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基于改进遗传算法的湿式离合器压力自适应控制

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吉林大学学报（工学版） 2024年第3期54卷 852-864页

作者：张延安杜岳峰孟青峰栗晓宇刘磊朱忠祥中国农业大学工学院北京100083

以提升拖拉机动力换挡变速箱(PST)湿式离合器压力控制准确性为目标,提出了一种基于改进遗传算法的湿式离合器压力无模型自适应控制方法。首先,分析并建立了湿式离合器液压系统数学模型,基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MF... 详细信息

以提升拖拉机动力换挡变速箱(PST)湿式离合器压力控制准确性为目标,提出了一种基于改进遗传算法的湿式离合器压力无模型自适应控制方法。首先,分析并建立了湿式离合器液压系统数学模型,基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MFAC)算法构建了离合器压力控制器。然后,引入变比例精英保留策略、K-均值聚类算法和灾变策略改进遗传算法,提出了基于灵敏度分析和改进遗传算法的PFDL-MFAC控制器参数整定方法。最后,开展了基于拖拉机自动变速箱控制单元(TCU)硬件在环试验平台的离合器压力控制试验。结果表明:改进遗传算法的收敛速度和优化精度更好;与PID控制相比,PFDL-MFAC的离合器压力响应速度更快、鲁棒性更好,满足拖拉机湿式离合器压力控制要求;同时,基于本文算法的变速箱换挡品质更优,研究成果可为动力换挡拖拉机换挡品质的提升提供基础。

关键词：农业工程拖拉机湿式离合器无模型自适应控制遗传算法

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大功率拖拉机多工况换挡自适应控制策略

中国农机化学报 2024年第5期45卷 122-127,146页

作者：毛恩荣王皓洁杜岳峰朱忠祥翟志强张丽榕中国农业大学工学院北京市100083

拖拉机牵引不同农机具完成不同作业,其作业要求随着牵引机具的不同而变化。针对大功率拖拉机在不同工况下作业要求不同的问题,提出一种多工况换挡自适应控制方法。分析不同工况对拖拉机动力性经济性的要求,以滑转率、油门开度和速度为参... 详细信息

拖拉机牵引不同农机具完成不同作业,其作业要求随着牵引机具的不同而变化。针对大功率拖拉机在不同工况下作业要求不同的问题,提出一种多工况换挡自适应控制方法。分析不同工况对拖拉机动力性经济性的要求,以滑转率、油门开度和速度为参数,根据工况要求计算兼顾动力性和经济性的理论换挡规律,采用神经网络离线训练换挡规律实现挡位智能控制;针对重载荷下随机载荷波动导致循环换挡问题,引入加速度和油门开度变化量作为参数,利用模糊逻辑判断拖拉机负载和驾驶员操作意图得到速度修正系数,对换挡速度进行修正,扩大挡位使用范围;通过对拖拉机纵向动力学分析,利用Simulink搭建大功率拖拉机数学仿真模型,并建立变速箱换挡控制系统硬件在环仿真平台验证换挡策略的有效性。仿真结果表明,在燃油经济性方面,道路运输和轻载荷作业工况燃油经济性分别下降5.78%、3.28%。在动力性方面,保证克服牵引阻力的同时,轻载荷和重载荷工况加速时间较快,速度波动减小且有效避免重载荷工况下循环换挡问题。

关键词：拖拉机换挡规律神经网络速度修正自适应换挡

基于改进NSGA-Ⅱ的大功率拖拉机变速箱箱体多目标优化

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农业机械学报 2022年第S2期53卷 310-319页

作者：张延安杜岳峰毛恩荣孟青峰朱忠祥中国农业大学工学院北京100083

为实现大功率拖拉机变速箱箱体在强度、刚度要求下的轻量化,提出一种基于改进非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的大功率拖拉机变速箱箱体多目标优化方法。首先,分析大功率拖拉机变速箱箱体的受... 详细信息

