一種水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及農業(yè)機械領域，特別涉及一種水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方 法。
【背景技術】
[0002] 現(xiàn)代水稻種植技術對水田的平整度要求很高，因為田塊平整度的提高，有利于節(jié) 約用水和提高農作物產量。水田激光平地機是一種機電液一體的水田土地平整機械，能根 據實時的工作狀態(tài)，自動調整平地鏟的高度與傾角，使之保持水平并維持設定高度，以達到 平整水田的目的。但是，現(xiàn)有技術中，水田平地機在復雜的水田環(huán)境作業(yè)時，仍存在工作響 應速度慢，控制不穩(wěn)定，易出現(xiàn)振蕩和超調等現(xiàn)象導致平地效率低效果欠佳。
[0003] 實踐表明，為進一步提高平地機的水平控制精度、穩(wěn)定性和響應性，有必要從理論 上建立一個平地機調平系統(tǒng)的動力學模型，一方面可以用來機械系統(tǒng)改進設計，另一方面 也為電控系統(tǒng)設計提供理論依據，以便在多變的水田土壤環(huán)境下仍達到良好的平地效果。
【發(fā)明內容】
[0004] 針對現(xiàn)有水田激光平地機存在的響應慢、控制系統(tǒng)魯棒性差、穩(wěn)定性不夠高等技 術問題，本發(fā)明提供了一種水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，根據水田激光平地 機動力學模型，優(yōu)化平地機控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)設計，保證平地鏟零速度過零位置，消除超 調，實現(xiàn)快速響應，提高系統(tǒng)的水平控制精度，同時減少系統(tǒng)功率損失和機械磨損，實現(xiàn)能 量的有效利用。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術方案解決上述技術問題：一種水田激光平地機調平系統(tǒng)動力 學建模方法，所述水田激光平地機包括平行三連桿、安裝平臺、平地鏟及液壓系統(tǒng)，液壓系 統(tǒng)包括定量液壓泵、三維四通比例閥、溢流閥、連接管路和液壓缸，包括以下步驟：
[0006]S1、建立水田激光平地機任意位置的簡化動力學模型：將平行三連桿簡化為一條 承受彎矩的扭簧；將安裝平臺簡化為繞安裝平臺與平行三連桿的連接點旋轉的具有轉動慣 量的剛體；將平地鏟簡化為剛體桿件；將液壓系統(tǒng)中油液、連接管道和缸體的機械柔度簡 化為一個彈性元件，其彈性模量ee;
[0007]S2、建立液壓系統(tǒng)彈性元件的動力學關系，建立安裝平臺的力學微分方程模型，建 立平地鏟的力學微分方程模型；
[0008]S3、對步驟S2所建立的微分方程組進行數值分析，同時把水田激光平地機的相應 參數代入所述微分方程組中，求解微分方程組的數值解。
[0009] 優(yōu)選的，步驟S2所述液壓系統(tǒng)彈性元件的動力學關系為：
[0010]
【主權項】
1. 一種水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，所述水田激光平地機包括平行三連 桿、安裝平臺、平地鏟及液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包括定量液壓泵、三維四通比例閥、溢流閥、連 接管路和液壓缸，其特征在于，包括以下步驟： 51、 建立水田激光平地機任意位置的簡化動力學模型：將平行三連桿簡化為一條承受 彎矩的扭簧；將安裝平臺簡化為繞安裝平臺與平行三連桿的連接點旋轉的具有轉動慣量的 剛體；將平地鏟簡化為剛體桿件；將液壓系統(tǒng)中油液、連接管道和缸體的機械柔度簡化為 一個彈性元件，其彈性模量ee; 52、 建立液壓系統(tǒng)彈性元件的動力學關系，建立安裝平臺的力學微分方程模型，建立平 地鏟的力學微分方程模型； 53、 對步驟S2所建立的微分方程組進行數值分析，同時把水田激光平地機的相應參數 代入所述微分方程組中，求解微分方程組的數值解。
2. 根據權利要求1所述的水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，其特征在于，步 驟S2所述液壓系統(tǒng)彈性元件的動力學關系為：
其中P為液壓系統(tǒng)壓力，V1為密封部分液壓油體積，Q(t)是流量，A為活塞有效作用面 積，d是液壓缸的伸長量，取平地鏟處于水平位置時d = 0。
