答辩博士：孙晓旭
指导老师：鲁植雄教授
论文题目:拖拉机电液悬挂系统耕深自适应控制方法研究
答辩委员会：
主席：
肖茂华教授/博导 南京农业大学
委员：
俞高红教授/博导 浙江理工大学
朱 林教授/博导 安徽农业大学
郑恩来教授/博导 南京农业大学
陈坤杰教授/博导 南京农业大学
秘书：
朱烨均 南京农业大学
答辩时间：2025年5月19号10时30分
答辩地点：滨江校区工学院12号楼B441
论文简介：
拖拉机电液悬挂系统是实现拖拉机与作业农机具连接的核心部件，其性能优劣直接影响拖拉机整个作业机组的作业质量。故研究性能稳定，生产效率高，作业质量好，能源消耗低的拖拉机电液悬挂系统，受到广大农机行业的重视。由于田间作业环境的复杂性和作业类型的多样性，使得拖拉机在作业过程中常表现出扰动复杂，阻力波动大等特性，从而给电液悬挂系统的精准控制带来难题。本文以拖拉机电液悬挂系统为研究对象，针对目前拖拉机电液悬挂系统在犁耕阻力发生变化时存在适应性不足、作业质量差、牵引效率低以及能耗大等问题开展深入研究。主要研究内容与结论如下：
（1）拖拉机电液悬挂系统试验平台搭建。针对拖拉机电液悬挂系统结构组成和工作需求，以沃德854拖拉机为原型，对其传统机械液压悬挂系统进行智能化改进。完成了台架相关硬件组成的结构设计与选型；基于电液悬挂系统的工作原理，设计了一种基于螺纹插装阀的拖拉机电液悬挂耕深控制系统液压原理方案并加工了阀块；基于理论分析与田间测试结果，提出了一种应用电液比例阀的双油缸加载控制方案，实现田间稳态阻力和动态阻力的模拟；基于LABVIEW和CODESYS，完成了整个试验平台测控系统、人机交互界面以及CAN通讯系统的设计，并完成了相关传感器标定试验和台架响应性能试验。结果表明，耕深控制稳态误差小于等于3.0%，总体响应时间小于等于2.02 s；加载控制稳态误差小于等于2.9%，总体响应时间小于等于1.42 s。均达到所提出的设计要求，能够满足拖拉机电液悬挂系统的工作需要。
（2）拖拉机电液悬挂耕深控制系统模型建立。基于拖拉机电液悬挂耕深控制系统液压原理，对电液悬挂液压系统进行了动力学分析；对三点悬挂机构进行了运动学分析，得到了提升油缸位移与三点悬挂机构杆件之间的运动学关系，并考虑拖拉机车身姿态对耕深的影响，对耕深进行了补偿；对三点悬挂机构与农具进行了受力分析，得到了基于上拉杆力传感器的犁耕阻力感知模型；考虑犁耕作业过程中拖拉机轮胎垂直载荷转移的现象，构建了拖拉机纵平面力矩平衡关系，并分析了拖拉机电液悬挂犁耕作业机组纵向力平衡关系，建立了拖拉机电液悬挂犁耕作业机组动力学模型。对建立的三点悬挂杆件运动学关系以及基于上拉杆力的犁耕阻力感知模型进行了仿真分析和台架试验验证，结果表明，仿真与试验结果平均相对误差不超过7%，验证了所搭建模型的准确性。
（3）基于WTD-SSA-LSSVM组合模型的拖拉机犁耕阻力预测方法研究。搭建了拖拉机田间犁耕作业耕作参数采集试验平台，实现了对犁耕作业过程中耕深、车速、轮速、上拉杆力以及牵引力的采集；设计了田间耕作参数小波阈值去噪方法并基于正交试验对最优去噪参数进行了确定；提出了基于WTD-SSA-LSSVM组合模型的拖拉机犁耕阻力预测方法，通过耕深、车速、轮速和上拉杆力实现了犁耕阻力的精准预测。预测结果表明，WTD-SSA-LSSVM组合模型的R2、MAE、RMSE和MAPE分别为0.970、118.1 N、151.4 N和2.2%，均表现出较低的误差和较高的拟合效果。相对于LSSVM和SSA-LSSVM两种方法，WTD-SSA-LSSVM组合模型预测方法的R2分别提高了8.9%和5.4%；MAE分别降低了49.7%和42.2%；RMSE分别降低了46.7%和39.1%；MAPE分别降低了56.8%和48.8%。