穴盘苗自动移栽机液压变速器控制仿真研究

王林生，林卫国，刘志刚

( 1.河南工业职业技术学院 电子工程系，河南 南阳　473000；2.华中农业大学 工学院，武汉　430070；

3.南昌大学 资源环境与化工学院，南昌　330031)



穴盘苗自动移栽机液压变速器控制仿真研究

王林生1，林卫国2，刘志刚3

( 1.河南工业职业技术学院 电子工程系，河南 南阳473000；2.华中农业大学 工学院，武汉430070；

3.南昌大学 资源环境与化工学院，南昌330031)

摘要：在穴盘苗自动移栽机液压变速系统中引入了无级变速控制策略，设计了液压机械无级变速器的机械结构，建立了CATIA三维模型，并对其传动比特性、效率特性以及模糊控制特性进行了深入分析。利用MatLab软件建立了MatLab和CATIA的数据接口，设计了传动比的Simulink仿真模型，通过计算得到了液压效率曲线、传动比随排量变化曲线、等燃油三维拟合曲线和模糊控制曲线。由计算结果可以看出：联合仿真可以得到可靠的无级变速控制参考数据，提高了秧苗移栽作业的稳定性与高效性,以及整车的自动化水平，对农作物操作的突变环境具有良好的适应性，为穴盘苗自动移栽机的优化设计提供了一种新的计算机方法。

关键词：穴盘苗；移栽机；无级变速；模糊控制；Simulink工具箱；CATIA软件；MatLab

0引言

穴盘育苗技术是20世纪70年代中期由欧美国家发展起来的一种适合于大型生产的现代化秧苗培育方式，受到了种植业者的欢迎，代表了育苗技术的发展方向，对于实施大量蔬菜作物和经济作物生产的机械化和规模化及保障其持续高效发展具有非常重要的意义。作为穴盘育苗的重要环节—秧苗移栽，其作业方式主要分为人工移栽和机械移栽两种方式。目前，我国的农作物移栽绝大部分是由人工来完成的，但是这种作业方式不仅劳动强度大、作业效率低，而且栽植质量差、移栽成本高，难以实现大面积移栽，制约了穴盘育苗技术的发展。因此，采用机械移栽取代人工移栽已成为穴盘育苗移栽作业中的一种迫切需求，实现作物移栽的机械化和自动化是我国目前农业种植中急需解决的一个问题。

无级变速通过机-电-液结合的控制方式，可以使机械系统有效地避免效率较低的工作区间，减少功率循环的影响，具有减轻传动系动载、衰减振动及减少噪音的优点。将无级调速控制策略应用到穴盘苗移栽机优化设计中，可以使变速器自动调节适应车速和负载的变化，连续的传动比可以确保发动机工作在所需最佳工作点，提高了作业的稳定性与高效性，在一定程度上提高了整车的自动化水平，减少了误操作，对农作物的操作环境具有良好的适应性。

1无级变速控制系统

1.1总体设计

随着穴盘苗自动移栽机设计技术的不断提高，穴盘苗移栽机除了可控制同时传输多盘穴盘秧苗及实现末端执行器的数目可调整之外，还设计有专门的视觉识别系统。例如，利用CCD来识别不健康的幼苗以及空的穴孔，该系列的移栽系统具有较好的可开发性，能够满足不同用户的需求。但是，穴盘苗动力机械的工作受到环境影响较大，因此需要设计专门的控制系统，使动力系统和发动机达到最佳匹配，最终实现穴盘苗自动移栽机的优化设计。

图1为穴盘苗自动移栽机的基本框架。其工作的精度和效率对穴盘苗的成活率影响较大，而工作精度和效率受机器移动速度关系密切。本文采用液压无级变速系统对穴盘苗动力系统进行设计，使其能够适应不同的工作环境。

1.2联合仿真结构框架

Simulink是MatLab最重要的组件之一，提供一个动态系统建模、仿真和综合分析的集成环境。在该环境中，无需大量书写程序，而只需要通过简单、直观的鼠标操作，就可构造出复杂的系统,被广泛应用于控制理论和数字信号处理的复杂仿真和设计。本文利用CATIA软件的建模与Simulink的数据接口建立了穴盘苗自动移栽机无级变速液压机械的联合仿真，其主要框架架构如图2所示。该框架采用CATIA软件进行参数化建模，将模型导入到MatLab的Simulink工具箱中进行联合仿真，最后得到一系列的结果曲线。

