農(nóng)機作業(yè)履帶式行走張緊系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略

楊張利

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院, 重慶 401331)

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，農(nóng)機作業(yè)自動化程度已取得了明顯的進步，履帶行走裝置因其接地比壓低、轉(zhuǎn)彎半徑小、牽引力大與爬坡能力強等優(yōu)勢在農(nóng)業(yè)機械作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在大中型自行式機械中應(yīng)用比較普遍。履帶行走性能對農(nóng)機作業(yè)效率有舉足輕重的影響。如履帶張緊裝置的預(yù)張緊力偏低或者太小，必然導(dǎo)致履帶松馳，履帶失去張緊作用，從而引起履帶上方的跳動與振動，使摩擦力增加，致使機件的磨損增大；如履帶張緊裝置的預(yù)張緊力過大，必然導(dǎo)致履帶剛性增加，過大的剛性使張緊裝置失去緩沖功能，增加履帶行走機械的內(nèi)摩擦力，因為喪失緩沖功能，輕則使履帶行走能耗增大并加速履帶磨損，重則會在行走過程中因受到外界沖擊而導(dǎo)致履帶斷裂，甚至在行走過程中產(chǎn)生履帶脫軌等重大事故。因此，合理的張緊力控制對農(nóng)機作業(yè)有重大作用，被公認(rèn)為是履帶行走裝置的核心技術(shù)[1-4]。以履帶彈簧張緊為例，借助油壓機使彈簧獲得一定的預(yù)張緊力，如果履帶在行進中遇到?jīng)_擊時，那么彈簧就可以起到緩沖作用，將外界沖擊力的變化直接轉(zhuǎn)換為彈簧的伸縮運動，從而避免履帶行走機構(gòu)受到外界沖擊力影響。針對上述存在的問題，以下對履帶式農(nóng)機作業(yè)行走過程中如何保持最佳張緊狀態(tài)從控制論角度針對控制策略進行探討。

1 張緊過程的控制論特性

農(nóng)機作業(yè)的工作環(huán)境是非常復(fù)雜的，野外作業(yè)有很多因素是不可控的，在不同行駛狀態(tài)和路況下行走具有很大的不確定性，而行走機構(gòu)的設(shè)計是在參數(shù)確定的情況下完成的，因此張緊裝置中的控制系統(tǒng)顯得特別重要。只有張緊系統(tǒng)的控制策略與張緊過程的控制論特性匹配才能確保高效率的農(nóng)機作業(yè)，保證行走機構(gòu)一直保持在最佳張緊力狀態(tài)下運行。張緊過程表現(xiàn)出如下控制論特性：農(nóng)機作業(yè)中履帶張緊過程受眾多不確定與難以預(yù)測因素的影響，過程參數(shù)具有時變性、隨機性和未知性；履帶張緊過程具有時滯與高度非線性特性，其時滯特性因受到不確定性因素影響，且時滯特性本身同樣具有時變性和未知性；履帶張緊過程具有慣性特性，過程復(fù)雜，變量眾多，并且變量之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性；農(nóng)機野外作業(yè)環(huán)境存在各種干擾的不確定性、隨機性、多樣性和未知性。野外地質(zhì)情況相對變化較大，導(dǎo)致履帶張緊力難以達到均勻和穩(wěn)定，經(jīng)常引起張緊力波動。上述特性表明，履帶張緊過程中充滿了不確定性和復(fù)雜性，因此對張緊過程采用數(shù)學(xué)方法實施建模控制是難以取得期望控制效果的，有必要探討與其過程控制論特性相匹配的控制策略與控制算法[5-9]。

2 控制策略與控制算法

2.1 控制策略選取

面對張緊過程的不確定性、參數(shù)時變性、高度非線性和時滯特性等控制論特性，從自動控制理論角度考慮，可供選擇直接用于控制的策略并不多。如采用傳統(tǒng)與近代控制理論的控制策略，其控制器的分析與設(shè)計都是基于精確的數(shù)學(xué)模型，而張緊過程是難以數(shù)學(xué)建模的，因此對張緊過程采用數(shù)學(xué)手段描述的定量范式控制策略幾乎是不可能的，即使忽略一些難于處理的因素，勉強地建立了數(shù)學(xué)模型，其實施的控制效果也不可能令人滿意。隨著自動控制理論和人工智能的發(fā)展，給控制策略選擇提供了全新的控制思路。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，但因受張緊過程不確定性因素影響，很難從事先試驗中獲得學(xué)習(xí)試驗樣本。對張緊過程而言，因方法的局限性，該控制策略并非是有效的控制策略。專家控制系統(tǒng)可處理各種精確、定量、模糊與定性的信息，但很難建立完備的知識庫，此外，因張緊過程存在不確定性，在特征信息采集與表達等方面顯得更加難以實現(xiàn)，所以專家系統(tǒng)用于張緊過程控制并不現(xiàn)實。模糊控制基于模糊集合理論可以對張緊過程進行描述并歸納出控制規(guī)則，但張緊過程的復(fù)雜不確定性特性可能導(dǎo)致其隸屬函數(shù)難于確定，可能導(dǎo)致難于歸納出適合于張緊過程控制的控制規(guī)則，從而難以實施優(yōu)化控制。值得關(guān)注的是智能控制策略，該策略無須人工干預(yù)，在過程動態(tài)特性變化范圍內(nèi)，智能控制器可自主地驅(qū)動被控制過程，使其自動地達到期望的控制目標(biāo)。仿人智能控制HSIC ( human simulated intelligent controller)[10]就是模擬人類控制行為的控制器，誤差及誤差變化率是可借助物理手段檢測的，并且可采用產(chǎn)生式規(guī)則描述其控制行為與推理過程，能方便地基于廣義控制模型設(shè)計控制器，將控制專家的知識和過程操作者的控制經(jīng)驗、智慧與技巧融入控制算法以改善控制品質(zhì)，從而增強控制器的魯棒性能，完美地協(xié)調(diào)張緊過程中相互矛盾的控制品質(zhì)要求，因此HSIC控制策略應(yīng)當(dāng)是一種較理智的選擇。

