第1章 文献综述
1.1耕整地机械发展现状
耕整地机械是进行农业生产的重要工具，其在我国的普及和广泛使用逐渐改变了我国的传统耕作模式，加快了我国农业机械化发展的脚步，同时也节约了投入农业生产的人力和物力，其为我国的农业生产做出了巨大贡献，促进了农业的机械化发展。耕整地作业是农业生产中的重要和基础环节，作业的好坏决定了农作物的生长[1]。在农业生产中，耕整地机械的主要任务是对土地进行成片的耕翻、疏松和修整，同时覆盖田间地表的杂草和残茬，起到防止病虫害、加强土壤蓄水能力和破碎土块的作用，改善播种和种子发芽的条件，为农作物的生长发育创造了良好的条件，保证了农业生产的产量。由此可见，耕整地机械是农业生产不可或缺的关键工具，发挥着至关重要的作用。随着新材料和先进制造工艺的产生和信息技术的快速发展，液压、电子和自动控制技术在耕整地机械上得到了广泛的应用。经过多年的努力，我国耕整地机械行业规模逐渐扩大，产品适应性有了较大的提高，能够不断满足农业生产和用户需求，有力地促进了农业机械化水平的提高，但是同美日等发达国家比较仍然存在着很大的差距，在作业稳定性、操作舒适度、智能化以及机电液一体化技术应用上处于较落后的状态，尤其在耕深控制调节方面差距更为明显，国内的耕整地机械耕深调节多采用力调节、位调节等方式，其调节误差较大，同时耕深稳定性较差；在耕深检测方面，大都采用耕后手动测量的方式，即耕后人工清理沟底[2]，在耕作路线上取若干点测量沟底至未耕地表的距离，这样测定耕深不仅劳动强度大、效率低下，而且容易造成较大的过失性误差。因此，为了促进耕整地机械的发展，其耕深检测及耕深控制的关键技术亟待投入更大的研究力度。
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1.2耕深控制技术的发展现状
上世纪三十年代以来，绝大部分耕作机械采用力调节和位调节的方式来实现对耕深的控制，这两种控制方式只是机械和液压系统的简单组合，其在实际作业过程中，无法实时检测耕作机械所受到的阻力，也无法检测作业部件相对拖拉机的挂接位置，其对耕深的控制基本由人工判断实现，且由人力操作完成，对耕深的控制精度不高，同时耕作机械的作业稳定性也不好。传统的位调节方式即是控制作业部件与耕作机械的相对位置，使之保持在设定的范围内，从而达到对耕深的大致控制效果。该控制方式的主要缺点是在耕作过程中，由于田块土壤条件的变化，耕作机械所受牵引阻力一直处于变化状态，这样会使得发动机的负荷一直处于不稳定状态。采用该调节方式时，为了达到较好的耕作效果和工作状态，机手需要频繁操作，因此劳动强度大。同时，由于田间地表的起伏不平，耕作机械的倾仰角不断变化，在位调节的作用下，会导致耕深处于不稳定状态。而传统力调节的主要缺点则是其灵敏度较差，当耕作机械工作在土壤松紧软硬程度变化较大的地块时，由于力调节对单一参数的控制作用，将导致耕深不均匀，作业质量降低[3]。随着电控技术的发展，以及液压控制技术出现和成熟，耕整地机械逐渐开始朝着机电液一体化技术发展，其为提高耕整地机组的作业性能开辟了崭新的道路[4]。同时近几年还出现了扭矩调节、压力调节、综合调节等新的调节方式。所谓扭矩调节就是调节耕作机械的传动系统参数来实现调节耕深，具体实现方法是调节控制耕作机械的传动系统扭矩的变化范围，达到控制其对耕作部件牵引力大小的效果，从而间接地控制耕作部件的作业深度。其工作原理具体为，通过安装与耕作机械变速箱输出轴上的扭矩传感器，将作用在其上的扭矩转化为位移量，再通过杆件系统将位移量反馈到耕作机械悬挂系统的控制装置上，当该机器的操纵手柄处于某一位置时，通过系统的自动控制作用，使变速箱输出轴上的扭矩自动保持的一定的范围内，从而使机架对耕作部件的牵引力保持在一定范围，实现控制耕深和稳定耕深的作用。通过扭矩调节的方式可以对各类农具实现耕深控制调节的作用，且这种调节方式不会受到农具挂接方式的限制[5]；因此，扭矩调节的方式比采用传统的力调节方式具有更加广泛的适用范围。但是扭矩调节对传感器的要求较高，且所用传感器比较发杂，由于安装在耕作机械传动系中，要求其具有更高的可靠性。而压力调节即是把液压悬挂系统的油缸压力作为调节参数，通过控制液压油缸的压力变化范围，达到控制耕作机械对农具牵引力大小的效果，从而达到实现对作业耕深的调节效果。由于其采用对液压系统控制压力的调节方式，机手可以根据实际工作的需求把液压油缸的输出压力控制在预先调整的最大值上，这样可以防止整机配套压力系统因过载而破坏，但是其同时容易造成耕作机械系统的压力损失。
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第2章 绪论
2.1课题研究的背景
