扈 凱，張文毅，余山山，紀(jì) 要，祁 兵

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

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插秧機(jī)升降液壓缸位置控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真

扈 凱，張文毅，余山山，紀(jì) 要，祁 兵

(農(nóng)業(yè)部 南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

根據(jù)插秧機(jī)升降液壓缸設(shè)計的總體要求和液壓傳動的特點(diǎn)，設(shè)計了插秧機(jī)升降液壓缸位置控制系統(tǒng)，選取了相關(guān)工作參數(shù)。該系統(tǒng)使用位置傳感器和伺服換向閥完成閉環(huán)反饋，從而實現(xiàn)升降系統(tǒng)自動化控制。在AMESim軟件中進(jìn)行液壓系統(tǒng)建模仿真，得到了對液壓缸上升下降時間、工作壓力及速度等參數(shù)。該設(shè)計和仿真結(jié)果為樣機(jī)制造奠定了基礎(chǔ)。

插秧機(jī)；升降液壓系統(tǒng)；閉環(huán)反饋控制；AMESim仿真

0 引言

中國制造2025將農(nóng)業(yè)裝備定義為：融合生物和農(nóng)藝技術(shù)，集成機(jī)械、電子、液壓、信息等高新技術(shù)的自動化、信息化、智能化的先進(jìn)裝備[1]。近年來，我國農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已經(jīng)成為世界最大的農(nóng)業(yè)裝備生產(chǎn)和使用大國，但大而不強(qiáng)的局面仍然存在，占市場需求90%以上的國產(chǎn)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備為中低端產(chǎn)品[2-3]，不能全面滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展需要，信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)一步拉大了國產(chǎn)農(nóng)業(yè)裝備與發(fā)達(dá)國家的距離。

要實現(xiàn)新型工業(yè)化、信息化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化“四化”同步推進(jìn)，保障糧食、食品、生態(tài)三大安全，轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式，就要求農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)拓展新領(lǐng)域、增加新品種，加快向自動化、信息化、智能化發(fā)展。農(nóng)業(yè)裝備是不斷提高土地產(chǎn)出率、勞動生產(chǎn)率、資源利用率，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化最基本的物質(zhì)保證和核心支撐[4-5]。

液壓技術(shù)容易與電子、電子控制技術(shù)相結(jié)合，組成機(jī)電液一體化的復(fù)合系統(tǒng)，實現(xiàn)自動工作控制。大量的電控比例閥和伺服閥與電子計算機(jī)技術(shù)可以構(gòu)成穩(wěn)、準(zhǔn)、快的閉環(huán)或開環(huán)控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

高速插秧機(jī)秧箱升降系統(tǒng)是現(xiàn)有插秧機(jī)的主要工作裝置之一，其主要作用是：①在路面行走時，將秧箱抬起，避免地面剮蹭而使秧箱損壞；②在水田插秧時，將秧箱降低并鎖定在合適的高度，保證秧苗的插植質(zhì)量。其主要要求是：①通過液壓缸的作用快速地升降秧箱，提高工作效率；②將秧箱準(zhǔn)確地鎖定在某一高度，不會因為重力和其它外力的作用而使得其位置發(fā)生改變。日產(chǎn)某品牌插秧機(jī)如圖1所示。

圖1 高速插秧機(jī)Fig.1 High-speed rice transplanter

現(xiàn)有高速插秧機(jī)的升降系統(tǒng)需要手動操作，設(shè)有閉環(huán)反饋功能，為實現(xiàn)插秧機(jī)的無人化、智能化控制，推進(jìn)插秧機(jī)在大型農(nóng)場快速普及，設(shè)計了一種插秧機(jī)升降液壓缸位置控制系統(tǒng)，通過計算獲取了液壓系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)，由控制器給出的電信號控制液壓缸的工作，并在液壓缸有桿腔末端安裝位置傳感器，該傳感器給出的信號構(gòu)成反饋控制，可以精確實時地控制升降系統(tǒng)。

