一种农机工作台的自适应调控方法及控制系统与流程

1.本发明涉及农业机械控制系统技术领域，特别是涉及一种农机工作台的自适应调控方法及控制系统。


背景技术：

2.当前农业机械已经很普及，农业生产的各个环节一般都能够利用农业机械完成，农业机械一般包括移动主机以及工作台，其中移动主机主要是由人操控在田间移动，工作台是作用于农作物的部分，根据实际需求，工作台可以设置成收割工作台、播种工作台、回收工作台等，在有些农业生产环节中，对工作台与地面的相对位置要求较高，由于地面一般是起伏不平的，因此，需要设置自适应装置以使工作台随着地面的起伏而起伏。在田间作业时，地面的起伏不定会导致工作台弹跳不定，使得工作台有时会脱离地面，有时由于自适应运动不及时而“铲土”，在收获或回收作业时若弹跳会造成遗漏收获或回收，而铲土则会增大收获或回收作业的含杂率。现有的农业机械主要通过弹簧被动提升工作台的自适应效果，由于弹簧的刚性是恒定的，而农业机械的作用工况是千差万别的，通过简单的弹簧确实能提升一定的自适应运动效果，但是在不同工况下，农业机械的运行效果差别巨大。
3.因此，有必要开发一种控制方法及系统，使得农机工作台具有较好的自适应效果。


技术实现要素：

4.发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种可实时根据农机运行情况调节工作台自适应效果的农机工作台的自适应调控方法及控制系统。
5.技术方案：为实现上述目的，本发明的一种农机工作台的自适应调控方法，其包括：获取运行速度与阻尼系数的对照关系；获取农机当前的运行速度；根据所述对照关系判断所述运行速度与阻尼器的阻尼系数是否匹配，得到第一判断结果；当所述第一判断结果为是，维持所述阻尼系数不变；当所述第一判断结果为否，调节所述阻尼系数使其与所述运行速度匹配，以降低系统的响应幅值；具体地，当所述运行速度偏大，则将所述阻尼系数调低；当所述运行速度偏小，则将所述阻尼系数调高。
6.进一步地，所述获取运行速度与阻尼系数的对照关系包括：获取采集数据，所述采集数据包括采用多种刚度的弹簧及多种阻尼比时、在多种预设速度下所述工作台通过多种不同高度障碍的实际转角；所述阻尼比反应了所述阻尼系数与弹簧的刚度之间的关系；根据所述采集数据进行方差分析，构建优化数学模型；所述数学模型包括角度均差方程与稳定性方程，所述角度均差方程描述了通过障碍时的理想转角与所述实际转角之
间的角度均差与各影响因素的拟合关系，所述稳定性方程描述了运行稳定性参数与各影响因素的拟合关系；根据所述优化数学模型进行优化计算以得到所述角度均差最小以及所述运行稳定性参数最优时，对应于各速度阈值范围的最优阻尼比；根据所述最优阻尼比计算得到对应于各速度阈值范围的阻尼系数的目标值。
7.进一步地，所述根据所述采集数据进行方差分析，构建优化数学模型包括：根据角度均差公式与运行稳定性参数公式计算各所述影响因素的不同数值组合所对应的角度均差与运行稳定性参数的值；对所述角度均差的值进行方差分析，得到对所述角度均差影响显著的第一显著项，并基于所述第一显著项得到对应于所述角度均差的第一拟合方程，所述第一拟合方程的形式为，其中：a
j
为第j个所述第一显著项，其形式可以是基本项、组合项及非线性拟合项，其中，所述基本项包括各所述影响因素，所述组合项为多个所述基本项的组合，每个所述基本项均具有对应的所述非线性拟合项；a
j
为第j个所述第一显著项的拟合参数；m为所述第一显著项的总数；对所述运行稳定性参数的值进行方差分析，得到对所述运行稳定性参数影响显著的第二显著项，并基于所述第二显著项得到对应于所述运行稳定性参数的第二拟合方程，所述第二拟合方程的形式为，其中：b
k
为第k个所述第二显著项，其形式可以是所述基本项、所述组合项及所述非线性拟合项；b
k
为第k个所述第二显著项的拟合参数；o为所述第二显著项的总数。
8.进一步地，所述根据所述对照关系判断所述运行速度与阻尼器的阻尼系数是否匹配包括：判断所述运行速度是否落在对应于当前所述阻尼系数对应的预设速度阈值范围内，并得到第二判断结果；当所述第二判断结果为是，则所述运行速度与所述阻尼器的阻尼系数匹配；当所述第二判断结果为否，则所述运行速度与所述阻尼器的阻尼系数不匹配。
