自激振動深松機及耕深測控方法與流程
2023-05-05 19:02:11 3

本發明屬於農業機械技術領域,涉及一種自激振動深松機及耕深測控方法,其主要應用於土壤深松耕作領域。
背景技術:
土壤耕作是農業生產的重要環節。由於長期採用淺旋、翻耕等不合理耕作方式,導致我國耕地質量逐年下降,作物減產嚴重。深松整地技術是在不翻動土壤的前提下疏鬆土壤,可有效打破犁底層、改善土壤團粒結構,在土壤改良效果上優勢顯著,近年來得到大力推廣。自激振動深松技術具有明顯減阻效果,現階段自激振動深松機均採用彈簧為激振源,使深松鏟上端與機架通過彈簧連接,土壤阻力變化時,深松鏟在土壤阻力和彈簧彈力共同作用下擺動,從而達到減阻效果。但由於彈簧剛度一定、預緊力調節範圍有限,以彈簧為激振源的自激振動深松機在土壤比阻差異大、不同區域地塊作業時存在適應性差、間斷失效的問題,導致耕深穩定性無法保證。
現有技術中,在機架與鏟柄之前設置水平振動裝置,水平振動裝置包括彈簧和套在彈簧內部的液壓油缸,該設計仍以彈簧為激振源,相比傳統彈簧自激深松機在彈簧內部增加了液壓缸,通過調節液壓缸中的液壓油量可控制振動彈簧的伸縮量,對彈簧的最大伸縮位置加以限制,以此保證耕深。
本發明以液壓缸為激振源並配套耕深檢測裝置,耕深檢測裝置實時監測耕深並以耕深變異為指標調節液壓缸工作壓力,使土壤阻力與激振源實時匹配,保證耕深的前提下使深松鏟達到最優的減阻效果。
本發明與現有技術相比有存在以下優點;
1、以液壓缸為激振源,可實現液壓缸液壓力實時調節,避免了彈簧為激振源時剛度不足造成的間斷失效,因此無需增加伸縮量控制裝置,深松單體結構得到簡化。
2、實時檢測耕深,以耕深變異作為液壓缸工作壓力調控依據,增加反饋環節,能夠更加準確、有依據地保證耕深一致性。
技術實現要素:
為實現本發明之目的,採用以下技術方案予以實現:
一種自激振動深松機,包括機架、檢測裝置、液壓裝置、多個自激振動深松單體,其特徵在於:檢測裝置安裝在機架上,多個自激振動深松單體和液壓裝置安裝在機架上;自激振動深松單體用於鬆土,液壓裝置做為自激振動深松單體的激振源,檢測裝置用於檢測自激振動深松單體的入土深度,並根據入土深度控制液壓裝置,進而控制耕深。
所述的自激振動深松機,其中:自激振動深松單體包括單體固定架、深松鏟連接板、深松鏟、液壓缸、鎮壓裝置;所述鎮壓裝置包括鎮壓輪、鎮壓輪連接臂。
所述的自激振動深松機,其中:自激振動深松單體通過單體固定架固定在機架上;液壓缸前端耳環通過銷軸與單體固定架上端鉸接,液壓缸另一端耳環通過第二銷軸與深松鏟連接板鉸接;深松鏟連接板前端通過第一銷軸與單體固定架下端鉸接,深松鏟連接板第一可繞銷軸轉動,深松鏟連接板後端固定連接深松鏟的上端。
所述的自激振動深松機,其中:鎮壓裝置上端通過第三銷軸與深松鏟連接板末端連接,鎮壓裝置可繞銷軸轉動,鎮壓裝置包括連接臂,連接臂上端通過第三銷軸與深松鏟連接板的末端連接,連接臂下端與鎮壓輪的旋轉軸連接,鎮壓輪可繞連接臂的下端旋轉滾動。
所述的自激振動深松機,其中:液壓裝置包括蓄能器、過濾器、閥組、連接管件;所述閥組包括多個相同的比例減壓閥,分別通過連接管件與多個液壓缸連接,每個比例減壓閥獨立控制一個液壓缸,通過控制比例減壓閥出油口壓力來調節液壓缸工作壓力。
所述的自激振動深松機,其中:液壓裝置的進油口與拖拉機液壓輸出口連接,經過濾器、蓄能器連接至閥組的進油口,液壓裝置的回油口與拖拉機液壓回油口連接,並與閥組回油口直接連接,閥組的出油口連至各液壓缸無杆腔。
所述的自激振動深松機,其特徵在於:檢測裝置包括主控制器、連接電路、單體控制器組合、傳感器組合;所述單體控制器組合包括多個單體控制器,傳感器組合包括第一角度傳感器和第二角度傳感器。
