1. 研究目的与意义
随着农业机械化和智能化的飞速发展，非道路车辆尤其是拖拉机在农业生产中的应用越来越广泛。由于拖拉机质量大、工作负荷大、作业环境比较复杂，车辆侧翻和侧滑极易发生，严重影响了拖拉机作业效率，威胁驾驶员安全。据统计，在全世界拖拉机致死事故中，大多涉及到拖拉机侧向稳定性和安全性问题，半数以上是由拖拉机侧翻引起的。因此，研究影响其侧向稳定的影响因素，对于优化拖拉机配置，提高其安全性有着重要的意义。目前，针对拖拉机侧向稳定性的研究主要是借鉴汽车横向稳定性的研究方法，通过理论研究结合实车实验验证的方式来进行，理论研究的局限性较大，不能反映拖拉机的实际侧翻特性。另外，在拖拉机上进行侧向稳定性实验，很难实现轮胎、轮距和配重等因素的更换和调整，而且斜坡工况下的田间实验危险性较高，极大地限制了拖拉机侧向稳定性及安全预警控制技术的发展。在近些年的研究中，也有少数涉及到了模型拖拉机的研究，但是研究不够深入，实验方法也比较单一。本课题基于拖拉机比例模型，在己知拖拉机配置和设计参数的基础上，探究影响拖拉机侧向稳定性的主要因子，对拖拉机进行优化配置，以期提高侧向稳定性。
2. 课题关键问题和重难点
关键问题：此实验系统是对农业拖拉机侧倾测验的检测，能确定出车辆在静态条件下，受到倾向力时其本身固有的抗侧翻能力。本实验系统可以实现手动/自动切换，能完成手动侧翻、自动侧翻和质心检测等多个实验。需采集的现场数据包括倾角，四轮质量，压力等。
难点：要求学生在掌握可编程控制器等课程理论知识的基础上学习S7-1200PLC的指令应用、程序结构和编程方法，进一步熟悉基于可编程控制器的测控系统的设计方法，从而设计出基于S7-1200PLC的拖拉机侧翻稳定性实验系统。
3. 国内外研究现状（文献综述）
一、文献综述（或调研报告） 近年来，国内外关于拖拉机侧向稳定性和安全预警的研究己经逐步展开。主要是通过建立多自由度的非线性数学模型、结合仿真分析或实车实验来研究拖拉机的侧翻特性。有的学者将虚拟仿真技术与实验相结合，采用改进的横向载荷转移率( Load transfer ratio LTR)、侧翻预测时间(Time torollover TTR)、静态稳定系数(Static stability factor SSF)等方法评价拖拉机侧向稳定性，也有学者基于拖拉机前轮转角、轮胎与地面的接触状态等来研究不同阶段的拖拉机侧翻特性，为侧翻预警提供研究基础，提高拖拉机的驾驶安全性。 多自由度的非线性数学模型 汽车悬架系统是缓冲和衰减路面冲击所产生的振动，提高汽车行驶平顺性、乘坐舒适性，减少动载荷引起零部件损害的重要装置。因此，围绕汽车悬架系统开展了广泛的研究工作。但是这些工作多为对汽车悬架系统的动力响应分析和主动与半主动控制方法的研究，对系统中非线性动力学行为的研究尚不多见。然而汽车悬架系统是由弹簧、阻尼、轮胎等非线性元件组成的复杂系统。在高速情况下，受路面不平度的激励非线性悬架系统将发生复杂的非线性动力学行为。因此对非线性的汽车悬架系统的非线性动力学行为的研究，有助于揭示这类系统的非线性运动机理，为汽车的动态设计、振动控制以及路面的施工设计等提供理论指导。 基于TTR算法的重型车辆侧翻预警系统 侧翻预警系统在重型车辆稳定性控制中的应用大大提高了车辆的侧倾稳定性，进而有效避免重型车辆侧翻事故发生。1998年，美国密歇根大学交通运输研究中心开发了一套可以视觉警示驾驶员的重型车辆侧翻预警系统，该系统最大的优点是可以根据车辆载荷状态和车辆参数调整系统设定的静态侧翻极限值;2001年，CHEN等提出基于侧翻预测时问(Time to rollover, TTR)的侧翻动态预警算法。