9.进一步地，所述调节所述阻尼系数使其与所述运行速度匹配，以降低系统的响应幅值包括：根据所述运行速度所处的阈值范围，得到所述阻尼系数的目标值；根据所述阻尼系数的目标值确定阻尼器所需的电流数值；调整pwm输出电压的占空比以改变输出电压，并通过电压电流转换电路改变阻尼器的输入电流。
10.进一步地，所述调整pwm输出电压的占空比以改变输出电压，并通过电压电流转换电路改变阻尼器的输入电流之后还包括：通过高精度采样电阻采集所述阻尼器的输入电压值；通过所述输入电压值计算所述阻尼器的实际输入电流；判断所述实际输入电流是否在预设范围内，是则完成对所述阻尼器的阻尼系数的
调节，否则继续调整pwm输出电压的占空比以改变所述阻尼器的输入电压值。
11.进一步地，所述方法还包括：判断系统调节的精确性是否满足要求，得到第三判断结果；当所述第三判断结果为是，维持当前所述阻尼系数不变；当所述第三判断结果为否，继续调节所述阻尼系数。
12.进一步地，所述方法包括：获取地面对支撑轮的支撑反力数据；判断所述支撑反力是否一直大于0，是则说明系统调节的精确性满足要求。
13.一种农机工作台的自适应调控系统，农机的工作台连接支撑轮，且所述工作台通过弹性装置连接所述农机的机架，所述弹性装置包括弹簧；所述自适应调控系统包括控制器、速度检测元件及阻尼器；所述阻尼器属于所述弹性装置，且其与所述弹簧并联设置；所述阻尼器为磁流变阻尼器；所述速度检测元件及所述阻尼器均连接所述控制器，且所述阻尼器与所述控制器之间设有电压电流转换电路；所述控制器用于实施上述的农机工作台的自适应调控方法。
14.有益效果：本发明的农机工作台的自适应调控方法及控制系统，通过在移动主机与工作台的机架之间设置带有阻尼器的弹性装置，通过监控农机的运行速度并实时据此调节阻尼器的阻尼系数，可使工作台能够具有较好的自适应作业能力。
附图说明
15.图1为农机的工作台系统的结构示意图；图2为农机工作台的自适应调控系统的构成示意图；图3为农机工作台的自适应调控方法的流程示意图。
16.图中：1
‑
工作台；2
‑
支撑轮；3
‑
弹性装置；31
‑
弹簧；32
‑
阻尼器；4
‑
机架；5
‑
速度检测元件；6
‑
电压电流转换电路；7
‑
地轮压力传感器；8
‑
控制器。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
18.如附图1所示，本发明中，农机的工作台系统包括工作台1与机架4，其中，机架4固定在移动主机上，移动主机可以是拖拉机或专门设计的移动平台。工作台1的后端铰接在机架4上，工作台1的前端安装有支撑轮2；此外，工作台1与机架4之间连接有弹性装置3，所述弹性装置3包括弹簧31。
19.基于上述结构，本发明之农机工作台的自适应调控系统包括控制器8、速度检测元件5及阻尼器32；所述阻尼器32属于所述弹性装置3，且其与所述弹簧31并联设置；所述阻尼器32为磁流变阻尼器；如附图2所示，所述速度检测元件5及所述阻尼器32均连接所述控制器8，且所述阻尼器32与所述控制器8之间设有电压电流转换电路6。其中，速度检测元件5可以是安装在移动主机的主动轮上的转速传感器（编码器），也可以是安装在农机上的gps传感器。控制器8用于实施本发明之农机工作台的自适应调控方法。
20.优选地，其还包括地轮压力传感器7，所述地轮压力传感器7连接所述控制器8。
21.上述的工作台系统中，支撑轮2与地面接触，当支撑轮2受到地面凸起的激励作用时，经计算，系统对于激励的综合响应公式为：；其中，v
y
=v
f cosαcosα1；v
y
‑
激励作用瞬时支撑轮2所具有的竖直方向速度；v
f ‑
激励作用瞬时支撑轮2所具有的速度决定；α、α1‑
外部激励决定的速度分量倾角（如附图1所示）；s(t)
‑
时间点t系统的响应幅值；m
‑
工作台重量；ω
d
‑
系统有阻尼自然角频率；f(τ)
‑
时间点τ地面凸起对支撑轮2的脉冲力；ξ
‑
阻尼比；ω
n
‑
系统无阻尼固有频率；x0‑
系统所具有的初位移；，其表示由初始系统条件所确定的常数项。
22.由上式可知，系统对于外加激励的响应幅值是由m、ω
