高地隙喷雾机主动减振与整车姿态综合控制方法研究

发布时间：2020-07-24 02:33

【摘要】：大型自走式高地隙喷雾机主动悬架系统集支撑、减振、轮距调节与车身姿态调节等多种功能于一体,对于改善喷雾机在复杂恶劣环境下工作时的操作稳定性、乘坐舒适性、行驶安全性以及环境友好性具有重要的意义,是目前国内外喷雾机行业的研究重点,也是未来高端喷雾机行走系统的发展趋势。这类悬架的一项重要任务是在极端工况下同时进行主动减振控制与车身姿态调整,由于控制时所涉及到的反馈状态量存在耦合作用,即评价减振效果的加速度与调整车身姿态的悬架位移存在积分关系,导致在加速度的控制过程中需考虑车身姿态的平稳,同时在调节车身姿态时也要避免降低乘坐舒适性,因而需要综合制定主动悬架控制策略。作为大型重载农业机械的一种,喷雾机悬架固有频率较低,工作时路面激励也处于较低频段。与此相比,因系统存在非线性特征以及外界环境噪声的干扰,造成反馈状态量中的高频成分明显,严重影响控制效果。由此得知,喷雾机悬架的减振过程有着明显的频域特点,意味着在有限的低频响应带宽内探讨设计性能优良的控制器,同时尽量抑制较高频域内的系统非线性表现和各种干扰,以提升控制后闭环系统悬架综合性能具有重要的现实意义。基于此,本文提出了喷雾机有限频域主动悬架减振与整车姿态综合控制策略,具体研究了针对主动油气悬架的有限频域控制器设计方法与时频控制器设计方法,以期为悬架系统综合控制提供一定的理论基础与技术支持。研究工作包括:(1)通过对比文献资料,从设计、制造、控制以及后期维护等多方面出发对喷雾机采用主动油气悬架的优势与必要性进行了分析探讨,确定了整车主动油气悬架减振的系统设计方案。(2)依据流体力学和气体状态方程等相关理论,建立了油气弹簧的数学模型,对其刚度、阻尼等非线性特性进行了分析后,设计了油气弹簧的具体参数;建立了主动油气悬架的非线性数学模型,进行线性化处理并转化为状态方程,实现后续控制器求解;建立了带有主动油气悬架的整车7自由度动力学模型,作为综合控制仿真与实验的基础;提出了以减振为主、辅助姿态调整的悬架控制策略,最终确定主动油气悬架H∞控制与时频PID联合控制的内外环控制模式。(3)针对主动减振控制与车身姿态调节同时进行的需求,结合实际系统中执行部件、悬架机械结构与轮胎动载荷等限制因素,将主动悬架外层控制器的设计过程转化为直接馈通系统多目标有限频域H∞输出反馈控制器的求解问题;基于GKYP引理推导了线性矩阵不等式形式的控制器存在的充要条件,归纳了控制器增益的迭代求解算法。(4)针对系统非线性与干扰噪声所造成的控制性能下降问题,提出了主动悬架内层时频PID控制方法,目标在于提升系统有限低频域性能的同时,抑制高频信号所带来的干扰与控制不稳定现象;对信号离散小波变换的分解与重构的基本模式进行了研究,提出了基于两端对称拓延的信号分解、重构的矩阵算法,在信号分量不失真的前提下减少了信号分解的运算量,有效的提升了算法的快速性。(5)基于硬件在环仿真技术,开发了大型自走式高地隙喷雾机主动减振与整车姿态调节系统硬件在环半物理仿真实验平台,实现了主动减振与整机综合控制的实验验证。通过该研究,可确保喷雾机在提升驾驶员乘坐舒适性与整机平稳性的同时进行坡地仿形喷雾作业,有效的提升了喷雾机复杂工况下的行驶安全性与环境适应性。研究内容同时可为其他类型主动悬架系统的控制设计与研发提供参考。
【学位授予单位】：中国农业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：S491
【图文】：

