1 绪 论
1.1 研究目的与意义
我国是世界上最大的水稻种植国家，产量及消费量均居世界第一位，黑龙江省是我国水稻主要产地之一。黑龙江大米口感好、味道香浓、外观美、色泽好、单位面积单产高，主要因素有黑龙江省所处地域不同、积温带和年积温量不同、土壤肥沃程度不同、灌溉水质不同。随着国家粮食收储制度的取消，玉米价格不断降低，导致水稻种植面积不断增加，对水稻生产农机具的需求量也不断增加，同时农机具自动化程度的要求也不断提高，尤其水田的耕整地机具。水稻生产全程中，从水稻插秧到收储，机械化程度高，但水田整地机具相对落后，耙、搅浆机、捞板等依然广泛应用，其特点为成本低，但工作效率低、水田平整精度低、对驾驶员技术要求高，工作强度大[1]。所以提高水田整地机的自动化程度是提高工作效率，解放劳动力，促进水稻种植面积持续增长的基础。我国是严重缺水的国家之一，根据中国环保网调查数据，2012 年黑龙江省人均水资源仅 2641.29m3/人，虽略高于其他省份，但根据国际标准为缺水状态。据统计十二五期间黑龙江省农业用水量 274.59 亿 m3/年，垦区用水量 70.46 亿 m3/年，水稻灌溉用水占农业用水总量的 80.87%达到 50.98 亿 m3。地面漫灌是我国主要的灌水方式，由于农田表面不平整，农业灌溉水综合有效利用系数 0.55[2]。由于土地平整度低、粗放经营和其他一些问题，导致水资源浪费现象很普遍。平坦的农田有助于地下水和水深分布相对一致，统一作物根区水渗透，将改善灌溉均匀性和提高灌溉用水的利用率[3]。国内外研究结果证明：土地平整可以提高水的利用率、资源利用率，是提高地面灌溉质量的主要手段之一[4]。据调查应用自动调平平地技术节水效果明显，在美国和葡萄牙，农田灌溉水均匀度提高了 17%～20% ，农作物产量提高了 7%～31%；在印度，节水 15%～20%；在土耳其，棉花增产了 20%～50%，小麦增产了 35%～75%，灌溉水效率提高了 25%～100%[5]。所以提高水田整地机的作业精度，是减少农业用水、改善灌溉效果，保证农业可持续发展的根本。中国有句古老的农谚“寸水不漏田”，千百年的种植经验告诉我们水稻对田面平整度有高标准、严要求。一方面，插秧阶段，水层太浅土壤状况干硬，插秧阻力大；水层太深，增加漂秧、淹苗率[6]。另一方面，生长阶段，水层深浅一致，有利于化肥、农药的均匀吸收[7]。所以提高水田平整是保证粮食丰产丰收的重要方法之一。
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1.2 国内外研究现状
1966 年美国 Jorge.C.Boon 研究出一种电液控制式联合收割机调平系统，该系统采用水银槽采集收割机倾斜信号，在收割机两侧分别固定一个液压油缸，液压系统由电磁换向阀控制。当收割机倾斜，水银随之倾斜将电磁换向阀电路导通，电磁换向阀阀芯动作控制给液压油缸供油，收割机被调平，在调平过程中，水银恢复水平，电路断开，电磁换向阀阀芯复位。系统简单并实现调平控制，但系统反应缓慢，精度低[8]。1983 年日本 Taiji Ohmori 设计了一种车辆调平控制电路系统，整个控制电路不仅能在车身倾斜时完成调平动作，还能识别瞬时倾斜，当车身出现瞬时倾斜时，调平机构不会产生执行动作。该系统由逻辑电路、保持电路，信号分析电路、外加传感器组成，该系统虽然减小了道路环境对车辆倾斜的影响，但系统的灵敏度和控制精度还有很大的不足[9]。2000 年美国 Kenneth E 研究出一种依靠四个调平支腿的车辆自动调平系统，将倾角传感器固定在车底盘上采集倾角信息，并将信号传给计算机，计算机分析计算倾角信息确定各支腿的伸长量，然后发出控制指令控制电磁开关的通断给油缸供油，把车身调整到水平位置，该调平系统是真正意义上的自动调平系统，但它只适合静止车辆的调平[10]。21 世纪，计算机、单片机、传感器技术飞速发展，调平控制技术也随之走向自动化、数字化、智能化时代。自动调平技术广泛应用，并且技术不断改进，控制精度和使用稳定性不断提高。国外自动调平控制技术在硬件上更加先进，超声波传感器，非接触式检测机械的倾角姿态；控制程序上不断改进，信息反馈程序、PID 模糊控制程序、信息融合控制技术等，使得自动调平控制系统更加的微型化和智能化。
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2 自动调平控制系统总体方案设计
2.1 自动调平水田复式整地机总体设计
自动调平控制系统涉及机械、液压、自动控制、传感器技术等，是机电液一体化技术在农业机械上的应用。在 ZD-5.0 型水田复式整地机的平台上进行机构分析，设计了相应的液压执行系统，选用水平传感器作为水田复式整地机倾角信号测量源，利用单片机编程实现水田复式整地机调平自动控制。系统包括：ZD-5.0 型水田复式整地机、约翰迪尔 904拖拉机、车载计算机、控制器、液压系统、水平传感器，水田复式整地机自动调平控制系统组成如图 2-1 所示。整地机选用黑龙江省八五六农场青山机械厂生产的 ZD-5.0 型水田复式整地机，平地机幅宽 5m。自动调平水田复式整地机由悬挂架、机架、缺口耙、尾翼拖板、尾翼拖板深度控制油缸、尾翼拖板角度控制油缸等组成。缺口耙将土壤细碎，土壤的通透性强，有利于水稻的根系生长，深扎根。尾翼拖板将稻田秸秆轧入土壤，并耢平田地。拖拉机与整地机采用三点悬挂方式连接。机架与悬挂架采用销轴连接，在调平过程中机架可绕销轴转动。
