基于AMEsim的拖拉机自动耕深控制系统仿真研究

白学峰，常江雪，鲁植雄，纪鸿波，郑 巍

(1.江苏省农业机械试验鉴定站，南京 210017；2.江苏经贸职业技术学院，南京 210007；3.南京农业大学 工学院，南京 210031)

0 引言

耕作是拖拉机的重要功能，而液压悬挂系统是影响耕作质量的关键因素。液压悬挂技术发展至今主要经过了机械液压控制、液压伺服控制、电子液压控制3个阶段，现在国外拖拉机先进生产企业普遍标配电控液压悬挂系统，国内还主要是液压伺服控制系统，部分企业在高端拖拉机上引进了电控技术，也有一些企业和高校进行了相应的研究，取得了较大进展，但暂没有十分可靠的量产产品[1-3]。Jeyong L.等人就电控液压悬挂系统进行试验研究，证明装有该系统的拖拉机效率更高，滑转率可降低7%～30%，能耗可降低2%～3%，工作效率可提高3.4%～3.8%[4-6]。因此，有必要进行电控液压悬挂研究，攻克技术难题，提高我国拖拉机技术水平。本文以稳定、高效、可行的原则设计拖拉机自动耕深控制系统及新型的油路系统。LMS公司的AMESim软件是当今工业界功能最全面、最为普及的机电液智能系统仿真分析平台，拥有全面的液压元件模型，可以快捷、方便地实现仿真分析，是了解和改善产品动态特性、提升产品性能、分析和解决产品故障的有效手段。本文基于AMEsim对系统进行仿真分析，研究其动态特性，验证系统的响应性与稳定性。

1 自动耕深控制系统设计

1.1 整体概述

拖拉机自动耕深控制系统主要由控制器、电液比例换向阀、双作用油缸、控制面板、测速雷达、角位传感器、拉压力传感器及编码器等组成。其主要是实现基于力-位-滑转率三参数的液压悬挂自动控制，以力位控制为主，兼顾滑转率的控制。系统工作原理如图1所示。

图1 拖拉机自动耕深控制系统工作原理Fig.1 Operating principle of tractor tilling depth automatic control system

工作时，控制器根据控制面板设定的力、位、滑转率初始值输出控制信号控制电液比例换向阀，通过阀的动作进一步控制双作用油缸的升降，油缸的升降带动三点悬挂及作业机组的升降，在下拉杆、提升臂处设有拉压力和角位移传感器，可以获取作业机组的作业深度和工作阻力。同时，在车轮处设有编码器获取车轮转速，在拖拉机下部装有测速雷达获取拖拉机行驶速度，进而根据轮速和车速获取拖拉机的滑转率。此时，位置、阻力、滑转率信号反馈到控制器中，通过计算偏差，再根据控制算法输出修正信号，直至达到设置，并保持在一定的偏差范围内。

1.2 液压油路设计

液压油路是系统的重要组成部分，应满足高效、稳定、适应性强的原则，同时应在满足控制精度的情况下降低成本，这样才有量产化的可行性。该系统需要实现的控制功能主要是方向、流量与压力的控制。方向控制可以实现液压悬挂的上升与下降，一些学者采用单作用油缸与电磁比例换向阀结合进行控制[7]，上升时系统供油推动油缸运动，带动悬挂上升，下降时靠自重，此方法控制响应慢，不能实现高精度的控制。本系统采用电液比例换向阀与双作用油缸结合实现控制，上升和下降都通过系统供油推动油缸作用，响应快，控制精度高，还可以通过控制阀的开度控制流量，进而控制油缸运行速度。压力控制主要是为了控制系统油压的稳定，保证系统工作安全，本系统设有先导式溢流阀控制系统工作压力。

电液比例阀是介于液压阀与伺服阀之间的一种液压元件，与伺服阀相比，起价廉、抗污能力强，控制精度较伺服阀差，但其他性能与控制水平与是十分相当[8]，足以满足多数工业需求，且其在农林机械上也已较为普遍[8-9]。电磁比例换向阀成本较低，但是更多地适用于流量不大的场合，因此本系统选用电液比例换向阀。

