[发明专利]一种旋耕机耕深自适应调节系统及其方法

权利要求书

1.一种旋耕机耕深自适应调节系统，包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块及动力模块，其特征在于：所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与旋耕机之间的扭矩传感器，扭矩检测模块实时测量旋耕机的运行载荷；转速检测模块设有安装于旋耕机主轴上的转速传感器，转速检测模块实时测量旋耕机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，车速测量模块实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据扭矩检测模块检测到的载荷信息和转速检测模块检测到的旋耕机主刀轴转速信息，采用自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有液压电磁阀、液压管路以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降；动力模块设有发动机、液压泵、溢流阀及节流阀，发动机带动液压泵持续产生液压压力，驱动液压在液压管路中持续运动。

2.根据权利要求1所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块根据旋耕机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度的信号输入，根据旋耕深度需要，计算旋耕机扭矩工作范围，在保证合适的耕深情况下，扭矩可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为旋耕深度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴旋转角速度。

3.根据权利要求2所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的悬挂升降液压控制模块在接收旋耕机负载信号、旋耕机转速信号、车速信号以及计算的旋耕机扭矩工作范围，进行自适应控制调整，包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型如下：

u＝K_aa＝R(sin M_h+cos M_h)-mg

M_r＝k_r·B·h

其中，u为后悬架升降力的大小，也为控制器输出，a为液压阀的开度，K_a为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为建立控制系统的状态空间为:

(2)确定旋耕机作业跟踪目标扭矩，综合考虑作业速度、旋耕机作业深度、旋耕转速以及万向节强度，可以得到目标扭矩为

(3)运用自适应控制算法对旋耕机升降进行自适应控制：

对于旋耕机深度组合控制系统，拖拉机与旋耕机之间形成了稳定的固连，因此对旋耕机升降控制机构施加一个升降力矩输入，必定可以得到唯一的姿态响应输出；可以将输入与输出数据之间的关系简化为一类如下式所示的单输入单输出的离散时间非线性函数:

y(k+1)＝f(y(k),…，y(k-n₀),u(k),…,u(k-n₁)) (1)

式中，y(k)∈R、u(k)∈R分别为函数在k时刻的输出和输入；n₀、n₁分别为两个未知的正整数；f(…)为未知的非线性函数；

约束条件1除有限时刻点之外，函数f(…)关于第(n₀+2)个变量的偏导数是连续的；

约束条件2除有限时刻点之外，函数(1)满足广义Lipschitz条件，即对任意的k₁≠k₂k₁、k₂≥0和u(k₁)≠u(k₂)有|y(k₁+1)-y(k₂+1)|≤b|u(k₁)-u(k₂)|，式中，b>0是个常数；

对于满足上述两条约束条件的如式(1)所示的非线性函数，当|Δu(k)|≠0时，一定存在一个被称为伪偏导数的时变参数φ_c(k)∈R，可以使函数(1)转化为如下的动态线性化数据模型为：

Δy(k+1)＝φ_c(k)Δu(k) (2)

式中，φ_c(k)为函数(1)的伪偏导数；

对于式(1)所示的离散时间函数，考虑如下的输入准则函数：

J(u(k))＝|y^*(k+1)-y(k+1)|²+λ|u(k)-u(k-1)|² (3)

式中，λ>0是一个权重因子，用来限制控制输入量的变化，y^*(k+1)为期望值；

将式(2)带入准则函数(3)中，对u(k)求导数，并令其等于零，可以得到如下控制算法:

式中，ρ∈(0，1]为步长因子，它加入的目的是使控制算法更加具有一般性；

由式(4)可知，控制器u(k)的求解需要已知的伪偏导数值，考虑伪偏导数估计准则函数为：

J(φ_c(k))＝|y(k)-y(k-1)-φ_c(k)Δu(k-1)|²+μ|φ_c(k)-φ_c(k-1)|² (5)

式中，μ＞0为权重因子，对式(5)关于φ_c(k)求极值，可以得到伪偏导数的估计算法为：

式中，η∈(0，1]为加入的步长因子，目的是使得该算法具有更强的灵活性和一般性；为φ_c(k)的估计值，式(4)、(6)即为无模型自适应控制器的求解方程；从而求解出自适应控制器；

(4)自适应控制器根据产生实时控制信号给液压执行模块。

4.根据权利要求3所述的旋耕机耕深自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的控制器产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电磁比例换向阀，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动旋耕机的起降。