自动调偏式单行大姜播种机的设计与试验

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针对我国大姜种植机械化水平低的现状,为解决小地块大姜机械化播种过程中自动化水平低的问题,本文设计了一款自动调偏式单行大姜播种机,满足小地块生姜种植精确定量、等距播种的农艺要求,实现播种机作业行进过程中机体走偏的自动调正功能,满足大姜播种的农艺品质要求,自动化程度较高。主要工作内容和结论如下:(1)根据小地块生姜播种的农艺要求,制定了自动调偏式单行大姜播种机的整机结构设计方案,对关键部件的机械结构和相关参数进行设计和计算。设计带有若干姜种保持机构的输送带式播种装置,经分析计算可得姜种保持机构关键结构参数的最佳取值,满足姜种株距水平均匀一致、姜种姜芽朝向相同的农艺要求。设计播种机传动机构,计算分析可得播种机行进速度与输送带运动速度关系比μ为1,传动机构实现整机行进与输送带投种的同步性,可通过控制播种机行进速度控制姜种的投种速度。(2)针对播种机作业行进中机体易走偏的问题,进行差速法调偏的运动过程控制分析与建模,基于李雅普诺夫稳定性理论提出一种状态反馈控制算法,并据此设计差速调偏运动控制器实现播种机的差速调偏控制。依据提出的状态反馈控制率开发一套自动调偏控制系统,硬件部分主要包括控制器、触发装置、检测装置和执行机构等;软件部分采用加权平均值数字滤波算法消除数据采集时随机干扰造成的噪声影响,Matlab仿真结果证明滤波效果可以达到系统工作精度要求的降噪水平。(3)为实现控制系统对两侧驱动电机的精确控制,建立直流无刷电机数学模型,采用外环速度环、内环电流环的双闭环电机调速控制,并设计自适应模糊PI控制器实现PI参数的自整定。利用Matlab/Simulink搭建电机控制模型进行仿真分析,结果证明模糊PI控制闭环调速系统的超调量小于3%,具有良好的动态特性和静态特性,满足系统对差速调偏运动控制稳定性、精确性以及快速性的要求。为评估本文设计的差速调偏运动控制算法模型的控制性能,在Matlab/Simulink环境下搭建运动控制系统仿真模型,对播种机调偏运动过程分别进行直线轨迹跟踪和圆形轨迹跟踪仿真试验。仿真结果表明此状态反馈控制方法具有较好控制效果,轨迹跟踪的各误差状态量均能快速收敛至0,差速调偏运动控制器在给定的初始误差条件下可快速实现直线轨迹与圆形轨迹的跟踪控制,控制过程具有准确性和稳定性的特点,此控制方法可实现播种机差速调偏过程的运动控制。(4)对自动调偏式单行大姜播种机进行机体自动调偏功能试验跟姜种的播种性能检测试验。试验结果表明自动调偏控制系统作业性能稳定,各调偏控制误差均在可接受范围内,满足播种机自动调偏的控制精度要求。基于Box-Behnken中心组合理论进行响应面试验,根据响应面图对试验结果进行分析,并对播种机的相关参数进行优化,得到最佳工作参数,最后通过田间试验验证证明了株距合格率>98%,试验结果表明单行大姜播种机满足小地块播种的农艺要求。
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