d
、ξ、ω
n
等系统内在特性以及在激励作用瞬时支撑轮2所具有的速度v
f （也即农机的运行速度）决定，其中，由于m、ω
d
、ξ、ω
n
是系统内在特性，较难对这些因素进行调节以改变系统的相应幅值，因此，可通过改变农机的运行速度v
f 调节系统的响应幅值。
23.针对所述工作台系统的模型在不同高度的地面凸起的激励作用下进行仿真和试验可以获知，低速作业时，应该尽量选择较大的阻尼系数，以提高系统的响应速度，使系统能够迅速消除外部激励对于工作台的影响；高速作业时，应尽量选择较小的阻尼系数，以减小系统的响应幅值。
24.基于上述机械系统、综合响应公式以及速度与响应幅值之间的关系，如附图3所示，本发明之基于农机工作台的自适应调控方法包括如下步骤s101
‑
s105：步骤s101，获取运行速度与阻尼系数的对照关系；步骤s102，获取农机当前的运行速度；本步骤中，农机的运行速度是通过读取速度检测元件5产生的数据获得。
25.步骤s103，根据所述对照关系判断所述运行速度与阻尼器的阻尼系数是否匹配，得到第一判断结果；步骤s104，当所述第一判断结果为是，维持所述阻尼系数不变；步骤s105，当所述第一判断结果为否，调节所述阻尼系数使其与所述运行速度匹配，以降低系统的响应幅值；具体地，当所述运行速度偏大，则将所述阻尼系数调低；当所述运行速度偏小，则将所述阻尼系数调高。
26.上述步骤s101
‑
s105中，通过实时获取农机当前的运行速度并据此调节阻尼器的阻尼系数，可提升工作台的自适应运动能力，使得农机可自适应智能调节阻尼系数实现较好的作业效果，无需驾驶农机的用户频繁根据经验调节工作台的自适应能力。
27.优选地，为了使得运行速度与阻尼器的阻尼系数匹配，需要有两者的对照关系作为参照，为了获得两者的对照关系，上述步骤s101具体包括如下步骤s201
‑
s204：
步骤s201，获取采集数据，所述采集数据包括采用多种刚度的弹簧及多种阻尼比时、在多种预设速度下所述工作台通过多种不同高度障碍的实际转角；所述阻尼比反应了所述阻尼系数与弹簧的刚度之间的关系；本步骤中，涉及三个影响因素，即：速度、弹簧的刚度以及阻尼比；障碍有多种规格，且每种规格的障碍的高度不同，工作台通过障碍时，由于障碍的高度不同，工作台相对于机架会产生不同的实际转角。理想状态下，工作台通过障碍时，支撑轮与障碍始终接触，此情形下工作台转过的最大角度称为理想转角，实际运动时，由于支撑轮可能会产生跳动，因此实际转角相对于理想转角可能会存在偏差。上述三个影响因素均有多个可选取值，取各影响因素的不同取值的组合进行实验均会产生实际转角数据，且每个实际转角也均有对应的理想转角，如此通过采集实验数据可获得数据库，数据库中的每一条数据均包括速度、弹簧的刚度、阻尼比、实际转角、理想转角、障碍高度这些数据。本步骤中获取的采集数据为数据库中的一部分数据或全部数据，获取的采集数据为与待作业田地的特征相符合的数据，具体地：首先，获取待作业田地的最高障碍预估值，最高障碍预估值由用户根据田地的实际状态进行测量预估得出；然后，从数据库获取低于所述最高障碍预估值的多个障碍高度值对应的数据，并将这些数据作为采集数据参与后续的运算，如此，可保证后续的优化计算是基于待作业田地得出的；步骤s202，根据所述采集数据进行方差分析，构建优化数学模型；所述数学模型包括角度均差方程与稳定性方程，所述角度均差方程描述了通过障碍时的理想转角与所述实际转角之间的角度均差与各影响因素的拟合关系，所述稳定性方程描述了运行稳定性参数与各影响因素的拟合关系；本步骤中，主要目的是构建影响因素与角度均差以及影响因素与稳定性参数之间的关系，也即以影响因素为要件重构角度均差方程与稳定性方程，如此，在后续过程中可通过各影响因素的约束条件进行优化计算，使得优化计算变得简单。
28.步骤s203，根据所述优化数学模型进行优化计算以得到所述角度均差最小以及所述运行稳定性参数最优时，对应于各速度阈值范围的最优阻尼比；步骤s204，根据所述最优阻尼比计算得到对应于各速度阈值范围的阻尼系数的目标值。
29.本步骤中，阻尼比与阻尼系数之间的关系通过公式转换，其中：c为阻尼系数，ξ为阻尼比，m为工作台质量，k为弹簧的刚度。
