移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)作業(yè)速度調(diào)控系統(tǒng)研究

王 偉 宮元娟 白雪衛(wèi) 譚 睿 黃婉媛

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 沈陽 110866)

0 引言

我國(guó)玉米種植面積大，玉米秸稈年產(chǎn)量可達(dá)2.4億t[1]。移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)將田間秸稈撿拾、粉碎、壓塊成型，是生產(chǎn)生物質(zhì)顆粒的重要設(shè)備。在田間作業(yè)時(shí)，玉米秸稈喂入量過低，會(huì)影響生產(chǎn)效率，喂入量過高，會(huì)影響移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)撿拾、粉碎和除塵等機(jī)械部件的性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致制粒機(jī)壓塊裝置堵塞。因而，控制移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)以合理的作業(yè)速度前進(jìn)，使喂入量達(dá)到最佳狀態(tài)，可獲得最高的生產(chǎn)效率。由于作業(yè)速度需要通過喂入量間接控制，所以作業(yè)速度的調(diào)控包括喂入量檢測(cè)和作業(yè)速度調(diào)控。

隨著農(nóng)田作業(yè)機(jī)械設(shè)備向大型化、智能化方向發(fā)展[2]，實(shí)時(shí)對(duì)秸稈喂入量進(jìn)行檢測(cè)與控制尤為重要，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)喂入量的檢測(cè)以及控制方面都有較為深入的研究。文獻(xiàn)[3-8]建立了谷物喂入量與功率以及喂入量與滾筒轉(zhuǎn)速的相關(guān)模型，以間接的方式獲得了聯(lián)合收獲機(jī)的喂入量。為了提高喂入量檢測(cè)精度，文獻(xiàn)[9-10]引入了濾波函數(shù)對(duì)原始喂入量數(shù)據(jù)做平滑處理，并依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)喂入量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在作業(yè)速度控制方面，目前國(guó)內(nèi)外的研究集中在谷物聯(lián)合收獲機(jī)上，通過液壓缸油壓力、滾筒負(fù)荷、傾斜輸送喂入輥負(fù)荷等調(diào)控作業(yè)速度[11-14]。文獻(xiàn)[15-18]建立了收獲機(jī)速度控制系統(tǒng)的模型，并研制了控制裝置，提高了收獲效率。對(duì)于移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)的作業(yè)速度控制，雖然與谷物收獲機(jī)的控制原理類似，但是移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)需要將收獲的秸稈擠壓成生物質(zhì)顆粒，作業(yè)速度較慢，要求的超調(diào)量較小，所以本文探索對(duì)移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行研究，運(yùn)用智能監(jiān)測(cè)與控制技術(shù)來解決玉米秸稈收獲過程中作業(yè)速度和喂入量不匹配的問題。

本文以遼寧寧越有限公司的移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，設(shè)計(jì)作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)，主要包含喂入量-期望作業(yè)速度模糊控制器和液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)。喂入量-期望作業(yè)速度模糊控制器將喂入量檢測(cè)傳感器、改進(jìn)的灰色預(yù)測(cè)模型、變論域模糊PID控制結(jié)合起來，根據(jù)預(yù)測(cè)喂入量和最佳喂入量的誤差，推測(cè)期望作業(yè)速度。作業(yè)速度控制系統(tǒng)包含PID控制器、速度傳感器和液壓控制系統(tǒng)。PID控制器將接收的期望作業(yè)速度和速度傳感器獲得的實(shí)時(shí)速度相比較，調(diào)控作業(yè)速度，以達(dá)到提高速度控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能、穩(wěn)態(tài)精度與抗干擾能力的目的。

1 作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)由喂入量檢測(cè)系統(tǒng)與作業(yè)速度控制器兩部分構(gòu)成。喂入量檢測(cè)系統(tǒng)通過喂入量傳感器檢測(cè)喂入量。喂入量傳感器由螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速傳感器和扭矩傳感器構(gòu)成。根據(jù)螺旋輸送器轉(zhuǎn)速與扭矩計(jì)算出功率，進(jìn)而得到玉米秸稈的喂入量。作業(yè)速度控制器由PLC控制器、液壓控制系統(tǒng)、車速傳感器組成，PLC控制器為控制的核心部分。系統(tǒng)利用灰色預(yù)測(cè)喂入量模型預(yù)測(cè)喂入量變化，然后輸入到喂入量-期望作業(yè)速度自適應(yīng)變論域模糊PID控制器，得到期望作業(yè)速度，將其輸送至作業(yè)速度PID控制器，驅(qū)動(dòng)液壓控制系統(tǒng)帶動(dòng)相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整車速，實(shí)現(xiàn)作業(yè)速度的控制。

