拖拉机电动悬挂自适应控制系统及控制方法

1.本发明属于拖拉机悬挂控制技术领域，具体涉及一种拖拉机电动悬挂自适应控制系统及控制方法。


背景技术：

2.目前，拖拉机大都采用液压悬挂系统。液压悬挂系统由液压泵、分配器、油缸、提升臂及悬挂杆件等组成。其中液压泵、油缸、分配器结构较复杂，在工作过程中液压系统可能出现阀门卡死、安全阀失灵、泄漏等故障而使整个液压提升悬挂系统无法正常工作。液压悬挂系统的控制方式主要是机、液控制方式，悬挂无法自适应调节。当拖拉机在不平路面工作时，耕地深度会随着路面的不平度上下变化，需要驾驶员频繁操纵悬挂系统以保证耕深。因此，液压悬挂系统既无法很好地满足耕地要求，又加大了拖拉机的燃油消耗。
3.随着拖拉机向低碳化、智能化和舒适性方向发展，机、液控制系统在结构布置和性能使用方面难以满足现代农业机械的发展要求。针对现有拖拉机液压悬挂系统存在的结构复杂、故障较多、能量消耗高、操纵频繁的缺点，本发明从节省能源、提高工作质量和舒适性出发，设计电动悬挂自适应控制系统布置形式及控制方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种拖拉机电动悬挂自适应控制系统及控制方法，使拖拉机在工作过程中自适应调节悬挂以保持耕深在设定值，解决现有方式在不平路面犁耕困难的难题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种拖拉机电动悬挂自适应控制系统，包括：
6.一陀螺仪，所述陀螺仪固定于拖拉机的机体壳的尾部，用于监测拖拉机的俯仰角γ；
7.两个直线电机(4)，两个所述直线电机(4)分别连接在固定在机体壳(11)上的两个上拉杆(3)上，与所述直线电机(4)相配合的直线电机行程杆(7)的下端铰接在下拉杆(6)上，所述下拉杆(6)的一端铰接在机体壳(11)上，下拉杆(6)的另一端连接农具；
8.一中央控制器，所述中央控制器与陀螺仪、角度传感器以及直线电机通信连接，所述中央控制器将接收到的陀螺仪、角度传感器的监测数据与设定的参数值比对，向两个所述直线电机发出控制指令，以通过直线电机的运行驱动所述直线电机行程杆移动，以带动下拉杆调节农具的高度；
9.一控制面板，所述控制面板与所述中央控制器通信连接，通过所述控制面板设定所述参数值。
10.所述的拖拉机电动悬挂自适应控制系统，还包括蓄电池，所述蓄电池为陀螺仪、角度传感器、直线电机以及中央控制器提供电源。
11.进一步，所述上拉杆以及下拉杆与机体壳的连接点位于同一铅垂线上。
12.进一步，所述的拖拉机电动悬挂自适应控制系统还包括两个角度传感器(9)，两个所述角度传感器(9)分别监测两个铰接在机体壳(11)上的下拉杆(6)与水平面的夹角θ，两个所述角度传感器(9)均与中央控制器(1)通信连接。
13.进一步，所述角度传感器通过监测所述下拉杆与水平面的夹角θ，以检验耕地深度的调节是否满足要求。
14.一种拖拉机电动悬挂自适应控制方法，包括前述的拖拉机电动悬挂自适应控制系统，其特征在于，所述自适应控制方法的具体过程如下：
15.s1、拖拉机行进前，通过控制面板设置拖拉机在平整地面工作时农具的预设耕地深度h，并将预设耕地深度h上传至中央控制器；
16.s2、启动拖拉机，在拖拉机行进的过程中，陀螺仪(8)监测拖拉机的运行状态以获得k时刻的俯仰角γ
k,
，并上传至中央控制器(1)存储在对应的数据集合中；
17.s3、所述中央控制器(1)将k时刻的俯仰角γ
k,
作为输入，利用自适应三次指数预测法获得k+1时刻的预测俯仰角
18.s4、根据当前监测数据与s3获得的预测数据，利用电动悬挂作业模型确定当前控制周期内的直线电机行程序列，通过控制器输出直线电机行程序列来控制直线电机驱动直线电机行程杆(7)运行，以调节农具至预设耕地深度h；
