Characteristics of sap flow of degraded Populus simonii in Bashang Area, Hebei Province of northern China and its response to environmental factors
-
摘要:目的
探究华北坝上地区退化和未退化小叶杨蒸腾耗水规律，合理配置生态用水，为小叶杨退化林的修复与重建提供理论参考。
方法选取未退化、退化小叶杨为研究对象，利用热扩散探针（TDP）测定树干液流量，同时监测气象因子，研究两种小叶杨在不同天气下树干液流特征及其对环境因子的响应机制，分析生长旺季（7、8、9月）两种小叶杨树干液流与蒸腾量。
结果（1）在不同天气条件下，退化和未退化小叶杨晴天树干液流速率大于雨天与阴天，晴天时两者差距最大，且未退化小叶杨树干液流的启动时间总是早于退化小叶杨；（2）生长季内两种小叶杨树干液流速率差异显著，未退化小叶杨蒸腾耗水量是退化小叶杨的3倍；（3）大气温度和光合有效辐射是影响小叶杨树干液流最主要的环境因子，未退化小叶杨对环境因子响应更敏感。
结论退化小叶杨较低的蒸腾量难以维持正常生理所需，导致生理衰退，对环境因子变化的敏感性增加，进一步削弱了其应对未来干旱事件的能力。建议对已经发生退化的杨树林分进行更新改造。
Abstract:ObjectiveThis paper explores the transpiration water consumption patterns of degraded and undegraded Populus simonii in the Bashang Area, Hebei Province of northern China, optimizes the allocation of ecological water use, so as to provide theoretical references for the restoration and reconstruction of degraded Populus simonii forests.
MethodIn this study, we selected undegraded and degraded Populus simonii as the research objects and used the thermal dissipation probe (TDP) method to determine the sap flow, and also monitored the meteorological factors to study sap flow characteristics of the two types of Populus simonii and their response mechanisms to environmental factors, as well as their sap flow and transpiration rates during the growing season (July, August and September).
Result(1) The relationship between daily changes of sap flow of degraded and undegraded Populus simonii was greater in sunny weather compared with rainy and cloudy days, with the largest difference observed on sunny days, and the initiation of sap flow of undegraded Populus simonii was always earlier than that of degraded Populus simonii. (2) The transpiration water consumption of undegraded Populus simonii was the highest during the growing season, and there was a significant difference in sap flow rates between the two species, with a 3 times difference in transpiration. (3) Temperature and photosynthetically active radiation (PAR) were the most important environmental factors affecting sap flow in Populus simonii, and undegraded Populus simonii was more sensitive to environmental factors.
ConclusionThe low transpiration of degraded Populus simonii makes it difficult to obtain the water required to maintain normal physiology, resulting in physiological decline, and its sensitivity to changes in environmental factors is increased, which further weakens its ability to cope with future drought events. Therefore, it is recommended to renovate the degraded poplar stand.
-
Keywords:
- Populus simonii /
- sap flow /
- degradation /
- environmental factors
-
我国水果生产和消费能力均排名世界第一，但多数果园种植在丘陵山地，果树修整枝、疏花疏果、果实套袋和采收等作业主要依靠人工架梯来完成，劳动强度大、作业效率低、安全风险高[1-3]，采摘器等辅助人工摘果装备同样存在作业效率低的问题[4-5]。丘陵山地地形地貌变化大，普通车辆很难进入，为了克服地形的影响，农业车辆多采用调平的方式来应对[6-9]。因此，设计研发一款可调平的果园升降作业平台对于提高果园机械化水平和作业效率，降低工作风险具有重要意义。
国外果园机械研究起步较早，北美自20世纪50年代开始把高空作业平台应用到果园中，发展至今已具有较高水平[10]；意大利N.P.SEYMOUR公司生产的Windegger Picking Platform系列可全轮转向，工作台两级升降、角度可调，适用性较广[11]；韩国SUNGBOO公司生产的SB系列采用纯电力能源，工作台可调角度10°，可满足缓丘陵作业需求[12-13]。