系統(tǒng)原理圖如圖2所示，喂入量為主控變量，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為副控變量。基于喂入量采樣數(shù)據(jù)序列來預(yù)測(cè)喂入量，計(jì)算預(yù)測(cè)喂入量和最佳喂入量的偏差，將偏差輸入到喂入量-期望作業(yè)速度自適應(yīng)變論域模糊PID控制器，進(jìn)而得到期望作業(yè)速度。期望作業(yè)速度和通過速度傳感器得到的實(shí)際速度的偏差作為作業(yè)速度PID控制器的輸入。液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)根據(jù)作業(yè)速度PID控制器調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速使作業(yè)速度快速跟蹤實(shí)時(shí)變化的喂入量，使秸稈制粒機(jī)工作在最佳狀態(tài)。

2 自適應(yīng)變論域模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 喂入量檢測(cè)系統(tǒng)

移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)試驗(yàn)設(shè)備和進(jìn)料裝置如圖3所示，移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)作業(yè)時(shí)由前端撿拾裝置對(duì)玉米秸稈進(jìn)行粉碎、撿拾，然后把秸稈送入螺旋輸送器，通過螺旋輸送器將秸稈喂入輸送設(shè)備，最后秸稈進(jìn)入制粒機(jī)料倉(cāng)。在秸稈制粒機(jī)喂入量檢測(cè)方法中，螺旋輸送器依靠機(jī)械能驅(qū)動(dòng)，不能采用電表測(cè)量?jī)x器直接測(cè)量其功率，需要求取螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速與扭矩來間接測(cè)量功率，具體方法為：首先，在螺旋輸送器軸上粘貼應(yīng)變片，通過搭建的電子電路采集應(yīng)變片變化的電壓信號(hào)，通過專業(yè)扭矩傳感器標(biāo)定電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)的扭矩；其次，由扭矩與轉(zhuǎn)速傳感器得到的轉(zhuǎn)速計(jì)算功率；最后，通過將間接計(jì)算得到的功率和實(shí)際喂入量進(jìn)行線性模型擬合，即可通過功率得到喂入量。根據(jù)喂入量歷史數(shù)據(jù)，形成喂入量序列。在喂入量序列的基礎(chǔ)上，根據(jù)灰色喂入量預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)喂入量。

2.1.1基于螺旋輸送器功率的喂入量檢測(cè)方法

螺旋輸送器扭矩檢測(cè)采用應(yīng)變法。應(yīng)變片如圖4所示，與x軸呈±45°的平面即為主平面，σ1、σ2分別為拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，數(shù)值相等，由胡克定律可知沿主應(yīng)力方向的拉應(yīng)變與壓應(yīng)變分別為

(1)

(2)

式中E——應(yīng)變片材料彈性模量

D——傳動(dòng)軸外徑

μ——應(yīng)變片材料泊松比

在扭矩作用下±45°方向應(yīng)變大小相等，方向相反。令ε45°=ε-45°=ε(ε>0)，G=E/[2(1+μ)]，γ=2ε，可得扭矩

(3)

式中G——剪切模量γ——切應(yīng)變

因而，在軸向±45°方向上分別粘貼應(yīng)變片，檢測(cè)出傳動(dòng)軸最大應(yīng)變變化即可得到轉(zhuǎn)軸扭矩T，T與ε呈線性關(guān)系。

扭矩傳感器應(yīng)變片粘貼方式如圖5所示。扭矩傳感器使用應(yīng)變片組成惠更斯電橋，4個(gè)應(yīng)變片(R1、R2、R3、R4)組成等臂全橋，粘貼在同一截面上，R1與R2以及R3與R4分別呈90°夾角。當(dāng)傳動(dòng)軸受到扭矩產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片隨著主動(dòng)軸表面應(yīng)力變化，電阻產(chǎn)生變化，進(jìn)而引起輸出電壓變化，通過對(duì)輸出電壓信號(hào)的標(biāo)定與測(cè)量可得到螺旋輸送器主動(dòng)軸扭矩T。