19.s5、重复s2-s4直至拖拉机耕地作业结束。
20.进一步，根据电动悬挂作业模型确定的直线电机的行程长度与下拉杆与地面的夹角的关系式如下：
[0021][0022]
l＝l
3-l0(2)
[0023][0024]
式中，
[0025]
h0为拖拉机在水平地面上，下拉杆与机体壳连接处到水平地面的距离；
[0026]
l为直线电机的行程长度；
[0027]
h为耕地深度；
[0028]
l0、l2、l4、l5为悬挂杆件长度，固定不变；
[0029]
l1为上拉杆与下拉杆的悬挂点之间的距离，固定不变；
[0030]
l3为连杆与上拉杆铰接点至直线电机行程杆与下拉杆铰接点之间的距离；
[0031]
h1为农具与悬挂连接处的平面至农具最下端的距离，固定不变。
[0032]
进一步，将k时刻的监测俯仰角γ
k,
代入式(3)中获得k时刻的夹角θk，将获得的夹角θk代入式(1)获得k时刻的l3，将k时刻的l3代入式(2)即获得直线电机的k时刻的行程长度；
[0033]
将s3获得预测俯仰角代入式(3)中获得k+1时刻的预测夹角将获得的预测夹角代入式(1)获得k+1时刻的l3，将l3代入式(2)即获得直线电机的k+1时刻的行
程长度。
[0034]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0035]
(1)电动悬挂自适应控制系统避免了液压悬挂系统因漏油泄压而产生的工作失稳问题，大大降低了悬挂系统的故障率；
[0036]
(2)控制指令由控制面板输入，悬挂系统自适应调节耕深，无需人工频繁操纵，方便省力；
[0037]
(3)以电能为能源，直线电机为动力源，两边直线电机独立控制，悬挂装置结构简化，可实现直接传动，工作效率高，节能环保；
[0038]
(4)采用自适应三次指数预测法，滚动优化，预测相关变量，降低了对控制器的性能要求。
附图说明
[0039]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
[0040]
图1为本发明的整体结构示意图；
[0041]
图2为本发明的电动悬挂控制系统模型简图；
[0042]
图3为本发明的电动悬挂作业模型示意图；
[0043]
图4为本发明的自适应三次指数预测法预测流程图；
[0044]
图5为本发明的控制系统总体框图。
[0045]
图中：1.中央控制器；2.控制面板；3.上拉杆；4.直线电机；5.悬挂杆件；6.下拉杆；7.直线电机行程杆；8.陀螺仪；9.角度传感器；10.后车轮；11.机体壳体；
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
请参阅图1、5，一种拖拉机电动悬挂自适应控制系统，包括：
[0048]
一陀螺仪，所述陀螺仪固定于拖拉机的机体壳11的尾部，用于监测拖拉机的俯仰角γ；
[0049]
两个角度传感器9，两个所述角度传感器9分别监测两个铰接在机体壳11上的下拉杆6与水平面的夹角θ，两个所述角度传感器9分别连接在拖拉机上的两个下拉杆6上，所述下拉杆6的一端铰接在机体壳11，下拉杆6的另一端连接农具；
[0050]
两个直线电机4，两个所述直线电机4分别连接在固定在机体壳11上的两个上拉杆3上，与所述直线电机4相配合的直线电机行程杆7的下端铰接在下拉杆6上；所述上拉杆3远离机体壳11的一端铰接有一连杆，所述直线电机4固定在所述连杆上，所述直线电机行程杆7的下端交接在下拉杆6的中部；
[0051]
一中央控制器1，所述中央控制器1与陀螺仪8、角度传感器9以及直线电机4通信连接，所述中央控制器1将接收到的陀螺仪8、角度传感器9的监测数据与设定的参数值比对，
