植保机械双钟摆喷杆悬架系统的建模与控制
发布时间：2021-03-20 10:24
随着农业科学技术的迅猛发展,植保机械更加大型化、智能化。然而植保机械喷杆长度的增加,在实际工作中遇到不平坦的路面或干扰时会造成喷杆两侧末端位置发生巨大变化,从而造成农药的过喷、漏喷等现象,不仅对土壤和我们赖以生存的环境造成污染,而且还会对人类的健康带来威胁。因此,控制喷杆的位置稳定是至关重要的。针对大型的喷杆式植保机械的喷杆位置控制无法较好地跟踪设定的高度,特别是在路面的不平坦和颠簸的情况下,本文针对双钟摆喷杆悬架系统进行了建模、位置跟踪控制和位置跟踪鲁棒控制研究,具体内容如下:首先,本文分析了双钟摆喷杆悬架系统的结构和工作原理,并采用第二类Lagrange动力学方程对植保机械的双钟摆喷杆悬架系统进行建模,得到了系统的非线性数学模型,然后在系统的工作点处,在假设角度足够小的情况下,对系统进行线性化,得到了系统的状态空间形式以及系统的精确模型,以满足控制器的设计需求。然后,在得到系统的机理模型后,建立了系统的增广状态空间模型,给出了二次型性能指标,并采用最优控制策略设计跟踪控制器,使喷杆的角度快速调节至期望输出角度并使系统的输出跟踪误差收敛于零,通过仿真实验证明所设计的控制器具有较好的可...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
JohnDeere3w-800自走式喷杆式喷雾机Fig.1.1TypeofJohnDeere3w-800selfpropelledsprayerwithsprayboom
为领先的水平，但是施药器械和技术水平却严重落后，因此我们必须要面对植保机和农药实用技术和农药水平严重不相称的事实，我国植保机械的发展已经落后于欧国家 30 年，而早在上世纪 70 年代，一些发达的欧美国家就已经将植保机械列入了“种农业机械”的行列[6]，而我国则至今还没有一个真正可以采取的可行措施，可以说何加快我国植保机械技术的发展已经成为了目前亟待解决的问题。近几年来，植保机械的喷杆臂长由较早的 12 米发展为现今的 42 米甚至更长，型植保机械的设计药箱容量应达到 400-3000L，作业喷雾宽度大于 18 米[7]，然而随带来的影响是植保机械在工作过程中，车体在行进的过程中会遇到各种不同的路况而轻微的颠簸所造成的形变就会在喷杆两侧的末端放大，极容易造成农药的过喷、喷等现象，对环境和食品安全造成巨大的影响。在实际的工作过程中植保机械的喷杆位置受到竖直方向和水平方向的扰动的响。在竖直方向的翻滚（Roll）将直接影响喷杆的高度，而水平运动的偏移（Yaw）振荡（Jolt）则会导致喷杆的运动状态发生改变，而喷杆无规则运动将会对喷雾分布成严重的影响，如图 1.2 所示如下：
摆型悬架或二者结合，还有一些植保机械会存在一些其它的特殊设计，比如悬架系统安装于车体框架和车轮轴线之间等等其它形式。一般来说，悬架主要分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大部分。其中被动悬架主要用于衰减来自车体的运动干扰，主要是在喷杆悬架结构中加入弹簧、阻尼器等结构，使系统保持刚性并减弱振动，主要由弹簧、阻尼等元件组成，从而达到减振的目的，此外这种结构十分简单，成本较低，对抑制低频信号的扰动具有很强的能力，在实际生产中广泛使用，但是其减振能力有限，远远无法满足植保机械等大型设备高质量的控制需求；半主动悬架由弹簧、可调阻尼器、传感器和执行机构等元件组成，能够在植保机械在工作过程中对悬架阻尼等参数进行自动调整，可以减少执行元件所需要的功率，在植保机械的振动频率为理想范围内，性能方面要优于被动悬架；而主动悬架由弹簧、可调阻尼器、传感器、执行机构和控制器组成，通过检测喷杆的位置及运动情况，并将其作为反馈信号传递给控制器，控制器则控制执行机构使喷杆按照预期的状态进行调节。主动悬架的性能要优于被动悬架和半主动悬架，但是由于成本较高，结构较为复杂，所以综合考虑，喷杆悬架系统主要使用半主动控制的形式。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷杆式喷雾机关键部件设计与研究[J]. 王腾,孙培灵,刘行风,孙文峰,侯守印. 农机化研究. 2017(11)