應(yīng)變片電壓采集電路如圖6所示，對(duì)電橋的變化采用二級(jí)運(yùn)算放大器(U1A、U1B)進(jìn)行放大，U1A為差分運(yùn)算放大器，能有效放大差模電壓并抑制共模電壓，U1B和PR2對(duì)電壓信號(hào)做進(jìn)一步放大，使電壓量程達(dá)到0～3.3 V，滿足單片機(jī)的采集需求。PR2調(diào)節(jié)輸出電壓的基準(zhǔn)。C5、C7濾除高頻干擾。

通過單片機(jī)A/D接口對(duì)電壓變化進(jìn)行采集，采集的應(yīng)變片變化電壓計(jì)算公式為

(4)

其中，Vo1為應(yīng)變片變化電壓信號(hào)；R1、R2、R3、R4、R6、R7、R8、R11、R12、R16為固定電阻值，RPR1、RPR2為可調(diào)電阻值。

轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)置霍爾元件，在螺旋輸送器主動(dòng)軸所帶輪盤的側(cè)面粘貼磁鋼，當(dāng)磁鋼接近霍爾元件時(shí)，霍爾元件產(chǎn)生霍爾效應(yīng)形成脈沖信號(hào)，通過計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)記錄的脈沖數(shù)計(jì)算螺旋輸送器主動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速n。通過檢測(cè)螺旋輸送器主動(dòng)軸的扭矩T和轉(zhuǎn)速n計(jì)算主動(dòng)軸功率P，計(jì)算式為

P=nT/9 550

(5)

通過擬合的方式建立喂入量和螺旋輸送器功率的關(guān)系模型，將功率轉(zhuǎn)化為喂入量。

2.1.2灰色預(yù)測(cè)喂入量模型

基于GM(1,1)的灰色預(yù)測(cè)模型[19-20]對(duì)原始數(shù)據(jù)的隨機(jī)性比較敏感，即喂入量傳感器測(cè)量的原始數(shù)據(jù)的粗劣程度越大，灰色模型的預(yù)測(cè)精度越低。喂入量原始矩陣的構(gòu)造對(duì)于灰色模型的建立起著至關(guān)重要的作用，由于原始數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，會(huì)導(dǎo)致矩陣中某行(或某列)的數(shù)據(jù)之間產(chǎn)生較大差距，最終造成喂入量數(shù)值隨機(jī)性和波動(dòng)性較大，不符合喂入量變化的實(shí)際情況。本文采用改進(jìn)的GM(1,1)模型對(duì)原始數(shù)據(jù)序列進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，以減少序列的隨機(jī)性，增加序列的規(guī)律性。

改進(jìn)的GM(1,1)模型建模過程如下：

(1)對(duì)原始喂入量數(shù)據(jù)做平滑處理，設(shè)原始數(shù)據(jù)為

x(0)=(x(0)(t1),x(0)(t2),…,x(0)(tn))

(6)

運(yùn)用ln(x(0)+1)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理后序列為

y(0)=(y(0)(t1),y(0)(t2),…,y(0)(tn))

(7)

(2)對(duì)測(cè)量的喂入量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性累加為

y(1)=(y(1)(t1),y(1)(t2),…,y(1)(tn))

(8)

y(1)=(y(1)(t1),y(1)(t2),…,y(1)(tm0))

(9)

(10)

(4)建立GM(1,1)線性灰色微分方程，該方程的白化微分形式為

(11)

其中，a反映喂入量的變化速度，表示喂入量預(yù)測(cè)模型的發(fā)展系數(shù)；u代表喂入量數(shù)據(jù)變化關(guān)系，表示喂入量預(yù)測(cè)模型的協(xié)調(diào)系數(shù)。

(5)利用最小二乘法求a與u，即

(a,u)T=B-1Z=(BTB)-1BTZ

(12)

其中

(6)求解預(yù)測(cè)模型，將式(12)求取的a與u代入式(11)，通過求解微分方程得到喂入量GM(1,1)預(yù)測(cè)模型的解為

y(2)(t+1)=(y(0)(1)-u/a)e-ak+u/a

(13)

通過對(duì)該預(yù)測(cè)值累減還原得到喂入量y(0)(t)對(duì)t+1時(shí)刻的預(yù)測(cè)值y(2)(t+1)，喂入量取ey(2)(t+1)-1。

2.2 控制器設(shè)計(jì)