向两个所述直线电机4发出控制指令，以通过直线电机4的运行驱动所述直线电机行程杆7移动，以带动下拉杆6调节农具的高度；
[0052]
一控制面板2，所述控制面板2与所述中央控制器1通信连接，通过所述控制面板2设定所述参数值。
[0053]
所述拖拉机电动悬挂自适应控制系统，还包括蓄电池，所述蓄电池为陀螺仪8、角度传感器9、直线电机4以及中央控制器1提供电源。
[0054]
本发明中，所述角度传感器9通过监测所述下拉杆6与水平面的夹角θ，以检验耕地深度的调节是否满足要求。若监测值与计算值误差在10％以内，即则继续正常工作；若误差大于10％，即则触发报警。
[0055]
本发明中，所述上拉杆3以及下拉杆6与机体壳11的连接点位于同一铅垂线上。
[0056]
如图4所示，一种拖拉机电动悬挂自适应控制方法，包括前述的拖拉机电动悬挂自适应控制系统，其特征在于，所述自适应控制方法的具体过程如下：
[0057]
s1、拖拉机行进前，通过控制面板设置拖拉机在平整地面工作时农具的预设耕地深度h，并将预设耕地深度h上传至中央控制器；
[0058]
s2、启动拖拉机，在拖拉机行进的过程中，陀螺仪(8)监测拖拉机的运行状态以获得k时刻的俯仰角γ
k，p
，并上传至中央控制器(1)存储在对应的数据集合中；
[0059]
s3、所述中央控制器(1)将k时刻的监测俯仰角γ
k，p
作为输入，利用自适应三次指数预测法获得k+1时刻的预测俯仰角
[0060]
s4、根据当前监测数据与s3获得的预测数据，利用电动悬挂作业模型确定当前控制周期内的直线电机行程序列，通过控制器输出直线电机行程序列来控制直线电机驱动直线电机行程杆(7)运行，以调节农具至预设耕地深度h；
[0061]
s5、重复s2-s4直至拖拉机耕地作业结束。
[0062]
如图2所示，拖拉机电动悬挂安装农具犁，ab、ef为上拉杆，垂直固接在机体壳上，不可转动；bc、fg为直线电机行程杆，通过直线电机行程的改变，其长度会随着发生变化；di、hj为下拉杆，两侧的直线电机行程杆与其下拉杆铰接于点c、g，直线电机行程杆带动下拉杆提升或下降；下拉杆与犁的安装连接点为i、j,下拉杆带动犁的提升或下降；
[0063]
在拖拉机电动悬挂带犁耕地作业过程中，电动悬挂作业模型如图3所示：陀螺仪8能够监测到拖拉机车体俯仰角γ的变化，角度传感器9能够监测到下拉杆6与水平面夹角θ的变化；电动悬挂作业模型中，各悬挂杆件的长度都是固定的；上拉杆3垂直固接在机体壳11上；下拉杆6铰接在机体壳11上，可转动；上、下拉杆与机体壳11的连接点在同一条铅垂线上；当拖拉机行驶路面状况不变时，只有改变直线电机行程，才能调节耕地的深度，故可定量确定直线电机行程l改变量与耕地深度h变化量之间的关系；当拖拉机在不平路面工作时，不考虑农具绕拖拉机行进方向轴的旋转，根据电动悬挂作业模型确定的直线电机的行程长度与下拉杆与地面的夹角的关系式如下：
[0064][0065]
l＝l
3-l0(2)
[0066][0067]
式中，
[0068]
h0为拖拉机在水平地面上，下拉杆与机体壳连接处到水平地面的距离；
[0069]
l为直线电机的行程长度；
[0070]
h为耕地深度；
[0071]
l0、l2、l4、l5为悬挂杆件长度，固定不变；
[0072]
l1为上拉杆与下拉杆的悬挂点之间的距离，固定不变；
[0073]
l3为连杆与上拉杆铰接点至直线电机行程杆与下拉杆铰接点之间的距离；
[0074]
h1为农具与悬挂连接处的平面至农具最下端的距离，固定不变。
[0075]
