉机的作业效率。近几年国际上出现了基于力-位-滑转率的综合控制系统研究，但是在中国还仅限于实验当中。本课题是在实验室前人关于拖拉机液压悬挂力位调节控制研究的基础上，继续研究基于滑转率的液压悬挂调节，将拖拉机作业时的滑转率控制在合适的范围内，进而实现自动耕深控制，提高拖拉机的作业效率。
　　 论文首先介绍了基于LabVIEW的拖拉机滑转率的测量与特性分析。滑转率的测量主要目的有两个:一，检验滑转率测量传感器的测量精度;二，分析不同作业深度、不同作业土壤时滑转率的变化特性，为控制系统的算法设计提供实际依据。
　　 论文对基于滑转率的拖拉机液压悬挂控制系统建立了数学模型，然后运用MATLAB/Smulink软件建立了基于滑转率的拖拉机液压悬挂PID、模糊、模糊PID控制器，分别对数学模型进行了仿真分析，分析内容主要有系统响应性、适应性、抗干扰性。仿真发现，PID控制器对于参数的变化较为敏感，鲁棒性不强，模糊控制器与模糊PID控制器控制效果相似，但是模糊PID需要更多的控制变量和控制规则影响控制速度，最终选用了模糊控制器。
　　 论文设计了基于单片机的拖拉机液压悬挂控制器。芯片型号为飞思卡尔XS128。系统的硬件主要有:最小系统、信号采集电路、D/A电路、按键电路、LCD显示电路、放大电路等。软件程序是基于C语言进行的开发，主要包括主程序、显示子程序、D/A转换子程序、滑转率调节子程序、模糊PID控制器、上升与下降子程序等。系统主要实现了拖拉机滑转率与车速信号的实时显示、上升与下降、滑转率控制等功能。
　　 最后在液压台架上面进行了液压阀的驱动实验，对油缸的液压阀和油缸的响应性进行了测量，进一步对控制系统进行了阶跃、抗干扰、适应性等测试，通过不断地反馈调整，基本实现了设计的所有功能。同时也对拖拉机的自动耕深控制液压台架进行了设计，主要包括结构设计、油路设计等。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 研究内容和意义

1．3．1 本课题的研究内容

1．3．2 本课题的研究意义

1．5 本章小结

第二章 基于滑转率的拖拉机自动耕深控制系统总体设计

2．1 液压悬挂控制方法的对比分析

2．1．1 高度调节

2．1．2 位调节

2．1．3 力调节

2．1．4 力位综合调节

2．1．5 滑转率调节

2．2 总体设计

2．2．1 整体结构

2．2．2 工作机理

2．2．4 理想滑转率的自动识别

2．3 控制方案的耦合方法

2．4 本章小结

第三章 拖拉机滑转率的测量与特性分析

3．1 拖拉机滑转率及表示方法

3．2 滑转率的计算方式

3．2．1 间接测量法

3．2．2 直接测量法

3．3 轮速以及车速的测量方法

3．3．1 轮速的测量方法

3．3．2 车速测量方法

3．4 拖拉机滑转率测量系统的硬件与软件设计

3．4．1 数据采集简介

3．4．2 主要硬件选择

3．4．3 硬件与软件设计

3．5 拖拉机滑转率的测量与分析

3．5．1 测量与数据分析

3．6 本章小结

第四章 基于滑转率的拖拉机自动耕深控制仿真分析

4．1 概述

4．2 基于滑转率的拖拉机液压悬挂控制数学模型

4．2．1 比例电磁铁数学模型的建立

4．2．2 比例换向阀控制液压缸数学模型

4．2．3 悬挂位置与悬挂对拖拉机形成的阻力的关系

4．2．4 拖拉机的阻力与驱动力的关系

4．2．5 拖拉机的驱动力与滑转率的关系

4．4 基于滑转率的拖拉机自动耕深控制算法研究与对比分析

4．4．1 PID控制算法

4．4．2 模糊控制算法

4．4．3 模糊PID控制算法研究

4．5 控制算法仿真比较

4．5．1 响应性仿真比较

4．5．3 适应性仿真比较

4．6 本章小结

第五章 基于滑转率的拖拉机自动耕深控制系统硬件设计

5．1 主要硬件介绍

5．1．1 控制芯片—MC9S12X简介

5．1．2 比例换向阀

5．1．3 传感器

5．2 整体设计

5．3 最小系统

5．3．1 晶振电路

5．3．2 电源电路

5．3．3 复位和BDM电路

5．4 信号采集与处理

5．5 按键电路

5．6 驱动电路

5．7 显示与指示电路

5．8 串口通信

5．9 本章小结

第六章 基于滑转率的拖拉机自动耕深控制系统软件设计

6．1 系统软件开发环境简介

6．2 系统软件设计与实现

6．2．1 整体设计

6．2．2 各模块初始化程序

6．2．3 信号采集与计算

6．2．4 上升与下降

6．2．5 滑转率调节子程序设计

6．2．6 模糊控制算法

6．3 本章小结

第七章 实验分析

7．1 比例阀驱动实验

7．2 液压台架控制试验

7．2．1 阶跃实验

7．2．2 正弦实验

7．2．3 离散实验

7．3 台架设计

7．3．1 结构设计

7．3．2 油路设计

7．3．3 工作原理

7．4 本章小结

第八章 结语及建议

参考文献

致谢

研究生期间撰写发表的论文