由于秸稈收獲時(shí)受光照、氣溫、濕度等環(huán)境參數(shù)的影響，常規(guī)PID控制器及固定論域的模糊PID控制器[21]不能滿足作業(yè)速度控制精度的需求，而自適應(yīng)變論域模糊PID控制器能根據(jù)喂入量的變化對(duì)模糊控制單元的輸入輸出論域范圍作出及時(shí)的調(diào)整，同時(shí)對(duì)其量化因子與比例因子作出調(diào)整，克服了模糊PID控制自適應(yīng)能力有限的缺點(diǎn)，改善模糊PID控制器參數(shù)的調(diào)整精度與范圍，提高控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能。變論域PID為主調(diào)節(jié)回路，由伸縮因子調(diào)整單元、變論域模糊控制單元與PID控制單元組成。伸縮因子調(diào)整單元根據(jù)喂入量及喂入量變化率，不斷調(diào)整伸縮因子α1、α2、β, 通過變論域模糊控制單元在線調(diào)整PID控制器[22]的參數(shù)Kp、Ki、Kd。

2.2.1模糊PID控制器設(shè)計(jì)

模糊PID調(diào)節(jié)器誤差的比例、積分與微分通過線性組合構(gòu)成控制量對(duì)作業(yè)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，離散公式為

(14)

式中，Kp為控制器比例系數(shù)，其作用為加快控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高作業(yè)速度的調(diào)節(jié)精度，Ti、Td分別為積分時(shí)間常數(shù)與微分時(shí)間常數(shù)。

增量PID的控制算法為

(15)

(16)

隸屬度函數(shù)是決定模糊控制器控制效果的重要因素，為了更好地抑制田間作業(yè)環(huán)境的影響，本文采用梯形函數(shù)作為模糊控制器的輸入、輸出隸屬度函數(shù)

(17)

式中Ftrapmf——隸屬度函數(shù)

x——模糊控制器論域

a0、b0、c0、d0——梯形隸屬度函數(shù)的參數(shù)

表1 模糊PID控制器的Kp/Ki/Kd調(diào)整規(guī)則Tab.1 Adjusting rules of Kp/Ki/Kd for fuzzy PID controller

2.2.2變論域伸縮因子調(diào)制單元

論域范圍和模糊量等級(jí)劃分個(gè)數(shù)對(duì)模糊控制器的控制精度有較大影響。模糊量等級(jí)個(gè)數(shù)越多，論域范圍越小，等級(jí)劃分越細(xì)，控制器控制精度越高[23-24]。因此，本文引進(jìn)自適應(yīng)調(diào)整論域的思想：控制器根據(jù)誤差及誤差變化率，實(shí)時(shí)調(diào)整論域，在不增加模糊規(guī)則數(shù)量的情況下，使同一等級(jí)模糊變量對(duì)應(yīng)的真實(shí)量的范圍能根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)擴(kuò)大或者縮小，提高了模糊控制系統(tǒng)的精度，從而一定程度上解決了控制復(fù)雜度和控制精度的矛盾。

模糊控制單元輸入論域的伸縮因子為α=[α1,α2]，輸出論域的伸縮因子為β，模糊控制系統(tǒng)輸出的基本論域?yàn)閇-u1,u1]，則變換后的論域?yàn)?/p>

(18)

設(shè)Fc為模糊控制器的輸出，則變論域控制器的輸出為

Fv(e1,e2)=β(e1,e2)Fc(e1/α1(e1),e2/α2(e2))

(19)

伸縮因子α1、α2模糊子集取為{VS，S，M，B，VB},分別代表較小、小、中、大、較大，對(duì)應(yīng)伸縮因子α1、α2的值為{0.15, 0.30, 0.50, 0.75, 1.0}。伸縮因子β的模糊子集取為{GS, VS, S, M, B, DB, VB, GB}，分別代表極小、特小、小、中、大、大些、特大、極大。β的值為{0.10,0.25,0.45,0.55,0.65,0.75,0.85,1.0}。

表2 α1(α2)和β模糊控制規(guī)則Tab.2 Fuzzy control rule for α1(α2) and β

3 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 調(diào)控原理

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)由PID控制器、速度傳感器、信號(hào)處理、放大器、伺服閥、液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)輪和制粒機(jī)行走機(jī)構(gòu)構(gòu)成。PID控制器根據(jù)自適應(yīng)變論域模糊PID控制器的輸出速度與速度傳感器測(cè)量的作業(yè)速度變化來調(diào)節(jié)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，液壓馬達(dá)通過驅(qū)動(dòng)輪改變移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)的作業(yè)速度，從而和實(shí)時(shí)變化的喂入量匹配。液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)主控制器選用西門子PLC S7-300系列，型號(hào)為6ES7-313-5BE01-0AB0，具有48KB RAM, 內(nèi)置24路DI、16路DO、4個(gè)AI、2個(gè)AO、RS485等信息傳輸通道，滿足本調(diào)控系統(tǒng)的需要。