30.本步骤中，将速度划分为若干速度阈值范围，每个速度阈值范围对应于一个最优的阻尼系数，如此，当农机在一个速度阈值范围内时，阻尼器可一直保持在一个阻尼系数，可避免频繁调节阻尼系数。
31.进一步地，上述步骤s202中所述根据所述采集数据进行方差分析，构建优化数学模型包括如下步骤s301
‑
s303：步骤s301，根据角度均差公式与运行稳定性参数公式计算各所述影响因素的不同数值组合所对应的角度均差与运行稳定性参数的值；
本步骤中，所述角度均差公式为，其中，δ为所述角度均差；θ
i
为对应于第i个所述障碍的所述理想转角，为对应于第i个所述障碍的所述实际转角；n为所述障碍的总个数；所述运行稳定性参数公式为，其中，w为所述运行稳定性参数，该值越小，说明稳定性越高。上述角度均差公式描述了所有采集数据中理想转角与实际转角的差值的平均数；稳定性参数描述了所有采集数据中理想转角与实际转角之间均差标准差与角度均差的比值，该比值可反映工作台运行的稳定性。
32.步骤s302，对所述角度均差的值进行方差分析，得到对所述角度均差影响显著的第一显著项，并基于所述第一显著项得到对应于所述角度均差的第一拟合方程，所述第一拟合方程的形式为，其中：a
j
为第j个所述第一显著项，其形式可以是基本项、组合项及非线性拟合项，其中，所述基本项包括各所述影响因素，所述组合项为多个所述基本项的组合，每个所述基本项均具有对应的所述非线性拟合项；a
j
为第j个所述第一显著项的拟合参数；m为所述第一显著项的总数；本步骤中，对角度均差的值进行方差分析，可以得到设定的置信区间内，哪些项目对应的p值小于设定阈值，并将这些满足条件的项目作为第一显著项，对角度均差的值进行方差分析时，涉及的项目有基本项、组合项、非线性拟合项、残差、失拟项以及误差，其中，基本项为上述速度、弹簧的刚度以及阻尼比，将上述三个影响因素（速度、弹簧的刚度以及阻尼比）分别用x、y、z表示；则上述组合项包括xy、yz、xz，以xy为例，其表示x与y两个影响因素组成的组合项，该组合项可对角度均差造成影响，若其对角度均差有显著影响，则该组合项作为显著项参与角度均差方程的拟合；上述非线性拟合项包括x2、y2以及z2，若其中任一者对角度均差有显著影响，则也可作为显著项参与角度均差方程的拟合。残差、失拟项以及误差对角度均差的影响显著性较小，一般不参与角度均差方程的拟合。
33.步骤s303，对所述运行稳定性参数的值进行方差分析，得到对所述运行稳定性参数影响显著的第二显著项，并基于所述第二显著项得到对应于所述运行稳定性参数的第二拟合方程，所述第二拟合方程的形式为，其中：b
k
为第k个所述第二显著项，其形式可以是所述基本项、所述组合项及所述非线性拟合项；b
k
为第k个所述第二显著项的拟合参数；o为所述第二显著项的总数。
34.本步骤中，对项目的筛选得到第二显著项的方法、以及利用第二显著项对稳定性方程的拟合方法与步骤s302中相同，此处不再赘述。
35.优选地，上述步骤s203中所述根据所述优化数学模型进行优化计算以得到所述角度均差最小以及所述运行稳定性参数最优时，对应于各速度阈值范围的最优阻尼比包括：
构建目标函数于约束条件并据此进行优化计算。此处，所述目标函数为minδ以及minw，也即使上述角度均差方程与运行稳定性参数最小化，约束条件包括弹簧刚性、以及速度阈值范围、阻尼比的调节区间，其中弹簧刚性是确定的，通过上述约束条件与目标函数可得到对应于各速度阈值范围的最优阻尼比。
36.优选地，上述步骤s103中所述根据所述对照关系判断所述运行速度与阻尼器的阻尼系数是否匹配包括如下步骤s401
‑
s403：步骤s401，判断所述运行速度是否落在对应于当前所述阻尼系数对应的预设速度阈值范围内，并得到第二判断结果；步骤s402，当所述第二判断结果为是，则所述运行速度与所述阻尼器的阻尼系数匹配；步骤s403，当所述第二判断结果为否，则所述运行速度与所述阻尼器的阻尼系数不匹配。
37.优选地，上述步骤s105中所述调节所述阻尼系数使其与所述运行速度匹配，以降低系统的响应幅值包括如下步骤s501
‑
