基于模糊PID參數(shù)整定的收獲機(jī)前進(jìn)速度控制優(yōu)化

崔建弘，寇雪梅，楊靜宜，張衛(wèi)娟，鮑秀蘭

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊　050091;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070)

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基于模糊PID參數(shù)整定的收獲機(jī)前進(jìn)速度控制優(yōu)化

崔建弘1，寇雪梅1，楊靜宜1，張衛(wèi)娟1，鮑秀蘭2

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊050091;2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070)

摘要：為了提高聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度控制的精度，解決前進(jìn)速度控制的滯后問題，使收割機(jī)具有穩(wěn)定的負(fù)荷和良好的脫粒能力，對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸裝配機(jī)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了基于灰色預(yù)測的模糊PID控制方案，將其應(yīng)用在了縱流聯(lián)合收割機(jī)的控制系統(tǒng)中。控制系統(tǒng)使用單片機(jī)作為速度的控制裝置，并可對(duì)裝置故障做出預(yù)警。為了測試收割機(jī)速度灰色預(yù)測模糊PID控制方法的有效性和可靠性，對(duì)收割機(jī)的速度控制進(jìn)行了測試。以喂入量作為干擾信號(hào)，通過測試發(fā)現(xiàn)：灰色預(yù)測模糊PID控制的速度控制響應(yīng)時(shí)間短，響應(yīng)迅速，滿足設(shè)計(jì)需求，可以在各類聯(lián)合收割機(jī)的速度控制器推廣使用，為收割機(jī)速度控制的研究提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；模糊PID；灰色預(yù)測；驅(qū)動(dòng)輪軸；前進(jìn)速度；喂入量

0引言

我國是農(nóng)業(yè)大國，谷物類生產(chǎn)機(jī)械化對(duì)谷物類種植至關(guān)重要，而谷物類最重要的機(jī)械化收割工具是聯(lián)合收割機(jī)。聯(lián)合收割機(jī)可以一次性完成收割和脫粒作業(yè)，大大提高了收獲效率，節(jié)省了人力物力，減輕了農(nóng)民的負(fù)擔(dān)，因此聯(lián)合收割機(jī)的改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。但是，聯(lián)合收割機(jī)受到作業(yè)谷物密度和地形的影響，其速度達(dá)不到精準(zhǔn)控制的目的，并且速度控制存在一定的滯后性。當(dāng)作業(yè)為丘陵地形時(shí)，地形起伏較大，河流眾多，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的適應(yīng)性提出了更高的要求。而在跨地區(qū)作業(yè)時(shí)，還要求聯(lián)合收獲機(jī)具有較高的行駛速度，可靠性要求也較高。為此，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的速度控制進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，以期達(dá)到對(duì)速度的穩(wěn)定、高效和精準(zhǔn)控制。

1聯(lián)合收割機(jī)行走機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)輪和變速器是控制收割機(jī)前進(jìn)速度的關(guān)鍵，對(duì)于變速箱和驅(qū)動(dòng)輪的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)速度模糊PID控制的基礎(chǔ)。驅(qū)動(dòng)輪軸是驅(qū)動(dòng)輪和變速器的連接軸，變速器通過連接軸給驅(qū)動(dòng)輪提供動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)輪軸一端在變速箱里，利用鍵和變速箱進(jìn)行連接，從變速箱出來之后，驅(qū)動(dòng)輪利用普通的平鍵和軸進(jìn)行連接；由于工作過程中需要傳遞扭矩，因此軸是轉(zhuǎn)動(dòng)的，需要在連桿外加上軸套。軸的重力支持設(shè)計(jì)在下方，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　驅(qū)動(dòng)輪軸的軸向裝配方案

驅(qū)動(dòng)輪一端連接在軸上，驅(qū)動(dòng)輪的工作面在履帶里，軸也需要包圍在履帶里，所以在設(shè)計(jì)連桿時(shí)不能讓尺寸太大，否則會(huì)和履帶發(fā)生干涉現(xiàn)象，影響收割機(jī)的速度控制。因此，在結(jié)構(gòu)上需要更加緊湊，對(duì)方案1的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，得到了方案2的裝配結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示。

圖2　改進(jìn)后的驅(qū)動(dòng)輪軸的軸向裝配

由圖2可以看出：相對(duì)于方案1的裝配，驅(qū)動(dòng)輪軸的結(jié)構(gòu)更加緊湊，不用擔(dān)心連桿支座會(huì)不會(huì)和履帶發(fā)生干涉，所以可以使用改進(jìn)后方案。為了實(shí)現(xiàn)收割機(jī)速度的控制，需要對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并利用反饋調(diào)節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)速度的優(yōu)化配置，其總體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3　收割機(jī)前進(jìn)速度優(yōu)化

收割機(jī)的速度調(diào)節(jié)可以利用PID調(diào)節(jié)器：首先使用模糊算法對(duì)參數(shù)進(jìn)行整定，然后利用PID對(duì)速度進(jìn)行反饋，由單片機(jī)執(zhí)行器執(zhí)行速度大小控制；最后，采用反饋調(diào)節(jié)的方法對(duì)調(diào)節(jié)誤差進(jìn)行調(diào)整，通過不斷的迭代計(jì)算，使控制誤差降低到最少，從而達(dá)到縮短控制時(shí)間、提高控制精度的目的。

2聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度模糊控制器設(shè)計(jì)

聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度采用模糊PID調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，在控制時(shí)首先需要一個(gè)輸入期望值，這個(gè)值可以利用灰色預(yù)測模型來進(jìn)行預(yù)測。然后，利用模糊控制推理的方法得到控制量，其基本流程如圖4所示。

圖4　灰色預(yù)測模糊控制器流程圖

(1)

