特种作业安全技术论文提纲

论文题目：高地隙喷雾机侧倾稳定性建模及控制方法研究

摘要：自走式高地隙喷雾机特种作业车在果园,农作物后期病虫害防止中,因工作效率高,喷洒效果好,而广泛使用。然而,由于工作环境复杂,道路斜坡崎岖不平,特别是药箱在非满载情况下,液体晃动,车-液耦合严重,喷雾机侧翻极易造成人员伤亡和经济损失。显然,喷雾机作业车的通过性和侧倾稳定性问题已成为限制其技术推广的核心问题。然而,国内外对侧倾稳定性问题的研究主要针对客车、轿车、重型货车以及特殊工程车辆。在此背景下,借鉴前人对常规车辆以及液罐车的横向稳定性研究。同时,结合喷雾机作业车的特殊工况和结构,研究喷雾机特种作业车的主动安全技术,并进行相应控制器的开发,对喷雾机的行驶安全具有重要意义。文中建立喷雾机特种作业车的车-液耦合动力学模型,以车-液耦合动力学模型为基础,提出变论域模糊PID控制策略。并基于比例模型的相似性准则原理,搭建作业车比例模型测试系统,对变论域模糊PID控制策略进行验证,硕士阶段的全文主要工作如下:1.基于喷雾机作业车的实际作业工况,文中采用流体体积法（VOF）对喷雾机车-液耦合动力学简化。首先利用隔离法获取药箱受到路面激励时的加速物理模型,然后,利用Fluent流体仿真软件对药箱在不同作业工况（不同充液比、不同作业速度、不同路面倾角）受到侧倾加速度激励时,对药箱壁面冲击力进行数值模拟。其次,利用Matlab对冲击力进行曲线拟合,得到喷雾机不同工况下的冲击力函数束。最后,将冲击力函数加载到ADAMS虚拟作业车质心,成功的解决了ADAMS无法定义和模拟变负载下喷雾机作业工况。2.在建立喷雾机作业车三维虚拟样机模型的基础上,文中在ADAMS中选择Fiala解析轮胎模型,并对相关参数进行设定。依据ADAMS不平随机路面的生成原理,基于谐波叠加法,利用Matlab编程对E、F级不平度系数拟合,实现了与ADAMS数据交换,最终生成ADAMS可直接识别的.rdf文件。文中基于田口试验设计原理,以E、F级随机路面为噪声因子,设计三因素三水平田口试验方案,通过虚拟仿真试验,得到仿真时考虑液体冲击的LTR明显比未考虑变化更加明显,证明了变负载下ADAMS与Fluent车-液耦合动力学联合仿真的正确性。3.文中通过建立喷雾机六自由度数学模型,推导出作业行驶时加速度稳定性控制参数。基于加速度稳定性控制原理,借助ADAMS/Controls模块,确定了ADAMS虚拟喷雾机耦合模型的输入和输出,基于变论域理论,设计了变论域模糊PID控制器,并在Matlab/Simulink中建立了喷雾机稳定性控制系统仿真试验平台,通过ADAMS与Simulink的联合仿真发现:施加变论域模糊PID可以保证喷雾机侧倾加速度稳定在±2g,俯仰加速度稳定在±4g,相比普通模糊PID和PID控制策略,安全裕度更高,控制效果更好。4.基于比例模型的相似性准则,文中利用3D打印技术,一次性成型打印喷雾机的行走系、喷杆、车架和水箱,经装配后形成喷雾机比例模型,并基于路面谱国际标准制作了E、F级随机路面,根据现有的实验条件对微控制器和传感器进行选取,最终完成比例喷雾机模型测试系统的搭建,对变论域模糊PID控制策略进行实验验证,得到垂直载荷转移率、侧倾加速度和俯仰加速度的姿态变化仿真值与实验值相对误差在20%以内,仿真值与实验结果基本一致,进一步说明了变论域模糊PID控制策略的可行性。

关键词：高地隙喷雾机;变负载;车-液耦合;变论域模糊控制;相似性准则;比例模型

学科专业：机械工程

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 研究内容

1.4 全文技术路线

1.5 本章总结

第二章 变负载喷雾机车-液耦合动力学建模

2.1 车-液耦合动力学简化模型类型

2.2 药箱液体晃动动力学理论分析

2.2.1 药箱内液体受迫晃动运动形式

2.2.2 液体晃动的数值计算方法

2.3 变负载Fluent数值计算与分析

2.3.1 Fluent仿真流程

2.3.2 药箱网格的划分

2.3.3 变负载数值计算分析

2.3.4 数值计算的结果

2.4 本章小结

第三章 喷雾机车-液耦合动力学联合仿真分析

3.1 高地隙喷雾机虚拟样机模型

3.2 轮胎模型的建立

3.3 随机路面模型的建立

3.3.1 ADAMS随机路面生成原理

3.3.2 ADAMS随机路面的生成

3.4 ADAMS喷雾机仿真过程

3.5 ADAMS喷雾机虚拟仿真试验方案

3.5.1 仿真分析试验指标的确定

3.5.2 田口试验方案

3.6 仿真试验结果分析

3.7 本章小结

第四章 高地隙喷雾机稳定性控制系统建模与策略研究

4.1 高地隙喷雾机稳定性控制系统理论分析

4.1.1 喷雾机六自由度数学模型建立

4.1.2 喷雾机加速度控制原理

4.1.3 PID原理在喷雾机稳定性控制的应用

4.2 喷雾机稳定性控制系统的建立

4.2.1 ADAMS控制系统建立方法

4.2.2 ADAMS虚拟机械控制系统的建立

4.2.3 模糊控制工作原理

4.2.4 模糊PID控制器的设计

4.2.5 喷雾机变论域模糊PID控制原理

4.2.6 喷雾机变论域模糊PID控制器的设计

4.2.7 Adams喷雾机与Simulink联合仿真结果分析

4.3 本章节总结

第五章 高地隙喷雾机稳定性控制系统比例模型实验验证

5.1 比例模型实验验证的理论依据

5.2 喷雾机稳定性控制系统的硬件结构设计

5.2.1 比例模型和随机路面的制作

5.2.2 微控制器和传感器等元件的选取

5.3 喷雾机比例模型实验

5.4 喷雾机比例模型实验结果分析

5.5 本章总结

第六章 总结与展望

6.1 全文工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

硕士期间主要成果

石河子大学硕士研究生学位论文导师评阅表