自激振动深松机及耕深测控方法与流程

本发明属于农业机械技术领域，涉及一种自激振动深松机及耕深测控方法，其主要应用于土壤深松耕作领域。

背景技术：

土壤耕作是农业生产的重要环节。由于长期采用浅旋、翻耕等不合理耕作方式，导致我国耕地质量逐年下降，作物减产严重。深松整地技术是在不翻动土壤的前提下疏松土壤，可有效打破犁底层、改善土壤团粒结构，在土壤改良效果上优势显著，近年来得到大力推广。自激振动深松技术具有明显减阻效果，现阶段自激振动深松机均采用弹簧为激振源，使深松铲上端与机架通过弹簧连接，土壤阻力变化时，深松铲在土壤阻力和弹簧弹力共同作用下摆动，从而达到减阻效果。但由于弹簧刚度一定、预紧力调节范围有限，以弹簧为激振源的自激振动深松机在土壤比阻差异大、不同区域地块作业时存在适应性差、间断失效的问题，导致耕深稳定性无法保证。

现有技术中，在机架与铲柄之前设置水平振动装置，水平振动装置包括弹簧和套在弹簧内部的液压油缸，该设计仍以弹簧为激振源，相比传统弹簧自激深松机在弹簧内部增加了液压缸，通过调节液压缸中的液压油量可控制振动弹簧的伸缩量，对弹簧的最大伸缩位置加以限制，以此保证耕深。

本发明以液压缸为激振源并配套耕深检测装置，耕深检测装置实时监测耕深并以耕深变异为指标调节液压缸工作压力，使土壤阻力与激振源实时匹配，保证耕深的前提下使深松铲达到最优的减阻效果。

本发明与现有技术相比有存在以下优点；

1、以液压缸为激振源，可实现液压缸液压力实时调节，避免了弹簧为激振源时刚度不足造成的间断失效，因此无需增加伸缩量控制装置，深松单体结构得到简化。

2、实时检测耕深，以耕深变异作为液压缸工作压力调控依据，增加反馈环节，能够更加准确、有依据地保证耕深一致性。

技术实现要素：

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种自激振动深松机，包括机架、检测装置、液压装置、多个自激振动深松单体，其特征在于：检测装置安装在机架上，多个自激振动深松单体和液压装置安装在机架上；自激振动深松单体用于松土，液压装置做为自激振动深松单体的激振源，检测装置用于检测自激振动深松单体的入土深度，并根据入土深度控制液压装置，进而控制耕深。

所述的自激振动深松机，其中：自激振动深松单体包括单体固定架、深松铲连接板、深松铲、液压缸、镇压装置；所述镇压装置包括镇压轮、镇压轮连接臂。

所述的自激振动深松机，其中：自激振动深松单体通过单体固定架固定在机架上；液压缸前端耳环通过销轴与单体固定架上端铰接，液压缸另一端耳环通过第二销轴与深松铲连接板铰接；深松铲连接板前端通过第一销轴与单体固定架下端铰接，深松铲连接板第一可绕销轴转动，深松铲连接板后端固定连接深松铲的上端。

所述的自激振动深松机，其中：镇压装置上端通过第三销轴与深松铲连接板末端连接，镇压装置可绕销轴转动，镇压装置包括连接臂，连接臂上端通过第三销轴与深松铲连接板的末端连接，连接臂下端与镇压轮的旋转轴连接，镇压轮可绕连接臂的下端旋转滚动。

所述的自激振动深松机，其中：液压装置包括蓄能器、过滤器、阀组、连接管件；所述阀组包括多个相同的比例减压阀，分别通过连接管件与多个液压缸连接，每个比例减压阀独立控制一个液压缸，通过控制比例减压阀出油口压力来调节液压缸工作压力。

所述的自激振动深松机，其中：液压装置的进油口与拖拉机液压输出口连接，经过滤器、蓄能器连接至阀组的进油口，液压装置的回油口与拖拉机液压回油口连接，并与阀组回油口直接连接，阀组的出油口连至各液压缸无杆腔。