3.2 液壓控制系統(tǒng)建模

伺服閥控液壓控制系統(tǒng)原理圖如圖7所示，主要由伺服放大器、電液伺服閥、液壓馬達(dá)和轉(zhuǎn)速傳感器組成。轉(zhuǎn)速傳感器作為液壓系統(tǒng)的反饋元件，將檢測(cè)到的速度信號(hào)送入伺服放大器，伺服放大器根據(jù)指令信號(hào)與實(shí)際作業(yè)速度信號(hào)的差值來調(diào)節(jié)伺服閥驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)通過驅(qū)動(dòng)輪來調(diào)整移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)作業(yè)時(shí)的作業(yè)速度。

移動(dòng)式秸稈制粒機(jī)行走機(jī)構(gòu)系統(tǒng)主要由伺服閥控制液壓馬達(dá)流量來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制，需要對(duì)伺服閥和液壓馬達(dá)分別建模來得到輸入電壓與輸出轉(zhuǎn)速的關(guān)系模型。伺服閥建模是為了建立輸入電壓與輸出流量的關(guān)系。伺服閥的傳遞函數(shù)需要根據(jù)動(dòng)力元件液壓的固有頻率確定[25]，如果液壓固有頻率與伺服閥的頻寬相近，伺服閥可近似看成二階振蕩環(huán)節(jié)，即

(20)

式中KS——伺服閥流量增益，m3/(s·m)

GS——伺服閥在KS=1時(shí)的傳遞函數(shù)

ωS——伺服閥的固有頻率，Hz

ξS——伺服閥阻尼比

U——伺服閥輸入電壓，V

Q0——伺服閥空載流量

液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速θm對(duì)Q0的傳遞函數(shù)為

(21)

式中Dm——液壓馬達(dá)排量，mL

ωh——液壓馬達(dá)固有頻率，Hz

將式(20)與式(21)相乘，得到液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速θm與伺服閥輸入電壓U的傳遞函數(shù)為

(22)

4 試驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提出的作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)的有效性，于2020年10月9日在遼寧省錦州市黑山縣遼寧寧越農(nóng)機(jī)有限公司的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地和大田進(jìn)行秸稈收獲模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)秸稈制粒機(jī)為霞光560XG型，試驗(yàn)設(shè)備和場(chǎng)地如圖8所示。試驗(yàn)分為模型參數(shù)的獲取和作業(yè)速度的自動(dòng)調(diào)控兩部分。

4.1 模型參數(shù)獲取試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年10月9日在遼寧省錦州市黑山縣遼寧寧越農(nóng)機(jī)有限公司的農(nóng)業(yè)試驗(yàn)基地進(jìn)行。由于喂入量檢測(cè)需要建立扭矩傳感器的功率和喂入量的關(guān)系，本部分將進(jìn)行喂入量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)，建立喂入量的輸入電壓和喂入量的關(guān)系模型。在試驗(yàn)田1中，鋪設(shè)長(zhǎng)為10 m、寬為2 m的長(zhǎng)方形粉碎秸稈，單位面積秸稈質(zhì)量為1 kg，密度一致，厚度均勻。撿拾裝置與螺旋輸送器離地10 cm。實(shí)際收獲秸稈的質(zhì)量為

q=Sm=dvmg

(23)

式中q——實(shí)際喂入量，kg/s

S——單位時(shí)間收獲秸稈面積，m2/s

d——收獲時(shí)實(shí)際撿拾寬度，m

v——秸稈制粒機(jī)作業(yè)速度，m/s

mg——單位面積秸稈質(zhì)量，kg/m2

扭矩傳感器單片機(jī)內(nèi)置A/D模塊采集得到電壓信號(hào)值，在軟件上經(jīng)過算術(shù)平均濾波算法后，經(jīng)過標(biāo)定計(jì)算后轉(zhuǎn)化為扭矩。具體標(biāo)定數(shù)據(jù)如表3所示，由標(biāo)定的數(shù)據(jù)可以得到標(biāo)定公式

y=47.6x-57.2

(24)

表3 扭矩傳感器標(biāo)定試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Calibration test data of torque sensor

