一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)，還包括依次相連的檢測傳感器、微控制器、比例流量閥驅(qū)動電路，其中檢測傳感器檢測平地鏟實時水平傾角θ；微控制器將平地鏟的水平傾角θ通過I-PD控制算法計算出角速度ω，作為參考值并送入非線性限制曲線，若ω值超出非線性曲線的工作范圍，則實際輸出控制角速度ωref＝ωMAX,其中ωMAX為液壓系統(tǒng)所能提供的最大角速度；反之則ωref＝ω；將ωref作為PWM占空比值，將得到控制電壓U0發(fā)送至包含PWM開關(guān)式壓控恒流源電路的比例流量閥驅(qū)動電路，驅(qū)動比例流量閥，從而使液壓系統(tǒng)調(diào)平平地鏟。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法，能有效消除平地鏟超調(diào)現(xiàn)象，提高平地鏟調(diào)平的響應(yīng)速度和控制精度，同時減少系統(tǒng)功率損失和機械磨損，提高平地效率。
【專利說明】一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域，具體涉及一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)及方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]現(xiàn)代水稻種植技術(shù)對水田的平整度要求很高。水田激光平地機能根據(jù)實時的工作狀態(tài)，自動調(diào)整平地鏟的高度與傾角，使之保持水平并維持設(shè)定高度。
[0003]但是，現(xiàn)有技術(shù)中，水田平地機平地鏟調(diào)平電控系統(tǒng)方面，當平地機在復(fù)雜的水田環(huán)境作業(yè)時，存在工作響應(yīng)速度慢，控制不穩(wěn)定，易出現(xiàn)振蕩和超調(diào)等現(xiàn)象。
[0004]在水田平地機平地鏟調(diào)平液壓控制系統(tǒng)方面，水田平地機的平地鏟調(diào)平液壓系統(tǒng)有兩類:一類是采用M型普通電磁換向閥控制調(diào)平液壓缸動作的調(diào)平液壓系統(tǒng)；另外一類是采用O型比例電磁換向閥控制調(diào)平液壓缸動作的調(diào)平液壓系統(tǒng)。
[0005]上述兩類調(diào)平液壓系統(tǒng)中，前者雖然液壓泵能在電磁換向閥處于中位時卸荷，使得系統(tǒng)不會過熱，但是這類系統(tǒng)平地鏟調(diào)平的控制精度低，對控制信號響應(yīng)速度慢，平地機平地效果較差。
[0006]后者對控制信號響應(yīng)速度快，能實現(xiàn)平地鏟調(diào)平的精確控制，因而平地機平地效果較好。然而，在平地機作業(yè)過程的大部分時間內(nèi)，比例電磁換向閥所需的控制流量很少，為了使平地機平地鏟能夠快速響應(yīng)，需保持液壓系統(tǒng)有一定的壓力，所以液壓泵出口的液壓油要靠溢流閥建立起壓力來供給比例電磁換向閥所需的控制流量，多余的流量只能經(jīng)過溢流閥溢流回油箱，因此會不可避免地出現(xiàn)發(fā)熱問題，系統(tǒng)功率損失大，能量未能有效利用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點與不足，提供一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)及方法。
[0008]本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0009]一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包含O型比例電磁換向閥，還包括依次相連的檢測傳感器、微控制器、比例流量閥驅(qū)動電路，其中
[0010]檢測傳感器，檢測平地鏟實時水平傾角Θ，并將水平傾角Θ傳輸給微控制器處理；
[0011]微控制器，首先將平地鏟的水平傾角θ通過1-ro控制算法計算出平地鏟角速度參考值ω，然后將ω送入非線性限制曲線，若ω值超出非線性曲線的工作范圍，則實際輸出控制角速度= COmax,其中ωΜχ為液壓系統(tǒng)所能提供的最大角速度；若ω值不超出，則ω ;由此得到控制電壓Uci ;
[0012]比例流量閥驅(qū)動電路，接收控制信號U0后，驅(qū)動O型比例電磁換向閥工作，O型比例電磁換向閥向液壓系統(tǒng)提供計算好的流量，液壓系統(tǒng)帶動平地鏟完成調(diào)平。
