本发明涉及农业动力机械测试领域，具体而言，涉及一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统及测试方法。
背景技术：
拖拉机悬挂系统是用于农具提升和耕深控制的专用部件，其控制性能的优劣直接影响着拖拉机的作业质量以及作业效率。目前，国产大中功率拖拉机上广泛采用的机-液式悬挂系统，其结构复杂、体积较大且控制精度低，难以实现拖拉机的精细作业，在国外约翰迪尔、卡特彼勒、菲亚特等大功率拖拉机上逐渐被电-液式悬挂系统代替。设计适用于大功率拖拉机电液悬挂系统的控制系统，对提高控制精度、保证拖拉机耕作的通过性与平顺性具有重要意义。
拖拉机电液悬挂系统是一个具有本质非线性参数变量的大惯性系统，且不同型号的拖拉机悬挂系统提升性能有很大差别。传统的电液悬挂系统开发必须进行物理样机的制造，研发周期长，成本高，难以实现性能参数的实时调整优化。
快速控制原型仿真处于控制系统开发的第二阶段，远在产品开发之前，使设计者新的控制思路(方法)能在实时硬件上方便而快捷地进行测试。通过实时测试，可以在设计初期发现存在的问题，以便修改原型或参数，再进行实时测试，这样反复进行，最终产生一个完全面向用户需求的合理可行的控制原型。拖拉机电液悬挂快速控制原型系统具有以下优点：
①大大缩短了开发周期；
②在开发早期减少/消除可能的错误及缺陷，从而达到节省开支，降低物耗的目的；
③提高新产品对需求的适应性；
④性价比高、扩展性好、维护方便和成本低提高新产品对需求的适应性。
现有于2013年4月17日公开的发明专利一种大功率拖拉机电液悬挂系统的半实物仿真试验平台及其试验方法，该仿真试验系统包括实体部分和虚拟部分，并由接口部分连接构成大功率拖拉机及悬挂农机件的半实物仿真试验系统，实体部分工作参数通过接口板卡输入到计算机供模型使用，模型的输出参数通过接口板卡输出到实体部分，由此组成闭环测试系统。对所涉及的提升阀和控制器进行实时仿真、测试、评价和改进，综合考核拖拉机整机工作性能、燃油经济性和机组作业质量、作业效率。构造的不同控制软件可以简化大功率拖拉机及其悬挂各部件和控制器的开发周期，节省开发成本。但是在实际使用过程中，该技术存在以下不足：
(1)控制参数单一，只能实现牵引力控制功能；
(2)对牵引力、耕深等参数的测量尚未涉及；
(3)对硬件与软件的接口、连接、信息交换等方法并未涉及；
(4)控制策略尚未涉及。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统及测试方法，以实现控制参数的实时在线调整，提高测试效率。
为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：
本发明实施例提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的测试方法，所述拖拉机电液悬挂快速控制原型的测试方法通过牵引阻力控制测试方法、位控制测试方法以及力位综合控制测试方法三者中任意一种对拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的pid初始参数进行调整。
在本发明较佳的实施例中，所述牵引阻力控制测试方法包括：
获取土壤阻力设定值fset、力调整死区上限fmax、死区下限fmin，pid初始参数；
检测实际牵引阻力f；
计算阻力差δf＝f-fset；
将δf与[f-fmax,f-fmin]进行比较；并
根据比较结果对pid初始参数进行调整。
在本发明较佳的实施例中，所述检测实际牵引阻力f的方法通过磁致伸缩销轴式传感器进行检测。
在本发明较佳的实施例中，所述根据比较结果对pid初始参数进行调整的方法包括：
当δf∈[f-fmax,f-fmin]时，不对pid初始参数进行调整；
当
在本发明较佳的实施例中，所述位控制测试方法包括：
获取耕深设定值hset、位调节死区上限hmax、死区下限hmin，pid初始参数kp、ti、tou，其中kp为初始比例系数，ti为初始积分时间常数，tou为初始微分时间常数；；
检测实际耕深h；
计算出阻力差δh＝h-hset；
将δh与[h-hmax,h-hmin]进行比较；并
根据比较结果对pid初始参数进行调整。
在本发明较佳的实施例中，所述检测实际耕深h的方法通过非接触式倾角传感器进行检测。
在本发明较佳的实施例中，所述根据比较结果对pid初始参数进行调整的方法包括：