国内对于果园升降机械的研究起步较晚，主要因为果园种植模式以家庭分散种植为主，规模小，不利于果园机械的发展[14]。近些年，果园的主要种植模式为矮砧和密植，为果园机械化发展提供了前提条件。刘西宁等[15]研发了国内第一台果园升降平台，但不具备调平功能，不适合在丘陵山地作业。崔志超等[16]针对温室果蔬机械化低，传统燃油作业平台污染大等问题，设计制造了一款小型电动履带作业平台，采用电能作为动力，绿色环保，使用远程和在线的双操作系统。樊桂菊等[17-18]以拖拉机为载体加装工作台来实现调平，通过融合卡尔曼滤波的模糊PID控制系统实现自动调平，最大载荷150 kg，举升高度1.5 m，但是工作平台较小，在大规模果园作业时效率偏低。刘大为等[19-20]以南方丘陵山区柑橘园为对象研制了小型果园升降平台，通过“二次调平”方法，由液压缸伸缩进行调平，使用履带底盘，转向半径小、稳定性高、结构紧凑、操作简单，但调平方式为人工手动调平，调平精度低，而且作业效率不高。邱威等[21]根据中国南方果园多丘陵山区及果园作业的特点研制了一款折臂升降可调平平台，通过理论计算，仿真分析及样机试验分析验证了在丘陵山区的倾翻稳定性，并且利用正交试验分析了极限静态侧翻角的影响因子权重占比，在作业操作及相关机械的设计中有一定的借鉴意义。
国内公司现有果园产品多，但均不具备调平功能，无法适应丘陵山地果园作业，形成了“有机不好用”的局面，丘陵果园综合机械化水平仅为5.75%[2]。因此，针对丘陵山地矮砧密植苹果园地形与种植模式特点，研究升降平台调平机理，设计一款可调平的果园自走式升降作业平台，以期满足丘陵山地作业需求。
1. 整机结构与原理
1.1 设计要求
丘陵果园因地形特点，其种植模式主要有依山就势的缓坡模式和“坡改梯”的梯田模式两种。在这类果园中作业和转场对农业车辆的动力底盘要求很高，应具备良好的通过性和爬坡能力，本机选用越障能力强、转弯半径小的履带底盘。经查阅文献[22]和实地观测，苹果园一般株距1.0 ~ 1.5 m，行距3.5 ~ 4.0 m，树高不超过3.5 m。结合实际生产过程，可调平平台具体设计要求如表1所示。
表 1 果园作业平台设计参数Table 1. Design parameters of orchard operating platform参数 Parameter 数值 Value 整机尺寸 Overall size 1 900 mm × 1 400 mm × 2 000 mm 整机质量 Overall mass/kg 1 200 最大载质量 Maximum load/kg 300 升降高度 Lifting height/mm 0 ~ 1 150 转弯半径 Turning radius/m 3 行驶速度 Drving speed/(km·h−1) 0 ~ 5 1.2 整机结构
整机结构主要包括护栏、工作台、俯仰调平机构、机架、侧倾调平机构、履带底盘、操作台、剪叉机构和动力集成（图1）。动力集成安装在机架上，由电机、电池、液压管道和液压阀组成，为平台的升降、调平和行走等动作提供动力，并通过操作台控制平台升降和行走。工作台两侧可扩展，以增加工作平台面积，方便果农采摘套袋等作业。以下对平台的升降和调平机理做详细阐述。
![]()
图 1 果园作业平台结构示意图1. 护栏 Guardrail，2. 工作台 Work platform，3. 俯仰调平机构 Pitch leveling mechanism，4. 机架 Frame，5. 侧倾调平机构 Roll leveling mechanism，6. 履带底盘Tracked chassis，7. 操作台 Control panel，8. 剪叉机构Scissor mechanism，9. 动力集成 Integrated power.Figure 1. Diagram of the structure of orchard operating platform1.3 工作台升降及俯仰调平原理
1.3.1 整体结构设计
因剪叉式升降机构具有较高的稳定性和承载能力[23-24]，同时考虑到缓丘陵果园地形特点（坡度 ≤ 15°），以及矮砧密植型苹果树高一般不超过3.5 m，结合GB10000—1988《中国成年人人体尺寸标准》[25]可知平台升降高度达2 m即可满足果园作业要求，故选择单级剪叉升降机构，并在此基础上改进为折臂剪叉式俯仰调平机构（图2）。升降液压缸PQ伸长，工作台随之上升，反之工作台下降；俯仰液压缸MN伸长，俯仰臂O1D绕O1点旋转，工作台DE仰起一定角度θ（如图2中红色部分），反之工作台俯下一定角度−θ，达到俯仰调平目的。该调平方式没有额外增加过多机构，节省空间、简单可靠。
![]()
图 2 升降及俯仰调平机构原理O、O1分别为升降、俯仰调平机构坐标系原点；DE为工作台，PQ为升降液压缸，MN为俯仰液压缸；OD和EH为剪叉臂，其中OB、BD、EB和BH长度相等（mm）；A、C两点为升降液压缸上下两端与剪叉臂的连接点，且AP与EH垂直，CQ与OB垂直；O和E分别为剪叉臂与机架、工作台的铰接点；D、H两点为铰接滑轮，滑轮与机架、工作台的滑轨相切，B点是两剪叉臂铰接点；h为工作台升起高度（mm）；G为工作台和被载物体的总重（N）；α为剪叉臂与水平面夹角（°）；β为MO1与O1B的夹角（°）；φ为俯仰臂O1D绕O1点转动的角度（°）；θ为工作台与水平面夹角，即平台俯仰角（°）；F1为升降液压缸推力（N）；F2为俯仰液压缸推力（N）。O is the origin of lifting coordinate system, and O1 is the origin of pitch leveling mechanism coordinate system. DE is the platform, PQ is lifting hydraulic cylinder, MN is pitch hydraulic cylinder; OD and EH are scissor arms, and the lengths of OB, BD, EB and BH are equal (mm). A is the connection point between the upper end of lifting hydraulic cylinder and scissor arm, C is connection point between the lower end of lifting hydraulic cylinder and scissor arm, and AP is perpendicular to EH, and CQ is perpendicular to OB. O is hinge point between scissor arm and frame, E is the hinge point of scissor arm and platform; D and H are hinged pulleys, the pulley is tangent to slide rail of the rack and platform, B is hinge point of two scissor arms. h is lifting height of platform (mm). G is total mass of platform and the loaded object (N). α is the angle between scissor arm and horizontal plane (°). β is the angle between MO1 and O1B (°). φ is the angle that tilt arm O1D rotates around O1 point (°). θ is platform pitch angle between platform and horizontal plane (°). F1 is the thrust of lifting hydraulic cylinder (N). F2 is thrust of pitch hydraulic cylinder (N).Figure 2. Principles of lifting and pitch leveling mechanism1.3.2 升降和俯仰液压缸推力分析
