一种水田激光平地机调平系统动力学建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种水田激光平地机调平系统动力学建模方 法。
【背景技术】
[0002] 现代水稻种植技术对水田的平整度要求很高，因为田块平整度的提高，有利于节 约用水和提高农作物产量。水田激光平地机是一种机电液一体的水田土地平整机械，能根 据实时的工作状态，自动调整平地铲的高度与倾角，使之保持水平并维持设定高度，以达到 平整水田的目的。但是，现有技术中，水田平地机在复杂的水田环境作业时，仍存在工作响 应速度慢，控制不稳定，易出现振荡和超调等现象导致平地效率低效果欠佳。
[0003] 实践表明，为进一步提高平地机的水平控制精度、稳定性和响应性，有必要从理论 上建立一个平地机调平系统的动力学模型，一方面可以用来机械系统改进设计，另一方面 也为电控系统设计提供理论依据，以便在多变的水田土壤环境下仍达到良好的平地效果。
【发明内容】
[0004] 针对现有水田激光平地机存在的响应慢、控制系统鲁棒性差、稳定性不够高等技 术问题，本发明提供了一种水田激光平地机调平系统动力学建模方法，根据水田激光平地 机动力学模型，优化平地机控制系统与机械系统设计，保证平地铲零速度过零位置，消除超 调，实现快速响应，提高系统的水平控制精度，同时减少系统功率损失和机械磨损，实现能 量的有效利用。
[0005] 本发明采用如下技术方案解决上述技术问题：一种水田激光平地机调平系统动力 学建模方法，所述水田激光平地机包括平行三连杆、安装平台、平地铲及液压系统，液压系 统包括定量液压泵、三维四通比例阀、溢流阀、连接管路和液压缸，包括以下步骤：
[0006]S1、建立水田激光平地机任意位置的简化动力学模型：将平行三连杆简化为一条 承受弯矩的扭簧；将安装平台简化为绕安装平台与平行三连杆的连接点旋转的具有转动惯 量的刚体；将平地铲简化为刚体杆件；将液压系统中油液、连接管道和缸体的机械柔度简 化为一个弹性元件，其弹性模量ee;
[0007]S2、建立液压系统弹性元件的动力学关系，建立安装平台的力学微分方程模型，建 立平地铲的力学微分方程模型；
[0008]S3、对步骤S2所建立的微分方程组进行数值分析，同时把水田激光平地机的相应 参数代入所述微分方程组中，求解微分方程组的数值解。
[0009] 优选的，步骤S2所述液压系统弹性元件的动力学关系为：
[0010]
【主权项】
1. 一种水田激光平地机调平系统动力学建模方法，所述水田激光平地机包括平行三连 杆、安装平台、平地铲及液压系统，液压系统包括定量液压泵、三维四通比例阀、溢流阀、连 接管路和液压缸，其特征在于，包括以下步骤： 51、 建立水田激光平地机任意位置的简化动力学模型：将平行三连杆简化为一条承受 弯矩的扭簧；将安装平台简化为绕安装平台与平行三连杆的连接点旋转的具有转动惯量的 刚体；将平地铲简化为刚体杆件；将液压系统中油液、连接管道和缸体的机械柔度简化为 一个弹性元件，其弹性模量ee; 52、 建立液压系统弹性元件的动力学关系，建立安装平台的力学微分方程模型，建立平 地铲的力学微分方程模型； 53、 对步骤S2所建立的微分方程组进行数值分析，同时把水田激光平地机的相应参数 代入所述微分方程组中，求解微分方程组的数值解。
2. 根据权利要求1所述的水田激光平地机调平系统动力学建模方法，其特征在于，步 骤S2所述液压系统弹性元件的动力学关系为：
其中P为液压系统压力，V1为密封部分液压油体积，Q(t)是流量，A为活塞有效作用面 积，d是液压缸的伸长量，取平地铲处于水平位置时d = 0。
3. 根据权利要求1所述的水田激光平地机调平系统动力学建模方法，其特征在于，步 骤S2所述安装平台的力学微分方程为： APcos ( 0 + 0 -Kyy-Cyy' -Fy= m =In1 (y" -I4 0 / 2Cos 0「14 0sin 0 J.................................(2) -APsin ( 0 + 0 :)-KxX-CxX1-Fx= m^ex =In1 (x"+I4 9i2sin0 ^l4 9:"cos0 :).................................