【摘要】：隨著我國(guó)土地流轉(zhuǎn)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的集約化,農(nóng)業(yè)裝備正向高效智能化、大型化、環(huán)保節(jié)約化方向發(fā)展,傳統(tǒng)背負(fù)式噴霧機(jī)和小型噴桿噴霧機(jī)已逐漸不能滿足糧食增產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境保護(hù)的需要。大型噴桿噴霧機(jī)作業(yè)效率高、噴灑均勻,廣泛用于農(nóng)藥化肥的噴施,然而作業(yè)過(guò)程中噴桿運(yùn)動(dòng)嚴(yán)重影響了噴霧分布均勻性,降低農(nóng)藥化肥的作用效果。在噴桿與底盤(pán)之間增設(shè)懸架系統(tǒng)是提高噴桿穩(wěn)定性與防治效果的重要途徑。落后的噴桿懸架技術(shù)一直是噴桿噴霧機(jī)向大型化發(fā)展的“瓶頸”,制約著我國(guó)大型噴桿噴霧機(jī)的發(fā)展。本文圍繞大型噴桿動(dòng)力學(xué)行為與控制,開(kāi)展了鐘擺式主被動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為建模與參數(shù)優(yōu)化、噴桿運(yùn)動(dòng)非線性控制策略、噴桿穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等三方面的研究,主要研究?jī)?nèi)容概括下:綜合考慮底盤(pán)運(yùn)動(dòng)耦合、地形坡度變化、運(yùn)動(dòng)副摩擦等因素,使用第二類(lèi)拉格朗日動(dòng)力學(xué)方法建立噴霧機(jī)底盤(pán)、鐘擺式懸架、噴桿系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,準(zhǔn)確描述基于雙鐘擺主、被動(dòng)懸架機(jī)構(gòu)的噴桿動(dòng)力學(xué)行為。揭示阻尼、摩擦、擺長(zhǎng)、噴桿質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等因素各參量對(duì)噴桿運(yùn)動(dòng)行為的影響機(jī)理,分析不同的控制參數(shù)組合(增益系數(shù)、時(shí)間常量、懸架構(gòu)型參數(shù))下噴桿呈現(xiàn)出運(yùn)動(dòng)狀態(tài),仿真結(jié)果顯示在被動(dòng)懸架的基礎(chǔ)上增加主動(dòng)執(zhí)行器可以提高其低頻地形跟蹤性能,又不失被動(dòng)懸架高頻隔振性能,并且主動(dòng)執(zhí)行器的需要功耗非常低。為了驗(yàn)證懸架動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,以28 m大型噴桿為研究對(duì)象,根據(jù)期望的響應(yīng)特性,為其鐘擺式被動(dòng)懸架設(shè)計(jì)合適的減振元件,應(yīng)用六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)研究被動(dòng)懸架系統(tǒng)作用下噴桿的動(dòng)態(tài)行為,配合多通道動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試了噴桿滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng)的時(shí)域、頻域響應(yīng)特性,還著重分析了阻尼、剛度系數(shù)對(duì)噴桿振動(dòng)特性的影響規(guī)律,驗(yàn)證了鐘擺式被動(dòng)懸架數(shù)學(xué)模型的仿真結(jié)果。由于28 m桁架式噴桿為大柔度、大慣量、弱阻尼結(jié)構(gòu),加之底盤(pán)受到的田間地面激勵(lì)隨機(jī)變化,可能與鐘擺式懸架發(fā)生諧振,造成噴桿損壞,因此需進(jìn)一步優(yōu)化配置被動(dòng)懸架參數(shù),在有限元軟件中采用蘭索斯法將噴桿作為柔性體處理,將噴霧機(jī)底盤(pán)、鐘擺式懸架、噴桿作為一個(gè)多體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng),建立噴桿懸架虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)剛?cè)狁詈夏Ｐ?通過(guò)提拉法進(jìn)行懸架瞬態(tài)響應(yīng)試驗(yàn),驗(yàn)證了模型精度。