根据图2建立液压缸推力、俯仰液压缸位移量和平台角度关系式，以确定优化液压缸所需推力和平台尺寸。由图2可知相关量的几何关系：
{xPQ=−lCQsinα+lBCcosα−lABcosα+lAPsinαyPQ=lCQcosα+lBCsinα+lABsinα+lAPcosαlPQ=√xPQ2+yPQ2h=lEHsinα (1) 式中：xPQ、yPQ分别为升降液压缸PQ在OX、OY轴上的投影长度（mm）；lCQ、lBC、lAB和lAP分别为升降机构部分CQ、BC、AB和AP的长度（mm）；lPQ为升降液压缸PQ的长度（mm）；lEH为剪叉臂EH的长度（mm）；α为剪叉臂与水平面夹角（°）。
根据虚位移原理[26]：
F1dlPQdα=Gdhdα (2) 得到：
F1=G2lEHcosα√asin2α+bsin2α+ccos2α(a−c)sin2α+2bcos2α (3) 式中：F1为升降液压缸推力（N）；
a=(lAB+lBC)2+(lAP−lCQ)2 ，b=2(lABlCQ+lBClAP) ，c=(lBC−lAB)2+(lAP+lCQ)2 。由式（3）可知：F1不仅与lEH、lPQ、lBC、lAB和lAP有关，还与平台升降高度α有关，并且随着α的减小，液压缸所需推力随之增大。在工作台降到最低位置时，液压缸所需推力最大。
同理，在图2中以X1O1Y1为坐标系，根据虚位移原理可知：
F2=GlO1Dcos(α+φ)√lO1M2+lO1N2+2lO1MlO1Ncos(φ−β)2lO1MlO1Nsin(β−φ) (4) 式中：F2为俯仰液压缸推力（N）；
lO1D 、lO1M 和lO1N 分别为俯仰调平机构部分O1D、O1M、O1N的长度（mm）；β为MO1与O1B的夹角（°）；φ 为俯仰臂O1D绕O1点转动的角度（°）。由式（4）可知：俯仰液压缸所需推力和平台俯仰角及平台升降高度有关，平台高度越低，俯仰角越大，所需推力越大，在平台降到最低且俯仰液压缸完全伸出时所需推力最大。考虑到工作台不能与底部动力集成干涉以及对升降高度的要求，对参数值选取合适的值。详细尺寸数据见表2。
表 2 升降及俯仰调平机构尺寸Table 2. Dimensions of lifting and pitch leveling structures参数 Parameter 数值 Value lAB/mm 220 lBC/mm 702 lAP/mm 70 lCQ/mm 97 lEH/mm 1 722 lO1N/mm 411 lO1M/mm 163 lO1D/mm 561 β/(°) 88 注：lAB、lBC、lAP和lCQ分别为升降机构AB、BC、AP和CQ的长度；lEH为剪叉臂EH的长度；lO1N、lO1M和lO1D分别为俯仰调平机构部分O1N、O1M和O1D的长度；β为MO1与O1B的夹角。Notes：lAB, lBC, lAP and lCQ are length of lifting mechanism AB, BC, AP and CQ, respectively. lEH is the length of scissor arm EH. lO1N, lO1M and lO1D are length of pitch leveling mechanism O1N, O1M and O1D, respectively. β is angle between MO1 and O1B. 1.3.3 平台俯仰调平倾角
在XOY坐标中：
{xOD1=lOO1cosα+lO1D1cos(α+φ)yOD1=lOO1sinα+lO1D1sin(α+φ) (5) 式中：
xOD1 、yOD1 分别为剪叉臂OD1在OY、OX轴上的投影长度（mm），lOO1 和lO1D1 分别为剪叉臂OO1和O1D1的长度（mm）。因为
tanθ=yOD1−hxOD1 ，可以得到：θ=arctan(lOO1−lEH)sinα+lO1D1sin(α+φ)lOO1cosα+lO1D1cos(α+φ) (6) 其中：
φ=arccoslO1M2+lO1N2−(lMN−y)22lO1MlO1N (7) 式中：y为俯仰液压缸活塞杆位移量（mm），
lMN 为俯仰液压缸MN的长度（mm），θ为工作台与水平面夹角，即平台俯仰角（°）。由式（6）和式（7）可知折臂剪叉俯仰调平机构可调角度与升降液压缸、俯仰液压缸的位移量有关。当平台降到最低点位置时，俯仰液压缸不能缩短，只能伸长。即平台只能进行仰调平，不能进行俯调平，否则工作台会与机架干涉。随着工作台的升起，工作台既能仰也能俯，可调角度均为10°。但工作台升到最高点时仰调平角度降至6.5°。
1.4 侧倾调平原理
1.4.1 侧倾调平机构设计
在履带底盘和机架之间设计了侧倾调平机构，起到连接和调平作用，机构简图如图3。液压缸I1J1和IJ做相反运动，机架O3J1J绕O3点旋转，工作台侧倾一定角度θ1，达到侧倾调平目的。
![]()
图 3 侧倾调平机构原理I1J1、IJ为侧倾液压缸；α1为侧倾液压缸I1J1与水平面的夹角（°）；β1为侧倾液压缸IJ与水平面的夹角（°）；θ1为平台与水平面的夹角，即平台侧倾角（°）；O2为原点，I、I1、O3为底盘上的固定点；O3J1J为机架；O3R1与侧倾液压缸I1J1垂直，O3R与侧倾液压缸IJ垂直；e为机架上方总重G1在X2轴平行方向上与O2的距离，（mm）；F3、F4为侧倾液压缸的推力（N）。I1J1 and IJ are the roll hydraulic cylinders, α1 is angle between roll hydraulic cylinder I1J1 and the horizontal plane (°). β1 is angle between roll hydraulic cylinder IJ and horizontal plane (°). θ1 is the angle between platform and horizontal plane, i.e. the platform roll angle (°). O2 is the origin, I,I1 and O3 are the fixed points on chassis, O3J1J is frame. O3R1 is perpendicular to the roll cylinder I1J1, O3R is perpendicular to roll cylinder IJ. e is the distance between total mass G1 and O2 in the direction parallel to X2 axis. F3 and F4 are thrust of roll hydraulic cylinder (N).Figure 3. Principle of roll leveling mechanism1.4.2 侧倾液压缸推力分析