[0013]所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，還包括顫振信號發(fā)生器，顫振信號發(fā)生器產(chǎn)生的顫振信號Up與控制電壓U0疊加后作為控制信號Us發(fā)送至比例流量閥驅(qū)動電路。在平地機工作過程中，電源電壓波動和比例電磁換向閥線圈發(fā)熱引起內(nèi)阻變化都會引起流經(jīng)比例電磁換向閥的控制電流出現(xiàn)波動，從而引起控制液壓系統(tǒng)的變化，導(dǎo)致平地機平地鏟工作不穩(wěn)定；同時比例電磁換向閥“粘滯”效應(yīng)較大，降低了響應(yīng)速度和靈敏度，為克服“粘滯”效應(yīng)，需在控制信號中疊加顫振信號，此時比例電磁換向閥的閥芯始終處于微小的運動狀態(tài)，將靜摩擦轉(zhuǎn)換為動摩擦，從而改善其響應(yīng)速度和響應(yīng)靈敏度，減小滯后。
[0014]所述的比例流量閥驅(qū)動電路，包括依次相連接的比較器、PWM控制功率放大電路、線圈電流檢測電路、A/D采樣模塊，比較器的正輸入端接微控制器發(fā)送的控制信號，比較器的負輸入端接A/D采樣模塊，比較器的輸出端接PWM控制功率放大電路。比例流量閥驅(qū)動電路將電壓控制信號轉(zhuǎn)化為電流控制信號。同時，使得驅(qū)動比例電磁換向閥的電流為穩(wěn)定值。
[0015]所述的線圈電流檢測電路，包含差分放大器、續(xù)流二極管Q1、采樣電阻R1、電磁閥線圈內(nèi)阻R2和比例放大電阻R3，Rl的一端連接PWM控制功率放大電路，另一端串接R2后接地，Rl的兩端接差分放大器，同時差分放大器與A/D采樣模塊相連，比例放大電阻的一端接地，另一端接差分放大器與A/D采樣模塊直接的連線上；Q1與R2并聯(lián)接入電路；
[0016]所述的 PWM控制功率放大電路，包含PWM信號發(fā)生器、電流開關(guān)管Q2，Q2為N溝道場效應(yīng)管，PWM信號發(fā)生器的一端與比較器的輸出端連接，另一端與Q2的基極連接，Q2的源極接電源，Q2的漏極接線圈電流檢測電路。線圈電流檢測電路,檢測流經(jīng)比例閥線圈電流Is，作為反饋，用于線圈電流閉環(huán)控制；采取在線圈回路上串接精密小阻值采樣電阻Rl進行I/V轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過差分放大器實現(xiàn)小電壓放大，和A/D模塊采集后(將模擬電壓信號變?yōu)閿?shù)字電壓信號)，得到反饋電壓UJ其比例放大電阻為R3)，作為反饋，輸入到比較器負端，與比較器正端所需控制電壓Us進行比較，當U)US時，PWM信號輸出占空比為ωΜ?的矩形脈沖，電流開關(guān)管Q2開啟，電源向電感線圈緩慢充電，電流流過反饋電阻，反饋電壓Us緩慢增加。當1>仏時，比較電平觸發(fā)PWM信號發(fā)生器拉低信號電平，開關(guān)管Q2關(guān)閉。電流開關(guān)管Q2關(guān)閉時，由于比例閥線圈關(guān)斷時會產(chǎn)生反電動勢，因此在線圈兩端并聯(lián)上續(xù)流二極管Ql緩慢放電，對電路進行保護。
[0017]所述的液壓系統(tǒng)包括液壓油箱、過濾器、液壓泵、溢流閥、蓄能器卸荷閥、單向閥、蓄能器、O型比例電磁換向閥、平地鏟調(diào)平液壓缸；其中液壓油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、O型比例電磁換向閥、平地鏟調(diào)平液壓缸依次封閉連接；液壓油箱、過濾器、液壓泵、溢流閥依次連接；液壓油箱、過濾器、液壓泵、蓄能器卸荷閥依次連接；蓄能器卸荷閥與蓄能器相連。液壓油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、O型比例電磁換向閥、平地鏟調(diào)平液壓缸構(gòu)成工作回路，液壓泵經(jīng)過過濾器從液壓油箱中吸油，為O型比例電磁換向閥提供控制流量，O型比例電磁換向閥根據(jù)需要將適當大小的控制流量供給平地鏟調(diào)平液壓缸，實現(xiàn)平地鏟調(diào)平的精確控制。液壓油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、蓄能器卸荷閥(液控卸荷閥)、蓄能器構(gòu)成液壓泵卸荷回路。
