农业机械学报第51卷增刊2 2020年12月
doi:10.6041/j.issn.1000-1298.2020.S2.033
周倩倩1温浩军］,2李中祥1张伟荣1易哲田1王国良1
(1.石河子大学机械电气工程学院，石河子832000；2.农业农村部西北农业装备重点实验室，石河子832000)
摘要：自走式喷雾机由于其作业路面复杂多样易产生滑转，需防滑控制保持机具稳定驱动，本文提岀一种模糊防滑控制策略，设计了控制器，并在Matlab/Simulink中对控制系统进行了仿真分析，仿真结果表明：该模糊防滑控制系统可以有效将滑转率控制在0.05左右。最后通过田间试验验证了驱动防滑控制系统的性能，试验表明，所设计的全时四驱液压驱动喷雾机模糊防滑控制机具在低速行进时，未开启防滑控制时相对滑转率均值为0.078，开启后相对滑转率均值为0.028；在中速行进时，未开启防滑控制时相对滑转率均值为0.109，开启后滑转率均值为0.031； 在高速行进时，未开启防滑控制时相对滑转率均值为0.110，开启后相对滑转率均值为0.035，表明了该控制系统防滑控制效果良好。
关键词：自走式喷雾机；防滑控制；电液控制；控制策略；试验
中图分类号：S491文献标识码：A文章编号：1000-1298(2020)S2-0283-06
Design and Test of Fuzzy Anti-skid Control of Four-wheel
Drive Hydraulically Driven Sprayer
ZHOU Qianqian1WEN Haojun1’2LI Zhongxiang1ZHANG Weirong1YI Zhetian1WANG Guoliang1
(1.College of Mechanical and Electrical Engineering,Shihezi University,Shihezi832000,China
2.Northwest Key Laboratory of Agricultural Equipment,Ministry of Agriculture and Rural Affairs,Shihezi832000,China)
Abstract:During the field of self-propelled sprayer，due to the large quality and volume of whole vehicle and its working on the complex and diverse road，which lead to the self-propelled sprayer prone to slip，and requires an anti-skid control strategy to maintain stable driving of the machine.For this reason，a fuzzy anti-skid control strategy and controller was proposed.Based on the control system，the simulation analysis of the controlling system was carried out by Matlab/Simulink,the sim
ulation result showed that the fuzzy anti-skid control system can effectively control the slip rate at the ideal of0.05.Finally，the performance of the driving anti-skid control system was verified through field tests.The result of the experiment showed that when the design of the full-time four-wheel drive hydraulically driven sprayer fuzzy anti-skid control device was traveling at low speed，the average slip rate was0.078with the situation of without anti-skid control.By contest，when the opening of the anti-skid the average slip rate was0.028；when the self-propelled sprayer traveling with a medium speed and the anti-skid control was closed，the average slip rate was0.109.However，when the anti-skid control was turned on and the average slip rate was0.031；when the self-propelled sprayer traveling with a high speed and the anti-skid control was closed，the average slip rate was0.110，but the average slip rate was0.035after it was opened.Above experiments indicated that the control system had a good anti-skid control effect.The research results provided a theoretical basis for the anti-skid control of four-wheel drive hydraulically system of self-propelled sprayer.