由图3可知：
{∠IO3R=β1−∠IO3O2lO3R=lIO3cos∠IO3R∠I1O3R1=α1−∠I1O3O2lO3R1=lI1O3cos∠I1O3R1F3lO3R+F4lO3R1=G1e (8) 式中：
lO3R 、lIO3 、lO3R1 和lI1O3 分别为侧倾调平机构部分O3R、IO3、O3R1和I1O3的长度（mm）；F3、F4为侧倾液压缸的推力（N）；∠IO3R为IO3与O3R的夹角（°）；∠IO3O2为IO3与O3O2的夹角（°）；∠I1O3R1为I1O3与O3R1的夹角（°）；∠I1O3O2为I1O3与O3O2的夹角（°）；G1为机架上方总重（N）；e为G1在X2轴平行方向上与O2的距离（mm）。根据选用的启创液压科技公司HSG-40系列工程油缸得1.45F3 = F4，则：
F4=G10.6elIO3cos(β1−∠IO3O2)+lI1O3cos(α1−∠I1O3O2) (9) 从式（9）中可以看出G1的增加及因G1升高引起的e增加会导致液压缸推力的增加，在设计中对工作台零部件轻量化，降低重心，以减小液压缸所需推力，同时也能增加平台的侧倾稳定性。
1.4.3 平台侧倾调平倾角
由图3中关系可知：
θ1=arctanlIJsinβ1−lI1J1sinα1lI1J1cosα1+lI1I+lIJcosβ1 (10) 式中：
lIJ 、lI1J1 和lI1I 分别为IJ、I1J1和I1I的长度（mm）；α1为侧倾液压缸I1J1与水平面的夹角（°）；β1为侧倾液压缸IJ与水平面的夹角（°）；θ1为平台与水平面的夹角，即平台侧倾角（°）从式（10）中可以看出侧倾液压缸的长度和安装位置是影响平台调平角度的主要因素。结合设计要求与结构特点选取合适的尺寸，侧倾角度达 ± 8°。具体尺寸数据见表3。
表 3 侧倾调平结构尺寸Table 3. Dimensions of roll leveling structures参数 Parameter 数值 Value α1/(°) 28 ~ 70.5 lIO3/mm 264 lIJ/mm 320 ~ 390 lI1I/mm 373 注：α1为侧倾液压缸I1J1与水平面的夹角；lIO3为侧倾调平机构部分IO3的长度；lIJ和lI1I分别为IJ和I1I的长度。Notes: α1 is the angle between roll hydraulic cylinder I1J1 and horizontal plane. lIO3 is length of tilting leveling mechanism IO3. lIJ and lI1I are the lengths of IJ and I1I, respectively. 2. 控制系统仿真
2.1 系统数学模型建立
升降、俯仰和侧倾3个控制回路组成整个系统，且具有相似的结构形式。因升降部分需手动控制，故只分析俯仰、侧倾控制系统。控制系统由控制器、放大器、电液比例阀、液压缸、倾角传感器等组成。
2.1.1 放大器传递函数
电路部分看作时间常数很小的放大器，可以作为比例环节[27]，所以放大器传递函数为
G1(s)=I(s)Θ(s)=Ke1 (11) G2(s)=I(s)Θ(s)=Ke2 (12) 式中：I为电流（A），Θ为平台角度与目标角度差值（°），Ke1、Ke2分别为俯仰、侧倾部分放大器比例系数，G1(s)和G2(s)分别为俯仰、侧倾调平机构的放大器传递函数，s代表时间函数经拉普拉斯变换为复变函数（下同）。
2.1.2 电液比例阀数学模型
选用北京尚泰合力液压科技公司生产固有角频率69 rad/s的STPLS系列电液比例阀。建立电液比例阀的传递函数时，如果系统中存在固有角频率较大的动力元件选用二阶震荡环节[28-29]。所以电液比例阀的传递函数为：
G3(s)=Xv(s)I(s)=Kvs2ωv2+2ξvωvs+1 (13) 式中：ωv为比例阀固有角频率（rad/s），
ξv 为比例阀阻尼比，Xv为比例阀芯位移（m），Kv比例阀增益。2.1.3 液压缸模型建立
选用启创液压科技公司的HSG-40系列工程油缸，属于阀控非对称缸，其传递函数[30]为：
G4(s)=Xp(s)Xv(s)=KqAps(s2ωh2+2ξhωhs+1) (14) 式中：液压固有角频率
ωh=√4βeAp2Vtm （rad/s）；液压阻尼比ξh=KceAp√βemVt ；m为活塞及其负载总质量（kg）；Kq为流量增益系数；Ap为无杆腔活塞有效面积（m2）；Kce为总流量压力系数；Vt为阀腔、液压缸和管道总容积（m3）；βe 为有效体积弹性模量（Pa）；Xp为液压缸活塞位移量（m）。2.1.4 调平机构数学模型建立
根据式（6）、（7）、（10）可知俯仰、侧倾调平机构中液压缸位移量和平台角度可以看做线性关系。所以调平机构的传递函数为：
G5(s)=θ(s)Xp(s)=Kl1 (15) G6(s)=θ(s)Xp(s)=Kl2 (16) 式中：G5(s)、G6(s)分别为俯仰、侧倾调平机构的传递函数，Kl1、Kl2分别为俯仰、侧倾部分液压缸位移角度系数。
2.2 系统稳定性分析
由经典控制理论[31]可知，要使系统输出稳定，幅值裕度和相位裕度须满足如下条件：
{Kg⩾ (17) 将确定的液压系统元件参数带入俯仰、侧倾系统开环传递函数，令开环增益K = 1，绘制其Bode图。此时，俯仰系统幅值裕度Kg = 39.3 dB，相位裕度γ = 88.9°；侧倾系统Kg = 38.1 dB，γ =88.8°。可见系统不满足稳定性要求。利用公式（18）对开环增益校正，取Kg = 10 dB，则俯仰系统K = 29.2，γ = 54.6°，侧倾系统K = 25.3，γ = 58.4°，此时系统满足稳定性要求。可反推放大器比例系数Ke1、Ke2以设计电路部分。
20\lg \! K = {K_{{\rm{g}}1}} - {K_{\rm{g}}} (18) 式中：Kg1为原系统幅值裕度，Kg为系统期望幅值裕度。
则俯仰系统的开环传递函数：
\begin{aligned} & {G_f}(s) = \frac{{\theta (s)}}{{\Theta (s)}} = \\ & \frac{{29.2}}{{8.4 \! \times \! {{10}^{ - 10}}{s^5} \! + \! 9.68 \times {{10}^{ - 8}}{s^4} \! + \! 2.16 \! \times \! {{10}^{ - 4}}{s^3} \! + \! 2 \! \times \! {{10}^{ - 2}}{s^2} \! + \! s}} \end{aligned} (19) 侧倾系统的开环传递函数：