图1　穴盘苗自动移栽机基本框架

图2　无级变速联合仿真框架

2无级变速控制算法

2.1无级变速基本原理数学模型

无级变速通过将发动机的液压流和机械流分流之后，再利用行星排汇流实现连续的传动比，基本结构原理如图3所示。

图3　无级变速机构原理图

为了方便分析和控制仿真，本文中定义无级变速的传动比为输出轴转速与输入轴转速之比，则

(1)

其中，ib为无级变速的传动比；Tout、Tin为输出和输入轴的转速。将变量泵的变量比定义为实际泵的排量和额定排量之比,有

(2)

对于图3所示的传动比，其公式为

(3)

其中，i0为多档位的变速机构的传动比；i1为分流齿轮副的传动比；i2为液压汇流齿轮副的传动比；k为行星机构的特性常数。一般情况下，通过改变液压泵倾斜盘的倾斜角便可以实现传动比的连续性变化。

2.2无级变速模糊控制算法设计

无级变速主要是为了实现传动比的连续性变换，主要通过调整变量泵的排量和各段的传动比来实现。控制状态主要包括穴盘苗自动移栽机的前进、双向移动和后退，其离合器的状态如表1所示。

表1　离合器接合状态表

表1中，在行驶方向可以形成无级调速段位F1，倒车方向只需增加反向齿轮，从而形成后退段R1；当离合器L3和L4同时使用时，动力只通过液压流，此时可形成连续变速的双向纯液压段H1。其中F1段的传动比为

(4)

在纯液压调速Hl段时，离合器L3 、L4 、L5接合，此时传动比为

(5)

为了实现穴盘苗自动移栽机的自动化控制，本文在无级变速系统中引入了模糊控制原理，并利用MatLab软件对模糊控制系统进仿真模拟实验，仿真的框架结构如图4所示。

图4中，主要是对输入油门踏板的变化量和变化率进行量化，其变化量的取值域为[0,100]，变化率的取值域为[0,200]。动力因子的取值域为[0,1]，其主要是驾驶员对动力或者车速的模糊控制。根据模糊规则，动力因子在MatLab中的设置如图5所示。

图4　模糊控制结构框图

图5　动力性因子

假设油门踏板的变化量、变化率和动力因子的模糊论域相同且都为{0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}，则其量化因子可以由以下公式确定，即

k=[(b-a)/(c-d)e*][e*-(c-d)/2] (6)

通过计算，得到量化因子分别为：k1=10/100，k2=10/200，k3=10。在第3节中，通过仿真模拟实验得到模糊控制的结果。

3穴盘苗自动移栽机无级变速控制系统

为了验证所设计的无级变速基本模型和模糊控制算法的有效性和可靠性，本节利用CATIA和MatLab联合仿真的方法对无级变速器的变速性能和模糊控制性能进行模拟研究，通过系统设计和测试数据，验证系统的可靠性。

3.1系统设计

根据穴盘自动移栽机液压无级变速箱的结构，建立了无级变速箱机械部分的CATIA三维模型，如图6所示。为了联合仿真，在模型中简化了离合器，在仿真时只考虑齿轮传动的齿轮副，将齿轮的转速作为输出值。

在MatLab界面中，可以通过建立命令的形式实现其与CATIA的数据接口。在命令窗口输入controlspid、ADAMS_sys命令后，从窗口中选择ADAMS模型，建立传动比的Simulink模型，如图7所示。

图6　CATIA模型设计

图7　MatLab和CATIA联合仿真结构

在Simulink仿真模拟工具箱中需要设计发动机的转速以及变量泵的排量，实现CATIA的动力学仿真，如图8所示。

图8　Simulink模型设置

图8中，将发动机的输入转速设置为2 000r/min，变量泵的排量比设置为-1→+1 变化，可以在Communication Interval中调整MatLab和ADAMS之间进行一次数据交换的时间间隔。

3.2测试数据

为了验证不同排量比下液压系统是否能正常工作，利用MatLab仿真得到了液压系统在转速和油压恒定的情况下效率随排量比变化曲线，如图9所示。

图9　液压效率排量比测试曲线

由图9可以看出：在不同排量比下，液压泵效率最低达到了0.86。这说明，系统的工作效率比较高，系统是有效的。将得到的传动比数据点在 Simulink 中利用最小二乘法进行线性拟合，得到无级变速传动比随排量的变化曲线，如图10所示。由图10可以看出：随着排量比的不同，传动比也有所不同，传动比随排量比连续变化。

图10　不同排量比工况下的传动比

图11为燃油消耗率与发动机转速和转矩的关系。在MatLab中利用Mesh命令生成等燃油消耗曲线的三维拟合图，结合曲线使用模糊控制，可以实现发动机和燃油的最佳匹配。