所述的自激振动深松机，其特征在于：检测装置包括主控制器、连接电路、单体控制器组合、传感器组合；所述单体控制器组合包括多个单体控制器，传感器组合包括第一角度传感器和第二角度传感器。

所述的自激振动深松机，其中：主控制器通过连接电路与触摸屏、单体控制器组合连接，触摸屏安装拖拉机驾驶室；每个单体控制器都与一个传感器组合连接；每个传感器组合中的第一角度传感器水平固定在深松铲连接板上方，第二角度传感器竖直固定在镇压轮连接臂上方。

所述的自激振动深松机，其中：单体控制器通过安装在自激振动深松单体上的传感器组合检测耕深、耕深变异系数、平均耕深并发送给主控制器；单体控制器还通过控制比例减压阀调节液压缸工作压力，稳定耕深。

一种如上之一所述的自激振动深松机的自激振动深松机测控方法，其中：

该方法包括如下步骤：

a.通过触摸屏输入自激振动深松单体工作参数；

b.主控制器根据触摸屏输入的数据确定自激振动深松单体尺寸参数并控制单体控制器工作；

c.单体控制器计算深松铲工作参数；

d.单体控制器根据计算得工作参数控制液压缸的工作压力；

e.单体控制器将计算出的工作参数发送给主控制器；

f.主控制器将接收的多个单体工作参数发送给触摸屏显示。

所述的自激振动深松机测控方法，其中：所述方法具体按如下步骤进行：

a.在触摸屏中输入自激振动深松单体尺寸参数h、h、l、l1、l2、r，设定耕深变异下限vl、耕深变异上限vu、比例减压阀初始调定压力ps；通过触摸屏启动自激振动深松耕深控制；

b.主控制器根据触摸屏输入的数据确定自激振动深松单体尺寸参数h、h、l、l1、l2、r，设定耕深变异下限vl、耕深变异上限vu、比例减压阀初始调定压力ps，并发送给单体控制器组合；单体控制器接收数据后，开始读取角度传感器组合的数据，计算出深松单体当前耕深dn、耕深变异系数vd、平均耕深dm，其中：h为第一销轴到深松铲铲尖的垂直距离；h为第一销轴到第三销轴的垂直距离；l为第一销轴到深松铲中心线的水平距离；l1为第三销轴到镇压轮的旋转轴之间的垂直距离；l2为深松铲中心线到连接臂中心线之间的距离；r为镇压轮半径；

c.步骤b中，计算深松铲当前耕深dn的方法为：

c1)随着深松铲入土，第一角度传感器检测的镇压轮连接臂与水平方向的夹角为α，此时根据以下公式计算出深松铲111当前耕深dn；

dn＝h-h-(l1×sinα)-r

c2)深松铲振动时，第二角度传感器检测出深松铲安装板与水平方向的夹角α1、第二角度传感器检测出镇压轮安装板与水平方向的夹角α，此时根据以下公式计算出深松铲当前耕深dn；

dn＝hcosa1-l1sina+l2sina1-hcosa1-r

耕深平均值计算根据以下公式：

式中：n—采样点个数；

耕深变异系数计算根据以下公式：

式中：s—耕深标准差；

d.单体控制器将计算出的当前耕深dn、耕深变异系数vd、平均耕深dm发送给主控制器，主控制器接收后发送给触摸屏显示；

e.单体控制器耕深采样间隔为0.5s，累计采样预定个数样本点后，计算出该预定个数的样本点的耕深变异系数vd，单体控制器根据所述耕深变异系数vd调整液压缸工作压力，从而稳定耕深。

所述的自激振动深松机测控方法，其中单体控制器采用模糊控制算法实现对液压缸压力的控制：依据模糊控制理论建立模糊控制器，模糊控制器的输入变量为变异系数误差e、变异系数误差变化率ec，输出量为比例减压阀控制电压调定量u。