所述的自激振動深松機,其中:主控制器通過連接電路與觸控螢幕、單體控制器組合連接,觸控螢幕安裝拖拉機駕駛室;每個單體控制器都與一個傳感器組合連接;每個傳感器組合中的第一角度傳感器水平固定在深松鏟連接板上方,第二角度傳感器豎直固定在鎮壓輪連接臂上方。
所述的自激振動深松機,其中:單體控制器通過安裝在自激振動深松單體上的傳感器組合檢測耕深、耕深變異係數、平均耕深並發送給主控制器;單體控制器還通過控制比例減壓閥調節液壓缸工作壓力,穩定耕深。
一種如上之一所述的自激振動深松機的自激振動深松機測控方法,其中:
該方法包括如下步驟:
a.通過觸控螢幕輸入自激振動深松單體工作參數;
b.主控制器根據觸控螢幕輸入的數據確定自激振動深松單體尺寸參數並控制單體控制器工作;
c.單體控制器計算深松鏟工作參數;
d.單體控制器根據計算得工作參數控制液壓缸的工作壓力;
e.單體控制器將計算出的工作參數發送給主控制器;
f.主控制器將接收的多個單體工作參數發送給觸控螢幕顯示。
所述的自激振動深松機測控方法,其中:所述方法具體按如下步驟進行:
a.在觸控螢幕中輸入自激振動深松單體尺寸參數h、h、l、l1、l2、r,設定耕深變異下限vl、耕深變異上限vu、比例減壓閥初始調定壓力ps;通過觸控螢幕啟動自激振動深松耕深控制;
b.主控制器根據觸控螢幕輸入的數據確定自激振動深松單體尺寸參數h、h、l、l1、l2、r,設定耕深變異下限vl、耕深變異上限vu、比例減壓閥初始調定壓力ps,並發送給單體控制器組合;單體控制器接收數據後,開始讀取角度傳感器組合的數據,計算出深松單體當前耕深dn、耕深變異係數vd、平均耕深dm,其中:h為第一銷軸到深松鏟鏟尖的垂直距離;h為第一銷軸到第三銷軸的垂直距離;l為第一銷軸到深松鏟中心線的水平距離;l1為第三銷軸到鎮壓輪的旋轉軸之間的垂直距離;l2為深松鏟中心線到連接臂中心線之間的距離;r為鎮壓輪半徑;
c.步驟b中,計算深松鏟當前耕深dn的方法為:
c1)隨著深松鏟入土,第一角度傳感器檢測的鎮壓輪連接臂與水平方向的夾角為α,此時根據以下公式計算出深松鏟111當前耕深dn;
dn=h-h-(l1×sinα)-r
c2)深松鏟振動時,第二角度傳感器檢測出深松鏟安裝板與水平方向的夾角α1、第二角度傳感器檢測出鎮壓輪安裝板與水平方向的夾角α,此時根據以下公式計算出深松鏟當前耕深dn;
dn=hcosa1-l1sina+l2sina1-hcosa1-r
耕深平均值計算根據以下公式:
式中:n—採樣點個數;
耕深變異係數計算根據以下公式:
式中:s—耕深標準差;
d.單體控制器將計算出的當前耕深dn、耕深變異係數vd、平均耕深dm發送給主控制器,主控制器接收後發送給觸控螢幕顯示;
e.單體控制器耕深採樣間隔為0.5s,累計採樣預定個數樣本點後,計算出該預定個數的樣本點的耕深變異係數vd,單體控制器根據所述耕深變異係數vd調整液壓缸工作壓力,從而穩定耕深。
所述的自激振動深松機測控方法,其中單體控制器採用模糊控制算法實現對液壓缸壓力的控制:依據模糊控制理論建立模糊控制器,模糊控制器的輸入變量為變異係數誤差e、變異係數誤差變化率ec,輸出量為比例減壓閥控制電壓調定量u。
所述的自激振動深松機測控方法,其中模糊控制器輸入變量的確定方法為:
(1)若vl<vd<vu,單體控制器認為當前耕深變異在設定範圍內,液壓缸工作壓力不作調整,則變異係數誤差e=0;
(2)若vd>vu,單體控制器認為當前耕深變異偏離目標耕深變異且超過設定耕深變異上限,耕深穩定性差,需增大液壓缸工作壓力,則變異係數誤差e=vd-vu;