假設(shè)系統(tǒng)的采樣時(shí)間為0.5s，收割谷物達(dá)到脫粒器的時(shí)間為1.5s，調(diào)速執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)時(shí)間約為1s。假設(shè)預(yù)測步數(shù)為p=5，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行累加可得

(2)

背景值z(mì)(1)(k)可以寫成

(3)

于是得到矩陣B和數(shù)據(jù)向量XN

(4)

(5)

求得矩陣B的轉(zhuǎn)秩矩陣BT為

(6)

定義4個(gè)計(jì)算參數(shù)為

(7)

則求得

(8)

(BTB)-1BT=

(9)

進(jìn)而可以求得

(10)

所以發(fā)展系數(shù)a為

(11)

灰色輸入u為

(12)

(13)

表的量化表

表1中，對(duì)應(yīng)的模糊控制語言集可以表示為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}7個(gè)詞匯，將其用英文縮寫可以表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其隸屬函數(shù)的控制曲線如圖5所示。

圖5　隸屬函數(shù)曲線

3聯(lián)合收割機(jī)前進(jìn)速度控制測試

為了測試聯(lián)合收割機(jī)灰色模糊PID控制的有效性和可靠性，將設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)應(yīng)用在切縱流聯(lián)合收割機(jī)上，并使用模糊控制、模糊PID控制、灰色預(yù)測模糊PID控制3種算法對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的行進(jìn)速度進(jìn)行了測試試驗(yàn)。收割機(jī)作業(yè)現(xiàn)場如圖6所示。

圖6　小麥?zhǔn)崭顧C(jī)速度測試

通過對(duì)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)速度的采集，使用MatLab軟件對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)進(jìn)行繪圖，采用單位階躍輸入信號(hào)對(duì)前進(jìn)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行灰色預(yù)測模糊控制仿真試驗(yàn)。首先將收割機(jī)設(shè)置為自動(dòng)收割狀態(tài)，割茬在10～20cm之間，收割距離控制在100m以內(nèi)，以改變喂入量作為系統(tǒng)的干擾信號(hào)，對(duì)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過計(jì)算得到了如圖7所示的速度隨時(shí)間變化曲線。

由圖7可以看出：采用模糊PID調(diào)節(jié)器，當(dāng)改變喂入量時(shí)，前進(jìn)速度在15s左右時(shí)開始響應(yīng)，響應(yīng)總共用時(shí)在14s左右。

圖7　模糊PID調(diào)節(jié)器收割機(jī)速度控制計(jì)算結(jié)果

圖8表示灰色預(yù)測模糊PID調(diào)節(jié)器收割機(jī)速度控制計(jì)算的結(jié)果。由圖8可以看出：采用灰色預(yù)測模糊PID調(diào)節(jié)器時(shí)，當(dāng)改變喂入量，前進(jìn)速度在10s左右時(shí)便開始響應(yīng)，相比單純的模糊PID調(diào)節(jié)開始響應(yīng)時(shí)間早，響應(yīng)總共用時(shí)在10s左右，相比單純使用模糊PID調(diào)節(jié)算法時(shí)響應(yīng)時(shí)間要短。為了進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的可靠性，對(duì)收割機(jī)進(jìn)行了8次測試，最終得到了如表2所示的結(jié)果。

圖8　灰色預(yù)測模糊PID調(diào)節(jié)器收割機(jī)速度控制計(jì)算結(jié)果

s

由表2可以看出:經(jīng)過8次測試，灰色預(yù)測模糊PID控制的速度控制開始響應(yīng)時(shí)間最短，響應(yīng)速度最快，性能最優(yōu)，從而驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的收割機(jī)速度控制器的優(yōu)越性。

4結(jié)論

1)對(duì)驅(qū)動(dòng)輪軸的裝配方案進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)更加緊湊，利于收割機(jī)前進(jìn)速度的控制。利用單片機(jī)作為速度執(zhí)行器，提出了基于灰色預(yù)測的模糊PID控制方案，并在縱流聯(lián)合收割機(jī)上進(jìn)行了測試。

2)為了驗(yàn)證控制算法的有效性和可靠性，對(duì)縱流聯(lián)合收割機(jī)的前進(jìn)速度控制進(jìn)行了測試。以喂入量作為干擾信號(hào)，通過灰色模糊PID速度控制器測試發(fā)現(xiàn)：該控制器速度調(diào)節(jié)響應(yīng)時(shí)間端，調(diào)節(jié)速度快、響應(yīng)精度高，性能優(yōu)于單純使用模糊控制和模糊PID控制。

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Forward Speed Control Optimization of the Harvester Based on Parameter Tuning of Fuzzy PID

Cui Jianhong1, Kou Xuemei1, Yang Jingyi1, Zhang Weijuan1, Bao Xiulan2

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091,China; 2.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to improve the combined harvester forward speed control precision,solve the forward problem of speed control of the lag, it studied the harvester with stable load and good threshing ability. And the drive axle assembly is improved.Based on grey prediction and fuzzy PID control scheme and its application in the longitudinal flow control system of combine harvester. It used single chip microcomputer as a speed control device, and the device fault warning made, in order to test the harvester speed grey prediction fuzzy PID control method of validity and reliability, the harvester speed control were tested. To feed quantity as a jamming signal, through the test to find out, grey prediction fuzzy PID control of speed control response time is short, rapid response, which meet the design requirements, so you can use it in combine harvester of the speed controller,which is extended for harvester speed control study for a more valuable reference.

Key words：combined harvester; fuzzy PID; gray prediction; driving wheel axle; forward speed; feed quantity

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0075-05

中圖分類號(hào)：S225.3;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡介：崔建弘(1980-)，女，河北趙縣人，講師，碩士，(E-mail)cuijianhong1980@163.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFB322)

收稿日期：2015-06-28