Design and test of a trenching depth control system based on laser sensor
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摘要:目的
针对链式开沟机开沟深度难以精确调节的问题，设计一种基于激光传感器的开沟深度控制系统。
方法采用激光三角反射式位移传感器实时检测开沟深度，并与设定目标值比较；通过控制系统决策驱动液压系统与执行机构，实现开沟深度的闭环控制；通过田间试验，比较了开沟深度控制系统开启前后控制精度和稳定性。
结果静态试验结果表明，当开沟深度检测值与目标值相差±50 mm时，系统响应时间分别为0.19和0.31 s，最大控制误差3 mm。田间试验表明，开沟深度分别为200、300和400 mm，前进速度为3 km·h–1时，启动开沟深度控制系统后，链式开沟机开沟深度的控制精度和稳定性均得到提高；与关闭系统相比，启动系统后控制精度提高了2.3%，稳定性系数提高了4.3%。
结论该控制系统响应迅速、控制精度较高，控制误差满足了设置要求。研究结果为链式开沟机开沟深度控制提供了一种解决方法。
Abstract:ObjectiveTo design a kind of trenching depth control system based on laser sensor, so as to solve the problem that it is difficult to adjust accurately the trenching depth of chain trencher.
MethodThe laser triangular-reflecting displacement sensor was used to detect the trenching depth in real time, which was compared with the target value. The closed-loop control of trenching depth was realized by the control system making decision and driving hydraulic system and actuator. The field experiment was conducted to compare the control precision and stability before and after enabling the system.
ResultThe result of static test showed that when the different values between the detection depth and the target depth were ±50 mm, the response time of the system were 0.19 and 0.31 s respectively, and the maximum control error was 3 mm. The field test showed that when the trenching depths were 200, 300 and 400 mm respectively at the speed of 3 km·h–1, the control precision and stability for trenching depth of the chain trencher were improved after starting the control system. Compared with closing the system, the control precision and stability coefficients increased by 2.3% and 4.3% respectively after opening the system.
ConclusionThis control system responds quickly with a high control accuracy, and the control error satisfies the set requirements. The result provides a solution for controlling the trenching depth of the chain trencher.
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Keywords:
- laser sensor /
- control system /
- chain trencher /
- trenching depth /
- design and test /
- control accuracy /
- constancy
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图 2 链式开沟机结构图
1：挂接机构；2：机架；3：控制阀组；4：液压缸；5：升降架；6：激光传感器；7：开沟链组合
Figure 2. The structure diagram of chain trencher
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图 3 液压系统原理图
1： 拖拉机液压快速接头；2：电液比例控制阀；3：两位三通电磁阀；4：液压缸
Figure 3. The schematic diagram of hydraulic system
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图 6 激光三角反射式位移传感器测距原理图
Figure 6. The principle diagram of distance measurement of laser triangular reflection displacement sensor
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图 8 开沟深度稳定性系数
Figure 8. The stability coefficient of trenching depth of chain trencher
表 1 田间试验的土壤参数
Table 1 Parameters of soil in the field experiment
深度/mm 容重/(g·cm–3) 含水量(w)/％ 坚实度/MPa 0~100 1.31 21.63 0.91 100~200 1.48 18.45 1.89 200~300 1.55 16.83 2.34 300~400 1.58 15.97 2.87 
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表 2 不同的选定开沟深度下系统启用前后的实际测量结果
Table 2 The measurement results of different selected trenching depths before and after enabling the system mm
试验点 200 mm 300 mm 400 mm 关闭 启动 关闭 启动 关闭 启动 1 156 213 351 296 422 366 2 181 172 269 319 353 421 3 233 166 344 271 371 396 4 165 187 278 288 353 373 5 178 191 353 323 465 425 6 189 209 286 262 356 376 7 233 196 336 271 449 428 8 239 179 245 322 386 386 9 196 189 329 289 331 389 10 206 216 347 311 418 438 平均值 184.6 191.8 313.8 295.2 390.4 399.8
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