[0018]所述蓄能器控制所述蓄能器卸荷閥的開閉，以控制所述液壓泵的卸荷與否。當O型比例電磁換向閥處于中位，不需要控制流量時，液壓泵向蓄能器充液，當蓄能器壓力達到蓄能器卸荷閥所設(shè)定的上限切換壓力時，蓄能器卸荷閥打開，液壓泵卸荷；當O型比例電磁換向閥需要的控制流量較小時，液壓泵仍然處于卸荷狀態(tài)，僅由蓄能器來提供O型比例電磁換向閥所需的控制流量，當蓄能器壓力下降到蓄能器卸荷閥所設(shè)定的下限切換壓力時，蓄能器卸荷閥關(guān)閉，液壓泵停止卸荷；當O型比例電磁換向閥需要的控制流量較大時，蓄能器和蓄能器卸荷閥均不起作用，液壓泵直接向O型比例電磁換向閥供油。液壓油箱、過濾器、液壓泵、溢流閥構(gòu)成溢流保護回路，目的是為了防止蓄能器卸荷閥出現(xiàn)故障時，由于液壓泵不能卸荷導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過高而造成損壞。需要說明的是，在正常情況下，溢流保護回路是不工作的，僅僅是為了安全起見而設(shè)定的一道保護。在實際工作時，溢流閥設(shè)定壓力應(yīng)在一定程度上高于蓄能器卸荷閥設(shè)定壓力，以保證蓄能器卸荷閥的正常工作。
[0019]液壓泵與蓄能器之間設(shè)有單向閥，防止蓄能器儲存的高壓液壓油回流至液壓泵，使得液壓泵不會受到液壓沖擊而損壞。加入了蓄能器和蓄能器卸荷閥能夠有效解決過熱的問題，系統(tǒng)功率損失小，能量得到有效利用，同時減少了機器磨損。
[0020]所述的檢測傳感器，為MTI檢測傳感器，安裝在平地鏟的轉(zhuǎn)軸上。MTI檢測傳感器，可以通過角度融合算法對檢測的角度值進行修正，傳輸給微控制器的數(shù)值精度更高。
[0021]本發(fā)明的另一目的通過以下的技術(shù)方案實現(xiàn):
[0022]一種平地機平地鏟的調(diào)平控制方法，包含以下順序的步驟:
[0023]S1.檢測傳感器將檢測到的平地鏟的實時水平傾角Θ傳輸給微控制器；
[0024]S2.微控制器首先將平地鏟的水平傾角θ通過1-ro控制算法計算出角速度參考值ω，然后將ω送入非線性限制曲線，若ω值超出非線性曲線的工作范圍，則實際輸出控制角速度= Qmax,其中ωΜχ為液壓系統(tǒng)所能提供的最大角速度；若ω值不超出，則ωref= ω ;將Qref作為PWM占空比值，由此得到控制電壓U0 ;其中1-PD控制算法和非線性限制曲線組成非線性1-PD控制算法；
[0025]S3.比例流量閥驅(qū)動電路接收控制信號U0后，驅(qū)動O型比例電磁換向閥工作，O型比例電磁換向閥向平地鏟調(diào)平液壓缸提供計算好的流量，平地鏟調(diào)平液壓缸帶動平地鏟完成調(diào)平。
[0026]步驟S2中，所述的1-PD控制算法具體包含以下的處理步驟:
[0027]Α、平地鏟的實時水平傾角Θ作為負反饋，與初始角度參考值Θ i，通過加法器疊加得到系統(tǒng)誤差角Δ Θ = Θ j- Θ ；
[0028]B、對系統(tǒng)誤差角進行積分增益，輸出為y(l = Ki Λ θ ；
[0029]C、比例作用的輸出y3等于兩次連續(xù)采樣反饋值Θ的差值:
[0030]y3(n) = kp( θ (η)- θ (η_1})
[0031]將-y3與Y0置加得到Y(jié)1 = Υο(η)_Υ3(η))目號Yl代表了內(nèi)部的速度參考值；
[0032]D、冋理微分反饋彳目號y2(n) = kd( θ (η)_ θ (η-ι))，將~12與置加得到輸出角速度的參考值為 ω (n) = Y1 (n) -y2 (n)。
[0033]步驟S2中，所述的非線性限制曲線的表達式具體通過以下步驟得到:
[0034]Α、設(shè)h時刻平地鏟轉(zhuǎn)速為COc^t時刻為ω (t)，液壓部分能提供的最大轉(zhuǎn)矩為，Tmax轉(zhuǎn)動慣量為J，則有:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，包括液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)包含O型比例電磁換向閥，其特征在于:還包括依次相連的檢測傳感器、微控制器、比例流量閥驅(qū)動電路，其中 檢測傳感器，檢測平地鏟實時水平傾角Θ，并將水平傾角Θ傳輸給微控制器處理； 微控制器，首先將平地鏟的水平傾角Θ通過1-ro控制算法計算出平地鏟角速度參考值ω，然后將ω送入非線性限制曲線，若ω值超出非線性曲線的工作范圍，則實際輸出控制角速度= Qmax,其中ωΜχ為液壓系統(tǒng)所能提供的最大角速度；若ω值不超出，則ω ref = ω ;由此得到控制電壓Utl ; 比例流量閥驅(qū)動電路，接收控制信號U0后，驅(qū)動O型比例電磁換向閥工作，O型比例電磁換向閥向液壓系統(tǒng)提供計算好的流量，液壓系統(tǒng)帶動平地鏟完成調(diào)平。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，其特征在于:還包括顫振信號發(fā)生器，顫振信號發(fā)生器產(chǎn)生的顫振信號Up與控制電壓U0疊加后作為控制信號Us送至比例流量閥驅(qū)動電路。