为实现大功率拖拉机变速箱箱体在强度、刚度要求下的轻量化,提出一种基于改进非支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,NSGA-Ⅱ)的大功率拖拉机变速箱箱体多目标优化方法。首先,分析大功率拖拉机变速箱箱体的受力情况,提出承载式变速箱箱体的静力学仿真分析方法,利用ANSYS分析箱体的强度、刚度;然后,引入K-均值聚类算法、正态分布交叉算子(Normal distribution crossover,NDX)和差分变异搜索策略改进NSGA-Ⅱ算法,并开展算例测试,结果表明,改进NSGA-Ⅱ的解集分布均匀性和算法稳定性均优于NSGA-Ⅱ,寻优效果更好,验证了所提算法的有效性与优越性;最后,基于改进NSGA-Ⅱ算法开展变速箱箱体多目标优化,对优化后的箱体进行仿真分析验证。结果表明,优化后的箱体质量、最大变形量、最大应力分别为168.16 kg、0.449 mm、215 MPa,优于NSGA-Ⅱ的168.16 kg、0.454 mm、216.12 MPa,在满足强度、刚度要求的前提下达到了轻量化的目的,同时进一步验证了本文算法在解决大功率拖拉机变速箱箱体多目标优化问题中的有效性和优越性。研究可为大功率拖拉机变速箱箱体的仿真、优化过程提供方法参考。

关键词：大功率拖拉机变速箱箱体改进非支配排序遗传算法 K-均值聚类算法

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基于特征工程的大田作物行中心线识别方法

农业机械学报 2023年第S1期54卷 18-26页

作者：张硕刘禹熊坤翟志强朱忠祥杜岳峰中国农业大学工学院北京100083

针对大田作物行特征复杂多样,传统作物行识别方法鲁棒性不足、参数调节困难等问题,该研究提出一种基于特征工程的大田作物行识别方法。以苗期棉花作物行冠层为识别对象,分析作物行冠层特点,以RGB图像和深度图像为数据来源,建立作物行冠... 详细信息

针对大田作物行特征复杂多样,传统作物行识别方法鲁棒性不足、参数调节困难等问题,该研究提出一种基于特征工程的大田作物行识别方法。以苗期棉花作物行冠层为识别对象,分析作物行冠层特点,以RGB图像和深度图像为数据来源,建立作物行冠层特征表达模型。运用特征降维方法提取作物行冠层的关键特征参数,降低运算量。基于支持向量机技术建立作物行冠层特征分割模型,提取作物行特征点。结合随机抽样一致算法和主成分分析技术建立作物行中心线检测方法。以包含不同光照、杂草、相机位姿的棉花作物行图像为测试数据,运用线性核、径向基核和多项式核的支持向量机分类器开展作物行冠层分割试验;对比分析典型Hough变换、最小二乘法和所建作物行中心线检测方法的性能。结果表明,径向基核分类器的分割精度和鲁棒性最优;所建作物行中心线检测方法的精度和速度最优,航向角偏差平均值为0.80°、标准差为0.73°;横向位置偏差平均值为0.90像素,标准差为0.76像素;中心线拟合时间平均值为55.74 ms/f,标准差为4.31 ms/f。研究成果可提高作物行识别模型的适应性,减少参数调节工作量,为导航系统提供准确的导航参数。

关键词：作物行识别大田作物冠层分割支持向量机双目视觉机器学习

采用双目视觉和自适应Kalman滤波的作物行识别与跟踪

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农业工程学报 2022年第8期38卷 143-151页

作者：翟志强熊坤王亮杜岳峰朱忠祥毛恩荣中国农业大学工学院北京100083

针对传统作物行识别方法在相邻图像间的识别结果偏差较大,作物行的定位精度和稳定性低等问题,该研究提出一种基于双目视觉和自适应Kalman滤波技术的作物行识别与跟踪方法。对于作物行识别,首先建立图像预处理算法,基于改进的超绿-超红... 详细信息

针对传统作物行识别方法在相邻图像间的识别结果偏差较大,作物行的定位精度和稳定性低等问题,该研究提出一种基于双目视觉和自适应Kalman滤波技术的作物行识别与跟踪方法。对于作物行识别,首先建立图像预处理算法,基于改进的超绿-超红模型和最大类间方差法分割植被灰度特征;建立作物行特征提取算法,基于特征点检测技术和双目视差测距方法计算植被角点特征的三维坐标,根据三维阈值提取作物行特征点,进而建立作物行中心线检测算法,建立基于主成分分析的直线拟合模型,根据作物行特征点的频数统计规律检测作物行冠层中心线。对于作物行跟踪,建立跟踪目标规划模型,提取位于图像中央区域的作物行作为跟踪目标;建立目标状态方程,基于自适应Kalman滤波技术构建作物行中心线跟踪模型。以棉花图像开展试验研究,图像数据包括阴影、杂草、地头等田间场景。试验结果表明,该研究方法的作物行识别准确度、精度和速度均较高,识别正确率约为92.36%,平均航向偏差为0.31°、标准差为2.55°,平均识别速度约80.25 ms/帧;经目标跟踪后,航向角和横向位置估计的标准差分别为2.62°和0.043m、较无跟踪状态分别减小22.94%和10.42%,作物行中心线的方位估计精度进一步提高。研究成果可为导航系统提供连续、稳定的作物行导引参数。