\begin{aligned} & {G_{\rm{c}}}(s) = \frac{{\theta (s)}}{{\Theta (s)}} =\\ & \frac{{25.3}}{{5.25 \! \times \! {{10}^{ - 9}}{s^5} \! + \! 6.17 \! \times \! {{10}^{ - 7}}{s^4} \! + \! 2.46 \! \times \! {{10}^{ - 4}}{s^3} \! + \! 2.06 \! \times \! {{10}^{ - 2}}{s^2} \! + \! s}} \end{aligned} (20) 2.3 仿真分析
调平系统的控制流程是控制器根据反馈的工作台角度差值计算输出电流控制电液比例阀的开口开度，进而控制液压缸伸缩运动，使平台角度始终维持在0°附近。同时，安装在工作台上的倾角传感器把实时角度发送给控制器，形成闭环反馈控制。控制框图如图4所示。
采用增量式PID控制器，优点是当计算机故障时，系统仍能保持原值，平台不会发生危险情况[32]。计算公式为：
\begin{aligned} u(k) = \; & u(k - 1) + {K_{\rm{p}}}(e(k) - e(k - 1)) + {K_{\rm{i}}}e(k) +\\ & {K_{\rm{d}}}(e(k) - 2e(k - 1) + e(k - 2)) \end{aligned} (21) 式中：u(k)为k时刻控制器输出的电流大小，e(k)为k时刻的控制偏差；Kp、Ki和Kd分别为比例、积分和微分的调节系数。
在Simulink建立调平平台仿真模型，使用零阶保持器，采样时间0.02 s；通过试验法确定俯仰系统比例、积分和微分调节系数分别为0.65、0.04、0，侧倾系统比例、积分和微分调节系数分别为0.85、0.04、0。丘陵山地果园坡度变化平缓，因此干扰选择5°的阶跃信号模拟路面凹坑等突变；因最大工作台俯仰和侧倾调平角度分别为10°、8°，调平角速度0.07 rad/s；确定频率0.1 Hz，幅值为10和8的正弦信号模拟连续坡度变化，此时处于平台极限工作状态。仿真结果如图5、图6所示。
![]()
图 5 俯仰系统不同干扰下工作台角度变化Figure 5. Changes of platform angle under different interferences of pitch system![]()
图 6 侧倾系统不同干扰下工作台角度变化Figure 6. Platform angle changes under different disturbances of roll system从图5、图6中可以看出：俯仰、侧倾控制系统在阶跃干扰信号下能使工作台很快回到水平位置，调平时间分别为1.6、2.1 s，超调量均为0；俯仰、侧倾控制系统在正弦干扰信号下能使工作台始终保持在0°附近，波动范围分别在0.15°、0.19°内。仿真验证了平台调平的可行性，并且在不同干扰下调平性能较好，工作台角度变化较平稳，满足调平平台设计要求。
3. 安全性仿真实验验证
为测试平台的安全性和工作台调平对倾翻坡度的影响，根据结构和参数在SolidWorks中建立调平平台三维模型，导入Adams并建立倾翻实验台（图7）。实验台以一定角速度转动，平台以纵向、斜向、横向这3种不同姿态，以0、220、440、660、880、1 100 mm不同升降高度和不同载质量情况下进行仿真。当履带所受支持力为0时，实验台倾角δ记为极限倾翻角度（°），仿真结果如图8。
![]()
图 7 不同姿态下的倾翻仿真图实验台倾角δ记为极限倾翻角度。Tilt angle δ of experimental platform is recorded as limit tilt angle.Figure 7. Tilting simulation diagram under different postures从图8中可以看出：升降高度和载质量一定时，平台在纵向、斜向和横向这3种姿态时的极限倾翻角度逐渐减小；且3种姿态下，升降高度和载质量增加后，平台极限倾翻角度都会减小。有调平时纵向、斜向和横向3姿态下最小倾翻角度相较于无调平时（26.36°、22.35°、20.27°）分别增加了2.47%、19.20%和24.77%，最大倾翻角度相较于无调平时无明显变化。但不同姿态、升降高度和载质量下，平台调平后对其极限倾翻角度的影响又有所不同。比如纵向时，有调平时极限倾翻角度相对于无调平时在分界线以上略有减小，分界线以下略有增加。这是因为剪叉折臂式调平方式会举升工作台，使平台重心沿坡面上移；当升降高度和载质量增加时（超过分界线时），重心位移量在平行坡面方向的投影占比会大于其在垂直坡面方向的占比，故有利于提高平台纵向上的抗倾翻能力。而在斜向和横向姿态时，有调平时极限倾翻角度较无调平时有所增加；当升降高度和载质量两个因素中的一个因素确定时，平台极限倾翻角度增量均随另一因素增加而增大。因为斜向和横向姿态调平时，均需要侧倾调平机构参与其中，使得平台重心在水平面上的投影会靠近上坡方向移动，且平台纵向尺寸大、横向小，重心移动量在横向上的占比大于纵向上占比，从而提升了平台的抗侧倾能力。
总体来说，无调平时最大和最小极限倾翻角度分别为49.85°和20.27°；有调平时最大极限倾翻角度为48.78°，最小为25.29°。整体来讲，最大极限倾翻角度（纵向、升降高度0 mm、载质量0 kg时）降低了2.15%，最小极限倾翻角度（当横向、升降高度1 100 mm、载质量300 kg时）增加了24.77%，平台安全性明显提高。
4. 结 论
（1）根据丘陵山地果园机械化发展现状设计了一款基于剪叉折臂式的自动调平平台，结构简单可靠；通过公式计算结合设计要求验证调平可行性，确定了平台各个部分的尺寸参数、液压缸位移量和平台角度的关系，计算出液压缸所需推力，建立了三维模型。对控制系统数学建模，在Simulink中采用增量式PID控制器对控制系统进行仿真，结果表明此平台有较好的抗阶跃和正弦干扰信号的能力，在极限工作状态下能始终保持在0°附近。
（2）使用Adams对在不同状态、不同举升高度和不同载质量情况下的平台极限倾翻坡度进行仿真。在仿真条件下，果园高位作业平台在调平状态下极限倾翻坡度最小值为25.29°，相较于无调平时增加了24.77%。这说明本文提出的调平机构可有效提高平台的抗倾翻能力。设计的高位调平平台能够满足丘陵山区果园的使用需求。
-
![]()
图 1 不同天气下小叶杨树干液流变化
Figure 1. Changes in sap flow of Populus simonii under different weather conditions
![]()
图 2 生长旺季小叶杨树干液流变化
7—9月观测日期分别为7月4—8日，8月5—9日，9月4—8日。 The observated dates for July, August, and September are July 4th to 8th, August 5th to 9th, and September 4th to 8th, respectively.