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的比例流量閥驅(qū)動電路，包括依次相連接的比較器、PWM控制功率放大電路、線圈電流檢測電路、A/D采樣模塊，比較器的正輸入端接微控制器發(fā)送的控制信號，比較器的負輸入端接A/D采樣模塊，比較器的輸出端接PWM控制功率放大電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的線圈電流檢測電路，包含差分放大器、續(xù)流二極管Ql、采樣電阻Rl、電磁閥線圈內(nèi)阻R2和比例放大電阻R3，R1的一端連接 PWM控制功率放大電路，另一端串接R2后接地，Rl的兩端接差分放大器，同時差分放大器與A/D采樣模塊相連，比例放大電阻的一端接地，另一端接差分放大器與A/D采樣模塊直接的連線上；Q1與R2并聯(lián)接入電路； 所述的PWM控制功率放大電路，包含PWM信號發(fā)生器、電流開關(guān)管Q2，Q2為N溝道場效應(yīng)管，PWM信號發(fā)生器的一端與比較器的輸出端連接，另一端與Q2的基極連接，Q2的源極接電源，Q2的漏極接線圈電流檢測電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的液壓系統(tǒng)包括液壓油箱、過濾器、液壓泵、溢流閥、蓄能器卸荷閥、單向閥、蓄能器、O型比例電磁換向閥、平地鏟調(diào)平液壓缸；其中液壓油箱、過濾器、液壓泵、單向閥、O型比例電磁換向閥、平地鏟調(diào)平液壓缸依次封閉連接；液壓油箱、過濾器、液壓泵、溢流閥依次連接；液壓油箱、過濾器、液壓泵、蓄能器卸荷閥依次連接；蓄能器卸荷閥與蓄能器相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制系統(tǒng)，其特征在于:所述的檢測傳感器，為MTI檢測傳感器，安裝在平地鏟的轉(zhuǎn)軸上。
7.—種平地機平地鏟的調(diào)平控制方法，其特征在于，包含以下順序的步驟: s1.檢測傳感器將檢測到的平地鏟的實時水平傾角Θ傳輸給微控制器； s2.微控制器首先將平地鏟的水平傾角Θ通過1-PD控制算法計算出角速度參考值ω，然后將ω送入非線性限制曲線，若ω值超出非線性曲線的工作范圍，則實際輸出控制角速度Qmax,其中ωΜχ為液壓系統(tǒng)所能提供的最大角速度；若ω值不超出，則ωΜ?=ω ;將ωΜ?作為PWM占空比值，由此得到控制電壓Utl ;其中I_PD控制算法和非線性限制曲線組成非線性1-PD控制算法； s3.比例流量閥驅(qū)動電路接收控制信號U0后，驅(qū)動O型比例電磁換向閥工作，O型比例電磁換向閥向平地鏟調(diào)平液壓缸提供計算好的流量，平地鏟調(diào)平液壓缸帶動平地鏟完成調(diào)平。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制方法，其特征在于，步驟S2中，所述的1-PD控制算法具體包含以下的處理步驟: A、平地鏟的實時水平傾角Θ作為負反饋，與初始角度參考值Q1，通過加法器疊加得到系統(tǒng)誤差角Δ Θ = Θ j- Θ ； B、對系統(tǒng)誤差角進行積分增益，輸出為％= Ki Λ Θ ； C、比例作用的輸出73等于兩次連續(xù)采樣反饋值Θ的差值:
Υ3(η) = kp( θ (η)- θ (Η)) 將z與y。置加得到y(tǒng)i = yo(n)_y3(n)>彳目號yi代表了內(nèi)部的速度參考值； D、同理微分反饋信號y2(n)= kd( θ (η)- θ (n_D)，將-y2與yi疊加得到輸出角速度的參考值為 ω (n) = Y1 (n) -y2 (n)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制方法，其特征在于，步驟S2中，所述的非線性限制曲線的表達式具體通過以下步驟得到: Α、設(shè)h時刻平地鏟轉(zhuǎn)速為Otl, t時刻為ω (t)，液壓部分能提供的最大轉(zhuǎn)矩為，Tmax轉(zhuǎn)動慣量為J，則有:
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平地機平地鏟的調(diào)平控制方法，其特征在于，步驟S3中，所述的控制電壓U0與顫振信號Up疊加后作為控制信號Us發(fā)送至比例流量閥驅(qū)動電路。
【文檔編號】F15B13/02GK103953598SQ201410169279
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月24日
【發(fā)明者】趙祚喜, 陳嘉琪, 俞龍 , 吳志偉, 陳君梅, 吳挺, 婁安東 申請人:華南農(nóng)業(yè)大學(xué)