关键词：导航机器视觉图像处理大田作物作物行识别作物行跟踪线性状态观测

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基于虚拟现实的拖拉机变速箱装配系统设计

吉林大学学报（工学版） 2023年第10期53卷 3038-3044页

作者：杨帆翟志强汪圆圆朱忠祥杜岳峰毛恩荣中国农业大学工学院北京100083 北京福田康明斯发动机有限公司北京102206

针对拖拉机变速箱装配工艺复杂、成本高、产品开发周期长等问题,研究了基于虚拟现实的拖拉机变速箱虚拟装配技术,开发了具有沉浸感、想象性、交互性等特点的拖拉机变速箱虚拟装配系统。首先,通过研究变速箱虚拟现实模型构建方法,采用模... 详细信息

针对拖拉机变速箱装配工艺复杂、成本高、产品开发周期长等问题,研究了基于虚拟现实的拖拉机变速箱虚拟装配技术,开发了具有沉浸感、想象性、交互性等特点的拖拉机变速箱虚拟装配系统。首先,通过研究变速箱虚拟现实模型构建方法,采用模型数据转换的方式从CAD系统提取拖拉机变速箱装配信息,在虚拟装配环境中建立拖拉机变速箱装配信息层次模型,运用Mesh合并、几何元素删减等模型预处理技术获取轻量化虚拟现实模型。其次,基于C#语言在Unity3D环境中开发虚拟装配软件,实现变速箱零部件在虚拟装配环境中的移动、旋转、定位装配、场景漫游、音效播放、零部件名称显示、装配路径规划等功能。最后,以Oculus Quest2头戴显示器为交互设备开展拖拉机变速箱装配试验。试验结果表明:本文开发的变速箱虚拟装备系统运行流畅、模型交互准确、用户操作体验良好,可缩短变速箱虚拟装配周期、降低开发成本。

关键词：车辆工程虚拟现实变速箱装配模型简化装配路径规划

基于数字孪生的大马力拖拉机湿式离合器压力控制方法研究

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机械工程学报 2023年第13期59卷 268-279页

作者：张延安杜岳峰毛恩荣宋正河陈度朱忠祥中国农业大学工学院北京100083

大马力动力换挡拖拉机作业环境多变、工况复杂,其工作过程换挡频繁,针对动力换挡变速箱(Power shift transmission,PST)湿式离合器压力控制不准确、响应迟滞等问题,引入数字孪生的理念,提出了一种数字孪生驱动的时变比例微分自适应控制(... 详细信息

大马力动力换挡拖拉机作业环境多变、工况复杂,其工作过程换挡频繁,针对动力换挡变速箱(Power shift transmission,PST)湿式离合器压力控制不准确、响应迟滞等问题,引入数字孪生的理念,提出了一种数字孪生驱动的时变比例微分自适应控制(Digital twin driven time-varying proportional integral adaptive control,DT-TVPIA)方法。首先,建立湿式离合器液压系统物理模型,分析系统物理模型的干扰因素;然后,利用输入/输出(Input/Output,I/O)数据构建湿式离合器液压系统数字孪生体;其次,利用Savitzky-Golay滤波器实时处理传感器数据,设计基于改进投影算法的自更新控制器,考虑最小化加权一步向前预报误差的控制电压准则函数,引入微分控制因子,设计时变比例微分自适应控制器;最后,开展基于快速控制原型(Rapid controlprototype,RCP)的离合器压力控制试验。结果表明,伪梯度估计值随系统状态变化而变化,在系统状态发生剧烈变化时,数字孪生体能够在0.445 s内迅速更新并准确描述离合器液压系统,验证了基于I/O数据的湿式离合器液压系统数字孪生体的有效性;对比试验结果表明,与PID相比,DT-TVPIA的离合器压力响应速度更快,鲁棒性更好,其方波压力响应时间、超调量、稳态误差分别在0.445 s、0MPa、0.001MPa以内,正弦压力响应延迟时间、跟随误差、压力波动分别在0.05s、0.024 MPa、0.001 MPa以内,满足拖拉机湿式离合器压力控制要求,研究结果为动力换挡拖拉机换挡品质的提升提供了基础,同时,为数字孪生技术在复杂非线性系统优化控制方面的应用提供了参考。