该算法可以动态预测侧翻危险，其中TTR侧翻时问预测矩阵可以精确地预测即将发生的车辆侧翻危险程度，算法简单，实时性好，便于往侧翻预警控制器移植。但是，TTR算法中侧翻判据条件为车辆侧倾角是否达到极值，由于不同类型车辆的侧倾角阀值不同，导致该算法不具有普适性。2008年，美国俄亥俄州立大学的YU提出依据细化后的TTR矩阵作为侧翻危险判据的重型车辆侧翻预警算法，该算法把TTR值进行了两级细化，一级TTR值可以在速度变化大的工况下迅速的侧翻预警;二级TTR值可以在剧烈转向工况下侧翻预警。但该算法仅通过仿真验证，尚未应用到实车侧翻预警系统上.针对重型车辆非绊倒型侧翻的特点，首先建立可实时计算的重型车辆简化动力学模型，然后利用试验数据和离线辨识技术，进行模型标定。其次，利用该简化动力学模型，结合经典Kalman状态估计技术实时准确估计重型车辆的状态，并实时计算车辆侧翻预警控制的动态门限值。在此基础上，研究基于改进TTR重型车辆侧翻预警算法，并将该算法下载到车载侧翻预警控制器中。最后利用重型车辆侧翻预警场地试验来验证本文开发设计的侧翻预警系统。 基于虚拟样机技术的拖拉机侧倾稳定性研究 生产厂家试制拖拉机样机时进行侧翻试验检测，设计新机型需进行设计-试制-测试-修改-再试制-再测试的反复过程，浪费大量的人力物力，导致生产周期加长，成本增加。如果在拖拉机设计过程中充分应用具有可重复性、无风险等特点的虚拟样机技术，在试制样机之前对整机进行虚拟仿真，可大大提高物理样机的合格率，缩短研发周期，降低设计成本。通常用拖拉机发生翻车前一刻的侧倾角度，即最大侧翻稳定角来衡量其稳定性。运用三维建模软件UG建立某型号拖拉机的整车实体模型，导入到Adams/VIEW中分析实体模型的侧倾稳定性。在Adams / VIEW中测量整车实体模型的最大侧翻稳定角来衡量其侧倾稳定性，并通过实车试验验证整车实体模型的准确性。 参考文献 [1]张硕，李臻，朱忠祥，毛恩荣，光冈宗司，井上英二.多因素影响下拖拉机侧向稳定性模型实验[J].农业机械学报，2017,（10）：358～363． [2]张文华，张维强，鲁植雄，等.基于虚拟样机技术的轮式拖拉机侧倾稳定性研究[J].机械强度，2017(1) :138一142. [3]梁山，郑剑，朱勤，等.非线性车辆模型混沌振动的仿真与实验研究[J].机械强度，2012(1) : 6一12. [4]朱天军，宗长富，吴炳胜，等.基于改进TTR算法的重型车辆侧翻预警系统[J].机械工程学报，2011, 47 (10) :88 -94. [5]王健，余贵珍，张为，等.基于滑模观测和模糊推理的车辆侧翻实时预警技术[J].农业机械学报，2010, 41 (6) :1一6. |
4. 研究方案
在学校PLC实验台上用实验台自带的模拟量输出信号模拟前后两个倾角的角度，用电子秤的重量信号模拟拖拉机的重量，用实验台上的LED灯来模拟上升、下降、快速上升等各个电磁阀的动作。电子秤通过RS-485串口，以modbus协议与PLC通讯。首先硬件选型按照系统设计功能的要求，可编程控制器模块可采用德国西门子公司的S7-1200系列可编程控制器。其次，程序设计需在掌握可编程控制器等课程理论知识的基础上，进一步熟悉基于可编程控制器的测控系统的设计方法。
5. 工作计划
2022.12.24-2022.1.15熟悉课题，查阅相关资料,完成开题报告和翻译
2022.1.16-2022.2.25 进一步熟悉学习基于PLC的软硬件系统设计方法
2022.2.26-2022.3.4 完成PLC硬件部分选型，完成接线图和电气控制图
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