通過標(biāo)定后的扭矩傳感器檢測(cè)得到的扭矩如表4所示，喂入量傳感器獲取螺旋輸送器轉(zhuǎn)速和扭矩后，由式(5)計(jì)算得到螺旋輸送器功率，如表4所示。實(shí)際的喂入量通過式(23)得到，如表4所示，根據(jù)表4對(duì)在線監(jiān)測(cè)螺旋輸送器功率數(shù)據(jù)與喂入量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，擬合結(jié)果如圖9所示。

獲得的模型為

y=0.213 9x-0.435 (R2=0.964)

(25)

4.2 秸稈均勻條件下控制器穩(wěn)定性試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)在秸稈鋪設(shè)均勻情況下的穩(wěn)定性，于2020年10月15日在遼寧省錦州市黑山縣進(jìn)行了田間秸稈收獲試驗(yàn)，秸稈鋪設(shè)密度均勻，總長(zhǎng)度為60 m，寬度為2 m，干濕度一致，寬度不變。根據(jù)秸稈制粒機(jī)的額定功率可得到最佳喂入量為1.6 kg/s。試驗(yàn)過程中，由于秸稈密度均勻，鋪設(shè)厚度一致，制粒機(jī)應(yīng)當(dāng)在獲得期望作業(yè)速度后保持平穩(wěn)運(yùn)行。為了將喂入量和作業(yè)速度呈現(xiàn)在一幅圖里，將喂入量數(shù)據(jù)縮小為原來的1/3，將行駛速度數(shù)據(jù)放大1.3倍，得到的曲線如圖10所示，作業(yè)速度能夠在3 m內(nèi)達(dá)到最佳作業(yè)狀態(tài)，超調(diào)量不大于5%。開始時(shí)為典型的PID過程，隨著行駛距離的變化，作業(yè)速度和喂入量曲線有微小的波動(dòng)，近似為平滑的直線，表示喂入量和作業(yè)速度均為平穩(wěn)的變化，和預(yù)期效果一致。

4.3 秸稈非均勻條件下控制器跟蹤性能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)在秸稈鋪設(shè)不均勻情況下的跟蹤性能，于2020年10月16日在遼寧省錦州市黑山縣進(jìn)行了田間秸稈收獲試驗(yàn)。秸稈鋪設(shè)總長(zhǎng)度為60 m，寬度為2 m，每隔20 m改變一次鋪設(shè)厚度和密度，測(cè)定自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)隨喂入量變化的性能。同樣，為了將喂入量和作業(yè)速度呈現(xiàn)在一幅圖中，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)按比例縮放，如圖11所示，隨著行駛距離的變化，喂入量和作業(yè)速度隨著鋪設(shè)厚度和密度進(jìn)行自適應(yīng)的調(diào)整，以使得喂入量保持在最佳喂入量狀態(tài)。3次明顯的調(diào)控分別在0、20、40 m處，作業(yè)速度的超調(diào)量分別為5%、4%、5%。最大超調(diào)量為5%，相應(yīng)的，喂入量在這幾個(gè)位置點(diǎn)也有明顯的波動(dòng)，然后趨于穩(wěn)定，調(diào)控的距離均不超過3 m，因?yàn)樵诮斩捗芏群秃穸劝l(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)作業(yè)速度控制喂入量，使喂入量穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果和預(yù)期一致，說明本文提出的作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)控系統(tǒng)可以跟蹤喂入量的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)作業(yè)速度，使其和喂入量匹配。

5 結(jié)論

(1)為了解決喂入量變化非線性、大滯后與大慣性的復(fù)雜特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了喂入量-期望作業(yè)速度模糊變論域控制器。控制器采用螺旋輸送器功率計(jì)算喂入量并利用灰色喂入量預(yù)測(cè)模型得到喂入量誤差，然后利用自適應(yīng)變論域模糊PID控制器將喂入量誤差轉(zhuǎn)化為期望作業(yè)速度。

(2)為了能夠精確地調(diào)控作業(yè)速度，設(shè)計(jì)了以PLC控制器為核心的液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速調(diào)控系統(tǒng)。系統(tǒng)通過速度傳感器得到實(shí)際作業(yè)速度，然后根據(jù)實(shí)際作業(yè)速度和期望作業(yè)速度的誤差進(jìn)行PID調(diào)控，并輸送給速度執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

(3)對(duì)調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行的田間試驗(yàn)表明，超調(diào)量不大于5%，調(diào)控距離小于3 m，能有效抑制田間收獲時(shí)環(huán)境不利因素的影響，滿足田間秸稈制粒機(jī)的收獲需求。