所述的自激振动深松机测控方法，其中模糊控制器输入变量的确定方法为：

(1)若vl＜vd＜vu，单体控制器认为当前耕深变异在设定范围内，液压缸工作压力不作调整,则变异系数误差e＝0；

(2)若vd＞vu，单体控制器认为当前耕深变异偏离目标耕深变异且超过设定耕深变异上限，耕深稳定性差，需增大液压缸工作压力,则变异系数误差e＝vd-vu；

(3)若vd＜vl，单体控制器认为当前耕深变异偏离目标耕深变异且低于设定耕深变异下限，减阻效果差，需减小液压缸工作压力，则变异系数误差e＝vd-vl；

其中：变异系数误差变化率ec为本周期变异系数误差与本周期对应时间t的比值。

所述的自激振动深松机测控方法，其中所述的模糊控制器建立分为以下步骤：

a根据前期试验确定模糊控制器的输入变量e取值范围e＝[-10，10]、ec取值范围ec＝[-20，20]，输出变量u取值范围u＝[-3，3]；

b针对输入变量e、ec定义语言变量e、ec，语言值e′、ec′，并定义语言变量e、ec离散论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}、语言值e′、ec′值域为{负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)}；针对输出变量u定义语言变量u、语言值u′，并定义语言变量u离散论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，语言值u′值域为{负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)}；

c根据输入变量e、ec的取值范围和语言变量e、ec的离散论域，计算得输入变量e、ec的量化因子ke＝0.6、kec＝0.3；根据输出变量u的取值范围和语言变量u的离散论域，计算得输出变量u的量化因子ku＝0.5；

d选择三角函数作为语言值e、ec、u的隶属函数，分别以语言变量论域中的元素为中心值建立隶属函数；

e建立模糊控制规则库，如下表：

所述的自激振动深松机测控方法，其中所述的模糊控制器的工作过程按如下步骤：

a模糊控制器实时计算变异系数误差e、变异系数误差变化率ec；

b对变异系数误差e、变异系数误差变化率ec进行模糊化处理，通过量化因子ke、kec将变异系数误差e、变异系数变化率ec量化为语言变量e、ec；

c模糊控制器按照隶属函数并依据隶属度最大原则求得语言变量e、ec所属的语言值a、b，a、b∈u′；

d模糊控制器按照模糊控制规则库进行模糊推理，由语言值a、b确定语言变量u所属的语言值c，c∈u′；

e对语言值c进行去模糊化处理，按照重心法对语言值u′集合中的各元素及其隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，得到语言变量u；

