基于钟摆式主-被动悬架的大型喷杆动力学行为与自适应鲁棒控制研究

发布时间：2020-05-06 07:55

【摘要】：随着我国土地流转和农业生产的集约化,农业装备正向高效智能化、大型化、环保节约化方向发展,传统背负式喷雾机和小型喷杆喷雾机已逐渐不能满足粮食增产和生态环境保护的需要。大型喷杆喷雾机作业效率高、喷洒均匀,广泛用于农药化肥的喷施,然而作业过程中喷杆运动严重影响了喷雾分布均匀性,降低农药化肥的作用效果。在喷杆与底盘之间增设悬架系统是提高喷杆稳定性与防治效果的重要途径。落后的喷杆悬架技术一直是喷杆喷雾机向大型化发展的“瓶颈”,制约着我国大型喷杆喷雾机的发展。本文围绕大型喷杆动力学行为与控制,开展了钟摆式主被动悬架系统动力学行为建模与参数优化、喷杆运动非线性控制策略、喷杆稳定性评价等三方面的研究,主要研究内容概括下:综合考虑底盘运动耦合、地形坡度变化、运动副摩擦等因素,使用第二类拉格朗日动力学方法建立喷雾机底盘、钟摆式悬架、喷杆系统的数学模型,准确描述基于双钟摆主、被动悬架机构的喷杆动力学行为。揭示阻尼、摩擦、摆长、喷杆质量、转动惯量等因素各参量对喷杆运动行为的影响机理,分析不同的控制参数组合(增益系数、时间常量、悬架构型参数)下喷杆呈现出运动状态,仿真结果显示在被动悬架的基础上增加主动执行器可以提高其低频地形跟踪性能,又不失被动悬架高频隔振性能,并且主动执行器的需要功耗非常低。为了验证悬架动力学模型的准确性,以28 m大型喷杆为研究对象,根据期望的响应特性,为其钟摆式被动悬架设计合适的减振元件,应用六自由度运动平台研究被动悬架系统作用下喷杆的动态行为,配合多通道动态测试系统,测试了喷杆滚转运动和垂向运动的时域、频域响应特性,还着重分析了阻尼、刚度系数对喷杆振动特性的影响规律,验证了钟摆式被动悬架数学模型的仿真结果。由于28 m桁架式喷杆为大柔度、大惯量、弱阻尼结构,加之底盘受到的田间地面激励随机变化,可能与钟摆式悬架发生谐振,造成喷杆损坏,因此需进一步优化配置被动悬架参数,在有限元软件中采用兰索斯法将喷杆作为柔性体处理,将喷雾机底盘、钟摆式悬架、喷杆作为一个多体动力学系统,建立喷杆悬架虚拟样机动力学刚柔耦合模型,通过提拉法进行悬架瞬态响应试验,验证了模型精度。选择悬架的弹性元件刚度系数和阻尼元件的阻尼系数等作为设计变量,以喷杆的水平倾角均方根与垂向振动位移均方根为优化目标,结合最优拉丁超立方试验设计获取试验样本,训练基于径向基函数的神经网络模型代替仿真模型,采用NSGA-Ⅱ多目标遗传算法对悬架动力参数进行寻优,通过合理的确定权重系数,得到悬架刚度、阻尼参数最优解,调整悬架参数并在六自由度运动平台上进行田间运动工况模拟试验。研究为大型喷杆悬架参数优化配置提供理论依据与试验方法。为了提高喷杆对低频地形变化的跟踪精度,在被动悬架研究基础上开展了主动悬架研究,由于喷杆喷雾机作业过程中存受到在地形不平整、载药量变化、药液晃动等不确定性干扰,以及电液主动执行器自身存在诸多非线性等问题,喷杆主动悬架属于一类非线性不确定系统,因此融合结合系统动力学解析建模与参数试验辨识方法,建立了伺服阀控制液压缸非线性模型、液压缸位移与喷杆滚转角模型,设计了基于模型补偿的非线性自适应鲁棒控制算法,有效的镇定了电液主动悬架系统固有的非线性和模型偏差、未知干扰等不确定性。通过搭建喷杆运动电液主动悬架专用的快速控制原型(Rapid Control Prototyping,RCP)平台,确保控制算法与系统硬件顺畅衔接,配合Stewart六自由度运动平台开展了扰动试验和正弦角度跟踪实试验,将自适应鲁棒控制器与PID控制器进行了多种工况的性能对比。理论分析和试验结果表明:存在参数不确定和非线性的情况下,提出的非线性自适应鲁棒控制器可以保证悬架系统的瞬态性能和稳态跟踪精度,实现设定频率范围内地形坡度变化的精确跟踪。钟摆式被动悬架和主动悬架系统理论分析、参数优化和控制算法设计完成以后,采用“V模式”的控制系统开发流程,研制了以DSP为核心的喷杆主动悬架控制终端和人机界面,为了消除地表粗糙度和冠层分布不均噪声的测量噪声,设计滤波、平滑、限幅算法对超声波传感器的信号进行了处理,并采用处理后的超声波传感器数据、惯性传感器数据进行最优加权融合,获得喷杆相对于地面或作物冠层的侧倾角,实现喷杆倾角的主动控制。通过台架试验和田间试验对喷杆主动控制系统的性能进行测试,结果表明增加主动悬架后,被动悬架的低频跟踪性能得到显着改善,原被动悬架共振峰也大大降低。在设计频宽范围内,喷杆倾角稳态跟踪误差小于0.3°,最终通过设计钟摆式主被动悬架系统,实现了底盘高频扰动被动控制和低频地形波动主动跟踪的最佳综合。目前,喷杆悬架性能的田间测试与评价受到测试地形、土壤属性、驾驶熟练度等诸多随机因素的影响,搭建了喷杆悬架性能室内测试系统,包括六自由度底盘运动模拟平台、地形起伏模拟平台及同步触发测控系统。使用修正的霍克利指数和标准差、变异系数等统计指标来描述喷杆悬架系统的稳定性,通过喷杆悬架测试系统先后对28 m喷杆在无悬架、被动悬架、主被动悬架等不同安装模式下的稳定性进行了测试,多组重复测试结果表明该测试系统与评价指标对不同悬架系统有较好的区分度和适用性,研究为大型喷杆悬架性能的测试和评价提供了新方法。
【图文】：