我国拥有广袤的农耕土地资源，同时拥有7亿左右的农村劳动力，农业稳步发展关系着农民生活水平的提高，农民物质生活水平的提高也将促使各行各业全面科学、和谐持久的向前发展。当前，我国正处在传统农业向现代化农业转型的关键阶段，只有全面推进农业现代化的发展，才能不断提高农业生产效率和效益，解放大量的农村劳动力，为其向城镇和非农业生产转移提供条件，加快城镇化建设的脚步，进而提高人民的生活质量。而农业机械化和智能化是实现农业现代化的方向，它是农机工业发展的核心方向。自财政部、农业部于2004年施行农业购置补贴政策以来，国内农业机械行业发生天翻地覆的变化：行业规模从几十亿元增长到3382亿元，市场需求量逐年增加，然而国内的农业机械仍然以结构简单、技术性能中低端为主。农业机械的技术发展趋势，是广泛采用高新技术，提高其性能、可靠性、操作方便性、舒适性、安全性及外观质量等。近年来，电子技术与计算机技术结合形成的智能控制技术的发展以及先进的机械制造技术、新材料的涌现，为农业机械带来了新的技术变革，推动了农业机械向智能化、自动化方向发展，极大地促进了农机产品性能的提高。随着信息技术、网络技术、人工智能技术在工业上的广泛应用，在传统农业装备上引入信息化、智能化技术是21世纪农业现代化发展的必然趋势。农业机械向智能化、精准化和实现可持续农业方向发展，以逐步实现农机作业的高效率、高质量和低成本，并提高操作者的舒适性和安全性。随着世界人口的继续增长和人民生活水平的不断提高，农业机械化在更高的水平上继续发展是必然趋势。同时，我国目前耕作机械耕深控制的研究和开发虽然取得了一定成就，但是与发达国家相比，仍有很大差距，其仍处于较落后的阶段。目前国内的耕深控制大都采用力调节或者位调节的方式，大都只能实现耕深的大致调节，无法达到耕深稳定和较准确控制的效果。同时其耕后耕深测量普遍采用手工测定方法，即在耕后由人工清理沟底，然后用耕深尺在若干点处量取沟底至未耕地表面的距离。由于人为因素和土壤条件的影响，测量精度难以保证。尤其对于松软的土壤，旋耕沟底与已耕土壤很难分清，直接影响到手工测量的准确性；其次，手工测定只能得到有限的离散数据，无法测量耕深的连续变化情况，这样就会给数据处理、动态特性方面的研究带来不便。因此，须对耕深自动控制和自动检测进行进一步的研究。
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2.2研究目的
本文的主要研究目的如下：1、提出一套有效的耕深自动检测方法，为耕深自动控制系统的耕深检测提供理论基础。2、在第一代新型耕耘机基础上设计一套电液耕深控制系统。3、利用SIMHydraulic对电液控制系统进行仿真，分析其动态响应特性。4、采用积分分离式PID控制算法优化控制信号处理。
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2.3研究意义
精细农业技术的发展有着举足轻重的作用，先进的农业机械化水平代表着先进的农业生产力，对农业机械设备技术的研究是加快建设现代化农业和精细农业的重要途径。而机电液一体化技术正是农业机械发展的关键技术，但是国内对机-电-液一体化技术的研究工作还处于起步阶段，对一些关键性技术问题，如农业机械液压系统的液压冲击性问题等，尚缺乏系统和深入的研究，没有形成可行的解决方案。在液压技术的发展上，仍然处于以液压悬挂的推广完善为代表的液压悬挂阶段。本文对丘陵山区耕耘机电控液压驱动技术的研究，正是对机电液一体化技术应用于耕作机械上的研究，其意义主要在于：①推动了农业工程装备技术的发展，将电子控制和智能控制方法应用于耕作机械耕深控制技术中，可提高耕作的质量及整机工作的稳定和平顺性。②论文对基于PID算法的耕深控制策略的研究为耕作机械耕深精准控制和智能控制方法提供了一定的参考。③用液压驱动旋耕部件，同时采用液压悬挂装置，使整机布置更加紧凑，同时也解决了机械传递过程存在的结构复杂、摩擦损耗等问题，提高控制精度。
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第3章 电控系统设计..........11
3.1双倾角传感器耕深检测设计..........11
3.2耕深自动调节机构及原理......15
3.3控制系统硬件设计..........15
3.3.1控制芯片选型.......15
3.3.2最小系统设计.......16
3.3.3输入输出电路设计.......17
3.3.4电控系统总体电路.......19
3.4控制系统软件设计..........20
3.5本章小结.........22
第4章 液压执行系统设计..........23