Key words:self-propelled spray machine;anti-slip control;electro-hydraulic control;control strategy;
test
收稿日期：20200809修回日期：20200918
基金项目：国家重点研发计划项目(2016YFD0200705、2017YFD0201904)
作者简介：周倩倩(1996—)'女'硕士生'主要从事农业机械设计及其自动化研究'E-”ail：****************”
通信作者：温浩军(1971—)'男'研究员'博士生导师'主要从事农业机械设计及其自动化研究，E-mail：547273950@qq
284农业机械学报2020年
0引言
棉花是新疆农业经济的支柱产业，由于棉花高
密度栽培形成的行距狭窄、植株超密、封行超早、枝
叶总量超多的情况［1］，使得常规植保喷雾机具不能
满足现行植保作业要求，尤其在棉花机械采收前喷
施脱叶催熟剂作业中，药剂难以喷施到棉花中下层金属学报
枝叶和叶片背面，作业效果差、农药有效利用率
低⑵。我国农业经济种植模式总体向着密植化和
智能精量方向发展。而密植模式使得精量作业变得困难，植株株高较高且间距短，传统的喷洒模式很难深入株中央位置，植株冠层中下部位也难以被雾滴流穿透，因此具有强力喷洒能力和超长臂展且能够精准喷雾的自走式喷杆喷雾机的需求将会越来越大。
打滑往往会伴随作业姿态和速度的不稳定造成施药量的不均匀［3］o同时，由于打滑可能导致底盘沉降⑷，不仅有可能损伤作物，严重时会损毁喷雾机具甚至对驾驶员的安全产生威胁。对于此类喷雾机，需要搭载具有防滑控制的驱动系统⑸。喷雾机作业过程中会经过不同时期、不同湿度、不同颗粒度和不同黏度的路面谱［6］，而且其防滑控制涉及到驱动转向角、驱动轮转速以及驱动轮扭矩等连续变量，同时又与试验平台的轮距、轴距、载量都有关系⑴。因此本文提出一种模糊防滑控制系统，根据液压驱动原理和喷雾机驱动时的受力情况设计模糊防滑控制系统方案，并在Matlab/Simulink中对该控制系统进行仿真分析，最后通过田间试验验证该驱动防滑控制系统的防滑控制效果。
1液压四驱模糊防滑控制系统设计方案
1.1液压驱动原理
在现有机具基础上，制定了自走式喷雾机防滑控制布局设计方案如图1所示。采用双泵四马达闭式调
速回路，底盘动力传动路线为发动机经过发动机、液压泵、RTM防滑控制阀、液压马达、减速器驱动车轮转动；其中主要包含RTM防滑控制阀，它可以将液压泵的单路流量分成四通道分别与对应的4个轮边马达相连，从而实现对各驱动轮驱动状态的单独控制。
1.2车轮滑转判断
本文所设计的高地隙自走式喷雾机为四轮独立驱动，故采用单轮车辆模型进行建模分析，假设喷雾机处于直线行驶状态，考虑其车轮的滚动阻力，单轮受力分析如图2所示⑻。
根据图2得到车轮运动微分方程为
图1驱动布局图
Fig.1Drive layout
1.发动机
2.主油泵
3.副油泵
4.RTM防滑控制阀
5.左前马达
6.左前加速器
7.左前轮
8.右前马达
北京英菲尼迪车祸
9.右前减速器10.右前轮11.左后马达12.左后减速器13.左后轮14.右后马达15.右后减速器16.右后轮17.过滤器18.油箱
m v=f,-渍F”(1)
T=如⑵
F，=万(3)式中m-----机具质量,kg
v-----行驶速度,km/h
化一一车轮与路面之间的附着力,N
渍---路面附着系数
F n——车轮与路面之间的垂直载荷,N
T——作用在车轮的力矩,N・mm
p----液压马达压力,MPa
V—---------液压马达排量,cm3/r
浊m——液压马达机械效率
i——减速器中齿轮传动比
浊.---减速器机械效率
D-----车轮直径,mm
以最低转速车轮(设转速为为基准，判断四轮相对打滑情况。则各车轮相对滑转率为
n-一n
S c=；1(i=1,2,3,4)(4)假设最低转速车轮滑转率为S°，则其转速为
n1=R(1^(5)式中R——
车轮半径
增刊 2周倩倩等：液压四驱喷雾机模糊防滑控制系统设计与试验285
当车轮滑转率S 沂(0. 05,0. 15)时，车轮在土路 面上具有较高的纵向附着系数［9-10］，由于最低速车 轮本身存在一些滑转，为了使其他车轮也都可以处
于最佳滑转率范围内行驶，将理想的相对滑转率取 为 0. 05o