s503：步骤s501，根据所述运行速度所处的阈值范围，得到所述阻尼系数的目标值；步骤s502，根据所述阻尼系数的目标值确定阻尼器所需的电流数值；步骤s503，调整pwm输出电压的占空比以改变输出电压，并通过电压电流转换电路改变阻尼器的输入电流。
38.优选地，上述步骤s503中所述调整pwm输出电压的占空比以改变输出电压，并通过电压电流转换电路改变阻尼器的输入电流之后还包括如下步骤s601
‑
s603：步骤s601，通过高精度采样电阻采集所述阻尼器的输入电压值；步骤s602，通过所述输入电压值计算所述阻尼器的实际输入电流；步骤s603，判断所述实际输入电流是否在预设范围内，是则完成对所述阻尼器的阻尼系数的调节，否则继续调整pwm输出电压的占空比以改变所述阻尼器的输入电压值。
39.优选地，所述方法还包括如下步骤s701
‑
s703：步骤s701，判断系统调节的精确性是否满足要求，得到第三判断结果；步骤s702，当所述第三判断结果为是，维持当前所述阻尼系数不变；步骤s703，当所述第三判断结果为否，继续调节所述阻尼系数。
40.具体地，上述步骤s701中判断系统调节的精确性是否满足要求包括如下步骤s801
‑
s804：步骤s801，获取地面对支撑轮的支撑反力数据；步骤s802，判断所述支撑反力是否一直大于0；本步骤中，可在对阻尼系数调节完成后一段时间内考察该段时间内支撑反力是否一直大于0。
41.步骤s803，当所述支撑反力一直大于0，说明系统调节的精确性满足要求；步骤s804，当所述支撑反力不是一直大于0，调节所述阻尼系数，以使系统调节的精确性满足要求。
42.本步骤中，调节时，每次将阻尼系数调大一个设定值，并在设定时间内考察支撑反力是否一直大于0，是则停止对阻尼系数的调节，否则再将阻尼系数调大一个设定值，并再
次在设定时间内考察支撑反力是否一直大于0，如此循环往复，直至阻尼系数满足要求。
43.优选地，上述步骤s802之后还包括如下步骤a1
‑
a3：步骤a1，判断设定时间段内的最小支撑反力是否一直小于设定阈值；本步骤中，设定时段由阻尼系数调节后开始起算。
44.步骤a2，当设定时间段内的最小支撑反力一直小于设定阈值，则系统调节的精确性满足要求；步骤a3，当设定时间段内的最小支撑反力不是一直小于设定阈值，调节所述阻尼系数，以使系统调节的精确性满足要求。
45.本步骤中，调节时，每次将阻尼系数调小一个设定值，并在设定时间内考察最小支撑反力是否一直小于设定阈值，是则停止对阻尼系数的调节，否则再将阻尼系数调小一个设定值，并再次在设定时间内考察最小支撑反力是否一直小于设定阈值，如此循环往复，直至阻尼系数满足要求。
46.当调节完成后，将调节完成后的阻尼系数与速度阈值范围进行关联，并对运行速度与阻尼系数的对照关系进行修改，如此，以与速度阈值范围关联的阻尼系数作为起点并在起点的数值附近对阻尼系数进行微调，可得到与实际工况更加贴合的阻尼系数，调节迅速且调节精确度高。
47.上述步骤s801中，通过地轮压力传感器7采集的数据获取支撑轮的支撑反力。
48.优选地，上述步骤s202与步骤s203之间还包括如下步骤s901：步骤s901，根据所述优化数学模型进行优化计算并输出推荐弹簧刚性值；具体地，步骤s901中，优化计算的目标函数为minδ以及minw，也即使上述角度均差方程与运行稳定性参数最小化，约束条件包括：弹簧刚性的数值范围、速度阈值范围、阻尼比的调节区间，通过上述约束条件与目标函数可得到推荐弹簧刚性值，还能得到最佳的运行速度及对应的阻尼比，在步骤s203中进行优化计算时，其优化条件中的弹簧刚性采用该推荐弹簧刚性值或对应于推荐弹簧刚性值的取整值（如推荐弹簧刚性值为9.7n/mm，其取整值为10n/mm）作为固定值。基于此，用户在驾驶农机进行作业之前，先将弹性装置3中的弹簧31换成刚性为9.7n/mm或10n/mm的弹簧。
49.本发明的农机工作台的自适应调控方法及控制系统，通过在移动主机与工作台的机架之间设置带有阻尼器的弹性装置，通过监控农机的运行速度并实时据此调节阻尼器的阻尼系数，可使工作台能够具有较好的自适应作业能力。
50.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。