2.2 控制模型與控制模式

圖1為基于知識的負(fù)反饋廣義控制模型。

圖1 基于知識的廣義控制模型

圖2 張緊控制過程的系統(tǒng)誤差相平面

2.3 控制算法

由上述兩種基本控制模式，基于圖1所示的負(fù)反饋廣義控制模型[11-14]，可以構(gòu)造出基于仿人智能的HSIC基本控制算法:

各符號的物理意義如圖1所示：U為HSIC控制器的輸出；e為過程系統(tǒng)誤差。在基本算法中，em, j表示系統(tǒng)誤差最大值的第j次峰值，Kp為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)。

3 實驗仿真及其結(jié)果分析

3.1 實驗仿真

考察控制策略的自適應(yīng)性，實質(zhì)上就是考察該控制策略的魯棒性能。對過程跟蹤控制而言，魯棒性強的控制器有很強的自適應(yīng)性，其跟蹤性能很少受外部干擾和內(nèi)部控制參數(shù)變化的影響。對張緊過程恒值控制系統(tǒng)而言，外部干擾和內(nèi)部控制參數(shù)變化也同樣幾乎不影響其控制品質(zhì)。以下借助實驗仿真驗證基于仿人智能控制策略的強魯棒性能。鑒于張緊過程是一個具有慣性的時滯過程，因此可以用1階慣性加時滯環(huán)節(jié)對其過程動態(tài)特性進行描述。考察張緊過程對不同控制策略的過程響應(yīng)，就可比較不同控制策略的強魯棒性能，為了方便，選擇以PID控制策略(控制算法1)為參照與仿人智能控制策略HSIC(控制算法2)相比較，通過改變過程的結(jié)構(gòu)階次以及施加外部干擾模擬作業(yè)現(xiàn)場工況的變化，如果其調(diào)節(jié)時間短、響應(yīng)時間快、運行平穩(wěn)、不存在超調(diào)或者超調(diào)小和穩(wěn)態(tài)控制精確度高，那么該控制策略因其強魯棒性一定是可取的。

設(shè)1階慣性時滯過程模型為W(S)=Ke-τs/(Ts+1)，基于 Matlab環(huán)境，借助Simulink搭建仿真模型，在階躍輸入為2的信號作用下，取K=7.8，T=74,τ=20,分別采用PID和HSIC控制同一過程，其過程響應(yīng)如圖3所示。

圖3 PID和HSIC控制下的過程響應(yīng)

從過程控制參數(shù)變化角度考察控制算法的魯棒性能。如果在原一階慣性時滯過程模型中增加一個慣性環(huán)節(jié)，即過程模型變?yōu)閃1(S)=Ke-τs/(Ts+1)(5s+1)時，當(dāng)原模型參數(shù)仍然保持不變，即K=7.8，T=74,τ= 20，顯然其過程模型已經(jīng)由1階慣性時滯過程變?yōu)?階慣性時滯過程，過程階次也已經(jīng)由原來的1階變?yōu)楝F(xiàn)在的2階過程，當(dāng)然，過程參數(shù)也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化，在保持上述實驗仿真條件不變的情況下，兩種控制算法的過程響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 增加慣性環(huán)節(jié)后的過程響應(yīng)

從抗外部干擾性能角度考察控制算法的魯棒性能。在保持上述實驗仿真條件不變的情況下，在t=100 s施加一個寬度為10 s、幅度為0.5的定值擾動信號，兩種控制算法在外部干擾下的過程響應(yīng)如圖5所示。

圖5 外部干擾下的過程響應(yīng)

3.2 實驗結(jié)果分析

從圖3的過程階躍響應(yīng)曲線可知，PID控制算法1出現(xiàn)振蕩與超調(diào)量，HSIC控制算法2的過程平穩(wěn)，不存在振蕩與超調(diào)量，顯然HSIC 控制更適應(yīng)于張緊過程的控制。對比分析圖4可知，即使原1階慣性時滯過程增加一個慣性環(huán)節(jié)后，HSIC控制算法仍能對過程實現(xiàn)平穩(wěn)的控制，既不產(chǎn)生振蕩也不產(chǎn)生超調(diào)，其控制過程的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)時間也是令人滿意的。對比分析圖5可知：HSIC控制產(chǎn)生的超調(diào)量是非常小的，而且沒有產(chǎn)生任何蕩頻；對PID控制而言，不僅僅產(chǎn)生大幅度的超調(diào)，而且還產(chǎn)生振蕩，并且其產(chǎn)生的振蕩頻率和幅度均比較大。由上述實驗結(jié)果分析可見，與PID控制相比，基于仿人智能的HSIC控制策略魯棒性能強，具有很好的適應(yīng)過程參數(shù)變化與抗外部干擾的性能。

4 結(jié)束語

農(nóng)機作業(yè)履帶式行走張緊控制系統(tǒng)因其張緊過程具有不確定性、參數(shù)時變性、高度非線性和時滯特性等過程控制論特性，從自動控制理論角度考慮，可供直接選擇應(yīng)用的張緊控制策略并不多。本文探討的張緊過程自適應(yīng)控制策略的強魯棒性能表明：基于仿人智能的HSIC控制策略對農(nóng)機作業(yè)履帶式行走張緊控制跟蹤具有自適應(yīng)性，是一種比較好的可供張緊控制系統(tǒng)設(shè)計參考的控制策略。