高地隙喷雾机行驶稳定性控制研究

作     者：张鹏 

作者单位：石河子大学 

学位级别：硕士

导师姓名：冯静安;沈从举

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 09[农学] 0904[农学-植物保护] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高地隙喷雾机 行驶稳定性 直接横摆力矩控制 滑模控制 模糊滑模控制 

摘      要：高地隙喷雾机在高梁、玉米等高杆作物田间初期施肥,中期防病变,后期病虫害防治过程中因其工作效率高而深受广大用户欢迎。但是,整车自身重心较高,且工作路面环境复杂,进一步加剧了车辆行驶稳定性的控制难度。本文在考虑高地隙喷雾机自身结构特点的同时,兼顾车辆运行工况和传统车辆的控制方法,对高地隙喷雾机行驶稳定性展开如下相关研究:(1)通过调研现有高地隙喷雾机的结构和特点,分析农业植保车辆行业存在的问题,简化整车物理结构、受力分析,推导了整车动力学数学方程,并基于数学方程搭建行驶稳定性仿真模型,并在高、低速和直线、正弦行驶工况下验证了模型的正确性。(2)针对高地隙喷雾机行驶稳定性控制效果差的问题,提出了直接横摆力矩控制的行驶稳定性控制策略。首先基于滑模控制理论和直接横摆力矩控制方法,以耦合变量横摆角速度和质心侧偏角与其理想值的误差作为目标控制输入,以直接横摆力矩为控制输出,选择合理的滑模函数和趋近率函数,设计了滑模控制器;然后,通过分析外加阻力——制动力来控制车辆行驶状态的方法,反向推理并设计了5种改变车轮驱动力矩实现车辆行驶稳定性的主动控制方案;通过仿真试验低速工况下对控制方法验证,发现滑模控制器相比于无控制时横摆角速度平均误差绝对值降低了7.70%,质心侧偏角降低了0.54%,提高了车辆低速时的行驶稳定性。(3)通过设计二次旋转正交组合试验和响应曲面法,探究了直接横摆力矩实现方案、作业速度、负载与高地隙喷雾机行驶稳定性的关系,仿真结果表明:三种因素均影响行驶稳定性;设计的直接横摆力矩5种实现方案,均能有效地改善车辆行驶稳定性,但是其中改变内侧驱动车辆车轮的方案效果最为显著;建议在作业过程中,以1.5 m/s行驶速度进行作业,尽量保持负载在1000 kg附近,并同时采用以改变内侧车轮逻辑控制方案作为低速作业工况下的驱动力矩控制方案。(4)针对高地隙喷雾机高、低速工况下行驶稳定性控制器进一步研究,设计符合兼顾高、低速两种作业工况的行驶稳定性分层控制器。上层设计滑模控制器和模糊滑模控制器来计算直接横摆力矩的数值大小;下层控制器包含逻辑判断和执行机构,分别选择改变内侧车轮控制方案和四轮同时改变的车轮逻辑控制方案作为低、高速工况执行方案。其中,重点是使用模糊智能控制方法对滑模控制器改进,优化在高速工况控制效果不理想的缺点。