基于神經網絡PID的小麥收割機械式行走裝置設計

宿敬肖，張　賓，林海霞，余良俊

(1.河北工程技術學院，石家莊　050091;2.中國地質大學 機械與電子信息學院，武漢　430074)

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基于神經網絡PID的小麥收割機械式行走裝置設計

宿敬肖1，張賓1，林海霞1，余良俊2

(1.河北工程技術學院，石家莊050091;2.中國地質大學 機械與電子信息學院，武漢430074)

摘要：為了提高聯合收割機行進速度控制的響應精度、縮短控制過程的響應時間及提高收割機的作業效率，設計了一種新的小麥收割機械式行走裝置。該裝置利用新型液壓-機械控制方案，結合神經網絡PID控制器，提高了行走裝置的響應速度和精度，并解決了收割機原地轉向及特殊地塊通過性較差的問題。行走系統采用雙聯集成變量柱塞泵和2個定量擺線馬達的相互獨立閑式液壓傳動系統，實現了收割機行走系統的無級調速。為了測試裝置的有效性和可靠性，對PID控制器的響應精度和響應時間等進行了測試。通過測試發現：PID控制器的調節時間僅為0.02s，響應迅速，超調量低，響應精度較高，為小麥收割機現代化設計提供了較有價值的參考。

關鍵詞：聯合收割機；神經網絡；行走裝置；液壓控制；無級調速；PID控制

0引言

機械式行走系統是聯合收割機的關鍵部件之一，為了適應不同地塊的需求，不僅要求該部件結構緊湊、傳遞功率大、機械性能好，而且需要結構簡單、效率高、結構緊湊，使裝置具有較好的調速、轉向和差速功能，其穩定性和可靠性直接影響收割機的作業性能。液壓裝置在控制系統中可以實現無級調速功能，其動作響應快、結構簡單、調速范圍寬、低速穩定性較好，因此可以應用在聯合收割機行走裝置的設計過程中。但是，普通的液壓傳動系統存在機械摩擦嚴重、泄露損失高、溢流和節流較難控制等問題，因此需要采用先進液壓-機械復合傳動技術，重復發揮兩者的優勢，使系統的傳動性能達到最佳，滿足收割機設計的動力性和節能性，提高收割機的高效性、操作性與駕駛舒適性。

1小麥收割機械式行走系統總體設計

在實現機械自動化控制過程中，PID是最常用的控制器之一，這是因為PID控制器結構相對簡單，控制效果好，因此被廣泛的采用。為了實現收割機行走系統的PID控制，在行走系統設計環節上使用閉式液壓系統。收割機行走機構的控制系統采用雙聯集成變量泵和雙定量馬達閉式液壓系統。雙聯軸向柱塞集成泵具有很多優點，最主要的是對外界載荷具有自適應能力，并且可以實現變扭矩、無極調速及連續改變傳動比，從而縮小了收割機機械式行走裝置的安裝空間，減少了管路連接造成的漏油和振動現象，提高了系統的易操作性和可靠性。

圖1為星輪減速器與液壓馬達與履帶驅動輪的連接示意圖。

1.履帶驅動輪　2.螺栓　3.單級行星輪減速器

由圖1可以看出：減速器的星形輪和液壓馬達進行連接(減速器由3部分組成，包括星形輪、大中心輪和小中心輪)，小中心輪和液壓馬達相連，大中心輪和驅動履帶的輪相連接；機械行走系統通過驅動輪帶動收割機前進、后退和轉向，其總體設計示意圖如圖2所示。

圖2　收割機機械行走裝置基本結構圖

收割機的行走裝置中，驅動力來自于后置的前輪驅動，行走機構通過皮帶傳動，把動力傳遞給主軸，驅動形式為柴油機后置的前輪驅動。柴油機通過皮帶傳動，把動力傳動到主軸上，主軸再分別帶動行走部分和收割部分。行走部分即履帶驅動輪通過連桿與變速箱連接，來實現行走、變速及轉向等功能。發動機到變速箱之間采用單片摩擦式離合器傳動動力，變速箱是在拖拉機變速箱基礎上加大傳動比而成的。

2行走系統PID控制器設計

PID控制器的結構簡單、控制效果好，但存在一定的局限性，如控制對象在調整過程中，調整參數較難適應外界環境的變化。為了調整PID控制器參數的自適應能力，實現參數的自動化調節功能，采用神經網絡的控制方式，利用神經網絡自適應學習功能，結合傳統的PID控制理論，構造神經網絡的PID控制器，實現參數的自動調整。

圖3為采用BP神經網絡調節的PID控制結構示意圖。其中，控制器包括兩部分：一部分是常規的PID控制，可以對閉環系統的控制對象進行直接控制；另一部分是NN神經網絡，可以根據系統的運行狀態，對權值進行調整，從而實現PID的參數整定過程，使控制器的性能達到最優。

圖3　基于神經網絡的PID控制示意圖

圖4表示BP神經網絡的結構示意圖。其中，輸出層激勵函數取非負的Sigmoid函數，隱層取正負對稱的Sigmoid函數，為了實現速度的非線性條件， 可以將速度控制模型寫為

(1)

其中，y(k)表示輸出量，表示u(k)控制量。系數a(k)變動過程是慢時的，其表達式為

a(k)=1.2(1-0.8e-0.1k)

(2)