当δh∈[h-hmax,h-hmin]时，不对pid初始参数进行调整；
当δh∈[h-hmax,h-hmin]时，获取δh的变化速率，并根据δh以及δh的变化速率对pid初始参数进行调整，并计算此时的控制电压uh并发送给执行元件。
在本发明较佳的实施例中，所述力位综合控制测试方法包括：
获取土壤阻力设定值fset、力调整死区上限fmax、死区下限fmin、耕深设定值hset、位调节死区上限hmax、死区下限hmin、力位控制权值p、pid初始参数；
检测实际牵引阻力f，检测实际耕深h；
计算阻力差δf＝f-fset，计算出阻力差δh＝h-hset；
将δf与[f-fmax,f-fmin]进行比较；并
根据比较结果对pid初始参数进行调整，并根据调整结果计算出力控制电压uf；
将δh与[h-hmax,h-hmin]进行比较；并
根据比较结果对pid初始参数进行调整，并根据调整结果计算出位控制电压uh；
根据力位控制权值p、力控制电压uf以及位控制电压uh计算力位综合控制电压u并发送给执行元件。
本发明实施例还提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统，所述拖拉机电液悬挂快速控制原型系统采用如权上述的拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的测试方法进行测试。
在本发明较佳的实施例中，所述拖拉机电液悬挂快速控制原型系统包括：
硬件实施平台、软件平台以及接口装置，
所述硬件实施平台包括拖拉机电液悬挂提升机构、安装在拖拉机液压回路上的电液控制阀、安装在拖拉机电液悬挂提升机构上的耕深传感器、牵引阻力传感器以及油压传感器；
所述软件平台包括matlab和labview，labview与matlab之间通过sit接口实现数据的传递，matlab软件作为电子控制单元进行系统控制，labview软件界面作为虚拟化的控制面板；
所述接口装置为ni多功能卡，实时采集硬件实施平台中的传感器信号，并将信号处理后发送至软件平台中的labview，matlab接收来自labview的控制信号和各个处理后的传感器信号，对比分析得出控制信号，并传送给labview；ni多功能卡接收来自labview软件界面的控制信号，并将其处理后对硬件实施平台进行控制。
相对于现有技术，本发明实施例具有以下有益效果：
本发明实施例提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统及测试方法，所述拖拉机电液悬挂快速控制原型的测试方法通过牵引阻力控制测试方法、位控制测试方法以及力位综合控制测试方法三者中任意一种对拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的pid初始参数进行调整。实现控制参数的实时在线调整，提高测试效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明实施例所提供的拖拉机电液悬挂控制系统的示意图；
图2为本发明实施例所提供的磁制伸缩销轴式传感器的结构示意图；
图3为本发明实施例所提供的拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的原理图；
图4为本发明实施例所提供的matlab控制算法；
图5为本发明实施例所提供的拖拉机电液悬挂快速控制原型系统软数据接口sit；
图6为本发明实施例所提供的牵引阻力控制测试方法的流程图；
图7为本发明实施例所提供的位控制测试方法的流程图；
图8为本发明实施例所提供的力位控制测试方法的流程图。
图中：1、液压泵，2、电液控制阀，3、控制面板，4、电子控制单元，5、耕深传感器，6、液压缸，7、牵引阻力传感器，8、油压传感器。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例
请参阅图1-图5，本发明实施例提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统。所述拖拉机电液悬挂快速控制原型系统包括：硬件实施平台、软件平台以及接口装置。
其中，所述硬件实施平台包括拖拉机电液悬挂提升机构、安装在拖拉机液压回路上的电液控制阀、安装在拖拉机电液悬挂提升机构上的耕深传感器5、牵引阻力传感器7以及油压传感器8。