(3)若vd<vl,單體控制器認為當前耕深變異偏離目標耕深變異且低於設定耕深變異下限,減阻效果差,需減小液壓缸工作壓力,則變異係數誤差e=vd-vl;
其中:變異係數誤差變化率ec為本周期變異係數誤差與本周期對應時間t的比值。
所述的自激振動深松機測控方法,其中所述的模糊控制器建立分為以下步驟:
a根據前期試驗確定模糊控制器的輸入變量e取值範圍e=[-10,10]、ec取值範圍ec=[-20,20],輸出變量u取值範圍u=[-3,3];
b針對輸入變量e、ec定義語言變量e、ec,語言值e′、ec′,並定義語言變量e、ec離散論域為{-6,-4,-2,0,2,4,6}、語言值e′、ec′值域為{負大(nb),負中(nm),負小(ns),零(z),正小(ps),正中(pm),正大(pb)};針對輸出變量u定義語言變量u、語言值u′,並定義語言變量u離散論域為{-6,-4,-2,0,2,4,6},語言值u′值域為{負大(nb),負中(nm),負小(ns),零(z),正小(ps),正中(pm),正大(pb)};
c根據輸入變量e、ec的取值範圍和語言變量e、ec的離散論域,計算得輸入變量e、ec的量化因子ke=0.6、kec=0.3;根據輸出變量u的取值範圍和語言變量u的離散論域,計算得輸出變量u的量化因子ku=0.5;
d選擇三角函數作為語言值e、ec、u的隸屬函數,分別以語言變量論域中的元素為中心值建立隸屬函數;
e建立模糊控制規則庫,如下表:
所述的自激振動深松機測控方法,其中所述的模糊控制器的工作過程按如下步驟:
a模糊控制器實時計算變異係數誤差e、變異係數誤差變化率ec;
b對變異係數誤差e、變異係數誤差變化率ec進行模糊化處理,通過量化因子ke、kec將變異係數誤差e、變異係數變化率ec量化為語言變量e、ec;
c模糊控制器按照隸屬函數並依據隸屬度最大原則求得語言變量e、ec所屬的語言值a、b,a、b∈u′;
d模糊控制器按照模糊控制規則庫進行模糊推理,由語言值a、b確定語言變量u所屬的語言值c,c∈u′;
e對語言值c進行去模糊化處理,按照重心法對語言值u′集合中的各元素及其隸屬度求加權平均值,並進行四捨五入取整,得到語言變量u;
f模糊控制器經過量化因子ku將語言變量u轉化為比例減壓閥控制電壓調定量u。
附圖說明
圖1為本發明自激振動深松機的總體結構示意圖
圖2為本發明自激振動深松單體的正視圖
圖3為本發明鎮壓裝置的結構示意圖
圖4為本發明自激振動深松機液壓裝置的結構示意圖
圖5為本發明自激振動深松機檢測裝置的結構示意圖
圖6為本發明自激振動深松單體尺寸參數示意圖
圖7為本發明自激振動深松單體結構簡圖
圖8為本發明自激振動深松單體入土非振動狀態示意簡圖
圖9為本發明自激振動深松單體入土振動狀態示意簡圖
圖10為本發明自激振動深松機單體控制器耕深控制流程圖
圖11為本發明自激振動深松機單體控制器模糊控制器結構圖
圖12為本發明自激振動深松機單體控制器模糊控制算法所採用隸屬函數的形狀及分布圖
附圖標記
1自激振動深松單體101液壓缸102銷軸
103銷軸104單體固定架105銷軸
106深松鏟連接板107螺栓108螺栓
109鎮壓裝置1091鎮壓輪連接臂1092鎮壓輪
110銷軸111深松鏟2地輪
3檢測裝置301主控制器302連接電路
303單體控制器組合3031單體控制器304傳感器組合
3041角度傳感器3042角度傳感器4觸控螢幕
5液壓裝置501閥組5011比例減壓閥
502連接管件503蓄能器504過濾器
6機架7三點懸掛
具體實施方式