采用转速传感器实时采集4个车轮转速，并根 据式(4 )计算相对滑转率，当S c ＞0. 05时，对该轮进
行滑转率控制。
1.3模糊防滑控制模型建立
模糊防滑控制系统框图如图3所示。当驾驶控 制面板开始动作时，速度传感器根据驱动轮的实际
转动情况，将带有矢量的速度传递给防滑控制器，再
根据速度计算各车轮相对滑移率［11-13］，然后防滑控
制器再根据控制策略对RTM 阀进行调节以控制液 压马达流量。
图3模糊防滑控制系统框图
Fig. 3 Fuzzy anti-skid control block diagram
2液压四驱防滑控制策略设计与仿真
2. 1 模糊控制器设计
由于喷雾机的防滑控制是一个动态多样的过 程，拥有多个变量和多重离散因素，本文采用模糊控 制策略进行控制［14-15］，图4为模糊控制原理图。
为RTM 阀控电压，控制器结构如图5所示
图 5 模糊控制器结构Fig. 5 Fuzzy controller structure
2.2模糊控制规则
根据所设计的模糊控制器结构，可知条件语句
为滑转率差值与其变化率，当相对滑转率差值较大
时,RTM 阀干预较大，而当相对滑转率差值较小时,
RTM 阀干预较小［l6-40］o 通过对防滑控制过程进行
分析的控制思路为：当R ＜0、圧＜0时，V out =。。当
R ＜0、圧＞0时，％为以R c 为自变量的因变量。当 R =0、R c =0时，无需调节RTM 阀输入。由此建立
了喷雾机模糊控制策略，如表1所示。
滑转率
滑转率变化率R c
表1基于RTM 阀的防滑模糊控制器控制规则Tab ・ 1 Control rule of anti-slip fuzzy controller based on
RTM valve and parameters of whole machine of highland
gap spray rod spray machine
差值R NL
NM NS ZE PS PM PL NS ZE ZE ZE ZE ZE PS PS ZE
ZE ZE ZE ZE PS PS
PM
PS ZE ZE PS PS PM
PM PL PM
ZE PS PS PM
PL PVL PVL PL PS PS
PM PL
PVL PVL PVL PVL
PS
PM PL
PVL
PVL
PVL骅探网oej5
PVL
彳知识库卜
二
2
模糊化卜
H
模湖推理卜
H
反模糊化&
模糊控制器执行机补
元钢＞1对象 申＞
图4模糊控制原理图
Fig. 4 Schematic of fuzzy control
根据上述防滑控制原理，输入模型应变量为驱3模糊防滑控制策略仿真
结合上文所建立的模糊控制策略，建立了 Matlab/Simulink 模糊控制模型［21 -44］。当试验平台
从3 km/h 加速至6 km/h ，预设当速度平稳在6 km/h 第5秒时，使右前桥强制为滑转态，仿真结果如图6
所示。
由图6可知，模糊防滑控制可以有效将右前轮
相对滑转率控制在0. 05左右，右前轮转速得到有效
控制，未发生严重打滑现象，且车速相比无控制时得
动桥滑转率差值R — S c - S 0及其变化率R c ，输出V out
莊 0.03
0.01
左前轮 右后轮 右前轮
15 r
―未开启模糊防滑控制 ，4| - •开启模糊防滑控制
I#
2 4 6 8 10
时间
2-°0―2------------5-------------6k U)
时间沧—左后轮
右后轮 十右恫轮
0 2 4 6 8 10时间沧图6防滑模糊控制系统响应特性
Fig. 6 Response characteristics of anti-slip fuzzy control
system
286农业机械学报2020年
到一定提高。
4田间试验
4.1试验
自走式喷杆喷雾机驱动系统防滑控制性能田间试验于2019年5月中旬进行-试验地点选择在中农丰茂植保公司试验田，如图7所示。试验前将药箱注水直至满载，模拟装药量1800L，并将自走式喷杆喷雾机行驶至预设滑转试验地段，对该地段进行注水工作。在正常试验及滑转试验地段分别架设高速摄影机记录行走姿态，并在该路段随机选出10个测试点，计算各车轮相对滑转率。将自走式喷杆喷雾机左前轮记为驱动轮1、左后轮记为驱动轮2、右后轮记为驱动轮3、右前轮记为驱动轮4[23]，如图8所示。
图7自走式喷杆喷雾机田间试验