(3) AP (1「14) sin 0 -Fx (12+14) cos 0「Kt 0「Ct 0 / -Fy (12+14) sin 00 / = J1 0 丄"…（4) 其中A为活塞有效作用面积，P为液压系统压力，液压缸与安装平台之间的夹角为0， 安装平台的质量为Hi1平行三连杆的扭转刚度为K t，扭转阻尼系数为Ct，水平方向刚度系数 为Kx，水平方向阻尼系数为C x，竖直方向刚度系数为Ky，竖直方向阻尼系数为Cy;平行三连 杆在水平X轴方向产生的力F x= K Xx+Cxx'，在竖直Y轴方向产生的力Fy= K yy+Cyy'；安装 平台的转动惯量为J1;安装平台与液压缸、平行三连杆、平地铲分别连接于A点、B点、C点， 平地铲与液压杆连接于D点，安装平台的质心为0点，AB距离为I 1JC的距离为12，B0距离 为14, AD与AC夹角为0，安装平台中轴线与竖直方向的夹角为0 1;安装平台在质心的加 速度为aEx、aEy; 所述平地铲的力学微分方程为： Fx+APcos ( a + 0 2) = m2acx =m2 (x" -I2 0 / 2sin 0 !+I2 0:"cos 0 :)............................(5) Fy-APsin ( a + 0 2) = m2 (y" +I2 0 / 2Cos 0 i+l2 0 !" sin 0 J...............(6) APl3Sin a -c2 9 2' = J2 9 2;/ ..........................................(7) 式中aa表示C点的水平方向加速度，m2为平地铲的质量，02是平地铲与水平方向的 夹角，a是液压缸与平地铲之间的夹角山是CD间距离，J2是水平铲的转动惯量，C 2是水 平铲与安装平台铰接处的转动阻尼。
4. 根据权利要求3所述的水田激光平地机调平系统动力学建模方法，其特征在于，所 述水田激光平地机的机械系统满足以下几何约束： (d0+d)2= (I !+I2) 2+132+2 (I1+]^) ? l3sin ( 9 !+ 9 2)...........................(8) (d〇+d) d' = (I^l2) I3Cos ( 0 j+ 0 2). ( 0 / + 0 2')...........................(8*) Q+0 + 0J+02= JT / 2.................................................(9) 其中d为液压油缸的伸长量，Cltl为平地铲处于水平位置时液压缸的长度。
5. 根据权利要求1所述的水田激光平地机调平系统动力学建模方法，其特征在于，所 述步骤S3还包括建立水田激光平地机调平系统的控制模型；所述平地机调平系统G为电 流-角速度系统，包括两个串联子系统，即比例阀线圈电流-流量系统G 1和油缸-平地铲 系统G2;比例阀线圈电流-流量系统G :输入电流I s，驱动比例阀线圈运动，使比例阀阀口打 开，输出液压油流量Q (t);油缸-平地铲系统匕输入液压油流量Q (t)，控制平地铲油缸伸 缩，伸缩量为d，经油缸-负载连接机构，输出平地铲角速度w，输出为平地铲角速度w，角速 度w经积分后得出平地铲倾斜角度值0 2;设水田激光平地机调平系统的增益为Kq，则： Q(t) = KqXIs.......................................................(10)。
6. 根据权利要求1所述的水田激光平地机调平系统动力学建模方法，其特征在于，所 述步骤S3利用四阶龙哥-库塔法和Matlab软件求解微分方程组的数值解。
【专利摘要】本发明涉及水田激光平地机调平系统动力学建模方法，包括以下步骤：建立平地机任意位置的简化动力学模型：平行三连杆简化为承受弯矩的扭簧；安装平台简化为具有转动惯量的刚体；平地铲简化为刚体杆件；液压系统中油液、连接管道和缸体的机械柔度简化为弹性元件；建立液压系统弹性元件的动力学关系，建立安装平台、平地铲的力学微分方程模型；把平地机的相应参数代入微分方程组中，利用四阶龙哥-库塔法进行求解，仿真结果与实验结果很接近。本发明为优化平地机调平控制系统与机械系统设计提供理论依据，以便在多变的水田土壤环境下仍达到良好的平地效果，保证平地铲零速度过零位置，消除超调，实现快速响应，提高系统的水平控制精度。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104820728
【申请号】CN201510076810
【发明人】赵祚喜, 陈嘉琪, 施垒, 可欣荣, 吴志伟, 刘雄, 黄培奎, 刘明, 曹文君
【申请人】华南农业大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年2月11日