1 液壓升降系統(tǒng)設(shè)計

1.1 總體設(shè)計要求

為保證插秧機(jī)的工作質(zhì)量，秧箱升降液壓系統(tǒng)的總體設(shè)計要求如下：①保證秧箱在4～4.5s從最低點(diǎn)升至最高點(diǎn)，液壓缸工作行程為60mm；②液壓系統(tǒng)具有鎖止功能，用于將秧箱固定在某一高度；③液壓系統(tǒng)具有卸荷功能，用于工作循環(huán)中短時間間歇時，減小功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱；④系統(tǒng)具有液壓缸位置反饋控制功能。為滿足上述設(shè)計需求，對升降機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和原理進(jìn)行設(shè)計分析，液壓原理如圖2所示。

1.液壓缸 2.三位四通伺服換向閥 3.定量泵 4.過濾器 5.油箱 6.安全閥 7.位置傳感器圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schematic

本文設(shè)計的液壓系統(tǒng)為伺服控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的輸出量可以自動、快速而準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)輸入量的變化規(guī)律。液壓伺服控制系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、系統(tǒng)剛性大、控制精度高等一系列的優(yōu)點(diǎn)，其組成如圖3所示。

圖3 液壓伺服控制系統(tǒng)Fig.3 Hydraulic servo control system

由圖2可知：插秧機(jī)升降系統(tǒng)采用定量泵作為動力輸出源，定量泵的動力由發(fā)動機(jī)提供，出油口連接三位四通伺服換向閥，用于改變液壓系統(tǒng)油路的方向以控制液壓缸工作；液壓缸的有桿腔安裝有位置傳感器，主要用于監(jiān)測液壓缸的位移并反饋給伺服閥的控制機(jī)構(gòu)以形成反饋回路；安全閥設(shè)置系統(tǒng)的最高工作壓力，以避免液壓元器件因超載而被損壞。液壓缸的鎖緊和系統(tǒng)卸荷依靠換向閥的M型中位機(jī)能來實現(xiàn)。鎖緊回路又被稱為位置保持回路[6]，功用是使液壓執(zhí)行元件能在不工作時切斷其進(jìn)出口的油液通道，準(zhǔn)確地保持在既定的位置上，而不會因為外力的作用而移動；卸荷回路主要用于液壓系統(tǒng)在工作循環(huán)中短時間間歇時，減小功率損耗，降低系統(tǒng)發(fā)熱，避免因液壓泵頻繁啟停而影響液壓泵的壽命。當(dāng)換向閥處于中位時，換向閥的工作油口不與其它油口聯(lián)通，而進(jìn)油口和回油口之間聯(lián)通，液壓泵的油液經(jīng)換向閥直接流回油箱，保證了系統(tǒng)的卸荷性能[7]。

為實現(xiàn)高速插秧機(jī)無人自動化控制，保證升降油缸位置的精確性，特引入閉環(huán)反饋控制，其原理如圖4所示。

圖4 閉環(huán)反饋控制Fig.4 Closed feedback control

閉環(huán)反饋控制主要是在液壓缸的末段安裝一個位置傳感器用于獲取液壓缸的位置信息。傳感器將信號傳遞給伺服閥的控制機(jī)構(gòu)，比較指定位置和反饋信號之間的誤差，進(jìn)而實現(xiàn)對位置的精確控制。

1.2 元器件參數(shù)計算

液壓系統(tǒng)的主要參數(shù)是壓力和流量，是選擇系統(tǒng)方案和液壓元件的主要依據(jù)，壓力取決于外負(fù)載，流量取決于執(zhí)行元件的運(yùn)動速度和尺寸。通常，首先選擇執(zhí)行元件的設(shè)計壓力，并按最大外負(fù)載和選定的設(shè)計壓力計算執(zhí)行元件的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后根據(jù)對執(zhí)行元件的速度或轉(zhuǎn)速的要求，確定其輸入流量。壓力和流量一經(jīng)確定，即可確定液壓系統(tǒng)功率。