Figure 2. Changes in sap flow of Populus simonii during the growing season
表 1 样木基本特征
Table 1 Basic characteristics of sample wood
退化程度
Degradation
degree树高
Tree
height/m胸径
DBH/cm枯梢高
Withered shoot
height/m枝下高
Clear bole
height/m冠幅
Crown width/m边材宽度
Sapwood
width/cm边材面积
Sapwood
area/cm2东西
East-west南北
North-south未退化
Undegraded13.7 41.0 2.1 6.7 5.3 19.58 1 317.59 13.4 24.2 2.5 4.1 2.1 9.62 440.64 退化
Degraded10.6 18.5 3.1 1.2 2.8 3.1 6.24 240.36 12.9 23.7 5.6 1.4 2.2 3.5 9.32 421.10 12.6 21.8 5.9 2.1 2.8 3.5 8.20 350.31 
下载: 导出CSV
表 2 不同环境因子与小叶杨树干液流的拟合方程
Table 2 Fitting equations between different environmental factors and sap flow of Populus simonii
退化程度
Degradation degree气象因子
Meteorological factor拟合方程
Fitting equationR2 P 退化 Degraded 光合有效辐射
Photosynthetically active radiation (x1)y = −174.222 + 4.89x1 − 0.06 x12 + 2.524e − 6 x13 0.215 < 0.001 风速 Wind speed (x2) y = 610.465 + 557.01 x2 0.068 < 0.001 大气温度 Air temperature (x3) y = −17.1 + 26.646 x3 − 2.627 x32 + 0.045 x3 3 0.285 < 0.001 相对湿度 Relative humidity (x4) y = − 1 192.5 + 11.385 x4 − 0.253 x420.051 < 0.001 饱和水汽压差 Saturated vapor pressure (x5) y = −306.041 − 34.063 x5 − 0.141 x52 0.120 < 0.001 未退化 Undegraded 光合有效辐射
Photosynthetically active radiation (x1)y = 281.786 + 7.923 x1 -0.09 x12 + 3.605E − 6 x1 3 0.273 < 0.001 风速 Wind speed (x2) y = 1 179.974 + 786.543-83.242 x22 0.033 < 0.001 大气温度 Air temperature (x3) y = −309.610 + 7.625 x3 + 5.541 x32 + 0.176 x3 3 0.603 < 0.001 相对湿度 Relative humidity (x4) y = 1 824.017 + 26.977 x4 − 0.495 x42 0.072 < 0.001 饱和水汽压差 Vapor pressure deficit (x5) y = −574.040 − 49.729 x5 − 0.163 x52 0.220 < 0.001 注：y为树干液流速率。下同。Notes: y is sap flow rate. Same as below.
下载: 导出CSV
表 3 树干液流与环境因子逐步回归分析
Table 3 Stepwise regression analysis of sap flow and environmental factors
退化程度
Degradation degree逐步回归方程
Stepwise regression equationR² P 未退化
Undegradedy = 0.562 x3 0.316 < 0.001 y = 0.426 x3 + 0.306 x1 0.391 < 0.001 y = 0.198 x3 + 0.381 x1 − 0.263 x5 0.418 < 0.001 y = −0.227 x3 + 0.286 x1 − 0.744 x5 − 0.428 x4 0.454 < 0.001 y = −0.225 x3 + 0.312 x1 − 0.742 x5 − 0.435 x4 − 0.063 x2 0.457 < 0.001 退化
Degradedy = 0.433 x1 0.188 < 0.001 y = 0.408 x1− 0.257 x5 0.253 < 0.001 y = 0.310 x1 − 0.327 x5 − 0.164 x4 0.266 < 0.001 y = 0.277 x1 − 0.328 x5 − 0.153 x4 + 0.081 x2 0.271 < 0.001
下载: 导出CSV
-
[1] 赵子夜. 中国“三北”防护林工程建设现状及思考[J]. 南京林业大学学报(人文社会科学版), 2018, 18(3): 67−76. Zhao Z Y. The current situation of “Three Norths” protection forest project construction in China and reflections[J]. Journal of Nanjing Forestry University (Humanities and Social Sciences Edition), 2018, 18(3): 67−76.
[2] Wang L, Liu Z B, Guo J B, et al. Estimate canopy transpiration in larch plantations via the interactions among reference evapotranspiration, leaf area index, and soil moisture[J/OL]. Forest Ecology and Management, 2021, 481(1): 118749[2023−02−21]. https://doi.org/10.1016/j.foreco.2020.118749.
[3] Luo Y, Fu S, Sun L, et al. Combining sap flow measurements and modelling to assess water needs in an oasis farmland shelterbelt of Populus simonii Carr. in Northwest China[J/OL]. Agricultural Water Management, 2016, 177: 172−178. http://dx.doi.org/10.1016/j.agwat.2016.07.015.
[4] 苗博. 张北地区衰败与未衰败小叶杨水分利用差异特征[D]. 北京: 中国林业科学研究院, 2017. Miao B. Characteristics of water use difference between die-backand non-dieback Populus simonii Carr. in Zhangbei area[D]. Beijing: Chinese Academy of Forestry, 2017.
