用于自激振动旋转耕刀的双环控制系统：复合运动参数的优化设计，旨在抑制耕作深度的波动

自激振动旋转犁刀（SEVRT blade）虽降低能耗并延长寿命，但振动导致轨迹不稳定，影响耕作深度和土壤均匀性。本文提出基于拖拉机前进速度和刀轴转速调节的动态控制策略，通过建立刀尖运动 kinematic 模型优化参数，开发含嵌入式力传感器、ADC模块、突变检测和控制算法的系统。田间试验表明耕作深度稳定性系数提升4.25%，土壤破碎率与传统犁刀差异小于1.5%，验证了控制有效性。

　　

谢晨硕|李慧洁|朱叶军|肖茂华|李东方|刘泽

南京农业大学工程学院，中国南京

摘要

自激振动旋转耕刀（SEVRT刀）为传统旋转耕刀在重耕条件下面临的高能耗、快速磨损和短使用寿命问题提供了有效的解决方案。然而，其振动结构往往导致轨迹不稳定，从而产生较大的耕深波动和不规则的沟底，影响土壤均匀性和根系生长。为了解决这个问题，本研究提出了一种基于拖拉机前进速度和刀轴速度调节的动态控制策略。建立了刀尖轨迹的运动学模型，分析了弹簧刚度、阻尼系数和工作参数对轨迹偏差的影响，并通过仿真确定了最佳参数。在此基础上，开发了一个动态控制系统，该系统集成了嵌入式力传感器、模数转换器（ADC）模块、突变检测和控制算法。通过监测沟底压力的突变作为沟底隆起的指示器，系统采用双闭环控制策略，在最佳轨迹控制参数和农艺操作要求之间实现拖拉机速度和刀轴速度的自适应调整。田间实验表明，耕深稳定性提高了4.25%。与传统旋转耕刀相比，土壤破碎率相差不到1.5%，从而证实了耕质未受到影响。本研究为SEVRT刀的轨迹控制和节能运行提供了可行的解决方案，对提高耕质、增强工具可靠性以及促进此类刀具的实际应用具有重要意义。

引言

耕作操作是农业生产中的基本任务，可以有效重构土壤团聚体，增强水分保持能力，清除田间杂草，并促进土壤养分和有机质的积累，从而为作物生长提供有利的土壤基础和环境[1]、[2]、[3]。近年来，基于自激振动理论的新型旋转耕刀因其能够将扭矩能耗降低10%以上而受到广泛关注。它们在减少切割阻力、延长工具寿命和提高耕作效率方面表现出显著优势[4]、[5]。然而，在实际操作中，自激振动结构中的弹性元件与土壤之间的相互作用导致刀在振动过程中的轨迹发生显著波动，从而产生耕深不稳定、沟底不均匀和土壤层厚度不一致等问题。这些问题不仅影响作物的根系均匀生长和养分吸收，还削弱了土壤保持水分和肥料的能力，最终降低作物产量。因此，深入研究动态工作条件下SEVRT刀的耕深控制和土壤破碎一致性对于提高耕质、延长工具寿命和确保操作稳定性具有重要意义。

目前关于耕质、稳定性和效率的研究主要集中在耕作部件与土壤之间的相互作用机制以及工作参数的优化上。B?gel等人[6]研究了不同耕深和速度对选定土壤横截面参数的影响，得出结论认为土壤扰动和松散主要受耕深影响。Zhang等人[7]研究了土壤与工具之间的接触面积对土壤位移的影响，通过不同耕深和坡度的实验表明，耕深是影响土壤位移距离的关键因素，较陡的坡度会放大这种效应。Aday和Ramadhan[8]、Hoseinian等人[9]、Matin等人[10]等进行了田间实验，分析了耕作部件的几何参数对耕作阻力和土壤扰动特性的影响，提出了优化设计以提高操作效率和改善土壤结构。在计算方法方面，多项研究使用计算流体动力学（CFD）和离散元方法（DEM）模拟研究了土壤-工具相互作用机制。Zhu等人[11]利用CFD模拟了水平可逆犁（HRP）与土壤之间的相互作用，预测了不同耕深和速度下的表面压力分布。Mudarisov等人[12]和Tang等人[13]开发了一个模拟耕作过程的模型，通过实验和仿真校准关键参数，验证了模型准确性，并指定了初始和边界条件、土壤物理和机械性质以及介质粘附比，为研究土壤-工具相互作用和优化工具设计以提高操作效率提供了有效方法。Razzaghi和Sohrabi[14]提出了一种基于极坐标系的振动耕作工具的新型动态分析方法。通过数学建模，他们研究了振动频率、振幅和前进速度对工具性能的影响，证明了振动耕作工具显著降低了牵引阻力。