選擇懸架的彈性元件剛度系數(shù)和阻尼元件的阻尼系數(shù)等作為設(shè)計(jì)變量,以噴桿的水平傾角均方根與垂向振動(dòng)位移均方根為優(yōu)化目標(biāo),結(jié)合最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)獲取試驗(yàn)樣本,訓(xùn)練基于徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型代替仿真模型,采用NSGA-Ⅱ多目標(biāo)遺傳算法對(duì)懸架動(dòng)力參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu),通過(guò)合理的確定權(quán)重系數(shù),得到懸架剛度、阻尼參數(shù)最優(yōu)解,調(diào)整懸架參數(shù)并在六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行田間運(yùn)動(dòng)工況模擬試驗(yàn)。研究為大型噴桿懸架參數(shù)優(yōu)化配置提供理論依據(jù)與試驗(yàn)方法。為了提高噴桿對(duì)低頻地形變化的跟蹤精度,在被動(dòng)懸架研究基礎(chǔ)上開(kāi)展了主動(dòng)懸架研究,由于噴桿噴霧機(jī)作業(yè)過(guò)程中存受到在地形不平整、載藥量變化、藥液晃動(dòng)等不確定性干擾,以及電液主動(dòng)執(zhí)行器自身存在諸多非線性等問(wèn)題,噴桿主動(dòng)懸架屬于一類(lèi)非線性不確定系統(tǒng),因此融合結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)解析建模與參數(shù)試驗(yàn)辨識(shí)方法,建立了伺服閥控制液壓缸非線性模型、液壓缸位移與噴桿滾轉(zhuǎn)角模型,設(shè)計(jì)了基于模型補(bǔ)償?shù)姆蔷€性自適應(yīng)魯棒控制算法,有效的鎮(zhèn)定了電液主動(dòng)懸架系統(tǒng)固有的非線性和模型偏差、未知干擾等不確定性。通過(guò)搭建噴桿運(yùn)動(dòng)電液主動(dòng)懸架專(zhuān)用的快速控制原型(Rapid Control Prototyping,RCP)平臺(tái),確�？刂扑惴ㄅc系統(tǒng)硬件順暢銜接,配合Stewart六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開(kāi)展了擾動(dòng)試驗(yàn)和正弦角度跟蹤實(shí)試驗(yàn),將自適應(yīng)魯棒控制器與PID控制器進(jìn)行了多種工況的性能對(duì)比。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明:存在參數(shù)不確定和非線性的情況下,提出的非線性自適應(yīng)魯棒控制器可以保證懸架系統(tǒng)的瞬態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)跟蹤精度,實(shí)現(xiàn)設(shè)定頻率范圍內(nèi)地形坡度變化的精確跟蹤。鐘擺式被動(dòng)懸架和主動(dòng)懸架系統(tǒng)理論分析、參數(shù)優(yōu)化和控制算法設(shè)計(jì)完成以后,采用“V模式”的控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程,研制了以DSP為核心的噴桿主動(dòng)懸架控制終端和人機(jī)界面,為了消除地表粗糙度和冠層分布不均噪聲的測(cè)量噪聲,設(shè)計(jì)濾波、平滑、限幅算法對(duì)超聲波傳感器的信號(hào)進(jìn)行了處理,并采用處理后的超聲波傳感器數(shù)據(jù)、慣性傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)加權(quán)融合,獲得噴桿相對(duì)于地面或作物冠層的側(cè)傾角,實(shí)現(xiàn)噴桿傾角的主動(dòng)控制。通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)和田間試驗(yàn)對(duì)噴桿主動(dòng)控制系統(tǒng)的性能進(jìn)行測(cè)試,結(jié)果表明增加主動(dòng)懸架后,被動(dòng)懸架的低頻跟蹤性能得到顯著改善,原被動(dòng)懸架共振峰也大大降低。在設(shè)計(jì)頻寬范圍內(nèi),噴桿傾角穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差小于0.3°,最終通過(guò)設(shè)計(jì)鐘擺式主被動(dòng)懸架系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了底盤(pán)高頻擾動(dòng)被動(dòng)控制和低頻地形波動(dòng)主動(dòng)跟蹤的最佳綜合。