[5] 段世宇, 薛斌龙. 晋北风沙区小叶杨林地退化修复对土壤理化性状的影响[J]. 陕西林业科技, 2022, 50(1): 7−15. doi: 10.12340/sxlykj202201002 Duan S Y, Xue B L. Physical and chemical properties of soil in rehabilitation of Populus simonii degraded forestland located in windy and sandy area of northern Shanxi Province[J]. Shanxi Forest Science and Technology, 2022, 50(1): 7−15. doi: 10.12340/sxlykj202201002
[6] Wullschleger S D, Meinzer F C, Vertessy R A. A review of whole-plant water use studies in tree[J]. Tree Physiology, 1988, 18(9): 499−512.
[7] Momii K, Hiyama H, Takeuchi S. Field sugarcane transpiration based on sap flow measurements and root water uptake simulations: case study on Tanegashima Island, Japan[J/OL]. Agricultural Water Management, 2021, 250(2): 106836[2023−12−21]. https://www.x-mol.com/paper/1371979894577643520.
[8] Hong L, Guo J, Liu Z, et al. Time-lag effect between sap flow and environmental factors of Larix principis-rupprechtii Mayr[J]. Forests, 2019, 10(11): 971−987. doi: 10.3390/f10110971
[9] 张延文, 王子瑄, 孙志虎, 等. 基于随机森林的长白落叶松树干液流影响因素研究[J]. 温带林业研究, 2022, 5(3): 21−28. doi: 10.3969/j.issn.2096-4900.2022.03.005 Zhang Y W, Wang Z X, Sun Z H, et al. Recognition of dominant factors behind sap flow of Larix olgensis based on random forest method[J]. Journal of Temperate Forestry Research, 2022, 5(3): 21−28. doi: 10.3969/j.issn.2096-4900.2022.03.005
[10] 李少然, 王冕之, 宋硕, 等. 银川市5种典型城市树木蒸腾耗水特性及其受主要气象驱动力的影响[J]. 东北林业大学学报, 2022, 50(9): 35−39. Li S R, Wang M Z, Song S, et al. Transpiration and water consumption characteristics of five typical urban trees and their response to main meteorological drivers in Yinchuan[J]. Journal of Northeast Forestry University, 2022, 50(9): 35−39.
[11] Granier A. A new method of sap flow measurement in tree stems[J]. Annals of Forest Science, 1985, 42: 193−200. doi: 10.1051/forest:19850204
[12] Granier A. Evaluation of transpiration in a Douglas-fir stand by means of sap flow measurements[J]. Tree Physiology, 1988, 3(4): 309−320.
[13] 贾国栋, 余新晓, 朱建刚, 等. 北京山区刺槐、栓皮栎生长旺季液流特性及影响因子[J]. 水土保持通报, 2010, 30(5): 50−56. Jia G D, Yu X X, Zhu J G, et al. Sap flow characteristics and influencing factors of Robinia pseudoacacia and Quercus variabilis in rapid growth season in mountain area of Beijing City[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2010, 30(5): 50−56.
[14] 刘自强. 华北地区典型林木水分运移过程与利用机制研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2019. Liu Z Q. Water migration process and utilization mechanism of typical trees in North China[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2019.
[15] 徐丹丹. 旱区植被耗水及其对地下水位下降的响应[D]. 西安: 长安大学, 2017. Xu D D. Plant water consumption and its response to groundwatertable drop in arid area[D]. Xi’an: Chang’an University, 2017.
[16] 刘潇潇, 李国庆, 闫美杰, 等. 黄土高原主要树种树干液流研究进展[J]. 水土保持研究, 2017, 24(3): 369−373. Liu X X, Li G Q, Yan M J, et al. Research progress on sap flow of main tree species on the Loess Plateau[J]. Research of Soil and Water Conservation, 2017, 24(3): 369−373.
[17] 左力翔, 陈佳村, 李秧秧. 陕北沙地不同树龄小叶杨的水分利用策略[J]. 中国水土保持科学, 2014, 12(6): 59−67. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2014.06.009 Zuo L X, Chen J C, Li Y Y. Water use strategies of different ages of Populus simonii on sandy land of northern Shaanxi[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2014, 12(6): 59−67. doi: 10.3969/j.issn.1672-3007.2014.06.009
[18] 周海光, 刘广全, 焦醒, 等. 黄土高原水蚀风蚀复合区几种树木蒸腾耗水特性[J]. 生态学报, 2008, 28(9): 4568−4574. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2008.09.059 Zhou H G, Liu G Q, Jiao X, et al. Water consumption by transpiration of several trees species in the Loess Plateau with mixed water and wind erosion[J]. Acta Ecologica Sinica, 2008, 28(9): 4568−4574. doi: 10.3321/j.issn:1000-0933.2008.09.059
[19] 孜尔蝶·巴合提. 坝上地区不同退化程度小叶杨水分来源与利用研究[D]. 北京: 北京林业大学, 2020. Zierdie Baheti. Study on water source and utilization of Populus simonii with different degradation degree in Bashang Area[D]. Beijing: Beijing Forestry University, 2020.
[20] Idso S B. An introduction to environmental biophysics[J]. Journal of Environmental Quality, 1977, 6(4): 474.
[21] 刘春鹏. 河北省平山县石质山区主要造林树种耗水特征研究[D]. 保定: 河北农业大学, 2011. Liu C P. Study on water consumption characteristics of main tree species in stony mountain area of Pingshan County, Hebei Province[D]. Baoding: Agricultural University of Hebei, 2011.
[22] 曹文强, 韩海荣, 马钦彦, 等. 山西太岳山辽东栎夏季树干液流通量研究[J]. 林业科学, 2004, 40(2): 174−177. doi: 10.3321/j.issn:1001-7488.2004.02.031 Cao W Q, Han H R, Ma Q Y, et al. Sap flow flux of Quercus liaotungensis in summer in deciduous broad-leafforest of Taiyue Mountain in Shanxi Province[J]. Scientia Silvae Science, 2004, 40(2): 174−177. doi: 10.3321/j.issn:1001-7488.2004.02.031
[23] 徐利岗, 苗正伟, 杜历, 等. 干旱区枸杞树干液流变化特征及其影响因素[J]. 生态学报, 2016, 36(17): 5519−5527. Xu L G, Miao Z W, Du L, et al. Analysis of variation in and factors influencing sap flow in stems of Lycium barbarum in an arid area[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(17): 5519−5527.