f模糊控制器经过量化因子ku将语言变量u转化为比例减压阀控制电压调定量u。

附图说明

图1为本发明自激振动深松机的总体结构示意图

图2为本发明自激振动深松单体的正视图

图3为本发明镇压装置的结构示意图

图4为本发明自激振动深松机液压装置的结构示意图

图5为本发明自激振动深松机检测装置的结构示意图

图6为本发明自激振动深松单体尺寸参数示意图

图7为本发明自激振动深松单体结构简图

图8为本发明自激振动深松单体入土非振动状态示意简图

图9为本发明自激振动深松单体入土振动状态示意简图

图10为本发明自激振动深松机单体控制器耕深控制流程图

图11为本发明自激振动深松机单体控制器模糊控制器结构图

图12为本发明自激振动深松机单体控制器模糊控制算法所采用隶属函数的形状及分布图

附图标记

1自激振动深松单体101液压缸102销轴

103销轴104单体固定架105销轴

106深松铲连接板107螺栓108螺栓

109镇压装置1091镇压轮连接臂1092镇压轮

110销轴111深松铲2地轮

3检测装置301主控制器302连接电路

303单体控制器组合3031单体控制器304传感器组合

3041角度传感器3042角度传感器4触摸屏

5液压装置501阀组5011比例减压阀

502连接管件503蓄能器504过滤器

6机架7三点悬挂

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种自激振动深松机，包括三点悬挂7、机架6、地轮2、检测装置3、触摸屏4、液压装置5、自激振动深松单体1。其中地轮2安装在机架6两侧，三点悬挂7安装在机架前部中间的位置，用于与耕作用拖拉机连接，检测装置3安装在机架6上，多个自激振动深松单体1和液压装置5安装在机架6上，自激振动深松单体1用于松土，液压装置5做为自激振动深松单体1的激振源，通过与土壤共同作用使深松单体产生振动。检测装置3用于检测自激振动深松单体1的入土深度，并根据入土深度控制液压装置，进而控制耕深变异在允许范围内。

如图2所示，自激振动深松单体1包括单体固定架104、深松铲连接板106、深松铲111、液压缸101、镇压装置109，镇压装置包括镇压轮1092、镇压轮连接臂1091。自激振动深松单体1通过单体固定架104固定在深松机机架6上。液压缸101前端耳环通过销轴102与单体固定架104上端铰接，液压缸101另一端耳环通过销轴103与深松铲连接板106铰接；深松铲连接板106前端通过销轴105与单体固定架104下端铰接，深松铲连接板106可绕销轴105转动，深松铲连接板106后端通过螺栓107、螺栓108固定连接深松铲111的上端，深松铲111从上端部向下整体成钩状，用于松土。如图2、3所示，镇压装置109上端通过销轴110与深松铲连接板106末端连接，镇压装置109可绕销轴110转动，具体的镇压装置109包括连接臂1091，连接臂1091上端通过销轴110与深松铲连接板106的末端连接，连接臂1091下端与镇压轮1092的旋转轴连接，镇压轮1092可绕连接臂1091的下端旋转滚动。

工作过程中，镇压轮1092始终与地面接触，液压缸101内保持一定工作压力，自激振动深松单体1因土壤阻力变化产生振动。土壤阻力增大时，深松铲111翘起，耕深变浅，深松铲111带动深松铲连接板106绕销轴105转动，液压缸101被压缩，深松铲连接板106与水平方向夹角α1增大，镇压轮连接臂1091与水平方向的倾角α也增大；土壤阻力减小时，深松铲111下行，耕深增加，深松铲111带动深松铲连接板106绕销轴105转动，液压缸101伸长，深松铲连接板106与水平方向夹角α1减小，镇压轮连接臂1091与水平方向的夹角α也减小。

本发明提供的自激振动深松机，包括液压装置5和检测装置3。

如图4，液压装置5包括蓄能器503、过滤器504、阀组501、连接管件502；阀组501具有5个相同的比例减压阀5011，分别通过连接管件502与5个液压缸101连接；每个比例减压阀5011独立控制一个液压缸101，互不干涉，通过控制比例减压阀5011出油口a压力可调节液压缸101工作压力。

液压装置5的进油口p与拖拉机液压输出口连接，经过滤器504、蓄能器503连接至阀组501的进油口p，液压装置5的回油口t与拖拉机液压回油口连接，并与阀组501回油口t直接连接，蓄能器503具有吸收液压脉动、稳定压力的作用；阀组501的出油口a分别连至各液压缸101无杆腔。

如图5，检测装置3包括主控制器301、连接电路302、单体控制器组合303、传感器组合304，单体控制器组合303具有5个地址分别为01、02、03、04、05的单体控制器3031，传感器组合304包括角度传感器3041、角度传感器3042。主控制器301通过连接电路302与触摸屏4、单体控制器组合303连接，触摸屏4放置在拖拉机驾驶室，方便工作人员设置初始参数和读取当前工作参数；每个单体控制器3031都与一个传感器组合304连接，传感器组合304包括角度传感器3041、角度传感器3042；角度传感器3042水平固定在深松铲连接板106上方，角度传感器3041竖直固定在镇压轮连接臂1091上方。本发明中检测装置3具有1个主控制器301和若干个具有不同通讯地址的单体控制器3031，每个自激振动深松单体1上安装一个单体控制器3031。主控制器301采用轮询的方式读取每个单体控制器的数据，并发送给触摸屏4显示；单体控制器3031一方面通过安装在自激振动深松单体上1的传感器组合304检测耕深、耕深变异系数、平均耕深等工作参数发送给主控制器301，另一方面单体控制器3031通过控制比例减压阀5011调节液压缸101工作压力，稳定耕深。为保证自激振动深松机耕深测控系统良好的拓展性，主控制器301与单体控制器3031采用rs485通信协议，单体控制器3031可根据深松单体1数量拓展。