关键词：拖拉机湿式离合器压力控制数字孪生自适应控制

基于半实物仿真的丘陵山地拖拉机电液悬挂控制试验

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农业机械学报 2022年第S2期53卷 328-337页

作者：翟志强陈一明朱少华杜岳峰朱忠祥毛恩荣中国农业大学工学院北京100083 小鹏汽车科技有限公司广州510530

针对丘陵山地拖拉机电液悬挂控制系统田间试验困难、可重复性差等问题,基于半实物仿真技术开展电液悬挂控制系统试验研究。首先通过对试验拖拉机和悬挂作业装置进行受力分析,建立了丘陵山地拖拉机整机动力学模型、铧犁体的土壤阻力模型... 详细信息

针对丘陵山地拖拉机电液悬挂控制系统田间试验困难、可重复性差等问题,基于半实物仿真技术开展电液悬挂控制系统试验研究。首先通过对试验拖拉机和悬挂作业装置进行受力分析,建立了丘陵山地拖拉机整机动力学模型、铧犁体的土壤阻力模型和拖拉机悬挂装置动力学模型。然后对丘陵山地拖拉机电液悬挂系统横向仿形控制、位控制、牵引力控制以及力位综合控制的系统原理进行了分析,设计了丘陵山地拖拉机电液悬挂模糊PID控制器。之后搭建拖拉机电液悬挂控制系统半实物仿真试验平台,开发电液悬挂控制系统,开展电液悬挂系统仿地形控制、力控制、位控制和力位综合控制等试验,对比分析模糊PID控制和经典PID控制方法性能。试验结果表明,模糊PID控制性能较好:在位置控制模式下,模糊PID控制无超调,控制系统响应时间为0.6 s,较经典PID控制提高约33.3%;耕深控制系统稳态误差约为0.05 cm,较经典PID控制降低约50%;在力控制模式下,模糊PID控制耕深的跟随误差最大值为0.38 cm,标准差为0.17 cm,较经典PID控制分别下降了64.5%、39.3%,验证了所开发的电液悬挂控制系统的有效性。

关键词：丘陵山地拖拉机电液悬挂控制性能试验半实物仿真

基于倾角传感器的拖拉机悬挂机组耕深自动测量方法

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农业工程学报 2013年第4期29卷 15-21页

作者：谢斌李皓朱忠祥毛恩荣中国农业大学工学院北京100083

在拖拉机悬挂机组耕深自动控制系统中,位置测量具有重要的作用,该文提出了一种基于倾角传感器自动测量农机具耕深的方法。通过检测提升臂的水平倾角变化,由悬挂机构几何关系和倾角传感器输出特性推导出耕深值与测量电压值之间的线性关... 详细信息

在拖拉机悬挂机组耕深自动控制系统中,位置测量具有重要的作用,该文提出了一种基于倾角传感器自动测量农机具耕深的方法。通过检测提升臂的水平倾角变化,由悬挂机构几何关系和倾角传感器输出特性推导出耕深值与测量电压值之间的线性关系并换算得到实际耕深。与其他传感方式相比,该方法具有封装小、集成度高、安装和维护方便、标定易操作的特点,测量综合精度为±1.4mm;虚拟终端显示装置可直观反映耕作过程中耕深控制的实时状况,为操作者提供有效的判断依据。田间试验结果表明,耕深稳定在-200mm时的标准差为8.19,低于五轮仪测量方式,测量稳定;耕深从-100mm下降到-200mm时响应时间为3.5s,少于五轮仪测量方式,动态特性更好;耕深稳定性变异系数为3.34%,满足农艺要求。论文提出的耕深测量方法、显示界面和自动控制系统对拖拉机设计具有一定的参考意义。

关键词：农业机械传感器自动化耕深拖拉机悬挂机组