液压油路主要由溢流阀、电液比例阀、双作用油缸、油泵、滤油器及油箱等组成，如图2所示。工作时，当提升控制信号输入到电液比例换向阀，阀芯右移，油泵压力油进入P口进入控制阀，A口输出压力油，进入油缸左腔，推动油缸右移，右腔液压油通过B口、T口流回油箱；当下降信号输入时，阀芯左移，油泵压力油P口进入，B口输出送到油缸右腔，推动油缸左移，左腔液压油通过A口、T口流回油箱。无信号时，阀芯处于中位，油缸不工作，压力油通过溢流阀流回油箱。本系统基于95.6kW四轮驱动拖拉机进行设计，拖拉机相关参数如表1所示。经计算，选取液压元件及参数如表2所示。

1. 溢流阀 2.电液比例阀 3.双作用油缸 4.油泵 5.滤油器 6.油箱

表1 拖拉机相关参数Table 1 Related parameters of the tractor

表2 系统主要部件参数Table 2 Main component parameters of the system

2 基于AMEsim的油路特性分析

2.1 仿真模型的建立

系统的仿真分析需要精确的仿真模型模型，传统的分析方法依靠通过数学关系建立数学模型。以MatLab/Smulink为例，需要建立数学关系表达式或者系统的传递函数，进而进行系统的时域分析、频域分析，探讨系统的稳定性、适应性及误差等[10]。对于液压系统来说，影响系统的因素较多，包括大气压强、油液体积模量、油管材质及泄露系数等；对于对称阀控制对称缸来说，其传递函数建立较为简单；而对于对称阀控制非对称缸来说，传递函数较为复杂，基于传递函数的仿真分析较为困难。本系统采用的是对称阀控制非对称缸，并选用AMEsim进行仿真分析。AMEsim拥有丰富的液压模块，仿真方便直观且准确可靠。

基于AMEsim的仿真模型如图3所示。其主要由油箱、油泵、溢流阀、电液比例换向阀、双作用油缸、力加载模块、力位反馈模块、PID控制器及信号输入口等组成，按照设计元件参数进行设置。

图3 基于AMEsim的自动耕深控制系统液压油路仿真模型Fig.3 Simulation model of tractor tilling depth automatic control system based on AMEsim

悬挂作业时，机具受力情况应分两种情况来描述。当机耕犁未入土时，负载主要是机耕犁及其连接设备的自重；当机耕犁入土时，其还要受土壤的作用力。本仿真系统设定机耕犁及其负载质量500kg，油缸行程为300mm，假定200mm处进入到耕作状态。耕作时，机耕犁受力较为复杂且影响因素较多[11]，经简化之后，机耕犁主要受与行驶方向相反的工作阻力与负载自重力。工作阻力与耕作深度H(m)、工作速度v(m/s)、土壤比阻、犁体结构有关[12-13]，现简化成水平力F1与垂直力F2。假定作业时速度恒定，F1便主要与耕深和比阻有关，现设定

F1=20 000H

其中，H为耕深，取H=0～40cm。

F2=vB1+HB2

其中，B1是与悬挂垂直运行速度相关的系数，设定为600(反映土壤比阻大小)；B2是与耕深相关的系数，设定为5 000。

该设定是仿真的前提，有一定的简化，但基本可以反映耕作时的力学关系。垂直力与机具自重影响油缸的运行，需要通过力加载模块进行加载，水平力直接在系统中设定并反馈到系统输入。力加载模块如图4所示。

图4 力加载模块Fig.4 Force loading module

力与位置反馈信号均换算成0～1之间，并与相应的比例系数相乘，再经过相加反馈到输入。力位比例系数可以自由调整，其和等于1。例如，力比例系数等于0.8，位比例系数等于0.2，此时力控制程度较大；力比例系数等于1，位比例系数等于0，此时便是力控制。力位反馈模块如图5所示。输入信号也在0～1之间，信号越大相应的力或位的期望值就越大。

图5 力位信号反馈模块Fig.5 Feedback module of force and position signals

2.2 动态特性分析

2.2.1 PID控制性能分析

PID控制算法是较为经典控制方法，其性能稳定可靠、结构简单、鲁棒性好。AEMsim中含有PID控制模块，只要对比例因子P、积分因子I、微分因子D进行设置即可。为分析其控制性能，分别进行了响应分析、抗干扰分析，同时设定不同的力位比例系数，分析力位综合控制的耦合方法的可行性。