如圖1所示,本發明提供一種自激振動深松機,包括三點懸掛7、機架6、地輪2、檢測裝置3、觸控螢幕4、液壓裝置5、自激振動深松單體1。其中地輪2安裝在機架6兩側,三點懸掛7安裝在機架前部中間的位置,用於與耕作用拖拉機連接,檢測裝置3安裝在機架6上,多個自激振動深松單體1和液壓裝置5安裝在機架6上,自激振動深松單體1用於鬆土,液壓裝置5做為自激振動深松單體1的激振源,通過與土壤共同作用使深松單體產生振動。檢測裝置3用於檢測自激振動深松單體1的入土深度,並根據入土深度控制液壓裝置,進而控制耕深變異在允許範圍內。
如圖2所示,自激振動深松單體1包括單體固定架104、深松鏟連接板106、深松鏟111、液壓缸101、鎮壓裝置109,鎮壓裝置包括鎮壓輪1092、鎮壓輪連接臂1091。自激振動深松單體1通過單體固定架104固定在深松機機架6上。液壓缸101前端耳環通過銷軸102與單體固定架104上端鉸接,液壓缸101另一端耳環通過銷軸103與深松鏟連接板106鉸接;深松鏟連接板106前端通過銷軸105與單體固定架104下端鉸接,深松鏟連接板106可繞銷軸105轉動,深松鏟連接板106後端通過螺栓107、螺栓108固定連接深松鏟111的上端,深松鏟111從上端部向下整體成鉤狀,用於鬆土。如圖2、3所示,鎮壓裝置109上端通過銷軸110與深松鏟連接板106末端連接,鎮壓裝置109可繞銷軸110轉動,具體的鎮壓裝置109包括連接臂1091,連接臂1091上端通過銷軸110與深松鏟連接板106的末端連接,連接臂1091下端與鎮壓輪1092的旋轉軸連接,鎮壓輪1092可繞連接臂1091的下端旋轉滾動。
工作過程中,鎮壓輪1092始終與地面接觸,液壓缸101內保持一定工作壓力,自激振動深松單體1因土壤阻力變化產生振動。土壤阻力增大時,深松鏟111翹起,耕深變淺,深松鏟111帶動深松鏟連接板106繞銷軸105轉動,液壓缸101被壓縮,深松鏟連接板106與水平方向夾角α1增大,鎮壓輪連接臂1091與水平方向的傾角α也增大;土壤阻力減小時,深松鏟111下行,耕深增加,深松鏟111帶動深松鏟連接板106繞銷軸105轉動,液壓缸101伸長,深松鏟連接板106與水平方向夾角α1減小,鎮壓輪連接臂1091與水平方向的夾角α也減小。
本發明提供的自激振動深松機,包括液壓裝置5和檢測裝置3。
如圖4,液壓裝置5包括蓄能器503、過濾器504、閥組501、連接管件502;閥組501具有5個相同的比例減壓閥5011,分別通過連接管件502與5個液壓缸101連接;每個比例減壓閥5011獨立控制一個液壓缸101,互不幹涉,通過控制比例減壓閥5011出油口a壓力可調節液壓缸101工作壓力。
液壓裝置5的進油口p與拖拉機液壓輸出口連接,經過濾器504、蓄能器503連接至閥組501的進油口p,液壓裝置5的回油口t與拖拉機液壓回油口連接,並與閥組501回油口t直接連接,蓄能器503具有吸收液壓脈動、穩定壓力的作用;閥組501的出油口a分別連至各液壓缸101無杆腔。
如圖5,檢測裝置3包括主控制器301、連接電路302、單體控制器組合303、傳感器組合304,單體控制器組合303具有5個地址分別為01、02、03、04、05的單體控制器3031,傳感器組合304包括角度傳感器3041、角度傳感器3042。主控制器301通過連接電路302與觸控螢幕4、單體控制器組合303連接,觸控螢幕4放置在拖拉機駕駛室,方便工作人員設置初始參數和讀取當前工作參數;每個單體控制器3031都與一個傳感器組合304連接,傳感器組合304包括角度傳感器3041、角度傳感器3042;角度傳感器3042水平固定在深松鏟連接板106上方,角度傳感器3041豎直固定在鎮壓輪連接臂1091上方。本發明中檢測裝置3具有1個主控制器301和若干個具有不同通訊地址的單體控制器3031,每個自激振動深松單體1上安裝一個單體控制器3031。