基于AMESim的拖拉机电控液压悬挂系统建模与仿真

郝希阳 王玉林 徐统伟 李志明 张健 耿超

摘要： 针对中小型拖拉机耕深控制系统精度较低的问题，本文设计了一种新型拖拉机电控液压悬挂系统。以AMESim软件为平台，搭建拖拉机电控液压悬挂系统的仿真模型，通过Adams建模仿真软件建立1L225型犁具悬挂模型，并进行特性分析，得到犁铧耕深与液压缸位移的变化曲线、犁铧水平受力与力传感器受力和液压缸受力的变化曲线，在土壤扰动工况下进行模拟仿真。仿真结果表明，在土壤不平度的扰动下，该悬挂系统的耕深误差在17%以内。该设计提高了拖拉机悬挂系统耕深控制的精度，满足拖拉机犁耕作业的实际要求。

关键词： 拖拉机； 电控液压悬挂系统； AMESim； Adams； 模型； 仿真

中图分类号： S 219.5文献标识码： A

收稿日期： 20170612； 修回日期： 20170904

作者简介： 郝希阳（1992），男，硕士研究生，主要研究方向为液压与电控。

通讯作者： 王玉林（1964），男，博士，教授，主要研究方向为车辆液压与电控。Email： wangyuln@163.com在拖拉机后置懸挂机组中，耕深控制装置使犁铧上升和下降，从而控制犁铧迅速达到耕深要求，合理进行田间作业，是最重要的装置之一。目前，国内拖拉机液压悬挂系统多为机械式，结构较为复杂，调节性能受弹性元件迟滞、摩擦和杆件胀缩的影响。进入21世纪，拖拉机向着智能化、自动化、高效性和舒适性等方面发展，传统的控制系统已不再适用[13]。近年来，计算机、传感器等新兴科技行业取得了巨大的发展，其信号传递准确、快捷、可靠和易于实现多参数自动控制的特点使拖拉机的工作性能得到较大提升[4]。国外对电控液压悬挂系统的研究起步较早，德国博世公司投入巨大成本，着力研发电液控制提升器，并广泛应用在戴姆勒奔驰、道依茨、麦赛福格森等公司生产的大中型拖拉机上。福格森公司也开发了3000系列大型农用拖拉机，研发了配置在该拖拉机上的闭环控制系统，对耕深进行自动调节[56]。目前，国内针对拖拉机电控液压悬挂系统也作了一些研究，谢斌等人[7]提出了利用倾角传感器检测提升臂的水平倾角变化，得到犁具实际耕深的方法；宋玲等人[8]采用比例积分微分（proportion integration differentiation，PID）控制算法对悬挂系统的耕深控制过程进行了仿真分析，保证耕作过程中耕深的均匀性；袁越阳等人[911]设计了基于控制器局域网络（controller area network，CAN）总线的拖拉机电控液压悬挂电子控制系统，实现了通过CAN网络对拖拉机悬挂系统的操作，以及对其工作状态的监测与调控。基于此，本文以IL225型拖拉机悬挂机组为例，提出一种适用于中小型拖拉机悬挂耕深控制的牵引力传感机构，开发用于耕深控制的电控液压整体阀块，并通过AMESim仿真软件，分析了系统的动态响应特性和稳态性能[12]。仿真结果表明，该新型电控液压悬挂系统的耕深精度有了较大的提高，保证了农业耕作可以合理高效地进行。该研究具有广阔的应用前景。

1电控液压悬挂系统方案

拖拉机电控液压悬挂系统原理图如图1所示，拖拉机电控液压悬挂系统主要包括液压和悬挂两部分。液压部分包括油箱、定量泵、流量阀、上升主阀、单向阀、下降主阀、溢流阀和控制单元；悬挂部分包括提升臂、上拉杆、立柱、角度传感器和角度传感器。在上拉杆上安装力传感机构，将上拉杆上的力传给齿扇和齿轮放大机构，从而将位移量转换为便于用角度传感器测量的角度量，这样上拉杆所受的力可以间接地通过测量角度量获得[13]。图1中，虚线表示液压部分的控制回路。溢流阀的作用是防止A口即工作口过载，保证其压力在系统的承受范围内。A口为系统的工作油口，设计A口的额定压力为20 MPa，当A口工作压力突然增大超过20 MPa时，通过溢流阀卸油，整个系统由定量泵供油。

图1液压悬挂系统原理图2PID控制液压悬挂系统建模以软件AMESim为平台，建立电控液压悬挂系统模型，闭环系统PID控制仿真模型如图2所示。其中，C是控制量，Vd是下降主阀，Vu是上升主阀。在闭环系统PID控制仿真模型中，犁铧实耕深h受两个参数的影响[1415]。第一个参数是犁铧耕深h0。液压缸安装于拖拉机悬挂机组的提升臂上，提升臂控制犁铧的上升和下降，所以当各元件安装位置固定后，犁具的耕深h0与液压缸位移L存在表达关系h0（L），因此可以根据液压缸活塞杆的位移信号L反映耕深h0；第2个参数是地面不平度引起的的扰动量hd。扰动量表示为拖拉机行程x的函数关系hd（x），本文采用了GB/T10910—2004的推荐值[16]。以上两个参数的共同作用，得到犁铧的实际耕深h[1718]。

