答辩博士：陈凤
指导教师：郑恩来教授
论文题目：设施园艺分布式电驱移动平台-旋耕机具作业系统稳定性控制研究
答辩委员会
主席
薛金林教授/博导 c7娱乐app下载
委员
周俊教授/博导 c7娱乐app下载
林相泽教授/博导 c7娱乐app下载
丁世宏教授/博导 江苏大学
吴斌教授/博导 南京林业大学
周学剑研究员 江苏省农机具开发应用中心
秘书
王念 c7娱乐app下载
答辩时间：2026年5月28日16点
答辩地点：滨江校区c7官网登录入口appB442会议室
论文简介
在经济快速发展与人民生活水平显著提升的宏观背景下，我国园艺设施面积已跃居全球首位，其生产作业正朝着智能化、电动化和高效化的方向发展。电驱移动平台因其零排放、低噪音、结构灵活等优势，已成为设施内作业的关键载体。然而，设施园艺环境复杂，存在道路狭窄、路面附着条件多变以及作业工况多样等特点，严重影响分布式电驱移动平台-旋耕机具作业系统的行驶稳定性、作业安全性与耕作质量。为此，本文以设施园艺分布式电驱移动平台为研究对象，围绕其悬挂旋耕机具行驶和作业过程的动力学行为与稳定性控制策略展开系统研究。
本文具体研究内容如下：
（1）设施园艺电驱移动平台总体设计与动力学建模。结合设施园艺农艺标准与作业需求，完成了电驱移动平台的总体结构、动力系统及转向机构设计，并对动力系统关键参数进行了匹配计算。考虑旋耕机具的动态作业特性，构建了电驱移动平台-旋耕机具耦合系统动力学模型，涵盖整车七自由度模型、轮胎-土壤耦合力学模型以及基于离散元仿真的旋耕阻力模型。通过典型转向工况仿真，对比分析平台车速、横摆角速度、质心侧偏角等响应特性。在U型转向工况下，仿真与试验的车速平均误差为0.0196 m/s，最大误差为0.2227 m/s，横摆角速度平均误差为0.0140 rad/s，最大误差为0.0475 rad/s；在正弦转向工况下，横摆角速度平均误差为0.0426 rad/s，最大误差为0.1204 rad/s，这验证了所建模型能够准确描述系统耦合动力学行为，为后续控制策略研究提供了可靠的仿真平台。
（2）基于路面附着系数自适应识别的纵向防滑控制研究。针对设施内复杂多变的路面条件导致的驱动轮滑转问题，设计了一种基于自适应无迹卡尔曼滤波的路面附着系数观测器。该观测器通过车辆状态信息在线估计路面附着系数，并自适应调整滤波参数以应对噪声特性变化，能有效提升估计精度与收敛速度。在此基础上，设计了基于模型预测控制的驱动防滑控制器，以最优滑移率为目标，将滑转率控制在最佳范围之内，有效抑制了驱动轮过度滑转。在直线加速工况下，无控制时四轮滑转率误差分别达0.763、0.756、0.730和0.723，施加防滑控制后，四轮滑转率误差分别降低了56.25%、56.22%、54.15%和55.00%，最大滑转率降低了77.20%、77.25%、77.12%和77.18%，提升了车辆在低附着路面下的纵向稳定性。
（3）基于分层架构的横向稳定性鲁棒控制与转矩分配研究。为抑制机具升降引起的整车转向特性变化及横向失稳风险，提出了“决策层-分配层”的分层控制架构。在决策层，建立包含时变参数的二自由度参考模型，采用基于线性矩阵不等式的鲁棒MPC控制算法，计算出维持车辆稳定所需的附加横摆力矩，有效应对参数摄动与外部干扰。在分配层，综合考虑轮胎附着利用率、电机效率及执行器约束，构建多目标优化函数，并引入多目标粒子群优化算法进行各轮转矩的实时优化分配，在保证横向稳定性的同时兼顾了经济性。在U型和正弦转向工况下，横摆角速度平均绝对误差分别降低了80.56%与79.41%；在变车速连续正弦转向工况下，横摆角速度与质心侧偏角的平均绝对误差降低了87.83%与50.83%，最大绝对误差降低了82.75%与53.13%，有效提升了系统转向稳定性。
（4）基于旋耕阻力扰动补偿的垂向作业减振控制研究。为降低旋耕作业引起的垂向振动对整车平顺性与作业质量的影响，建立了考虑路面随机激励与旋耕阻力动态变化的系统耦合振动模型，并通过振动加速度时域与频域分析，揭示了悬挂机具对系统振动特性的影响规律。进而设计了一种基于扩张状态观测器的模型预测减振控制器，利用扩张观测器实时估计并补偿旋耕阻力等不可测扰动，结合模型预测控制对未来时域内的振动状态进行滚动优化，抑制作业系统垂向振动。在无控制条件下，电驱移动平台与机具的垂向振动加速度均方根值分别为1.36和4.75 m/s?，对应峰值加速度分别为4.36和20.51 m/s?；施加减振控制后，电驱移动平台与旋耕机具振动加速度均方根值分别下降37.25%和72.89%，峰值分别降低27.22%和65.16%。电动移动平台与旋耕机的总振动能量分别降低62.49%和52.86%。
（5）基于工况识别的纵-横-垂向稳定性协调控制与试验验证。以转向角和机具垂向振动加速度为宏观特征，将车辆工况划分为直线行驶、转向行驶和旋耕作业三种工况，在此基础上，根据滑转率、横摆角速度误差等实时特征参数进行工况内模式决策，实现驱动防滑控制、横向稳定性控制、垂向减振控制及纵-横向协同控制模式的自适应切换。在变附着路面直线行驶工况、U型和正弦转向工况、旋耕作业工况和复合工况下展开了试验。结果表明，协调控制策略能够根据工况特征动态切换控制模式，车速平均绝对误差降低52.5%，滑转率最大值降低了30.62%，横摆角速度总体平均误差降低了46.81%，电驱移动平台和机具振动加速度RMS分别降低了36.1%和37.8%，耕深均匀系数由80.32%提升至89.42%，验证了所提控制策略能有效提高电驱移动平台-机具系统在复杂工况下的行驶稳定性与作业均匀性。
主要创新点
（1）构建了系统耦合动力学模型与路面状态观测器。建立了综合考虑整车、轮胎-土壤耦合、三点悬挂及旋耕阻力的高精度动力学模型，设计了基于自适应无迹卡尔曼滤波的路面附着系数观测器，实现了关键参数在线估计，显著提升了系统在复杂工况下的整体感知精度与模型可靠性。
（2）提出了面向参数不确定性的鲁棒横向稳定控制策略。通过建立包含范数有界不确定性的变参数横向控制模型，设计了基于线性矩阵不等式的鲁棒模型预测控制器，用于决策附加横摆力矩，有效抑制了系统参数摄动与外部干扰对车辆横向稳定性的不利影响。
（3）设计了基于扰动估计与补偿的主动减振控制策略。针对旋耕作业中的垂向振动问题，建立了系统耦合振动模型，并创新性地设计了融合扩张状态观测器的模型预测控制器，实现了对旋耕阻力扰动的实时估计与前馈补偿，抑制了平台与机具的振动，提升了作业质量与设备可靠性。