由公式(1)(2)可知：由于悬挂各杆件长度不会改变，因此下拉杆与水平面夹角θ与直线电机行程相互唯一确定。由公式(3)可知：耕地深度h由拖拉机车体的俯仰角γ和下拉杆与水平面夹角θ确定。当拖拉机工作路面状况发生变化时，即γ发生改变时，要想保持h不变，只能改变θ；又因θ与l是相互唯一确定的，因此，当拖拉机工作路面状况发生变化时，只有调节直线电机行程l改变下拉杆与水平面夹角θ，才能使耕地深度h保持不变；所以当犁的耕地深度不等于设定值时，适当调节直线电机行程就可以使犁的耕地深度达到设定值；
[0076]
所述s4中，将k时刻的俯仰角γ
k,p
代入式(3)中获得夹角θk，将获得的夹角θk代入式(1)获得k时刻的l3，将k时刻的l3代入式(2)即获得直线电机的k时刻的行程长度l；
[0077]
将s3获得预测俯仰角代入式(3)中获得k+1时刻的预测夹角将获得的预测夹角代入式(1)获得k+1时刻的l3，将l3代入式(2)即获得直线电机的k+1时刻的行程长度l。
[0078]
在本发明中，在进行s2时,陀螺仪(8)监测拖拉机的运行状态以获得俯仰角存储到预先设置的存储路径中，在控制方法开始前，已经存储了足够的数据。以k时刻为例，存储俯仰角集合为:ak＝{γ
k,1
、γ
k,2
、γ
k,3
、
……
γ
k,p
}，类似的，为了明确当前俯仰角结合为某一时刻对应的集合，在k+n时刻，存储的俯仰角集合由ak＝{γ
k,1
、γ
k,2
、γ
k,3
、
……
γ
k,p
}变换为：a
k+n
＝{γ
k+n,1
、γ
k+n,2
、γ
k+b,3
、
……
γ
k+n,p
}，其中，k与k+n均为时刻，k与n均为大于等于1的整数，p为俯仰角集合中监测数据的排列序号，p为大于6的整数，每一时刻陀螺仪8监测的俯仰角，均存储在俯仰角集合的最后一位，同时俯仰角集合中排列在第一位的数据删除，γ
k,p
与γ
k+n,p
分别为k与k+n时刻陀螺仪获监测到的俯仰角；在每一个控制周期内调整直线电机的行程长度时，均利用当前俯仰角集合中的数据作为当前时刻数据集预测下一时刻数据；
[0079]
在进行s4时，所述当前控制周期是指当前时刻和下一时刻，例如，k+n与k+n+1为同一控制周期，控制周期内用到的数据为γ
k+n,p
和其中，为预测值是通过a
k+n
获得的；则下一控制周期为k+n+2与k+n+3，同样的，该控制周期内，k+n+3时刻的预测数据由
k+n+2时刻的监测数据通过自适应三次指数预测获得；
[0080]
在确定直线电机的行程长度时，如在一个控制周期内俯仰角数据，包括k时刻和k+1时刻，在k时刻为γ
k,p
；在k+1时刻为预测值
[0081]
将k时刻监测俯仰角γ
k,p
代入式(3)中获得k时刻夹角θk，将获得的k时刻夹角θk代入式(1)获得k时刻的l3，将k时刻的l3代入式(2)即获得直线电机的k时刻的行程长度l；
[0082]
将获得预测俯仰角代入式(3)中获得k+1时刻的预测夹角将获得的预测夹角代入式(1)获得k+1时刻的l3，将l3代入式(2)即获得直线电机的k+1时刻的行程长度l；
[0083]
本发明拖拉机电动悬挂自适应控制系统采用自适应三次指数预测法的控制方法，如图4所示。三次指数平滑方法是根据过去的观测数据对预测值的影响大小，对历史观测数据分配了不同的权重。越接近当前要预测的数据，其权重越大；离当前要预测的数据越久远的数据，其所占的权重越小。自适应三次指数预测法是在三次指数平滑法的基础上对平滑系数进行优化，获得误差最小的预测模型并对将来的数据进行预测。不仅可以提高预测精度，还能增强预测的可靠性，比传统的三次指数平滑模型的预测效果更好。自适应三次指数预测法的预测模型如式(4)所示。
[0084][0085]
其中：t＝2，3，
…
；为分别为第k次预测第t时刻数据的一次指数平滑值、二次指数平滑值、三次指数平滑值；x
k,t
为第k次预测第t时刻实际数据；αk为第k次预测平滑系数(0《αk《1)。
[0086]
第k次第t+m期的预测值为：
[0087][0088]