[2]大型喷杆及其摆式悬架减振系统动力学特性分析与试验[J]. 崔龙飞,薛新宇,丁素明,乔白羽,乐飞翔. 农业工程学报. 2017(09)
[3]双钟摆主被动悬架式大型喷雾机喷杆动力学仿真与试验[J]. 崔龙飞,薛新宇,丁素明,顾伟,陈晨,乐飞翔. 农业机械学报. 2017(02)
[4]高地隙喷杆喷雾机研究和发展趋势[J]. 林立恒,侯加林,吴彦强,刘向峰. 中国农机化学报. 2017(02)
[5]喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统[J]. 魏新华,邵菁,缪丹丹,李林,解晓薇. 农业机械学报. 2015(08)
[6]喷雾机喷杆悬架系统的研究现状及发展[J]. 陈晨,薛新宇,顾伟,马立新. 中国农机化学报. 2015(03)
[7]喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化与试验[J]. 陈晨,薛新宇,顾伟,崔龙飞,秦维彩,周良富. 农业工程学报. 2015(09)
[8]Optimal Control of Nonlinear Inverted Pendulum System Using PID Controller and LQR: Performance Analysis Without and With Disturbance Input[J]. Lal Bahadur Prasad,Barjeev Tyagi,Hari Om Gupta. International Journal of Automation & Computing. 2014(06)
[9]喷杆喷雾机等腰梯形悬架改进与验证[J]. 陈达,陈志,周丽萍,严何荣,杨学军. 农机化研究. 2014(04)
[10]基于有限元模型的喷雾机喷杆弹性变形分析与控制[J]. 何耀杰,邱白晶,杨亚飞,马靖. 农业工程学报. 2014(06)
硕士论文
[1]现代动力学高阶Lagrange系统的研究及应用[D]. 彭可可.浙江理工大学 2015
[2]一类不确定线性时滞系统鲁棒控制方法的研究[D]. 闫敏.大连理工大学 2008
本文编号：3090848
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：65 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
JohnDeere3w-800自走式喷杆式喷雾机Fig.1.1TypeofJohnDeere3w-800selfpropelledsprayerwithsprayboom
为领先的水平，但是施药器械和技术水平却严重落后，因此我们必须要面对植保机和农药实用技术和农药水平严重不相称的事实，我国植保机械的发展已经落后于欧国家 30 年，而早在上世纪 70 年代，一些发达的欧美国家就已经将植保机械列入了“种农业机械”的行列[6]，而我国则至今还没有一个真正可以采取的可行措施，可以说何加快我国植保机械技术的发展已经成为了目前亟待解决的问题。近几年来，植保机械的喷杆臂长由较早的 12 米发展为现今的 42 米甚至更长，型植保机械的设计药箱容量应达到 400-3000L，作业喷雾宽度大于 18 米[7]，然而随带来的影响是植保机械在工作过程中，车体在行进的过程中会遇到各种不同的路况而轻微的颠簸所造成的形变就会在喷杆两侧的末端放大，极容易造成农药的过喷、喷等现象，对环境和食品安全造成巨大的影响。在实际的工作过程中植保机械的喷杆位置受到竖直方向和水平方向的扰动的响。在竖直方向的翻滚（Roll）将直接影响喷杆的高度，而水平运动的偏移（Yaw）振荡（Jolt）则会导致喷杆的运动状态发生改变，而喷杆无规则运动将会对喷雾分布成严重的影响，如图 1.2 所示如下：