為保證控制具有動態自適應調節能力，選定神經網絡的輸入層輸入為

Xin=[e(k),e(k-1),e(k-2),1]T

(3)

其中，e(k)表示調節誤差。神經網絡自適應學習過程為正向和反向兩部分，如果輸出層的數值達不到期望輸出，則通過反向傳播對參數進行調節，修改各層神經元權值，使輸出的誤差達到最低。其中，3參數的調節公式為

(4)

取性能指標函數為

(5)

設

r(k)-y(k)=e(k)

(6)

若PID控制器采用采用增量式數字PID控制算法，則有

(7)

為了在聯合收割機行走裝置中實現神經網絡PID調節過程，對收割機的行走裝置進行改進，其實現過程的框架如圖5所示。

圖4　BP神經網絡結構示意圖

圖5　神經網絡PID調節過程

行走裝置采用PID閉環控制的形式，其參數的整定過程使用神經網絡算法進行計算，主要步驟如下：

1)首先設置裝置初始狀態值，使用隨機產生初始權值的方法確定神經網絡的權值系數。初始輸出值為0，確定學習速度和初始慣性系數，計數器設置為初始值1，設定上限。

2)通過計算得到隱含層的輸入值，確定初始誤差值e(k)，然后計算并存儲e(k-1)、e(k-2)，前兩次先設置為0，然后加上1作為隱含層的輸入值。

3)前向傳播計算：

(1)對前向傳播的BP神經網絡進行計算，得到PID的3個參數Kp、KI、KD；

(2)計算輸出控制器u(k)；

(3)被控制對象的輸出計算y(k)。

4)進行反向傳播計算，調整輸出層的權值系數，調整隱含層的權值系數。

5)參數調整更新。

6)如果k達到設定的次數上限，則結束；否則，k=k+1，并返回步驟。

通過以上步驟，可以完成PID參數的整定過程，通過PID可以實現對聯合收割機速度的控制。

3小麥收割機械式行走系統測試

為了測試本文設計的機械式行走裝置的有效性和可靠性，對聯合收割機的行走速度控制性能進行了測試。測試項目包括系統速度輸出量、調整誤差、響應時間。首先，對系統的輸出量進行測試，得到了如圖6所示的調節曲線。

圖6　機械行走機構輸出量調整曲線

由圖6可以看出：系統的響應時間較短，超調量較低，并且最終可以達到穩定的控制狀態，輸出平穩的控制曲線。

圖7為聯合收割機行走機構的誤差調整曲線。由圖7可以看出：系統的響應時間較短，最終調整誤差接近于0，并且經過調整后，行走機構的誤差控制穩定，滿足設計的要求。

圖7　機械行走機構的誤差調整曲線

圖8為聯合收割機PID神經網絡參數整定的計算結果圖。由圖8可以看出：通過神經網絡自適應參數整定，Kp、Ki、Kd的最終結果為Kp=0.170 5，Ki=0.171 4，Kd=0.029 4，神經網絡算法參數整定算法用時僅為0.02s，響應時間快，調整精度高。

為了縮短聯合收割機的行進速度的響應時間，降低響應的超調量，采用PID神經網絡整定后的參數對速度進行控制，通過計算得到了如圖9所示的行走速度響應曲線。由圖9可以看出：在速度調整為0.4m/s時，結構的響應速度較快、超調量較低，因此裝置控制精度較高，滿足收割機機械式行走裝置的設計需求。

圖8　機械行走機構PID參數整定圖

圖9　行走機構速度響應曲線

4結論

依據液壓-機械控制原理，結合神經網絡PID控制器，設計了一種新的小麥收割機械式行走裝置，有效地提高了行走裝置的響應速度和響應精度，解決了特殊地塊行走困難問題，提高了收割機行走的精度。

為了測試設計的機械行走裝置的有效性和可靠性，對裝置的響應性能進行了測試。通過測試發現：該裝置PID控制器響應快、誤差低、超調量低，可滿足收割機速度調整的需求。該控制裝置的適應性較強，可以在大多數收割機中進行推廣，對聯合收割機的設計具有較高的參考價值。

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Design for Mechanical Walking Device in Wheat Harvester Based on Neural Network and PID Control

Su Jingxiao1, Zhang Bin1, Lin Haixia1, Yu Liangjun2

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091,China; 2.Faculty of Mechanical & Electronic Information,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract：In order to improve the accuracy of the combine harvester and the traveling speed control response, shorten the response time of the process control, improve the working efficiency of the harvester,it designed a kind of new wheat harvesting machinery type walking device.The device used the novel hydro mechanical control scheme, combined with a neural network PID controller and improve the response speed and accuracy of the walking device, and solved the harvester in situ steering and special plots by poor.The walking system adopt the double integrated variable piston pump and two quantitative cycloid motor independent leisure type hydraulic transmission system with the harvester walking stepless speed regulation system. For the validity and reliability of the testing device, the PID controller response accuracy and response time were tested and it was found that PID controller adjusting time only to 0.02s, quick response,with low overshoot and higher response accuracy, which provides a more valuable reference for the modernization of the wheat harvester design.

Key words：combine harvester; neural network; walking device; hydraulic control; stepless speed regulation; PID control

文章編號：1003-188X(2016)07-0055-05

中圖分類號：S225.3;TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：宿敬肖(1979-)，女，河北晉州人，講師，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFC1079);湖北省自然科學基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-06-28