Fig.7Field test chart of self-propelled sprayer
图8轮号标记图
Fig.8Round number map
4.2试验方案
使用计算机通过RS232接口采集驱动系统的压力、温度、转向角、行驶速度以及在不同试验地段上以各种速度行驶时，滑转产生的时刻、时长、次数。
（1）喷雾机以低速挡位3km/h速度分别在普通试验和滑转试验地段行进并逐渐将速度提高至6km/h。在滑转地段产生滑转后开启防滑控制，将车辆行至终点后洁净车轮，再以3km/h速度在滑转路段行进加速至6km/h。
（2）喷雾机以中速挡位8km/h速度分别在普通试验和滑转试验地段行进并逐渐将速度提高至12km/h。在滑转地段产生滑转后开启防滑控制，将车辆行至终点后洁净车轮，再以8km/h速度在滑转路段行进加速至12km/h。
（3）喷雾机以咼速挡位12km/h速度分别在普通试验和滑转试验地段行进并逐渐将速度提高至15km/h。在滑转地段产生滑转后开启防滑控制，将车辆行至终点后洁净车轮，再以12km/h速度在滑转路段行进加速至15km/h。
4.3试验结果与分析
低速作业未开启模糊防滑控制时（图9a），其相对滑转率均值为0.078，四驱动轮均表现出一定的滑转现象。开启模糊防滑控制后低速作业组四轮相对滑转率均在滑转极限内（图9b），其相对滑转率均值为0.028，在测试点3时，驱动轮2、驱动轮3、驱动轮4的相对滑转率均上升。其中驱动轮3达到0.049，驱动轮2达到0.043。
（a）未开启模糊防淆控制
（b）开启模糊防滑控制
图9低速组试验结果对比
Fig.9Comparison charts of experimental results of
low-speed group
中速作业未开启模糊防滑时（图10a）-相对滑转率均值为0.109，一开始出现较为明显的滑转，其中驱动轮3在测试点9与测试点10之间产生流量汇集现象，喷雾机向驱动轮3轮侧沉降。开启模糊防滑控制后整个测试阶段未产生滑转现象（图10b），相对滑转率均值为0.031，在测试点8驱动轮3与驱动轮4相对滑转率有明显上升，可能是瞬时对角线驱动轮离地。
高速作业组不开启模糊防滑控制时（图11a），车轮保持行走姿态平稳较为困难，横摆和侧倾明显。开启模糊防滑控制后（图11b），在测试点2驱动轮3出现滑转，滑转率达到0.051，超过滑转标准0.001
油液分析
。
增刊 2
周倩倩等：液压四驱喷雾机模糊防滑控制系统设计与试验
287
0.16
0.14
0.16
0.142 0
.08
O.O.O. 符牌菸夜W
♦驰动轮I 亠驱动轮3
驱动轮2 ■驱动轮4
().()6
— 驱动轮I 亠驱动轮3♦驱动轮2 ■驱动轮4
0.06
9 10
0.05
0.05
0403o.O.*筐臺
1234567X9
1()
测试点
(a)未开启模糊防滑控制
— 驱动轮1 亠驱动轮3 .
♦ 驱动轮2 十驱动轮4 •
0403
o.O.
3 4 5 6 7测试点
(a)未开启模糊防滑控制
—驱动轮1亠驱动轮3— 驱动轮2 ■牀动轮4
0.02
0.01
图10中速组试验结果对比
Fig. 10 Comparison charts of experimental results of
medium speed group
0.02
123456789
10
测试点
(b)开启模糊防滑控制
图11高速组试验结果对比
Fig. 11 Comparison charts of experimental results
of high speed group
通过高速摄影录像，未观察到滑转现象。5结论
(1)模糊控制将喷雾机各轮相对滑转率控制在 0. 05左右，田间试验与仿真趋势一致，其中驱动轮3
即右后轮平均滑转率最高，驱动轮1即左前轮平均 滑转率最低。(2)所设计的全时四驱液压驱动喷雾机模糊防
滑控制机具低速行进时，未开启模糊防滑控制相对 滑转率均值为0. 078，开启后相对滑转率均值为
0. 028；在中速行进时，未开启防滑控制时相对滑转姚海星
率均值为0. 109，开启后相对滑转率均值为0. 031；
在高速行进时，未开启防滑控制时相对滑转率均值
为0.110，开启后相对滑转率均值为0. 035。
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