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2.2 控制方案研究
控制算法是自动调平控制系统执行程序的核心，调平程序参照的基准是控制算法的核心。计算油缸调平运动所需时间：水平传感器采集到水田复式整地机的倾角，控制程序计算分析水田整地机的倾斜角度值，将角度转换为十六进制数字信号，并计算出要使水田复式整地机恢复水平所需的活塞杆伸出量，然后再根据液压泵的排量和液压缸的内径，计算出油缸开始动作到调平结束所需时间；下达控制电信号给液压系统为调平液压油缸供油。工作流程如图所示：由图 2-5 计算供油时间算法流程图可以看出，方案 1 在检测出水田复式整地机倾角后，计算供油时间，给系统确定时间的供油量，完成这个动作之后再重新检测水田复式整地机倾角；由图 2-6 比对最小供油角度原理图可以看出，方案 2 是水平传感器检测出水田复式整地机倾角后，把倾角与设定值进行比较，超过设定值则给系统供油，实时检测水田复式整地机的倾角信息，若仍大于设定值则继续供油，否则将停止供油。综上所述可知，两种控制算法的不同之处在于：第一种方案是在执行完供油指令以后再继续检测倾角信号，第二种方案是边执行供油指令边检测倾角信号。显然，第二种方案更符合实时调平的原则，故选择比对最小供油角度的方案作为本系统的控制算法。
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3 自动调平控制系统的设计.... 19
3.1 液压系统设计.... 19
3.2 硬件电路设计.... 27
3.3 控制程序的设计......... 34
3.4 本章小结............ 38
4 自动调平控制系统试验研究......... 39
4.1 自动调平控制系统仿真试验及分析.... 39
4.1.1AMESim 简介....39
4.1.2 自动调平控制系统建模..... 40
4.1.3 液压系统仿真分析.... 41
4.2 室内台架试验及数据分析........... 45
4.3 水田整地试验及数据分析........... 46
4.3.1 水田整地试验............ 47
4.3.2 试验数据分析处理.... 50
4.3.3 自动调平作业效果评估..... 53
4.4 本章小结............ 56
5 结论与展望.......... 57
5.1 结论........... 57
5.2 创新点....... 57
5.3 展望........... 58
4 自动调平控制系统试验研究
在前面章节，在理论分析基础上，设计自动调平控制系统，本章通过建模仿真、试验台试验、田间整地试验验证自动调平控制系统稳定性。对液压系统建模仿真分析，验证自动调平控制系统液压部分的可行性；对自动调平控制系统进行实验室台架试验，验证自动调平控制系统相互之间的兼容性，并对软件进行调试；将自动调平控制系统应用在 ZD-5.0型水田复式整地机上，通过田间试验验证自动调平控制系统工作性稳定，整地标准达到精整地要求。
4.1 自动调平控制系统仿真试验及分析
传统农机具、机械装备设计依靠经验公式计算，根据计算结果对元件进行选型、装配、试验后总结试验样机工作可靠性、性能稳定性，若设计不合理需重新设计[55]。设计周期长；试验危险系数高；设计成本高，无法满足精确控制、高稳定性、经济性。所以对设计系统进行建模仿真，判断系统合理性，找出系统存在问题，得到优化结果，农机装备开发周期短、成本低[56]。对液压系统进行计算机仿真分析，模型建立直接影响仿真结果，不同仿真软件建模复杂程度不同，原理不同。近年来欧美等国家不断研发简单、实用、适用领域宽的计算机仿真软件，并推广应用。液压仿真软件有 Matlab/Simulink、ADAMS、ASMESim 等。本文选用ASMESim 软件对自动调平控制系统液压部分进行建模仿真分析[57-58]。
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结论
针对常规水田复式整地机存在整地精度低，自动化程度低，驾驶员劳动强度大，工作效率低，设计研究自动调平控制系统，将机械、电子、液压技术应用于 ZD-5.0 型水田复式整地机上，提高水田复式整地机的自动化程度，整地效率。以 ZD-5.0 型水田复式整地机为平台，进行实验室台架试验及水田整地试验，试验效果好，工作性能稳定。论文取得以下成果:
（1）分析研究 ZD-5.0 型水田复式整地机的工作原理及结构特点，设计机电液一体化自动调平控制系统。选定以 STC12C5A60S2 型单片机为控制系统硬件电路核心，设计信号采集电路、单片机工作电路、电磁阀驱动电路、串行通信电路、高压保护电路等，实现数据采集、传输、分析处理以及对执行机构的自动控制；以设定自动调平控制系统最小响应角度为算法核心，运用 KeiluVision 软件编写单片机程序；选用嵌入式车载计算机，并利用 VB6.0 软件设计水田复式整地机倾角实时显示软件，实现水田复式整地机调平直观显示。
（2）运用 AMESim 软件对排液压系统建模仿真，通过得出的曲线图分析验证设计结果的合理性及可行性。通过台架试验、田间试验验证自动调平控制适应水田作业的恶劣环境，工作稳定，水田复式整地机的倾角姿态调整满足设计要求，水田整地精度达到水稻插秧的农艺要求。
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参考文献（略）