图12为油门脚踏板和传动比的模糊控制曲线。由图12可以看出：为了适应不同环境，使穴盘苗在移栽过程中具有连续变化的转速，利用脚踏板排量比的模糊控制成功实现连续的传动比控制，实现了自动化控制。

图11　等燃油消耗曲线

图12　传动比模糊控制曲线

4结论

1)设计了穴盘苗自动移栽机的无级液压机械变速系统，并在系统中引入了模糊控制策略，提高了移栽机的自动化作业水平。

2)利用CATIA和MatLab相结合的方法对液压无级变速系统进行了联合仿真，建立了CATIA三维模型，并利用MatLab的Simulink工具箱对其传动比特性、效率特性及模糊控制特性进行了深入分析。

3)仿真模拟表明：无级变速系统可以有效提高穴盘苗自动移栽机作业的稳定性与高效性，在一定程度上提高了整车的自动化水平，对农作物的操作环境具有良好的适应性，是一种可靠的动力系统优化策略。

参考文献：

[1]顾文俊,曹卫彬,李卫敏,等.穴盘苗顶杆式取苗机构的自动化控制系统设计[J].农机化研究， 2013，35(12)：108-111.

[2]韩绿化,毛罕平,缪小花,等.基于穴盘苗力学特性的自动取苗末端执行器设计[J].农业机械学报，2013(11)：58-62.

[3]冯青春,王秀.穴盘钵苗智能移栽机关键技术研究现状[J].农机化研究，2013,35(11)：250-252.

[4]金鑫,李树君,杨学军,等.蔬菜穴盘苗取苗机构分析与参数优化[J].农业机械学报,2013(S1)：1-6.

[5]缪小花,毛罕平,韩绿化,等.黄瓜穴盘苗拉拔力及钵体抗压性能影响因素分析[J].农业机械学报，2013(S1) ：27-32.

[6]韩绿化,毛罕平,胡建平,等.穴盘苗自动移栽钵体力学特性试验[J].农业工程学报，2013(2)：24-29.

[7]俞高红,陈志威,赵匀,等.椭圆—不完全非圆齿轮行星系蔬菜钵苗取苗机构的研究[J].机械工程学报,2012(13)：36-40.

[8]程前,胡斌,王国平.穴盘倒置式取苗装置的取苗特性试验研究[J].农机化研究，2012,34(5)：170-173.

[9]丁文芹,毛罕平,胡建平,等.穴盘苗自动移栽机的结构设计及运动仿真分析[J].农机化研究，2011,33(10) ：75-77.

[10]韦利波,王维新,闫琴.甘草移栽机的设计与运动分析[J].石河子大学学报，2011(3)：367-369.

[11]胡敏娟,尹文庆.穴盘苗变形滑针式取苗器的研究[J].浙江农业学报，2011(1):132-135.

[12]张丽华,邱立春,田素博,等.指针夹紧式穴盘苗移栽爪设计[J].沈阳农业大学学报，2010(2)：235-237.

[13]许美荣,于建义,张锡玉,等.工厂化穴盘育苗技术[J].中国果菜，2009(7):33-35.

Simulation Research on Speed Variator of Hydraulic Machinery in Transplanting Machine of Plug Seedlings

Wang Linsheng1, Lin Weiguo2, Liu Zhigang3

(1.Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.College of Engineering Technology, Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China； 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

Abstract：The seedlings transplanting machine hydraulic automatic transmission system is introduced in the stepless speed control strategy. Firstly,It designed the mechanical structure of hydraulic machinery for stepless speed variator,established the three-dimensional model by CATIA, and analyzed the ratio characteristic, efficiency characteristic and fuzzy control characteristi. Then,it established the data interface of Matlab and CATIA by using the Matlab software, designed the Simulink simulation model of transmission ratio, the calculated hydraulic efficiency curve, transmission ratio with the displacement curve, such as fuel and fuzzy control curve 3D curve fitting. By the calculation results,it can be seen that the united simulation can get the reliable reference data for stepless speed control,which can improve the stability and effectiveness of seedling transplanting operation, improve the level of automation of the vehicle, the mutation operation environment to crops with good comfort. The results provides a new method for the optimization design of transplanting seedlings machine for computer automatic control.

Key words：plug seedlings; transplanting machine; stepless speed change; fuzzy control; simulink toolbox; CATIA software; MatLab

文章编号：1003-188X(2016)02-0039-05

中图分类号：S233.92；TP277

文献标识码：A

作者简介：王林生(1981-)，男，河南南阳人，讲师。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：国家自然科学基金青年基金项目(51305152)

收稿日期：2015-01-06