水田平地机动力学建模与验证

发布时间：2020-04-03 13:25

【摘要】：水田平整机械化是实现水稻生产全程机械化的重要环节,经过精准平整的水田能够满足插秧机插秧、水稻直播机播种对水田高平整度的作业要求,有利于秧苗和稻种受水受肥均匀,还能够节省灌溉用水。目前,激光平地机技术是国内外最先进的土地平整技术,有成熟的商业化产品,但是该技术主要用在旱地平地,没有应用于水田平地,课题组致力于水田激光平地机的研发设计,由于水田和旱田的差异较大,引入水田平地后会产生新的问题,主要包括原有的牵引式连接方式不再适用和车身侧倾运动明显,使得平地铲产生倾斜。课题组引入了悬挂式连接方案代替牵引式连接,新增了平地铲自动调平功能,比较成功的将激光平地机技术应用到了水田平地。课题组已经先后研发出多代样机,在水田激光平地机的研发设计和推广中积累了经验,针对当前水田平地机存在作业效率较低,提高水田平地机作业速度平地铲位置控制精度降低的现状,分析了产生作业效果不理想的影响因素包括:机械结构中的变形和间隙、液压系统的诸多参数和控制算法。为掌握输入、干扰及系统本身诸多物理参数之间的关系,本文尝试建立一个包含诸多物理因素的动力学模型,来分析各个因素对平地机的运动输出的关系。从而基于理论模型指导水田平地机机械液压系统改进和控制算法设计。本文研究的主要内容是水田平地机动力学建模仿真,微分代数方程组(Differential-Algebraic Equations,简称DAE)的数值解求解和水田平地机动力学模型的验证试验三部分,具体如下:1.建立了水田平地机的动力学模型。水田平地机的动力学模型本文以两种形式实现,一是基于运动学和动力学分析得到的DAE形式的模型和二是基于多体动力学仿真软件建立的模型。水田平地机的平地铲控制包括水平倾角位置控制(后文简称调平控制)和高度位置控制(后文简称高程控制)。本文在课题组已经建立调平系统动力学模型的基础上,继续推导了高程控制部分的动力学模型,得到了水田平地机的完整动力学模型。基于多体动力学仿真软件ADAMS建立了包含高程运动和调平运动水田平地机动力学模型,并进行运动仿真,指出了杆件变形的影响。2.对建立的水田平地机DAE形式的动力学模型进行了数值解求解研究。本文对DAE求解方法进行了探索,基于Matlab提供的数学函数ode45,daeFunction实现了DAE模型的求解,得到了输入电流与平地铲水平倾角等输出状态变量的关系,同时对数值解输出结果与试验结果进行了对比分析。3.对DAE形式的平地机调平系统动力学模型的准确性进行初步试验验证。首先,为满足车身固定这一假设条件,设计了固定于地面的平地机机械安装支架,改进了平地铲调平控制的液压系统,增大系统流量;其次,通过模拟平地机正常工作过程中输入信号,对平地机调平系统的比例流量换向阀输入正弦电流,对比了平地铲的水平倾角、角速度和DAE模型的输出和试验结果,初步验证了DAE模型的准确性。本文的研究存在以下几点不足:第一,基于简化模型建立的动力学模型的准确性基于多体动力学仿真软件的验证,初步展开研究,但未能深入和实现;第二,基于固定机械支架的平地铲姿态测量结果和动力学模型输出之间的对应关系分析不够深入,在下一步的研究中将完善以上两个问题。本文为模型的应用研究奠定基础,应用包括:基于模型的敏感参数分析和优化,改进现有平地机机械液压系统的设计不足。最后由DAE模型到控制系统传递函数的获取,或高阶拟合DAE模型的输入输出关系,展开基于的立场模型的平地铲位置控制算法的设计。
【图文】：

平地机,伟业,水田,激光

图 1.1 天宝旱地激光水田平地机（天宝伟业，2015）地机不同于旱地平地机而且技术难度更大。传统的水田平整都要靠人工视觉确定，难以达到精细平整的要求。常见有拖拉机

整平机,水田,刮刀

图 1.4 国产的某水田整平机图 1. 5 具有球铰接式的水田平地机注：1 拖拉机 2 悬挂连杆、连接板 3、机架 4、摆架 5、刮刀右提升液压缸 6、刮刀左提升液缸 7、Y 型座 8、角位器 9、刮刀 10、刮刀角变液压缸 11、刮刀摆动液压缸 12、牵引架 13 、铰机构 14状态的ODE，这种方法常常也不易实现，且易导致物理意义不明确的状态变量出Kunkel. P,2006）。DAE在动态系统建模方面应用广泛，，鉴于DAE求解的上述困难，三十年来，可直接用于DAE数值求解的方法一直是研究热点，关于DAE原理分析、D值及边界问题的数值求解方法有大量文献（Yin et al., 2013；Wilson, 2000），至今不少可用于DAE数值求解的软件工具，如Matlab的数学函数工具箱、Simulink、Maplathematica等，均有DAE的求解方法，求解精度完全满足工程建模仿真需要。国内对机械系统DAE建模、DAE模型分析与应用实例也很多。何斌对微分代数方广义 Hamilton 系统进行研究，并将其应用于电力系统的稳定控制 (何斌，2007)。华将微分代数方程线性化应用于单机无穷大电力系统非线性励磁控制器设计(张秀
【学位授予单位】：华南农业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S222.51

【参考文献】