犁铧实际耕深h与增益k1作用后，得到犁铧的实际受力，拖拉机实际犁耕时，耕深不同，犁铧受力不同。其中，犁铧水平受力Fx与传感器受力Fs存在表达关系Fs（Fx），犁铧水平受力Fx与液压缸受力Fc存在表达关系Fc（Fx）（如图2所示）。F0为设定耕深处的传感器受力预设值，控制系统将传感器实际受力Fs和预设值F0相比较后，输出二者的差值，并定义为响应函数，差值经过PID比例调节控制保持在合适的数值，最终输出两种控制信号分别控制上升主阀Vu和下降主阀Vd。Vu和Vd不断开启和断开的过程即是犁铧不断上升和下降的过程。

在耕深调节过程中，由于PID控制模块不断接受来自上拉杆传感器的力信号，因此，即使在操作员不对预设耕深进行改变的情况下，系统也会根据阻力（犁铧受力）信号自动进行预设耕深的调整。

3仿真与分析

3.1参数设置

根据系统中元件的实际情况，对元件结构方面的参数进行设置，部分参数设置如表1所示。本文选取了型号为东方红400的拖拉机和型号为1L225的悬挂犁。设置拖拉机耕作前进速度为1 m/s，由于选取不平整路面的长度为100 m，因此，设置仿真运行时间为100 s。

，最小波谷值为-58 mm。

当扰动值相对于水平基线的坐标升高量为正值时，拖拉机耕深变浅，犁铧受力减小，下降系统开始工作；当扰动值相对于水平基线的坐标升高量为负值时，拖拉機耕深加大，犁铧受力增大，上升系统开始工作。系统的力传感器感应犁铧受力变化，通过力反馈控制，控制耕深在300 mm附近上下波动，实现耕深的稳定性。

3.3悬挂机构特性分析

悬挂机构特性分析主要包括：确定犁铧耕深h0与液压缸位移L的函数关系h0（L）；犁铧水平受力Fx与力传感器受力Fs的函数关系Fs（Fx）；犁铧水平受力Fx与液压缸受力Fc的函数关系Fc（Fx）。本研究借助Adams建模仿真软件，建立1L225型犁具及悬挂模型，通过模拟仿真确定以上3个函数关系。

由简易经验公式，得牵引阻力为

P=kab（1）表2土壤的犁耕比阻k值

土壤类型k/（N·cm-2）土壤类型k/（N·cm-2）轻质土2～3粘土6～8一般土壤4～5重粘土9～12式中，a为耕深；b为耕宽；k为耕作比阻。

通常情况下，土壤的犁耕比阻k值如表2所示。在实际耕作过程中，k受多种因素的影响，因此只有在各种因素的作用较为均衡的条件下，k值才较为准确。

现选取一般土壤，k=5 N/cm2，耕深300 mm，耕宽500 mm，得牵引阻力P=7 500 N，牵引阻力是耕深和增益作用的结果，因此，耕深增益k1=25/N。1L225型悬挂农机具的Adams简化模型如图4所示。

在犁铧受力点设置水平向右的牵引力SFORCE_1=25h（N），其中h为实际耕深；设置竖直向下的阻力SFORCE_2=25×h×023（N），设置竖直向下的犁铧自身重力SFORCE_3=1 250 N。

在液压缸移动副处施加驱动，运行仿真6 s，得到耕深h0与液压缸位移L随时间变化曲线如图5所示。由图5可以看出，犁铧的耕深h0与液压缸位移L变化呈线性关系h0（L）。

犁铧水平受力Fx与上拉杆力传感器的受力Fs变化曲线如图6所示，犁铧水平受力Fx与力传感器受力Fs呈线性比例比例增加，一定范围内，当拖拉机耕深加大时，拖拉机犁铧水平受力Fx随之增加，传感器受力Fs先减小后增加。由图6可以看出，犁铧水平受力Fx与力传感器受力Fs之间存在线性变化的函数关系Fs（Fx）。

犁铧水平受力Fx与液压缸受力Fc随时间变化曲线如图7所示，液压缸受力Fc与犁铧水平受力Fx呈非线性，随着犁铧水平受力的逐渐增加，液压缸受力先增大后减小。由图7可以看出，犁液压缸受力Fc与犁铧水平受力Fx之间存在线性变化的函数关系Fc（Fx）。

3.4仿真结果

闭环系统PID控制仿真模型相关参数设置[1920]：kp=08，ki=5，kd=0。启动闭环系统PID控制仿真模型，在土壤扰动量hd作用下，犁铧实际耕深变化与土壤扰动量关系如图8所示，设定犁铧实际耕深h，其在300 mm的耕深处上下波动。在不考虑土壤硬度变化、传感器误差等因素影响下，施加土壤扰动hd后，拖拉机悬挂电控液压系统控制悬挂机组实时动作，由图8可以看出，与设定的耕深300 mm相比，耕深浮动基本保持在295～305 mm之间，误差17%，满足系统工况要求。

4结束语

本文借助AMESim仿真建模平台，对设计的新型电控液压悬挂系统进行力反馈工况模拟，建立了PID控制液压悬挂系统仿真模型，保证了系统会根据阻力（犁铧受力）信号自动进行预设耕深的调整，然后利用Adams软件对1L225型犁具悬挂模型进行了仿真，分析得到犁铧耕深h0与液压缸位移L的变化曲线、犁铧水平受力Fx与力传感器受力Fs的变化曲线、犁铧水平受力Fx与液压缸受力Fc的变化曲线，并在土壤扰动工况下进行模拟仿真。结果表明，耕深误差保持在17%以内，满足拖拉机犁耕作业的实际要求。

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