示意图,喷雾机,独立调节,示意图

（ｇ）邋Ｊｏｈｎ邋Ｄｅｅｒｅ邋公司邋ＭＯＯＯ邋系列逦（ｈ）邋ＭＡＺＺＯＴＴＩ邋公司邋ＭＡＦ邋系列逡逑图１－１国外公司所生产的代表性产品逡逑Ｆｉｇ．邋１－１邋Ｑｕｉｎｔｅｓｓｅｎｔｉａｌ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｐｒｏｄｕｃｅｄ邋ｂｙ邋ｆｏｒｅｉｇｎ邋ｃｏｍｐａｎｉｅｓ逡逑（２）使用性能优良的悬架系统，减振效果明显，乘坐舒适性好。由于田间地面颠簸以及行驶和逡逑作业速度越来越高，国外大型自走式高地隙喷雾机大多配备了以压缩空气为弹性来源的空气悬架逡逑或油气悬架等＿类非线性悬架系统，使整机获得优良的减振性能１｜６￣１７】。除此之外，悬架系统还集逡逑成有离地间隙调节以及车身姿态调节功能。由于附加了各轮高度独立调整装置，喷雾机不仅可以逡逑同时满足对低杆、高杆作物的喷药需求，还可以使车身在较为倾斜的坡地中保持水平，进而丰富逡逑了喷雾机的功能、显著降低了机器的闲置率，为降低成本创造了条件。图１－２展现了独立可调地逡逑隙喷雾机的显著优点，动态调平功能可使喷雾机在工作过程中具有更高的安全性，甚至保护作物逡逑避免减小受到车轮碰撞的几率。由于离地间隙与车身姿态可调底盘在喷雾机工作过程中的明显优逡逑势

悬架,喷雾机,螺旋弹簧,减振元件

（ｉ）越来越普遍的应用以压缩空气作为减振元件的悬架，传统螺旋弹簧阻尼器形式的悬架应逡逑用越来越少，目前仅有凯斯纽荷兰Ｐａｔｒｉｏｔ系列和现代农装３ＷＺＧ－３０００等少数轻型喷雾机上仍旧逡逑保留该类型悬架［４５？４６】，如图１－５所示。虽然该类型悬架结构简单，易于制造与安装，但受限于弹逡逑簧行程小且刚度与阻尼可变性不足的缺点，难以实现喷雾机的车身高度调节与车身姿态控制的实逡逑施。此外，随着喷雾机逐渐向大型化发展的趋势，应用螺旋弹簧形式的悬架所占的底盘空间会大逡逑大增加，并且制造大刚度螺旋弹簧与阻尼器的成本也随之上升，因此这类悬架已不太适合重载类逡逑型的喷雾机。逡逑以高压空气作为传动介质实现弹性作用的空气弹簧具有较高的隔振效率，非线性弹簧特性致逡逑使其固有频率随负载变动较小。此外，空气弹簧还具有承载质量大而本身质量轻，伸缩行程大且逡逑便于调节以及固有频率较低等一系列优点，从而在大功率喷雾机悬架中得到广泛应用。图１－６所逡逑示为空气悬架应用的具体方案，卜６（ａ）展现了邋Ｍｉｌｌｅｒ公司Ｎｉｔｒｏ邋Ｃｏｎｄｏｒ邋Ｇ７５型喷雾机上所采用得逡逑空气悬架方案

可变阻尼,减振器,悬架,喷雾机

逦Ｉ邋Ｌ＿邋＿逡逑（ｃ）防侧倾调整原理逡逑图１－７油气悬架在Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒ邋ＲＧ６００系列喷雾机上的应用逡逑Ｆｉｇ．邋１－７邋Ｈｙｄｒｏ－ｐｎｅｕｍａｔｉｃ邋ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ邋ａｐｐｌｉｅｄ邋ｉｎ邋Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｒ邋ＲＧ６００邋ｓｐｒａｙｅｒ逡逑（２）半主动悬架与高度调节装置开始在部分机型上应用，主动减振悬架处于研发试验阶段。逡逑为了使喷雾机更好地适应复杂作业工况，装有阻尼可调减振器的半主动悬架系统开始应用在喷雾逡逑机上。图１－８邋（ａ）所示为日本Ｊａｃｔｏ公司Ｕｎｉｐｏｒｔ系列喷雾机上所配备的磁流变液减振器，其阻尼可逡逑根据实际工况进行主动自适应调整，从而一定程度上提升整机行驶平顺性。图１－８邋（ｂ）为Ｊｏｈｎ邋Ｄｅｅｒｅ逡逑４６３０系列喷雾机悬架上可供客户选配的可调阻尼减振器部件。其工作原理较为简单，即液力减振逡逑器的一腔通过比例电磁阀连接一固定容积的蓄能器，通过改变比例电磁阀的阀孔面积调节减振器逡逑与蓄能器的连通程度，以实现在六种不同阻尼间的切换，进而适应不同行驶作业情况下的减振需逡逑求。逡逑（ａ）Ｕｎｉｐｏｉ？系列所配备的磁流变液体减振器逦（ｂ）４６３０喷雾机上选配的可调阻尼减振器逡逑图１－８可变阻尼减振器在自走式喷雾机悬架上的应用逡逑Ｆｉｇ．邋１－８邋Ｒｉｄｅ邋ｃｏｎｔｒｏｌ邋ｓｈｏｃｋ邋ａｂｓｏｒｂｅｒ邋ａｐｐｌｉｅｄ邋ｉｎ邋ｓｅｌｆ－ｐｒｏｐｅｌｌｅｄ邋ｓｐｒａｙｅｒ逡逑喷药过程中

【参考文献】