其中，所述软件平台包括matlab和labview，labview与matlab之间通过sit(仿真接口工具包)接口实现数据的传递，matlab软件作为电子控制单元4进行系统控制，labview软件界面作为虚拟化的控制面板3，有力控制、位置控制及力位综合控制三种模式，并且力位综合控制模式中力、位控制权值可变；labview软件界面能实时显示牵引阻力、耕深等数值曲线以及控制信号曲线，并且进行数据保存，还能对牵引阻力目标值、耕深目标值进行实时设定。采用labview软件界面作为虚拟化的控制面板，matlab软件中的程序取代电子控制4单元进行系统控制，新定义了软硬件接口，实现了数据信息的有效传递；用虚拟程序软件代替硬件实物，降低了测试成本
其中，所述接口装置为ni多功能卡，实时采集硬件实施平台中的传感器信号，并将信号处理后发送至软件平台中的labview，matlab接收来自labview的控制信号和各个处理后的传感器信号，对比分析得出控制信号，并传送给labview；ni多功能卡接收来自labview软件界面的控制信号，并将其处理后对硬件实施平台进行控制。
优选地，所述耕深传感器5、牵引阻力传感器7以及油压传感器8采集到的传感器信号经信号放大及a/d转换后经ni多功能卡传递至labview，matlab接收来自labview的控制信号和各个处理后的传感器信号，对比分析得出控制信号，并传送给labview；labview将其传送至电液控制阀2，通过控制电液控制阀2的开闭及开口大小来控制油液方向及流量大小，从而控制拖拉机电液悬挂提升机构的升降和执行速度。
labview对应的软件界面是在电脑上，使用鼠标点击的方式进行操作，有旋钮式、按键式或数字输入式等，只要其可以进行牵引力控制、位置控制、力位综合控制及油压控制方式的选择及控制参数等设定即可。当采用旋钮式时，所述labview软件界面中有油液压力设置旋钮、耕深设置旋钮、力位比例设置旋钮、牵引力设置旋钮以及控制方式选择按钮，通过相应旋钮的操作可进行牵引力控制、位置控制、力位综合控制、油压控制方式的选择及控制参数的设定。
优选地，所述控制方式选择按钮的输出信号为开关量，当信号为0时，控制方式为力位综合控制；当信号为1时，控制方式为油液压力控制；力位比例设置旋钮的输出信号为0-5v电压，线性对应力控制权值0-1；油液压力设置旋钮输出信号为0-5v电压，线性对油液压力设置值0-20mpa；耕深设置旋钮输出信号为0-5v电压，线性对耕深设置值0-30cm；牵引力设置旋钮输出信号为0-5v电压，线性对牵引力设置值0-10000n。
matlab软件中设计算法如图4所示，可以根据需要进行pid控制、模糊控制或模糊pid控制，matlab中的算法能根据控制情况进行适时调整，缩短算法开发时间；所述labview与matlab之间传递的数据包括pid调节参数值、死区设定值、耕深值、油液压力值和控制电压数值。
优选地，所述耕深传感5为非接触式倾角传感器，非接触式倾角传感器内设有用于消除振动影响的阻尼。
优选地，如图2所示，所述牵引阻力传感器7为轴销式牵引力传感器，是一根承受剪力作用的空心截面圆轴，双剪型电阻应变计粘贴在中心孔内凹槽中心的位置上；牵引阻力传感器7安装在拖拉机下拉杆与拖拉机机体的连接处，能同时测量水平和垂直方向的牵引力。
如图1所示，所述电液控制阀2安装在液压泵1和液压缸6之间，油压传感器8安装在液压缸6进油口，用于检测电液控制阀2流向液压缸6的油压。
本发明实施例还提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的测试方法，所述拖拉机电液悬挂快速控制原型的测试方法通过牵引阻力控制测试方法、位控制测试方法以及力位综合控制测试方法三者中任意一种对拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的pid初始参数进行调整。上述的拖拉机电液悬挂快速控制原型系统采用拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的测试方法进行测试。
请参阅图6，具体的，所述牵引阻力控制测试方法包括：
s101：获取土壤阻力设定值fset、力调整死区上限fmax、死区下限fmin，pid初始参数。
其中，pid初始参数包括kp、ti、tou，其中kp为初始比例系数，ti为初始积分时间常数，tou为初始微分时间常数。
s102：检测实际牵引阻力f。
通过牵引阻力传感器实时检测实际牵引阻力f。在本实施例中，检测实际牵引阻力f的方法通过磁制伸缩销轴式传感器进行检测，适合恶劣复杂的田间作业工况，可靠性高，测量结果准确。