为了研究拖拉机状态控制和农具耦合对操作质量的影响，Wang等人[15]系统回顾了与拖拉机横向稳定性相关的运动学和动力学模型，提供了拖拉机稳定性控制方法的全面概述，并分析了主动姿态和稳定性控制技术。在此基础上，Zhang等人[16]提出了一种基于多通道时间序列预测的多层控制策略，该策略在坡地作业中提高了拖拉机的稳定性和驱动效率。通过在前轴配备独立制动器和后轴配备电子限滑差速器，将拖拉机运行过程中收集的多个动态信号（如四个车轮上的垂直载荷、耕作阻力和偏航扰动扭矩）视为多变量时间序列信号。为了解决这些信号的强非线性和时变特性，开发了一种基于径向基函数神经网络的短期预测模型。该模型能够在短时间内预测关键动态信号，从而提前感知未来系统状态，便于优化拖拉机横向稳定性和轮胎效率的控制。Huang等人[17]对园艺电动拖拉机的旋转耕作参数进行了多目标优化和实验分析。通过结合模糊层次分析和改进的灰狼优化算法，他们开发了一种多目标优化方法，考虑了土壤破碎率、耕深稳定系数和单位面积能耗。建立了一个旋转耕作监控和控制系统，以获取多源原始信号，包括电流、电压、转速、惯性测量单元和倾斜传感器数据。这些模拟和数字信号经过校准、线性映射和时间同步，转换为适用于功率计算、转速估计和操作状态评估的物理量，如电机功率、耕深和行驶速度。在此基础上，使用脉冲频率分析实现了电机速度信号处理，并在控制回路中构建了基于离散采样信号的增量PID控制策略，从而优化了拖拉机前进速度、旋转耕刀滚轮速度和耕深。Wang等人[18]提出了一种基于电机温度补偿的电动拖拉机自适应耕作控制方法。为了解决耕作过程中电机温度升高导致的牵引性能不稳定问题，他们开发了一种温度补偿的永磁同步电机矢量控制模型，并将其与模糊神经网络算法结合，共同控制拖拉机速度和滑移率。实验结果表明，该方法显著提高了拖拉机的牵引效率，减少了速度和滑移率的波动，增强了耕作稳定性，为电动拖拉机的精确农业应用提供了技术支持。Hirasawa等人[19]研究了旋转耕刀的功率需求与拖拉机动力输出（PTO）速度之间的关系，发现功率需求与耕作间距成反比——即在相同的前进速度下，较小的间距需要更高的功率。Kim等人[20]使用DEM和多体动力学（MBD）开发了一个全尺寸的土壤-工具-拖拉机耦合模型，实现了不同耕深、前进速度和阻力水平的预测精度超过90%，使得传统田间试验可以逐步被基于数字孪生的仿真替代。Patidar等人[21]研究了不同速度比（u/v）和工作深度对工具牵引力和扭矩需求的影响。

总之，尽管现有研究在评估旋转耕刀的操作条件和拖拉机控制策略方面取得了一些进展，但它们通常忽略了自激振动原理在减少旋转耕刀切割阻力和磨损中的作用，并且缺乏在自激振动条件下刀-土相互作用的系统建模和控制策略研究。为了解决这些不足，本研究首先建立了基于旋转耕刀运动学和动力学机制的刀尖轨迹数学模型，确定了影响轨迹稳定性的关键参数。采用拉丁超立方采样（LHS）合理选择实验组合，并结合克里金法和粒子群优化（PSO）对刀的结构参数和工作条件进行了多目标优化。在此基础上，开发了一个以协调调节拖拉机速度和刀轴旋转为核心的控制系统，采用比例-积分-微分（PID）控制策略以确保控制精度和动态稳定性。通过耕深稳定系数和土壤破碎率等指标对优化方案进行了全面评估，证明了其在提高操作均匀性和耕质方面的有效性。本研究为复杂田间条件下自激振动旋转耕刀的工程应用提供了理论基础和控制策略，并为解决振动引起的耕深波动提供了新的方法。

SEVRT刀的结构和工作原理

旋转耕刀是一种由拖拉机驱动的土壤耕作机械，其安装在刀轴上的旋转刀片切入土壤。它可以在一次通过中完成犁地、耙地、粉碎和平整土壤等操作，具有打破犁底层、恢复耕作层结构、增强土壤水分保持能力、抑制杂草、减少病虫害、平整田面以及实现高操作效率等优点

硬件选择与设计

硬件选择考虑了农业机械操作环境的复杂性以及控制系统的实时性和可靠性要求。硬件电路主要包括惯性测量单元（IMU N100）、定制设计的耕深稳定性测量装置、电子控制单元、电子节气门模块、主控制单元（STM32H743）以及车载显示和控制终端。IMU N100用于获取

控制系统验证测试

开发的控制系统能够在检测到异常耕深条件时自动协调拖拉机前进速度和旋转耕刀轴速度，从而在保持整体工作效率的同时确保操作稳定性。在进行大规模田间实验之前，首先进行了逻辑验证测试，以检查控制系统是否能在受控条件下准确执行预定义的控制逻辑。

结论

（1）理论建模和仿真分析表明，与传统旋转耕刀相比，SEVRT刀的切割轨迹偏差显著受到弹簧刚度、阻尼系数和工作参数的影响。通过建立刀尖的运动学模型并进行理想轨迹优化仿真，确定了最佳控制参数，有效抑制了刀尖轨迹的振幅和不对称性

CRediT作者贡献声明

谢晨硕：撰写——原始草稿、可视化、软件、方法论、概念化。李慧洁：撰写——审阅与编辑、验证、形式分析。朱叶军：撰写——审阅与编辑、资金获取。肖茂华：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取。李东方：撰写——审阅与编辑、形式分析。刘泽：撰写——审阅与编辑、形式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2022YFD2001805）、国家自然科学基金（项目编号：52375251）和江苏省现代农业机械装备和技术示范推广项目（项目编号：NJ2025-14）的财政支持。作者声明没有利益冲突。