本发明提供一种自激振动深松机耕深测控方法，结合自激振动深松单体1尺寸参数和深松铲连接板106、镇压轮连接臂1091角度变化计算出当前耕深。

为方便说明自激振动深松单体1尺寸参数，做出辅助直线ab、bc、cd。如图6所示，销轴105处设置a点，直线ab为销轴105与深松铲连接板106所在水平线，直线bc为深松铲111所在竖直线，直线ab与直线bc相交于b点；销轴110处设置d点，直线cd为销轴110与深松铲连接板106所在水平线，直线bc与直线cd相交处设置为c点。图6中，h为销轴105到铲尖距离、l为a、b两点距离、h为b、c两点距离、l2为c、d两点距离、l1为镇压轮连接臂长度，r为镇压轮半径。

为方便分析自激振动深松单体1振动时深松铲连接板106、镇压轮连接板1091角度变化，绘制自激振动深松单体简化模型，如图7。振动过程中，镇压轮1092始终与地面接触，土壤阻力增大时，深松铲111翘起，深松铲连接板106与水平方向夹角α1增大，镇压轮连接臂1091与水平方向的倾角α也增大；土壤阻力减小时，深松铲111下行，深松铲连接板106与水平方向夹角α1减小，镇压轮连接臂1091与水平方向的夹角α也减小。

一种自激振动深松机耕深测控方法，该方法包括如下步骤：

a、将液压装置5的进油口p、回油口t与拖拉机液压输出口、回油口连接，在触摸屏4中输入自激振动深松单体1尺寸参数h、h、l、l1、l2、r，设定耕深变异下限vl、耕深变异上限vu(可综合考虑农艺整地质量要求和减阻程度设置耕深变异下限vl、耕深变异上限vu)、比例减压阀5011初始调定压力ps，点击触摸屏上“开始”按钮，启动自激振动深松耕深测控机；

b、主控制器301向触摸屏4读取自激振动深松单体1尺寸参数h、h、l、l1、l2、r，设定耕深变异下限vl、耕深变异上限vu、比例减压阀5011初始调定压力ps，并发送给单体控制器组合303；以地址为01的单体控制器3031为例，单体控制器3031接收数据后，开始读取角度传感器3041、角度传感器3042的数据，计算出深松铲111当前耕深dn、耕深变异系数vd、平均耕深dm；

c、步骤b中，计算深松铲111当前耕深dn、耕深变异系数vd、平均耕深dm的方法为：

c1)随着深松铲111入土，角度传感器3041检测的镇压轮连接臂与水平方向的夹角为α，如图8，此时根据以下公式计算出深松铲111当前耕深dn；

dn＝h-h-(l1×sina)-r

c2)深松铲111振动时，角度传感器3042检测出深松铲安装板106与水平方向的夹角α1、角度传感器3041检测出镇压轮安装板与水平方向的夹角α，如图9，此时根据以下公式计算出深松铲当前耕深dn；

dn＝hcosa1-l1sina+l2sina1-hcosa1-r

c3)耕深平均值计算根据以下公式：

式中：

n—采样点个数；

c4)耕深平均值计算根据以下公式：

式中：

s—耕深标准差，单位cm

d、单体控制器3031将计算出的当前耕深dn、耕深变异系数vd、平均耕深dm发送给主控制器301，主控制器301接收后发送给触摸屏4显示；

e、设置单体控制器3031采样间隔为0.5s，单体控制器3031将实时计算出的耕深变异系数vd与设定的耕深变异下限vl、耕深变异上限vu进行比对，根据比对结果作为控制液压缸工作压力。