該升降系統(tǒng)主要用于提升秧箱，秧箱裝滿秧苗時的總質(zhì)量約為100kg，即需要約1 500N以上的提升力。為保有一定的余量，液壓系統(tǒng)設(shè)計時的提升力選為1 800N。該單桿液壓缸的主工作腔為無桿腔，需要滿足公式(1)，則有

(1)

液壓缸無桿腔面積和液壓缸內(nèi)徑分別為[8]

(2)

(3)

其中，A1為液壓缸無桿腔直徑；Fmax為所需要的最大提升力；p1為無桿腔壓力；p2為有桿腔壓力；n為液壓缸的機(jī)械效率。液壓缸的工作壓力和背壓大小可以根據(jù)表1[9]來選擇，工作壓力選定為4.9MPa，背壓取0.2MPa。液壓缸的桿徑比可以根據(jù)表2來選擇[10]。

液壓缸的最大流量Qmax為

Qmax=Avmax

(4)

其中，A表示液壓缸的有效面積；vmax表示液壓缸的最大速度。

液壓系統(tǒng)的最大提升力為1 800N，系統(tǒng)的效率取0.9，結(jié)合以上公式，系統(tǒng)部分參數(shù)的計算結(jié)果如表3所示。

表1 設(shè)計壓力和背壓選取Table 1 Designed pressure and backpressure selected MPa

表2 按壓力選取桿徑比Table 2 Diameter rod ratio selected by pressure

表3 升降系統(tǒng)部分參數(shù)Table 3 Part parameters of lifting system

2 液壓升降系統(tǒng)仿真與分析

AMESim是法國IMAGINE公司于1995年推出的基于鍵合圖的液壓-機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真機(jī)動力學(xué)分析軟件，包含IMAGINE技術(shù)，為項目設(shè)計、系統(tǒng)分析、工程應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的工具[11]。

AMESim軟件依次進(jìn)入草圖模式、子模型模式、參數(shù)模式、運(yùn)行模式[12]，在子模型模式下，采用Primier submodel功能，使用默認(rèn)子模型，液壓缸子模型設(shè)置如圖5所示，伺服換向閥的子模型如圖6所示，系統(tǒng)模型圖如圖7所示。由圖5、圖6可以看出：液壓缸子模型有3個端口，共8個外部變量，伺服換向閥子模型有5個端口，共9個外部變量。在所有外部變量中，箭頭朝向該元器件的為輸入量，箭頭背對元器件的為輸出量。系統(tǒng)中各元器件參數(shù)設(shè)定如表4所示。

圖5 液壓缸子模型Fig.5 Hydraulic cylinder submodule

圖6 伺服換向閥子模型Fig.6 Servo reversing valve ubmodule

圖7 AMESim系統(tǒng)模型圖Fig.7 The system model in AMESim表4 AMESim中各元器件參數(shù)Table 4 Each component parameters in AMESim

項目單位參數(shù)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速r/min1500液壓泵排量cc/r1.5安全閥設(shè)定壓力MPa7.5伺服換向閥額定電流mA40固有頻率Hz50壓降MPa0.1負(fù)載信號N1500增益函數(shù)40液壓缸尺寸mmΦ40×Φ20行程m0.6

在AMESim中將模型建好后，進(jìn)行仿真，仿真時間為10、4.5s不等，計算步長為0.1s。首先對系統(tǒng)上升下降時間、工作壓力及液壓缸速度進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

