數(shù)學建模應用的水稻插秧機控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

張靜文

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學院,重慶 402160)

0 引言

水稻插秧機作業(yè)過程中,秧苗的插栽深度是成活率的重要影響因素,因此插秧機的插秧深度成為插秧作業(yè)過程的重要控制指標[1-3]。插秧機液壓仿形系統(tǒng)是插秧過程的升降裝置,能夠有效控制秧苗的插入深度,同時是插秧機工作性能的重要決定環(huán)節(jié)[4-5]。為此,基于數(shù)學建模的方式,設計了一種水稻插秧機仿形機構控制系統(tǒng)。

1 插秧機執(zhí)行機構工作原理

按照不同的連接方式,可以將插秧機仿形系統(tǒng)分為鉸接式連接和整體式連接。其中,鉸接式連接仿形系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng),整體式連接是一種力反饋控制系統(tǒng),兩種連接方式的工作原理相同,控制過程中的物理量不同[6-8]。

插秧機作業(yè)時,仿形滑閥通過機械式傳感器進行控制;插秧機行走在下坡水田中時,插植部分與泥水表面的相對高度差較小,此時插秧機浮板受到的泥水浮力較大,壓力傳感器可將此時的力值反饋至仿形滑閥;閥芯在反饋指令下開始運動,控制插秧機仿形升降機構上升,此時浮板開始動作,壓力傳感器的監(jiān)測值恢復至初始值[9]。

2 插秧機執(zhí)行機構控制方法

插秧機仿形升降系統(tǒng)的控制方式主要包括位置反饋式調(diào)節(jié)控制、壓力反饋式調(diào)節(jié)控制及位置反饋和壓力反饋相結(jié)合的綜合調(diào)節(jié)控制[9]。本文設計的插秧機仿形升降控制系統(tǒng)采用力反饋與位置反饋相結(jié)合切換的控制方式,根據(jù)水田底部的起伏變化幅度對浮板位置進行跟隨控制,在保持階段,仿形升降機構液壓系統(tǒng)進行壓力保持[10-11]。圖1所示為插秧機仿形升降機構控制原理圖。

圖1 插秧機仿形升降機構控制原理圖Fig.1 Control principle diagram of seedling copying transplanter

3 插秧機執(zhí)行機構數(shù)學模型

插秧機作業(yè)過程中,控制器根據(jù)仿形升降機構的位置或力反饋值,計算仿形機構中滑閥閥芯的位移,從而控制仿形升降機構的液壓缸的動作[12-14]。仿形升降機構控制系統(tǒng)升降階段的控制傳遞函數(shù)為

仿形升降機構控制系統(tǒng)保持階段的控制傳遞函數(shù)為

對仿形升降機構升降階段進行仿真,升降階段開環(huán)伯德圖(幅值)如圖2所示,升降階段開環(huán)伯德圖(相位)如圖3所示。

圖2 升降階段開環(huán)伯德圖(幅值)Fig.2 Open loop Bode diagram of lifting stage (amplitude)

圖3 升降階段開環(huán)伯德圖(相位)Fig.3 Open loop Bode diagram of lifting stage (phase)

從圖2、圖3中可以看出:系統(tǒng)校正前的幅值裕量為Gm=18dB,相位裕量為Pm=88°,穿越頻率為ωc=2rad/s,表明升降階段控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定。升降階段控制系統(tǒng)階躍響應如圖4所示。

圖4 升降階段控制系統(tǒng)階躍響應Fig.4 Step response of control system in lifting stage

對仿形升降機構保持階段進行仿真,保持階段開環(huán)伯德圖(幅值)如圖5所示,保持階段開環(huán)伯德圖(相位)如圖6所示。從圖5、圖6中可以看出:系統(tǒng)校正前的幅值裕量為Gm=9.8dB,相位裕量為Pm=93°,穿越頻率為ωc=16rad/s,表明升降階段控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定。升降階段控制系統(tǒng)階躍響應如圖7所示。

圖5 保持階段開環(huán)伯德圖(幅值)Fig.5 Open loop Bode diagram of holding stage (amplitude)

圖6 保持階段開環(huán)伯德圖(相位)Fig.6 Open loop Bode diagram of holding stage (phase)

圖7 保持階段控制系統(tǒng)階躍響應Fig.7 Step response of control system in holding stage

根據(jù)仿形升降系統(tǒng)參數(shù),確定控制系統(tǒng)在升降階段,位置反饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

根據(jù)仿形機構保持階段系統(tǒng)參數(shù),確定控制系統(tǒng)在保持階段,力反饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

由此可以得出:在插秧機仿形機構升降和保持階段,控制系統(tǒng)具有相同的傳遞函數(shù),可為控制系統(tǒng)的設計提供便利[15]。

4 插秧機執(zhí)行機構控制系統(tǒng)仿真

在進行插秧機執(zhí)行機構仿真時,采用自整定PID控制算法,對插秧機仿形升降機構控制系統(tǒng)進行仿真,利用位置反饋與力反饋相結(jié)合的方式建立控制系統(tǒng),如圖8所示。

圖8 插秧機仿形升降機構控制系統(tǒng)模型Fig.8 Control system model of profiling lifting mechanism of transplanter

輸入?yún)?shù)為仿形升降機構中液壓缸活塞的位移或力值的誤差和誤差變化率。設置控制系統(tǒng)仿真總時間為2s,給定輸入信號為階躍信號,仿真參數(shù)分別為P=2、I=2.5、D=0.01,為插秧機仿形升降機構相應性能指標如表1所示。圖9所示為插秧機仿形升降機構升降階段階躍響應對比曲線;圖10所示為插秧機仿形升降機構保持階段階躍響應對比曲線。

表1 插秧機仿形升降機構相應性能指標Table 1 Corresponding performance indexes of profiling lifting mechanism of transplanter

圖9 升降階段階躍響應對比曲線Fig.9 Comparison curve of step response in lifting stage

圖10 保持階段階躍響應對比曲線Fig.10 Comparison curve of step response in holding stage

實際插秧工作控制過程中,當位置反饋信號在設定閾值范圍內(nèi)時,控制系統(tǒng)采用力反饋的方式進行調(diào)節(jié);當位置反饋信號在超過設定閾值時,控制系統(tǒng)切換至位置反饋的方式進行調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)方式切換的主要依據(jù)是水田地形的起伏波動,要求插秧機具有較好的誤差跟隨性。

5 結(jié)論

插秧機仿形升降系統(tǒng)工作過程中,依據(jù)地形起伏對插秧升降過程進行控制,依據(jù)升降機構的壓力傳感器信號進行保持階段控制,兩種控制反饋調(diào)節(jié)方式之間能夠根據(jù)設定閾值進行切換。仿真結(jié)果表明:模糊PID控制能夠有效提高插秧機仿形升降機構的控制系統(tǒng)工作性能。