基于路谱的车载喷雾器喷杆振动联合仿真系统

吴伟斌 ，冯运琳 ，许棚搏，张建莉 ，洪添胜，游展辉 ，朱高伟

( 1.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州　510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州　510642；3.华南农业大学 工程学院，广州　510642 )



基于路谱的车载喷雾器喷杆振动联合仿真系统

吴伟斌1,2,3，冯运琳3，许棚搏3，张建莉3，洪添胜1,2,3，游展辉3，朱高伟3

( 1.南方农业机械与装备关键技术教育部重点实验室，广州510642；2.国家柑橘产业技术体系机械研究室，广州510642；3.华南农业大学 工程学院，广州510642 )

摘要：在农业药物喷雾过程中，由于喷雾器在水平和垂直方向不必要的频繁运动，造成喷雾的不足或过量，产生农药的浪费、残留和环境污染等问题。为此，设计一种按照不同地形、不同振动程度进行实时调节的喷雾系统，并进行仿真测试。首先通过ADAMS和MatLab建模，然后使用五轮仪进行路谱数据采集并结合LabVIEW进行联合仿真，与此同时进行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g这3种正弦激励的试验。数据显示：当振幅由0.5g增至1g时，加速度的增幅将近50%；当频率从1Hz增至2Hz时，加速度的增幅则超过了50%。在速度为5km/h和8km/h的两种情况下进行实地与仿真测试,仿真的结果与路面激励下喷雾器喷杆的实际振动情况基本相符。

关键词：车载喷雾器；虚拟样机；联合仿真；路谱

0引言

随着可持续发展和生态农业观念的广泛普及，我国在农药喷施和雾化机械的研究逐渐深入[1]。经过多年的研究，国内外专家认为喷雾的雾滴大小直接影响农药的使用剂量和防治效果[2-5]，应采用先进技术使雾粒径针对不同的生物靶标保持在适宜范围内，减少飘移。喷雾技术向小雾滴方向发展，是当前改善传统喷雾器械的趋势[6-11]。因此，对微喷头喷雾分布质量的研究成为喷雾器械研究的一个新的方向。

使用先进的农药喷施技术是解决农药残留量问题的有效措施之一。目前主要存在的问题：喷杆振动大、不平衡；影响雾滴质量(颗粒大小、穿透性、飘移性)；影响喷施均匀性，当流量小时造成喷洒不够均匀，当流量大时造成药液流失污染环境；影响喷施效果，不能满足植物对药液的实际需求[12-14]。

起伏不平的路谱会引起机械的振动[15]，特别是喷杆系统的振动，成为影响喷雾质量不容忽略的一个因素。因此，本文进行基于路谱的车载喷雾器喷杆系统研究并进行仿真测试。

1振动原因分析

以农用喷杆式喷雾机为例，当轮胎与土壤接触时，由于没有限制喷杆式喷雾机机构的自由度，所以它有6个自由度：3个平移和3个转动，如图1所示。围绕X、Y、Z旋转的分别是俯仰、滚动和偏转。喷杆式喷雾机及轮胎的特点决定了地面的起伏作用于喷杆式喷雾机上，引起喷杆的振动。

图1　喷杆式喷雾机自由度示意

喷杆式喷雾机的车轮和地面接触由两个力组成：径向的接触力和切向的摩擦力，而径向的接触力就是引起垂直振动的激励源。

2系统构建

2.1　建立仿真模型

由于汽车动力学模型的应用领域不同，对模型的精度要求也不一样，一方面要求模拟部分汽车动力学特性，另一方面要求有控制系统。所以，采用ADAMS和MatLab分别对农用运输机的机械系统和控制系统建模，并实现ADAMS环境下建立的虚拟样机模型与SIMULINK环境下建立的模型之间的通讯，进行在环仿真研究。

ADAMS和MATLA通过状态变量进行通讯，如图2所示。因此，必须基于一组状态变量进行输入、输出定义。

在ADAMS/Controls中，输出是指从ADAMS到控制软件的数据，输入是指从控制软件传回ADAMS的数据，通过输入输出实现ADAMS和控制软件之间的信息闭合循环，即软件在环仿真。

图2　ADAMS/View虚拟样机与MATLAB接口图

2.2　基于LabVIEW/Simulink的仿真系统

将MatLab的Simulink开发工具和LabVIEW的仿真接口工具包(Simulation Interface Toolkit，简称SIT)相结合，对控制器的控制逻辑、控制对象环境进行建模仿真[11-12]，以在前期就对系统指标、误差等进行快速评估，如图3所示。

图3　基于LabVIEW/Simulink的仿真系统结构图

2.3　路面谱分析原理

道路是车辆振动最主要的输入源, 研究路面不平度的统计规律是研究汽车振动与平顺性的重要基础工作[13-16]。车辆近似作为线性系统处理, 掌握了输入的路面不平度功率谱及车辆系统的动态特性，就可求出喷杆式喷雾机振动系统的输出。

时间频率、空间频率路面谱密度公式为

(1)

(2)

其中，Sq(f)为时间频率路面自功率谱密度；Sq(n)为空间频率路面自功率谱密度；Sz(f)为五轮轴头道路实测时间频率加速度自功率谱密度；Hy-x(f)为轮边(激振台台面)至五轮轴头的频率响应函数(传递函数)。