3. 根據權利要求1所述的水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，其特征在于，步 驟S2所述安裝平臺的力學微分方程為： APcos ( 0 + 0 -Kyy-Cyy' -Fy= m =In1 (y" -I4 0 / 2Cos 0「14 0sin 0 J.................................(2) -APsin ( 0 + 0 :)-KxX-CxX1-Fx= m^ex =In1 (x"+I4 9i2sin0 ^l4 9:"cos0 :).................................(3) AP (1「14) sin 0 -Fx (12+14) cos 0「Kt 0「Ct 0 / -Fy (12+14) sin 00 / = J1 0 丄"…（4) 其中A為活塞有效作用面積，P為液壓系統(tǒng)壓力，液壓缸與安裝平臺之間的夾角為0， 安裝平臺的質量為Hi1平行三連桿的扭轉剛度為K t，扭轉阻尼系數為Ct，水平方向剛度系數 為Kx，水平方向阻尼系數為C x，豎直方向剛度系數為Ky，豎直方向阻尼系數為Cy;平行三連 桿在水平X軸方向產生的力F x= K Xx+Cxx'，在豎直Y軸方向產生的力Fy= K yy+Cyy'；安裝 平臺的轉動慣量為J1;安裝平臺與液壓缸、平行三連桿、平地鏟分別連接于A點、B點、C點， 平地鏟與液壓桿連接于D點，安裝平臺的質心為0點，AB距離為I 1JC的距離為12，B0距離 為14, AD與AC夾角為0，安裝平臺中軸線與豎直方向的夾角為0 1;安裝平臺在質心的加 速度為aEx、aEy; 所述平地鏟的力學微分方程為： Fx+APcos ( a + 0 2) = m2acx =m2 (x" -I2 0 / 2sin 0 !+I2 0:"cos 0 :)............................(5) Fy-APsin ( a + 0 2) = m2 (y" +I2 0 / 2Cos 0 i+l2 0 !" sin 0 J...............(6) APl3Sin a -c2 9 2' = J2 9 2;/ ..........................................(7) 式中aa表示C點的水平方向加速度，m2為平地鏟的質量，02是平地鏟與水平方向的 夾角，a是液壓缸與平地鏟之間的夾角山是CD間距離，J2是水平鏟的轉動慣量，C 2是水 平鏟與安裝平臺鉸接處的轉動阻尼。
4. 根據權利要求3所述的水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，其特征在于，所 述水田激光平地機的機械系統(tǒng)滿足以下幾何約束： (d0+d)2= (I !+I2) 2+132+2 (I1+]^) ? l3sin ( 9 !+ 9 2)...........................(8) (d〇+d) d' = (I^l2) I3Cos ( 0 j+ 0 2). ( 0 / + 0 2')...........................(8*) Q+0 + 0J+02= JT / 2.................................................(9) 其中d為液壓油缸的伸長量，Cltl為平地鏟處于水平位置時液壓缸的長度。
5. 根據權利要求1所述的水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，其特征在于，所 述步驟S3還包括建立水田激光平地機調平系統(tǒng)的控制模型；所述平地機調平系統(tǒng)G為電 流-角速度系統(tǒng)，包括兩個串聯(lián)子系統(tǒng)，即比例閥線圈電流-流量系統(tǒng)G 1和油缸-平地鏟 系統(tǒng)G2;比例閥線圈電流-流量系統(tǒng)G :輸入電流I s，驅動比例閥線圈運動，使比例閥閥口打 開，輸出液壓油流量Q (t);油缸-平地鏟系統(tǒng)匕輸入液壓油流量Q (t)，控制平地鏟油缸伸 縮，伸縮量為d，經油缸-負載連接機構，輸出平地鏟角速度w，輸出為平地鏟角速度w，角速 度w經積分后得出平地鏟傾斜角度值0 2;設水田激光平地機調平系統(tǒng)的增益為Kq，則： Q(t) = KqXIs.......................................................(10)。
6. 根據權利要求1所述的水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，其特征在于，所 述步驟S3利用四階龍哥-庫塔法和Matlab軟件求解微分方程組的數值解。
【專利摘要】本發(fā)明涉及水田激光平地機調平系統(tǒng)動力學建模方法，包括以下步驟：建立平地機任意位置的簡化動力學模型：平行三連桿簡化為承受彎矩的扭簧；安裝平臺簡化為具有轉動慣量的剛體；平地鏟簡化為剛體桿件；液壓系統(tǒng)中油液、連接管道和缸體的機械柔度簡化為彈性元件；建立液壓系統(tǒng)彈性元件的動力學關系，建立安裝平臺、平地鏟的力學微分方程模型；把平地機的相應參數代入微分方程組中，利用四階龍哥-庫塔法進行求解，仿真結果與實驗結果很接近。本發(fā)明為優(yōu)化平地機調平控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)設計提供理論依據，以便在多變的水田土壤環(huán)境下仍達到良好的平地效果，保證平地鏟零速度過零位置，消除超調，實現(xiàn)快速響應，提高系統(tǒng)的水平控制精度。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104820728
【申請?zhí)枴緾N201510076810
【發(fā)明人】趙祚喜, 陳嘉琪, 施壘, 可欣榮, 吳志偉, 劉雄, 黃培奎, 劉明, 曹文君
【申請人】華南農業(yè)大學
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年2月11日