基于模糊算法的拖拉机电液悬挂系统力调节控制技术研究

论文摘要

20世纪70年代以来,随着电子技术和微机控制技术的出现及成熟,机电一体化技术逐步被应用到拖拉机控制系统中,取得了良好的效果。机电一体化技术在农用拖拉机上的应用必然向着自动化、智能化的方向发展。传统的拖拉机悬挂机组采用的机械控制系统,正逐渐被电液控制系统所代替。本文首先从整体上介绍了拖拉机电液悬挂系统的设计,分析了传统的液压悬挂系统的结构类型,提出液压系统的改装方案。以电液比例方向阀取代传统机械控制的分配器,并设计配套油路；以控制按键和设定旋钮代替原有的机械式控制手柄；安装力传感器和位置传感器。分析原有拖拉机悬挂系统的力调节方法的优缺点,提出基于单片机控制的拖拉机电液悬挂系统力调节控制方案。拖拉机机组作业环境比较恶劣,作业工况复杂多变,其动力学问题很复杂,不确定性成分较多,此外,悬挂系统惯性较大,响应滞后等非线性问题突出。这些特点很难用精确的数学模型来描述,采用依靠精确数学模型的经典控制理论或建立状态方程的PID算法来研究机组的综合控制问题是复杂的。本文以典型的犁耕机组为例应用模糊控制理论,设计了拖拉机电液悬挂机组力调节模糊控制器,为研究拖拉机液压悬挂系统力调节控制提供了一种参考。拖拉机电液悬挂系统力调节控制部分的研究包括硬件控制器设计和控制程序编写。硬件部分以AT89S51单片机为CPU,设计了传感器信号和设定旋钮信号采集处理电路、AD转换电路、开关量信号采集和显示电路、PWM控制信号输出电路和串口通讯电路等,构成了完整的力调节控制器。软件部分主要包括AD转换子程序、提升与下降子程序、力调节控制子程序、模糊控制子程序和PWM输出子程序等。程序采用模块化设计,提高了程序可读性和可靠性。本文最后对设计的控制器和控制算法进行试验验证。提升和下降试验表明,悬挂系统能够根据驾驶员的操作提升或下降,并可以通过旋钮改变悬挂的运动速度；力调节试验结果表明,设计的控制器和控制程序达到了预期的控制要求,能够有效进行拖拉机电液悬挂系统的力调节。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题提出的背景
• 1.2 国内外对拖拉机悬挂系统的研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本课题研究意义
• 1.4 研究内容
• 1.4.1 悬挂系统结构分析与油路改进
• 1.4.2 控制算法选择与控制程序编写
• 1.4.3 传感器的选用
• 1.4.4 传感器及控制面板信号的采集和处理
• 1.4.5 力调节控制方案研究
• 1.5 本章小结
• 第二章 电液悬挂系统整体设计
• 2.1 系统结构
• 2.1.1 单片机控制器
• 2.1.2 农具和农具支架
• 2.1.3 液压系统设计
• 2.1.3.1 传统液压系统的类型
• 2.1.3.2 液压系统的改装与控制
• 2.1.3.3 液压系统的核心元件——电液比例方向阀
• 2.1.4 力传感器的选用
• 2.1.5 信号调理流程
• 2.2 力调节控制方案
• 2.2.1 传统的悬挂控制模式
• 2.2.1.1 高度调节法
• 2.2.1.2 位置调节法
• 2.2.1.3 阻力调节法
• 2.2.2 力调节控制模式框图
• 2.3 本章小结
• 第三章 控制算法选择与模糊控制器设计
• 3.1 电液悬挂系统控制算法的比较
• 3.1.1 PID控制
• 3.1.1.1 PID控制的原理
• 3.1.1.2 PID控制的局限性
• 3.1.2 模糊控制
• 3.1.2.1 模糊控制的提出
• 3.1.2.2 模糊控制的原理
• 3.1.2.3 模糊控制的特点
• 3.2 模糊控制器的结构与设计
• 3.2.1 模糊控制器的结构
• 3.2.1.1 模糊化接口
• 3.2.1.2 知识库
• 3.2.1.3 推理与解模糊接口
• 3.2.2 模糊控制器的设计
• 3.2.2.1 精确量的模糊化
• 3.2.2.2 建立模糊控制规则
• 3.2.2.3 解模糊化
• 3.4 本章小结
• 第四章 控制器硬件电路设计
• 4.1 概述
• 4.2 系统电路设计
• 4.2.1 CPU的选择
• 4.2.2 模式选择按键电路
• 4.2.3 工作状态及控制模式指示电路
• 4.2.4 传感器信号与设定旋钮信号采集电路
• 4.2.5 AD转换电路设计
• 4.2.6 电源电路的设计
• 4.2.7 ISP程序下载模块设计
• 4.2.8 串口通信电路设计
• 4.2.9 控制信号输出电路
• 4.2.10 时钟电路与复位电路
• 4.3 抗干扰措施
• 4.3.1 系统干扰的来源
• 4.3.2 测控单元硬件抗干扰措施
• 4.4 本章小结
• 第五章 控制程序设计
• 5.1 主程序设计
• 5.2 各模块子程序设计
• 5.2.1 A/D转换程序设计
• 5.2.2 提升与下降子程序设计
• 5.2.3 力调节程序设计
• 5.2.4 模糊控制子程序设计
• 5.2.4.1 确定模糊变量的隶属度函数
• 5.2.4.2 基本模糊查询表的建立
• 5.2.4.3 量化因子与比例因子的确定
• 5.2.5 开关信号采集及LED显示程序
• 5.2.6 PWM信号输出程序设计
• 5.2.7 串口通信程序设计
• 5.2.8 非安全检测处理程序设计
• 5.3 程序可靠性设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 试验方案设计与结果分析
• 6.1 加载系统与农具受力分析
• 6.2 提升与下降试验
• 6.3 力调节阶跃响应试验
• 6.4 力调节消扰试验
• 6.5 本章小结
• 结论与建议
• 参考文献
• 致谢
• 研究生期间撰写发表的论文