4.1旋耕部件设计及功率计算......24
4.2液压系统工况分析及方案确定......25
4.3系统基本工作参数..........27
4.4液压缸基本参数确定......27
4.5液压马达的选择.......31
4.6泵的选择...........31
4.7液压管路设计...........33
4.8油箱设计...........33
4.9阀的选择...........34
4.10本章小结.........36
第5章 基于SIMHydraulic的耕深控制系统动态仿真......37
5.1 Simhydraulic模块简介....37
5.2耕深控制系统仿真模块搭建...........37
5.3分工况仿真.......45
5.4本章小结..........50
第5章 基于SIMHydraulic的耕深控制系统动态仿真
5.1 Simhydraulic模块简介
在Matlab环境下进行液压系统仿真时，一般是先用解析法求出系统的传递函数或状态方程等模型再进行仿真。在建立模型的过程中，由于液压元件和系统的非线性、时变性，必须对非线性环节做很多的假设和简化，要得到准确的数学模型并不容易。传统的仿真方法还存在建立模型过程繁琐、不直观的缺点。随着数字仿真技术的发展，越来越多的用于液压元件和液压系统性能分析的仿真软件涌现出来，如美国The MathWorks公司推出的Simulink平台拓展功能SIMHydraulics软件包，法国Imagine公司推出的基于键合图的液压仿真软件AMESim等。MATLAB软件从2006版开始增加了SIMHydraulics工具箱。该工具箱专门针对液压传动和控制系统的建模和仿真工具。SIMHydraulics是液压传动和控制系统的建模和仿真工具，拓展了Simulink中进行物理建模和仿真的能力。使用这个工具可以建立起含有液压和机械元件的物理网络模型，无需繁琐的数学建模，可用于跨专业领域系统的系统仿真。SIMHydraulics工具箱包含了八个子库，分别是Accumulators、HydraulicCylinders、Hydraulic Utilities、Local Hydraulic Resistances、Low-Pressure Blocks、Orifices、Pipelines和PumpsandMotors。其拥有超过75个液压和机械元器件模型，包括泵、阀、蓄能器和管路，基本液压构造元素库，还有基本机械和运算单元，可定制的常用液压流体工作介质，可以满足液压和液压机械系统的物理建模。液压系统绝大部分的元器件都可以在这里找到对应模型。SIMHydraulics能够自动从模型原理图描述系统行为特征的方程组，其使用物理网络方式的构建模型，每个模块对应真实的液压元器件，诸如油泵、液压马达和控制阀等；元件模块之间以代表动力传输管路的线条连接。这样就可以通过直接描述物理构成搭建模型，省去了繁琐的数学方程的推导过程。这样使得仿真过程变得简单直观。同时，在SIMHydraulics模型中，使用Sensor模块可以测量任何机械液压特征变量，如压力、流量、位移、速度和力矩等，然后将这些信号传给标准的Simulink模块，使用Source模块可以将Simulink信号赋值给任何机械液压变量。其自定义模型和自定义流体属性的功能，增加了仿真的灵活性。
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结论
本文基于某新型小型耕作机械第一代样机基础上，研究设计其后悬挂电液耕深控制系统，将积分分离式PID控制方法应用到对耕深的自动调节中，同时，对第二代样机进行了耕深控制稳定性试验。论文主要研究结论如下：
（1）本文创新提出采用两个倾角传感器间接检测耕深的方法，其可消除单倾角传感器测量方式中因田块自身倾角带来的误差。
（2）设计的液压系统可作为调节耕深的执行机构，同时可通过系统中的液压马达驱动旋耕刀轴。该设计使得二代样机的布置更为紧凑，工作平顺性更好。
（3）利用SIMHydraulic模块对电液耕深控制系统进行分工况仿真，分析调节耕深时的动态特性，根据系统表现出的较大的耕深超调量和长时间的振荡，提出采用积分分离式PID控制算法优化控制系统，对优化后的系统进行动态仿真，结果表明控制系统的耕深超调几乎消除，响应时间也大大缩短。
（4）对样机进行田间试验，结果表明，耕耘机样机在设定耕深为10cm和16cm的条件下耕深稳定性变异系数分别为6.05%和3.54%，均达到旋耕作业质量标准要求。
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参考文献（略）