圖8 液壓缸上升、下降時間Fig.8 The rise and fall time of hydraulic cylinder

圖9 液壓缸壓力變化Fig.9 Cylinder pressure variation

圖10 液壓缸速度變化Fig.10 Cylinder velocity variation

由圖8可知：液壓缸在上升過程中，4.2s即可達(dá)到最大行程0.6m，設(shè)置液壓缸從第5s時開始下降，下降完成所需要的時間約為3.5s，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。圖9為上升期間液壓缸內(nèi)壓力變化圖，在開始上升的0.3s內(nèi)，液壓缸壓力急劇上升，上升到約480bar時壓力趨于穩(wěn)定，最高壓力為485bar缸內(nèi)壓力滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。圖10為上升期間液壓缸內(nèi)速度變化圖，與壓力變化的趨勢類似，在前1s的時間內(nèi)，液壓缸速度較快上升，上升到約0.14m/s時速度趨于穩(wěn)定。

為驗證閉環(huán)系統(tǒng)的反饋功能，對液壓缸的位置實現(xiàn)精確地控制，現(xiàn)對其輸入信號與實際位移進(jìn)行對比，如圖11所示。

圖11 輸入與輸出對比Fig.11 Comparison between output and input

圖11中，實線表示輸入信號，虛線表示輸出位移，點(diǎn)畫線表示兩者之間的差值，可以看出：輸入與輸出信號的變化趨勢一致，兩者最大誤差為0.037 9m。這是由于工作執(zhí)行機(jī)構(gòu)滯后所導(dǎo)致的，系統(tǒng)的反饋可以及時調(diào)整輸入與輸出之間的誤差，保證液壓缸工作位置準(zhǔn)確穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為實現(xiàn)插秧機(jī)無人化、智能化控制，設(shè)計了一種插秧機(jī)升降液壓缸位置控制系統(tǒng)。由伺服換向閥實現(xiàn)電子控制，在液壓缸有桿腔末端安裝位置傳感器。該傳感器給出的信號回傳給控制器，從而實現(xiàn)閉環(huán)反饋控制，可以精確實時地控制升降系統(tǒng)。根據(jù)插秧機(jī)升降系統(tǒng)的工作需求，設(shè)計了其相關(guān)工作參數(shù)，確定了系統(tǒng)工作壓力和液壓缸的尺寸，在AMESim軟件中對所設(shè)計的液壓系統(tǒng)建模、仿真，仿真結(jié)果表明：①液壓升降系統(tǒng)上升時間為4.2s，下降時間3.5s，缸內(nèi)工作壓力為480bar，以上參數(shù)基本滿足設(shè)計需求;②液壓缸的輸入與輸出信號的變化趨勢一致，但存在一定的誤差，閉環(huán)反饋系統(tǒng)基本可以確保液壓缸工作位置準(zhǔn)確穩(wěn)定。

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Design and Simulation of Lifting Hydraulic Cylinder Position Control System of Rice Transplanter

Hu Kai， Zhang Wenyi， Yu Shanshan， Ji Yao， Qi Bing

(Nanjing Institute of Agricultural Mechanization,Ministry of Agriculture，Nanjing 210014，China)

A lifting hydraulic cylinder positon control system of rice transplanter is designed based on its general design requirements and the characteristics of hydraulic transmission. Part parameters are selected. To realize the closed loop feedback, a position senor and servo reversing valve are used. It provides a platform for controlling automatically. The hydraulic system model is established in AMESim for simulating, and the hydraulic cylinder lifting time, working pressure and velocity are obtained by simulation results. The design and simulation laid a good foundation for prototype manufacture.

rice transplanter; lifting hydraulic system; closed loop control; AMESim simulation

2016-02-25

江蘇省科技計劃項目(重點(diǎn)研發(fā)計劃項目)(BE2015351)

扈 凱(1990-)，男，河南南陽人，助理研究員，工學(xué)碩士，(E-mail)njkf1030@163.com。

張文毅(1966-)，男，江蘇鎮(zhèn)江人，研究員，(E-mail)786466581@qq.com。

S233.91

A

1003-188X(2017)03-0165-05