主控制器301採用輪詢的方式讀取每個單體控制器的數據,並發送給觸控螢幕4顯示;單體控制器3031一方面通過安裝在自激振動深松單體上1的傳感器組合304檢測耕深、耕深變異係數、平均耕深等工作參數發送給主控制器301,另一方面單體控制器3031通過控制比例減壓閥5011調節液壓缸101工作壓力,穩定耕深。為保證自激振動深松機耕深測控系統良好的拓展性,主控制器301與單體控制器3031採用rs485通信協議,單體控制器3031可根據深松單體1數量拓展。
本發明提供一種自激振動深松機耕深測控方法,結合自激振動深松單體1尺寸參數和深松鏟連接板106、鎮壓輪連接臂1091角度變化計算出當前耕深。
為方便說明自激振動深松單體1尺寸參數,做出輔助直線ab、bc、cd。如圖6所示,銷軸105處設置a點,直線ab為銷軸105與深松鏟連接板106所在水平線,直線bc為深松鏟111所在豎直線,直線ab與直線bc相交於b點;銷軸110處設置d點,直線cd為銷軸110與深松鏟連接板106所在水平線,直線bc與直線cd相交處設置為c點。圖6中,h為銷軸105到鏟尖距離、l為a、b兩點距離、h為b、c兩點距離、l2為c、d兩點距離、l1為鎮壓輪連接臂長度,r為鎮壓輪半徑。
為方便分析自激振動深松單體1振動時深松鏟連接板106、鎮壓輪連接板1091角度變化,繪製自激振動深松單體簡化模型,如圖7。振動過程中,鎮壓輪1092始終與地面接觸,土壤阻力增大時,深松鏟111翹起,深松鏟連接板106與水平方向夾角α1增大,鎮壓輪連接臂1091與水平方向的傾角α也增大;土壤阻力減小時,深松鏟111下行,深松鏟連接板106與水平方向夾角α1減小,鎮壓輪連接臂1091與水平方向的夾角α也減小。
一種自激振動深松機耕深測控方法,該方法包括如下步驟:
a、將液壓裝置5的進油口p、回油口t與拖拉機液壓輸出口、回油口連接,在觸控螢幕4中輸入自激振動深松單體1尺寸參數h、h、l、l1、l2、r,設定耕深變異下限vl、耕深變異上限vu(可綜合考慮農藝整地質量要求和減阻程度設置耕深變異下限vl、耕深變異上限vu)、比例減壓閥5011初始調定壓力ps,點擊觸控螢幕上「開始」按鈕,啟動自激振動深松耕深測控機;
b、主控制器301向觸控螢幕4讀取自激振動深松單體1尺寸參數h、h、l、l1、l2、r,設定耕深變異下限vl、耕深變異上限vu、比例減壓閥5011初始調定壓力ps,並發送給單體控制器組合303;以地址為01的單體控制器3031為例,單體控制器3031接收數據後,開始讀取角度傳感器3041、角度傳感器3042的數據,計算出深松鏟111當前耕深dn、耕深變異係數vd、平均耕深dm;
c、步驟b中,計算深松鏟111當前耕深dn、耕深變異係數vd、平均耕深dm的方法為:
c1)隨著深松鏟111入土,角度傳感器3041檢測的鎮壓輪連接臂與水平方向的夾角為α,如圖8,此時根據以下公式計算出深松鏟111當前耕深dn;
dn=h-h-(l1×sina)-r
c2)深松鏟111振動時,角度傳感器3042檢測出深松鏟安裝板106與水平方向的夾角α1、角度傳感器3041檢測出鎮壓輪安裝板與水平方向的夾角α,如圖9,此時根據以下公式計算出深松鏟當前耕深dn;
dn=hcosa1-l1sina+l2sina1-hcosa1-r
c3)耕深平均值計算根據以下公式:
式中:
n—採樣點個數;
c4)耕深平均值計算根據以下公式:
式中:
s—耕深標準差,單位cm
d、單體控制器3031將計算出的當前耕深dn、耕深變異係數vd、平均耕深dm發送給主控制器301,主控制器301接收後發送給觸控螢幕4顯示;