2.2.1.1 响应分析

1)阶跃信号响应。设定油缸初始位置位0.3m，油缸角度为90°(代表油缸垂直向上)，力控制比例系数为0.5，位控制比例系数为0.5，同时分别设定综合控制量(综合控制量大小为0～1，对应耕深0～40cm)为0.3、0.6、1，进行阶跃函数输入。设定PID控制器的P=10，I=0.1，D=0，响应情况如图6所示。图6中，0.6s以内均达到设定值，无超调，响应性较好，综合控制量越大对应耕深越大(由于油缸垂直向上，所以油缸位移值与耕深值得变化方向是相反的)，与实际情况相符。响应速度可以进一步通过提高P的数值来调整，也可以采用自适应模糊PID控制算法。当偏差较大时，提高比例因子系数；当偏差较小时，适当减小比例因子。

图6 阶跃信号响应Fig.6 Response of step signal

为验证小偏差情况下的响应情况，在综合系数为0.7的情况下，设定油缸初始位置为0.05m进行仿真。响应情况如图7所示。油缸初始位置和稳定位置相差5mm，偏差较小，此时0.3s达到预期位置，无超调，响应性好。

图7 偏差信号响应Fig.7 Response of deviation signal

2)正弦信号相应。设定力控制比例系数为0.5，位控制比例系数为0.5，正弦信号均值为0.8，振幅为0.1，频率为0.5Hz，响应情况如图8所示。图8中，0.5s时油缸达到设定位置并跟踪设定信号，设定综合控制量和反馈综合控制量偏差在0.005以内，跟踪效果较好。

3)力位耦合方法仿真分析。设定油缸初始位置为0.3m，综合控制量为0.8，分别设定力控制比例系数F为0、0.2、0.5、0.8、1，位控制比例系数W为1、0.8、0.5、0.2、0，进行仿真分析，系统响应情况如图9所示。可以发现：系数不同；响应情况也不同，力控制系数越大，耕深越大，与实际情况相符。

图8 正弦信号响应Fig.8 Response of sinusoidal signal

图9 力位耦合控制响应Fig.9 Response of force and position coupling control

2.2.1.2 抗干扰能力分析

阶跃输入时，设定综合值为0.8，油缸初始位置为0.1m，在5s和10s处分别增加1s的阻力干扰，阻力值为2 000N，响应情况如图10所示。当阻力增加时，油缸活塞杆会上升，推动机耕犁上升，此时耕深减少，相应的阻力便会随之减少，达到新的稳定状态。此过程在0.3s之内完成，响应较快。

图10 抗干扰能力响应Fig.10 Response of anti-jamming

2.2.2 液压动态特性分析

设定综合控制量为正弦信号，正弦信号均值为0.8，振幅为0.1，频率为0.5Hz，设置力控制比例系数为0.5，位控制比例系数为0.5。分别记录过程中的油压、流量、活塞杆位移速度，如图11～图13所示。可以发现：第1个周期属于快速响应期，各参数变化较快；之后便进入稳定期，响应情况较好。其中，油压最大达到19MPa，与现行农业机械液压技术水平相当。响应初期，活塞杆运动速度达到1.2m/s，属于瞬时速度，表明该系统满足提升或下降最大速度大于等于0.5m/s的要求。

图11 油压变化过程Fig.11 Process of oil pressure variation

图12 流量变化过程Fig.12 Process of flow variation

图13 活塞杆位移速度Fig.13 Displacement velocity of piston rod

3 结论

1)基于AMEsim设计了新型的拖拉机自动耕深控制系统油路，建立了PID控制算法仿真模型，进行了PID控制性能分析及液压动态特性分析。结果表明：PID控制可以满足自动耕深控制系统的工作要求，响应较快，适应性好，跟随效果好，控制程序简单，方便产品化，为进一步的台架试验或者基于拖拉机的试验提供了理论基础。

2)PID控制算法较为稳定，鲁棒性好，但是存在偏差较大时响应较慢的问题。现有新型的PID控制算法(包括自适应PID、模糊PID等算法)，可以在偏差较大时设置较大的比例系数，提高了大偏差情况下的响应性，这将在进一步的试验研究中进行探讨。