目前,噴桿懸架性能的田間測(cè)試與評(píng)價(jià)受到測(cè)試地形、土壤屬性、駕駛熟練度等諸多隨機(jī)因素的影響,搭建了噴桿懸架性能室內(nèi)測(cè)試系統(tǒng),包括六自由度底盤(pán)運(yùn)動(dòng)模擬平臺(tái)、地形起伏模擬平臺(tái)及同步觸發(fā)測(cè)控系統(tǒng)。使用修正的霍克利指數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等統(tǒng)計(jì)指標(biāo)來(lái)描述噴桿懸架系統(tǒng)的穩(wěn)定性,通過(guò)噴桿懸架測(cè)試系統(tǒng)先后對(duì)28 m噴桿在無(wú)懸架、被動(dòng)懸架、主被動(dòng)懸架等不同安裝模式下的穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試,多組重復(fù)測(cè)試結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)與評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同懸架系統(tǒng)有較好的區(qū)分度和適用性,研究為大型噴桿懸架性能的測(cè)試和評(píng)價(jià)提供了新方法。
【圖文】：

江 蘇 大 學(xué) 博 士 論 文在噴桿懸架建模與設(shè)計(jì)方面，英國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)工程研究所（National Institute Agricultural Engineering，NIAE）Frost A. R.等[37]最先建立了梯形被動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)行為數(shù)學(xué)模型，綜合考慮滾轉(zhuǎn)、橫擺激勵(lì)輸入，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了噴桿運(yùn)動(dòng)行為，通試驗(yàn)獲得的懸架固有頻率、響應(yīng)特性與模型預(yù)測(cè)非常一致。噴桿梯形懸架的研究步比較早，設(shè)計(jì)理論和方法較為完善，梯形懸架是歐美地區(qū)大型噴桿式噴霧機(jī)廣使用的一種懸架結(jié)構(gòu)，如圖 1.3 為澳大利亞 GOLDACRES 公司的牽引式大型噴桿霧機(jī)梯形懸架，使用了彈簧、阻尼器等作為減振元件；圖 1.4 為法國(guó) KUHN 牽引大型噴桿噴霧機(jī)，采用了鐘擺與梯形組合的被動(dòng)懸架系統(tǒng)。噴桿梯形懸架的設(shè)計(jì)論與方法對(duì)于本文開(kāi)展雙鐘擺主被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)行為與控制研究有較好的借鑒意

江 蘇 大 學(xué) 博 士 論 文在噴桿懸架建模與設(shè)計(jì)方面，英國(guó)國(guó)家農(nóng)業(yè)工程研究所（National Institute Agricultural Engineering，NIAE）Frost A. R.等[37]最先建立了梯形被動(dòng)懸架系統(tǒng)動(dòng)行為數(shù)學(xué)模型，，綜合考慮滾轉(zhuǎn)、橫擺激勵(lì)輸入，準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)了噴桿運(yùn)動(dòng)行為，通試驗(yàn)獲得的懸架固有頻率、響應(yīng)特性與模型預(yù)測(cè)非常一致。噴桿梯形懸架的研究步比較早，設(shè)計(jì)理論和方法較為完善，梯形懸架是歐美地區(qū)大型噴桿式噴霧機(jī)廣使用的一種懸架結(jié)構(gòu)，如圖 1.3 為澳大利亞 GOLDACRES 公司的牽引式大型噴桿霧機(jī)梯形懸架，使用了彈簧、阻尼器等作為減振元件；圖 1.4 為法國(guó) KUHN 牽引大型噴桿噴霧機(jī)，采用了鐘擺與梯形組合的被動(dòng)懸架系統(tǒng)。噴桿梯形懸架的設(shè)計(jì)論與方法對(duì)于本文開(kāi)展雙鐘擺主被動(dòng)懸架動(dòng)力學(xué)行為與控制研究有較好的借鑒意
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：S491

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2650938