单体控制器3031控制液压缸工作压力的算法如图10所示。单体控制器3031根据耕深变异系数vd设定的耕深变异下限vl、耕深变异上限vu计算出变异系数误差e以及变异系数误差变化率ec作为模糊控制器的输入，模糊控制器输出比例减压阀控制电压调定量u，进而调节液压缸工作压力。

模糊控制器输入变量(变异系数误差e)的确定方法为：

(1)若vl＜vd＜vu，单体控制器认为当前耕深变异在设定范围内，液压缸工作压力不作调整,则变异系数误差e＝0；

(2)若vd＞vu，单体控制器认为当前耕深变异偏离目标耕深变异且超过设定耕深变异上限，耕深稳定性差，需增大液压缸工作压力,此时变异系数误差e＝vd-vu；

(3)若vd＜vl，单体控制器认为当前耕深变异偏离目标耕深变异且低于设定耕深变异下限，减阻效果差，需减小液压缸工作压力，则变异系数误差e＝vd-vl；

(4)变异系数误差变化率ec为本周期变异系数误差与本周期对应时间t的比值。

模糊控制器结构如图11所示，建立模糊控制器分为以下步骤：

a根据前期试验确定模糊控制器的输入变量e取值范围e＝[-10，10]、ec取值范围ec＝[-20，20]，输出变量u取值范围u＝[-3，3]；

b针对输入变量e、ec定义语言变量e、ec，语言值e′、ec′，并定义语言变量e、ec离散论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}、语言值e′、ec′值域为{负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)}；针对输出变量定义语言变量u、语言值u′，并定义语言变量u离散论域为{-6，-4，-2，0，2，4，6}，语言值u′值域为{负大(nb)，负中(nm)，负小(ns)，零(z)，正小(ps)，正中(pm)，正大(pb)}；

c根据输入变量e、ec的取值范围和语言变量e、ec的离散论域，计算得输入变量e、ec的量化因子ke＝0.6、kec＝0.3；根据输出变量u的取值范围和语言变量u的离散论域，计算得输出变量u的量化因子ku＝0.5；

d选择三角函数作为语言值e、ec、u的隶属函数，分别以语言变量论域中的元素为中心值建立隶属函数，隶属函数分布如图12所示。

e建立模糊控制规则库，如下表：

模糊控制器的工作过程按如下步骤：

a模糊控制器实时计算变异系数误差e、变异系数误差变化率ec；

b对变异系数误差e、变异系数误差变化率ec进行模糊化处理，通过量化因子ke、kec将变异系数误差e、变异系数变化率ec量化为语言变量e、ec；

c模糊控制器按照隶属函数并依据隶属度最大原则求得语言变量e、ec所属的语言值a、b，a、b∈u′；

d模糊控制器按照模糊控制规则库进行模糊推理，由语言值a、b确定语言变量u所属的语言值c，c∈u′；

e对语言值c进行去模糊化处理，按照重心法对语言值u′集合中的各元素及其隶属度求加权平均值，并进行四舍五入取整，得到语言变量u；

f模糊控制器经过量化因子ku将语言变量u转化为比例减压阀控制电压调定量u，u>0表示增大液压缸工作压力，u<0表示减小液压缸工作压力。

本发明以液压缸为激振源，可实现液压缸液压力实时调节，避免了弹簧为激振源时刚度不足造成的间断失效，因此无需增加伸缩量控制装置，深松单体结构得到简化。本发明能够实时检测耕深，以耕深变异作为液压缸工作压力调控依据，增加反馈环节，能够更加准确、有依据地保证耕深一致性。