穴盘苗自动移栽机液压变速器控制仿真研究

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。



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。

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。

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


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 control-spid、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。

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 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Commu-nication 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。

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。



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（略）