e、設置單體控制器3031採樣間隔為0.5s,單體控制器3031將實時計算出的耕深變異係數vd與設定的耕深變異下限vl、耕深變異上限vu進行比對,根據比對結果作為控制液壓缸工作壓力。
單體控制器3031控制液壓缸工作壓力的算法如圖10所示。單體控制器3031根據耕深變異係數vd設定的耕深變異下限vl、耕深變異上限vu計算出變異係數誤差e以及變異係數誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入,模糊控制器輸出比例減壓閥控制電壓調定量u,進而調節液壓缸工作壓力。
模糊控制器輸入變量(變異係數誤差e)的確定方法為:
(1)若vl<vd<vu,單體控制器認為當前耕深變異在設定範圍內,液壓缸工作壓力不作調整,則變異係數誤差e=0;
(2)若vd>vu,單體控制器認為當前耕深變異偏離目標耕深變異且超過設定耕深變異上限,耕深穩定性差,需增大液壓缸工作壓力,此時變異係數誤差e=vd-vu;
(3)若vd<vl,單體控制器認為當前耕深變異偏離目標耕深變異且低於設定耕深變異下限,減阻效果差,需減小液壓缸工作壓力,則變異係數誤差e=vd-vl;
(4)變異係數誤差變化率ec為本周期變異係數誤差與本周期對應時間t的比值。
模糊控制器結構如圖11所示,建立模糊控制器分為以下步驟:
a根據前期試驗確定模糊控制器的輸入變量e取值範圍e=[-10,10]、ec取值範圍ec=[-20,20],輸出變量u取值範圍u=[-3,3];
b針對輸入變量e、ec定義語言變量e、ec,語言值e′、ec′,並定義語言變量e、ec離散論域為{-6,-4,-2,0,2,4,6}、語言值e′、ec′值域為{負大(nb),負中(nm),負小(ns),零(z),正小(ps),正中(pm),正大(pb)};針對輸出變量定義語言變量u、語言值u′,並定義語言變量u離散論域為{-6,-4,-2,0,2,4,6},語言值u′值域為{負大(nb),負中(nm),負小(ns),零(z),正小(ps),正中(pm),正大(pb)};
c根據輸入變量e、ec的取值範圍和語言變量e、ec的離散論域,計算得輸入變量e、ec的量化因子ke=0.6、kec=0.3;根據輸出變量u的取值範圍和語言變量u的離散論域,計算得輸出變量u的量化因子ku=0.5;
d選擇三角函數作為語言值e、ec、u的隸屬函數,分別以語言變量論域中的元素為中心值建立隸屬函數,隸屬函數分布如圖12所示。
e建立模糊控制規則庫,如下表:
模糊控制器的工作過程按如下步驟:
a模糊控制器實時計算變異係數誤差e、變異係數誤差變化率ec;
b對變異係數誤差e、變異係數誤差變化率ec進行模糊化處理,通過量化因子ke、kec將變異係數誤差e、變異係數變化率ec量化為語言變量e、ec;
c模糊控制器按照隸屬函數並依據隸屬度最大原則求得語言變量e、ec所屬的語言值a、b,a、b∈u′;
d模糊控制器按照模糊控制規則庫進行模糊推理,由語言值a、b確定語言變量u所屬的語言值c,c∈u′;
e對語言值c進行去模糊化處理,按照重心法對語言值u′集合中的各元素及其隸屬度求加權平均值,並進行四捨五入取整,得到語言變量u;
f模糊控制器經過量化因子ku將語言變量u轉化為比例減壓閥控制電壓調定量u,u>0表示增大液壓缸工作壓力,u<0表示減小液壓缸工作壓力。
本發明以液壓缸為激振源,可實現液壓缸液壓力實時調節,避免了彈簧為激振源時剛度不足造成的間斷失效,因此無需增加伸縮量控制裝置,深松單體結構得到簡化。本發明能夠實時檢測耕深,以耕深變異作為液壓缸工作壓力調控依據,增加反饋環節,能夠更加準確、有依據地保證耕深一致性。