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江苏大学博士论文在喷杆悬架建模与设计方面，英国国家农业工程研究所（National Institute Agricultural Engineering，NIAE）Frost A. R.等[37]最先建立了梯形被动悬架系统动行为数学模型，综合考虑滚转、横摆激励输入，准确的预测了喷杆运动行为，通试验获得的悬架固有频率、响应特性与模型预测非常一致。喷杆梯形悬架的研究步比较早，设计理论和方法较为完善，梯形悬架是欧美地区大型喷杆式喷雾机广使用的一种悬架结构，如图 1.3 为澳大利亚 GOLDACRES 公司的牵引式大型喷杆雾机梯形悬架，使用了弹簧、阻尼器等作为减振元件；图 1.4 为法国 KUHN 牵引大型喷杆喷雾机，采用了钟摆与梯形组合的被动悬架系统。喷杆梯形悬架的设计论与方法对于本文开展双钟摆主被动悬架动力学行为与控制研究有较好的借鉴意

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江苏大学博士论文在喷杆悬架建模与设计方面，英国国家农业工程研究所（National Institute Agricultural Engineering，NIAE）Frost A. R.等[37]最先建立了梯形被动悬架系统动行为数学模型，，综合考虑滚转、横摆激励输入，准确的预测了喷杆运动行为，通试验获得的悬架固有频率、响应特性与模型预测非常一致。喷杆梯形悬架的研究步比较早，设计理论和方法较为完善，梯形悬架是欧美地区大型喷杆式喷雾机广使用的一种悬架结构，如图 1.3 为澳大利亚 GOLDACRES 公司的牵引式大型喷杆雾机梯形悬架，使用了弹簧、阻尼器等作为减振元件；图 1.4 为法国 KUHN 牵引大型喷杆喷雾机，采用了钟摆与梯形组合的被动悬架系统。喷杆梯形悬架的设计论与方法对于本文开展双钟摆主被动悬架动力学行为与控制研究有较好的借鉴意
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S491

【参考文献】