目前，我国在路面谱采集方面较为完善，最为简单有效的方法是采用五轮仪法，把五轮仪根据实际安装角度安装在振动台上，如图4所示。

图4　五轮仪在振动台上安装示意图

2.4　系统结构图

实时仿真系统结构如图5所示。五轮仪用刚性材料与车辆连接，在行驶的过程中，地面的起伏引起五轮仪的垂直振动。DAQ采集卡将加速度传感器产生的数据通过USB数据线传送到计算机内部，最后在ADAMS/View中实时仿真，并将仿真的结果输出到LabVIEW进行保存。

图5 系统结构图

3试验过程

3.1　激振试验

完成3组标准激振试验：①1Hz0.5g正弦激励下激励与响应；②2Hz0.5g正弦激励下激励与响应；③1Hz1g正弦激励下激励与响应。激振试验现场如图6所示。

图6　激振试验现场图

3.2　测量信号采集

采用LabVIEW进行激振试验的数据采集，程序框图如图7、图8所示。

图7　激振试验的数据采集前面板

图8　LabVIEW程序框图

3.3　结果数据

3组激振试验测量信号结果如表1～表3所示。

表1　1Hz0.5g正弦激励下激励与响应

续表1

表2　2Hz0.5g正弦激励下激励与响应

表3　1Hz1g正弦激励下激励与响应

4数据分析

4.1　离散系统的模型辨识

通过3组标准试验得到不同振幅和频率激励下的数据，将结果转换成离散传递函数模型，则

试验结果对比分别如图8～图10所示。

图9　1Hz0.5g正弦激励下激励与响应

图10　2Hz0.5g正弦激励下激励与响应

图11　1Hz1g正弦激励下激励与响应

振幅的大小代表路面不平度，而频率变化则代表着行驶车速。

对比3组试验，随着激励振幅和频率的增大，加速度也随之增大。比较图8和图9可知：当振幅由0.5g增至1g时，簧载质量加速度的增幅将近50%左右；而当频率从1Hz增至2Hz时，簧载质量加速度的增幅则超过了50%。

4.2　激励信号还原与仿真

加速度传感器采集信号为

Y=H·X

其中，Y为加速度传感器采集到的信号；H为传递函数(从地面激励到加速度传感器轴头)；X为地面激励信号。

由X=H-1·Y得到还原地面激励信号X,结果如图12和图13所示。其分别为不同车速的加速度传感器上采集到的加速度信号还原得到的路面加速度激励信号和通过虚拟样机仿真得到的喷杆振动响应信号。

图12　激励与响应(速度5km/h)

图13　激励与响应(速度8km/h)

由图12和图13可知：在速度为5km/h和8km/h两种情况下，仿真的结果与路面激励下喷雾器喷杆的实际振动情况基本相符。这说明，系统较准确可靠。

5结论

1)建立接口实现3种软件的联合仿真。在ADAMS/View中确定输入输出变量，然后导出控制MatLab参数控制参数，再应用SIT实现LabVIEW与MatLab的连接，实现了实时仿真，为研究创建一个简单方便的平台。

2)针对目前喷雾过程中不能根据地面特性进行动态调节喷杆喷雾的情况，设计一种依据不同地形、不同振动程度进行实时调节的喷雾系统并进行仿真测试，并进行1Hz0.5g、2Hz0.5g、1Hz1g这3种正弦激励的试验。结果表明：当振幅由0.5g增至1g时，加速度的增幅将近50%；当频率从1Hz增至2Hz时，加速度的增幅则超过了50%。

3)在速度为5km/h和8km/h的两种情况下，通过传感器采集实地路面信号，同时进行仿真测试，将实际数据与仿真数据对比。结果显示：仿真的结果与路面激励下喷雾器喷杆的实际振动情况基本相符，满足系统设计要求。

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Joint Simulation System of Vehicle Sprayer Vibration Based on Road Spectrum

Wu Weibin1,2,3, Feng Yunlin3, Xu Pengbo3, Zhang Jiangli3, Hong Tiansheng1,2,3,You Zhanghui3, Zhu Gaowei3

( 1.Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China;2.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System，Guangzhou 510642,China；3.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China )

Abstract：In the process of drug spraying in agriculture currently, due to the nebulizer frequent and unnecessary movement in the horizontal and vertical directions, it resulted in spraying insufficiently or excessively, caused many issues such as waste, residue, environmental pollution and so on. Therefore we designed a spray system that carried out real-time adjustment and made simulation tests which according to different topography and vary degrees of vibration. ADAMS and MATLAB were applied to model firstly, and then the data of road spectral were collected through the fifth wheel method and made the co-simulation with LabVIEW, meanwhile we conducted three kinds of sinusoidal excitation experiments which were 1Hz0.5g, 2Hz0.5g,1Hz1g.With data displayed that, when the amplitude increased from 0.5g to 1g,the growth in acceleration was nearly 50%,when the frequency was increased from 1Hz to 2Hz, the growth in acceleration was more than 50%. The test of reality and simulation were both carried out under the conditions of 5km / h and 8km / h, the simulation results conformed to the actual situation nearly.

Key words：car sprayer; virtual prototyping ; joint simulation; real-time simulation; road spectrum

中图分类号：S491；S237

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)08-0227-05

作者简介：吴伟斌(1978-)，男，广东中山人，教授，博士，(E-mail)wuweibin@scau.edu.cn。通讯作者：洪添胜(1955-)，男，广东梅县人，教授，博士生导师，博士，(E-mail)tshong@scau.edu.cn。

基金项目：公益性行业(农业)科研专项(201203016,201403036)；广东省惠州市产学研结合项目(2013B050013015)；“十二五”国家科技支撑计划项目(2014BAD16B0103)

收稿日期：2015-07-20