[24] 刘淑明, 王得祥, 孙长忠. 干旱胁迫下雪松土壤水分及生理特性的研究[J]. 西北植物学报, 2004, 24(11): 2057−2060. doi: 10.3321/j.issn:1000-4025.2004.11.014 Liu S M, Wang D X, Sun C Z. Study of soil water and physiological characteristics of Cedrus deodara under water stress[J]. Acta Botanica Boreali-occidentalia Sinica, 2004, 24(11): 2057−2060. doi: 10.3321/j.issn:1000-4025.2004.11.014
[25] 陈宝强, 张建军, 张艳婷, 等. 晋西黄土区辽东栎和山杨树干液流对环境因子的响应[J]. 应用生态学报, 2016, 27(3): 746−754. Chen B Q, Zhang J J, Zhang Y T, et al. Whole-tree sap flow of Quercus liaotungensis and Populus davidiana inresponse to environmental factors in the Loess Plateau area of western Shanxi Province, northern China[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(3): 746−754.
[26] 丁访军, 王兵, 赵广东. 毛竹树干液流变化及其与气象因子的关系[J]. 林业科学, 2011, 47(7): 73−81. doi: 10.11707/j.1001-7488.20110711 Ding F J, Wang B, Zhao G D. Sap flow changes of Phyllostachys edulis and their relationships with meteorological factors[J]. Scientia Silvae Science, 2011, 47(7): 73−81. doi: 10.11707/j.1001-7488.20110711
[27] 唐子舒, 王根绪, 胡兆永. 贡嘎山不同径级峨眉冷杉树干液流特征及其影响因素[J]. 山地学报, 2022, 40(2): 220−234. Tang Z S, Wang G X, Hu Z Y. Characteristics of stem sap flow and influencing factors of Abies fabri in varied diameters on Mount Gong-ga, China[J]. Mountain Research, 2022, 40(2): 220−234.
[28] Wen J, Chen Y M, Tang Y K, et al. Characteristics and affecting factors of sap flow density of Pinus tabuliformis and Hippophae rhamnoides in growing season in the hilly region of the Loess Plateau, China[J]. The Journal of Applied Ecology, 2017, 28(3): 763−771.
[29] 孛永明, 王丽洁, 荐圣淇. 黄土高原丘陵沟壑区柠条和沙棘树干液流的变化特征[J]. 生态学报, 2023, 43(4): 1553−1562. Bo Y M, Wang L J, Jian S Q. Variations of sap flow of Caragano korshinskii and Hippophae rhamnoides in hilly and gully region of the Loess Plateau[J]. Acta Ecologica Sinica, 2023, 43(4): 1553−1562.
[30] 刘华, 佘春燕, 白志强, 等. 不同径级的西伯利亚红松树干液流及蒸腾耗水特征的差异[J]. 西北植物学报, 2016, 36(2): 390−397. Liu H, She C Y, Bai Z Q, et al. Sap flow and transpiring water-consumption of Pinus sibirica in differernt diameter classes[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2016, 36(2): 390−397.
[31] 程静, 欧阳旭, 黄德卫, 等. 鼎湖山针阔叶混交林4种优势树种树干液流特征[J]. 生态学报, 2015, 35(12): 4097−4104. Cheng J, Ouyang X, Huang D W, et al. Sap flow characteristics of four dominant tree species in a mixed coniferbroad leaf forest in Dinghushan[J]. Acta Ecologica Sinica, 2015, 35(12): 4097−4104.
-
期刊类型引用(11)
1. 杨涛，孙付春，黄波，吴柏强，冉光泽. 果园作业平台关键技术研究进展. 中国农机化学报. 2024(01): 152-159 . 
百度学术
2. 汪若尘，蒋亦勇，丁仁凯，孙泽宇，徐可. 基于BP神经网络PID的机电式作业机全向调平控制. 农业工程学报. 2024(23): 52-62 . 百度学术
3. 姜欢龙，严重勇，李青涛，梁丽，李佳阳，谭芸颖. 自走式农业机械静态稳定性研究现状及展望. 西华大学学报(自然科学版). 2023(01): 32-41 . 百度学术
4. 聂昭成，罗红品，刘威，李光林. 丘陵山地作物信息采集全向自平衡装置的设计与试验. 西南大学学报(自然科学版). 2023(10): 129-138 . 百度学术
5. 蒋俞，孙泽宇，汪若尘，夏长高，叶青，郭逸凡. 丘陵山区履带式作业机全向调平系统设计与性能试验. 农业工程学报. 2023(18): 64-73 . 百度学术
6. 孙泽宇，夏长高，蒋俞，郭逸凡，汪若尘. 基于QBP-PID的履带式作业机全向调平控制研究. 农业机械学报. 2023(12): 397-406 . 百度学术
7. 姜彪，付友，郭靖，张海林，马新华. 煤矿抢险移动式自动调平搭载平台控制系统. 煤矿机械. 2022(04): 181-185 . 百度学术
8. 张翠英，仪垂良，刘学峰，任冬梅，张成保. 基于CAN总线的悬浮式转向驱动桥电气控制系统设计. 农业装备与车辆工程. 2021(05): 1-5 . 百度学术
9. 缪友谊，陈小兵，朱继平，袁栋，陈伟，丁艳. 果园作业平台研究进展分析. 中国农机化学报. 2021(06): 41-49 . 百度学术
10. 李林林，邓干然，林卫国，崔振德，何冯光，李国杰. 农业机械自动调平技术发展现状与趋势. 现代农业装备. 2021(05): 2-7+35 . 百度学术
11. 吕昊暾，胡召田，于泳超，康峰，郑永军. 果园高位作业平台自动调平前馈PID控制方法. 农业工程学报. 2021(18): 20-28 . 百度学术
其他类型引用(5)
计量
- 文章访问数: 242
- HTML全文浏览量: 63
- PDF下载量: 44
- 被引次数: 16