通过对采用不同预测参数作为输入的预测方法进行对比，结果表明，采用耕深、车速、轮速和上拉杆力四种耕作参数作为输入时，预测结果的R2较仅采用耕深、仅采用上拉杆力，采用耕深和上拉杆力、以及采用耕深、上拉杆力和车速作为输入的情况分别提高48.5%、20.5%、6.5%和0.8%；而MAE分别降低71.5%，62.5%、32.5%和3.0%；RMSE分别降低了70.4%、60.5%、36.4%和3.7%。这些结果验证了本文提出的犁耕阻力预测方法的准确性。
（4）基于变综合度系数的拖拉机力位综合耕深控制方法研究。基于试验平台实测响应数据，进行了拖拉机电液悬挂液压系统模型的参数辨识。提出了以耕深均匀性、负荷稳定性和牵引效率的作业质量评价指标并引入折衷规划法建立综合评价指标，使用层次分析法计算了不同工况各个评价指标的权重值。基于参数辨识结果，建立了力位综合耕深控制仿真模型，以耕深、土壤比阻和综合度系数为变量，进行了全因子样本试验，得到了不同工况下的期望力位综合度系数并基于SSA-LSSVM搭建了最优力位综合度系数模型；设计了基于反正切切换项的耕深全局滑模控制器。对本文提出的变综合度力位综合耕深控制方法进行了仿真与试验验证。试验结果表明，相比于固定综合度系数的控制方法，变综合度控制方法可以随着目标耕深和土壤比阻的改变实现综合度系数的自适应调整，提高作业质量的同时，提高了电液悬挂系统面向复杂作业环境的适应性和智能化水平。
（5）基于整机效率-经济性最佳的拖拉机耕深-车速协同控制方法研究。分析了现有拖拉机耕深控制方法，建立了基于耕深调节的滑转率控制模型；提出了拖拉机整机效率-经济性的综合性能评价指标，基于循环搜索算法，对不同工况下耕深-车速协同控制目标进行了决策优化；设计了基于滑模变结构控制算法的速度控制器；对耕深-车速协同控制方法与基于耕深调节的滑转率控制方法进行了对比分析。结果表明，在平均滑转率和牵引效率基本保持相同的情况下，基于耕深调节的滑转率控制方法的实际耕深与目标耕深之间的存在6.2cm的偏差；对耕深-车速协同控制方法与仅进行耕深控制的方法进行了对比分析。试验结果表明，相较于仅进行耕深控制的方法，在低负荷作业时，本文提出的耕深-车速协同控制方法可使牵引效率和整机效率-经济性分别提高了21.9%和28.3%；燃油消耗率降低了4.9%；在中负荷作业时，牵引效率和整机效率-经济性分别提高了22.2%和33.2%；燃油消耗率降低了8.3%；在高负荷作业时，牵引效率和整机效率-经济性分别提高了21.9%和28.3%；燃油消耗率降低了4.9%。结果表明，本文提出的方法在保证作业质量的同时可以有效提高拖拉机的作业效率，降低作业过程中的燃油消耗。
本文创新点如下：
（1）建立了一种基于WTD-SSA-LSSVM的拖拉机犁耕阻力组合预测模型。其中，WTD对田间耕作参数进行去噪处理，有效降低了测量噪声对预测精度的影响；SSA对LSSVM辨识模型中的关键参数进行优化。该组合预测模型有效提高了拖拉机犁耕阻力的预测精度。
（2）提出了一种变综合度系数的拖拉机电液悬挂力位综合耕深控制方法。该方法可以根据目标耕深和土壤比阻实现综合度系数的自适应调节，解决了传统依靠驾驶员经验无法适应复杂的作业环境的问题。提高作业质量的同时增强了系统的适应性。
（3）开发了一种拖拉机耕深-车速协同控制系统。该系统基于拖拉机整机效率-经济性性能评价指标实现不同土壤比阻下耕深-车速协同控制目标的决策优化。保证作业质量的同时，可以有效提高拖拉机作业效率，降低作业过程中的燃油消耗。