s103：计算阻力差δf＝f-fset。
labview程序计算出阻力差δf＝f-fset,并将δf、kp、ti、tou等参数通过sit接口传递到matlab程序中。
s104：将δf与[f-fmax,f-fmin]进行比较。
matlab程序首先检测δf，将δf与[f-fmax,f-fmin]进行比较。
s105：并根据比较结果对pid初始参数进行调整。
其中，步骤s105还包括以下步骤：
当δf∈[f-fmax,f-fmin]时，不对pid初始参数进行调整。
当
编写在matlab中的模糊控制算法根据两个输入参数(δf以及δf的变化速率)对pid初始参数kp、ti、tou进行调整，并根据计算出的pid控制参数计算出控制电压uf，并通过sit接口将控制电压uf传递回labview程序；labview程序接收来自matlab的控制电压uf，根据执行元件的情况进行电压输出。具体的，当执行元件为比例电磁铁时，显示并输出对应的pwm脉冲；当执行元件为普通电磁铁时，显示并输出普通模拟电压。
请参阅图7，所述位控制测试方法包括：
s201：获取耕深设定值hset、位调节死区上限hmax、死区下限hmin，pid初始参数kp、ti、tou。
其中，pid初始参数包括kp、ti、tou，其中kp为初始比例系数，ti为初始积分时间常数，tou为初始微分时间常数。
s202：检测实际耕深h。
耕深传感器实时检测实际耕深h。在本实施例中，检测实际耕深h的方法通过非接触式倾角传感器进行检测，非接触式倾角传感器内设有用于消除振动影响的阻尼，并且安装方便，测量结果准确。
s203：计算出阻力差δh＝h-hset。
labview程序计算出阻力差δh＝h-hset,并将δh、kp、ti、tou等参数通过sit接口传递到matlab程序中。
s204：将δh与[h-hmax,h-hmin]进行比较。
matlab程序首先检测δh，将δh与[h-hmax,h-hmin]进行比较。
s205：并根据比较结果对pid初始参数进行调整。
其中，步骤s205还包括以下步骤：
当δh∈[h-hmax,h-hmin]时，不对pid初始参数进行调整；
当δh∈[h-hmax,h-hmin]时，获取δh的变化速率，并根据δh以及δh的变化速率对pid初始参数进行调整，并计算此时的控制电压uh并发送给执行元件。
编写在matlab中的模糊控制算法根据两个输入参数(δh以及δh的变化速率)对pid初始参数kp、ti、tou进行调整，并根据计算出的pid控制参数计算出控制电压uh，并通过sit接口将控制电压uh传递回labview程序；labview程序接收来自matlab的控制电压uh，根据执行元件的情况进行电压输出。具体的，当执行元件为比例电磁铁时，显示并输出对应的pwm脉冲；当执行元件为普通电磁铁时，显示并输出普通模拟电压。增加了控制死区的设置，避免系统频繁调整造成的系统过热、能源浪费等问题。
请参阅图8，所述力位综合控制测试方法包括：
s301：获取土壤阻力设定值fset、力调整死区上限fmax、死区下限fmin、耕深设定值hset、位调节死区上限hmax、死区下限hmin、力位控制权值p、pid初始参数。
s302：检测实际牵引阻力f，检测实际耕深h。
s303：计算阻力差δf＝f-fset，计算出阻力差δh＝h-hset；
s304：将δf与[f-fmax,f-fmin]进行比较。
s305：并根据比较结果对pid初始参数进行调整，并根据调整结果计算出力控制电压uf。
s306：将δh与[h-hmax,h-hmin]进行比较。
s307：并根据比较结果对pid初始参数进行调整，并根据调整结果计算出位控制电压uh。
s308：根据力位控制权值p、力控制电压uf以及位控制电压uh计算力位综合控制电压u并发送给执行元件。其中，力位控制权值p，即牵引力控制在力位综合控制中的占比。具体的，u＝uf*p-uh*(1-p)。
综上所述，本发明实施例提供了一种拖拉机电液悬挂快速控制原型系统及测试方法，其中，拖拉机电液悬挂快速控制原型的测试方法通过牵引阻力控制测试方法、位控制测试方法以及力位综合控制测试方法三者中任意一种对拖拉机电液悬挂快速控制原型系统的pid初始参数进行调整。实现控制参数的实时在线调整，提高测试效率。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。