摆型悬架或二者结合，还有一些植保机械会存在一些其它的特殊设计，比如悬架系统安装于车体框架和车轮轴线之间等等其它形式。一般来说，悬架主要分为被动悬架、半主动悬架和主动悬架三大部分。其中被动悬架主要用于衰减来自车体的运动干扰，主要是在喷杆悬架结构中加入弹簧、阻尼器等结构，使系统保持刚性并减弱振动，主要由弹簧、阻尼等元件组成，从而达到减振的目的，此外这种结构十分简单，成本较低，对抑制低频信号的扰动具有很强的能力，在实际生产中广泛使用，但是其减振能力有限，远远无法满足植保机械等大型设备高质量的控制需求；半主动悬架由弹簧、可调阻尼器、传感器和执行机构等元件组成，能够在植保机械在工作过程中对悬架阻尼等参数进行自动调整，可以减少执行元件所需要的功率，在植保机械的振动频率为理想范围内，性能方面要优于被动悬架；而主动悬架由弹簧、可调阻尼器、传感器、执行机构和控制器组成，通过检测喷杆的位置及运动情况，并将其作为反馈信号传递给控制器，控制器则控制执行机构使喷杆按照预期的状态进行调节。主动悬架的性能要优于被动悬架和半主动悬架，但是由于成本较高，结构较为复杂，所以综合考虑，喷杆悬架系统主要使用半主动控制的形式。
【参考文献】：
期刊论文
[1]喷杆式喷雾机关键部件设计与研究[J]. 王腾,孙培灵,刘行风,孙文峰,侯守印. 农机化研究. 2017(11)
[2]大型喷杆及其摆式悬架减振系统动力学特性分析与试验[J]. 崔龙飞,薛新宇,丁素明,乔白羽,乐飞翔. 农业工程学报. 2017(09)
[3]双钟摆主被动悬架式大型喷雾机喷杆动力学仿真与试验[J]. 崔龙飞,薛新宇,丁素明,顾伟,陈晨,乐飞翔. 农业机械学报. 2017(02)
[4]高地隙喷杆喷雾机研究和发展趋势[J]. 林立恒,侯加林,吴彦强,刘向峰. 中国农机化学报. 2017(02)
[5]喷杆式喷雾机喷杆高度及平衡在线调控系统[J]. 魏新华,邵菁,缪丹丹,李林,解晓薇. 农业机械学报. 2015(08)
[6]喷雾机喷杆悬架系统的研究现状及发展[J]. 陈晨,薛新宇,顾伟,马立新. 中国农机化学报. 2015(03)
[7]喷雾机喷杆结构形状及截面尺寸优化与试验[J]. 陈晨,薛新宇,顾伟,崔龙飞,秦维彩,周良富. 农业工程学报. 2015(09)
[8]Optimal Control of Nonlinear Inverted Pendulum System Using PID Controller and LQR: Performance Analysis Without and With Disturbance Input[J]. Lal Bahadur Prasad,Barjeev Tyagi,Hari Om Gupta. International Journal of Automation & Computing. 2014(06)
[9]喷杆喷雾机等腰梯形悬架改进与验证[J]. 陈达,陈志,周丽萍,严何荣,杨学军. 农机化研究. 2014(04)
[10]基于有限元模型的喷雾机喷杆弹性变形分析与控制[J]. 何耀杰,邱白晶,杨亚飞,马靖. 农业工程学报. 2014(06)
硕士论文
[1]现代动力学高阶Lagrange系统的研究及应用[D]. 彭可可.浙江理工大学 2015
[2]一类不确定线性时滞系统鲁棒控制方法的研究[D]. 闫敏.大连理工大学 2008
本文编号：3090848
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