式中：m为预测步长，即需要预测的期数与当前期数的间隔数，预测步长越短，预测越精确，故取m＝1，即为一步预测。其中预测参数为：
[0089][0090][0091][0092]
其中，αk取值越大，离预测值越近的历史数据对当前的预测值影响就越大，权重下降得越快；反过来，αk取值越小，权重变化就越慢，预测值越接近算术平均值。自适应三次指数预测模型的预测精度很大程度上依赖于平滑系数αk的取值，预测精度是评价预测效果好坏的依据，故采用误差平方和作为评价的依据，取误差平方和最小时的αk作为平滑系数。
[0093]
式(7)为求取最小误差平方和的公式。
[0094][0095]
式中：f
ace
代表误差平方和，代表第k次预测第i个数据预测值，x
k,i
代表第k次预测第i个数据实际值，n为数据样本数,n＝p。自适应三次指数平滑法采用地毯式遍历搜索算法对平滑系数进行优化，得到动态平滑系数进行预测，动态平滑系数为：
[0096][0097]
式中，ε
k,t
是时间t的函数，它表示第k次预测时的动态平滑系数，为第k次预测优化后的平滑系数。
[0098]
自适应三次指数预测法的预测流程图如图4所示。耕地深度h只与γ、θ这两个变量有关，因此要对这两个变量进行预测，进行直线电机行程的优化控制。自适应三次指数预测法首先搜集悬挂系统数据(拖拉机俯仰角γ
k,p
)。采用地毯式搜索方法以误差平方和最小为目标函数优化三次指数平滑系数，根据公式(8)更新动态平滑系数；随后，输出一步预测数据拖拉机俯仰角自适应三次指数预测中，一步预测数据是最精确的。该方法预测精度较高，跟踪速度较快，实时性较好，能够实现对电动悬挂系统的实时预测控制。如此，通过自适应三次指数预测法预测下一时刻数据，使控制器得到两个时刻的数据，结合电动悬挂作业模型，得到直线电机行程序列，最后由控制器输出直线电机行程序列给直线电机模块，控制直线电机工作，以使犁的耕地深度达到设定值。本发明适用的农具不仅限于犁，还适用于播种机等农具。
[0099]
本发明拖拉机电动悬挂自适应控制系统布置形式及控制方法的工作原理：在耕作前，用户根据土壤条件、拖拉机的实际作业工况，通过控制面板2设置需要的耕地深度值，然后启动自动模式。该指令通过电信号传递给中央控制器1，经过中央控制器1处理后将其传递给直线电机4，直线电机4通电、运转，在直线电机行程杆7上运动，从而带动下拉杆6运动，进而下拉杆6带动农具实现上升或下降。当达到设定耕地深度时，陀螺仪8、角度传感器9把监测到的信号传递给中央控制器1，经处理判断后再给直线电机4发出指令，直线电机4断电，通过上拉杆3的固定连接即可使农具的悬挂位置固定不变。如果因系统故障，或当直线电机4运动到极限行程时，强制停止直线电机4，即停止提升或下降农具。
[0100]
耕地深度的调节的过程：在耕作过程中，悬挂的农具与拖拉机、地面的相对位置发生变化时，陀螺仪8会立即监测到拖拉机车体改变的俯仰角γ，角度传感器9会立即监测到下拉杆6与水平面夹角θ的改变，监测信号经过信号线传递给中央控制器1，信号经中央控制器1处理后给直线电机4发出指令，改变直线电机4行程大小以保证耕地深度在设定值，以此，通过直线电机的行程值精确保证农具的耕地深度在设定值。
[0101]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0102]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在
不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0103]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。