基于PID調(diào)控的割臺仿形高度控制系統(tǒng)的設(shè)計

王志超,楊然兵,2,陳棟泉,王 婕,李曉波

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,山東 青島 266109;2.海南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,海口 570228)

0 引言

谷物收獲作業(yè)中有百分之75%的收獲損失是由割臺高度調(diào)整不當(dāng)引起的[1-3]。割臺過高導(dǎo)致割茬高度增加,加劇收獲環(huán)節(jié)損失[4-5],更影響后續(xù)播種質(zhì)量;割臺過低又容易導(dǎo)致割臺刮蹭地面,損壞機(jī)器。隨著谷物聯(lián)合收獲機(jī)收獲作業(yè)速度的提升,傳統(tǒng)利用駕駛員人工調(diào)整收獲機(jī)各項參數(shù)以保證最佳收獲性能的方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前收獲機(jī)無人化、智能化的需求[6]。目前,割臺自適應(yīng)控制功能已經(jīng)被認(rèn)為是減少收獲損失、降低駕駛員工作強(qiáng)度及避免割臺設(shè)備損傷的有效方法[7]。

20世紀(jì)70年代,國外許多聯(lián)合收獲機(jī)企業(yè)就開始研發(fā)割臺自動控制系統(tǒng)[8]。加拿大賣塞福格公司利用磁吸式傳感機(jī)構(gòu),依賴扇形鐵板擺動吸引對應(yīng)觸點(diǎn)吸合接通電路產(chǎn)生動作的控制原理,將該技術(shù)最早部署于MF-860聯(lián)合收獲機(jī)車型[9]。在理論研究方面,Andrew G建立了聯(lián)合收割機(jī)割臺高度控制系統(tǒng)模型,并利用頻域分析工具論證了割臺的機(jī)械配置與電動液壓驅(qū)動影響著系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)[10-11]。

在控制算法方面,Xie Y介紹了一種用于聯(lián)合收割機(jī)割臺高度控制(HHC)的二自由度(DOF)控制器[12-13]。為確保閉環(huán)穩(wěn)定性和穩(wěn)健的性能,還使用基于全球定位系統(tǒng) (GPS) 信息的前饋控制結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)反饋回路,但此種技術(shù)對控制器硬件配置要較高[14]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面,中國江蘇大學(xué)的陳進(jìn)等[15]通過液壓缸的位置來估算割臺高度,利用離散PID控制方法進(jìn)行自動控制,控制精度在±25mm范圍內(nèi)。中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院的偉利國等通過角度傳感器和檢測割臺油缸伸縮量的位移傳感器獲得割臺高度信息,采用PID控制算法實現(xiàn)了微地貌仿形,割臺高度控制誤差不大于20mm[16]。中國東南大學(xué)的張聰采用超聲波陣列與雙目視覺檢測的方式監(jiān)測作物割臺高度,但割茬、雜草對超聲信號有一定干擾且僅對平坦路面進(jìn)行了測試[17]。

本文基于現(xiàn)有車型研發(fā)了一款可基于地面仿形監(jiān)測的割臺高度自適應(yīng)控制系統(tǒng),旨在為后續(xù)無人駕駛谷物聯(lián)合收獲機(jī)的研發(fā)設(shè)計提供割臺裝置控制策略的理論依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)組成及工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)組成

基于地面仿形監(jiān)測的割臺高度控制系統(tǒng)割臺改裝如圖1所示。其中,收獲機(jī)割臺模塊中的割刀裝置采用中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1209.2-2009農(nóng)業(yè)機(jī)械)中Ⅱ型割切器結(jié)構(gòu);在割臺底部加裝仿形輥與角度傳感器用于監(jiān)測地面起伏變化情況,作為改電液控制系統(tǒng)的信號輸入裝置;割臺末端加裝鉸接連桿與角度傳感器鉸接,實現(xiàn)對割臺高度調(diào)節(jié)后的反饋信號輸入裝置;為保證割臺高度微調(diào)時的系統(tǒng)反應(yīng)靈敏度,重新選型符合系統(tǒng)要求的單作用油缸作為割臺高度執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.角度傳感器 2.仿形輥 3.單作用油缸 4.傳統(tǒng)割臺結(jié)構(gòu) 5.割臺升降旋轉(zhuǎn)點(diǎn) 6.割臺高度反饋機(jī)構(gòu)圖1 割臺仿形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of header profiling control system

收獲機(jī)割臺模塊中的割刀裝置采用中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 1209.2-2009農(nóng)業(yè)機(jī)械)中Ⅱ型割切器結(jié)構(gòu)。

1.2 地面仿形裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為跟蹤識別地面的起伏狀態(tài),設(shè)計了一種接觸式地面仿形機(jī)構(gòu),仿形機(jī)構(gòu)由仿形輥、角度傳感器及鉸接連桿組成,如圖2所示。作業(yè)過程中,仿形輥與地面接觸,圍繞固定旋轉(zhuǎn)點(diǎn)轉(zhuǎn)動并通過鉸接連桿機(jī)構(gòu)帶動角度傳感器轉(zhuǎn)動。由此,仿形板將割臺與地面之間的高度信號通過角度傳感器變成對應(yīng)的電壓信號(0～5V)傳輸給車載控制器。

1.地面仿形板 2.鉸接連桿 3.角度傳感器圖2 地面仿形傳感機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理Fig.2 Structural principle of ground profiling sensing mechanism

1.3 割臺高度反饋裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

割臺控制系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)節(jié)需在每一次電液調(diào)節(jié)動作完成后對割臺實時高度進(jìn)行反饋監(jiān)測,反饋實際信號與目標(biāo)設(shè)定信號進(jìn)行差值運(yùn)算得出用于下一程序周期的數(shù)值計算。對割臺實際高度的反饋監(jiān)測采用角度傳感器與鉸鏈連桿機(jī)構(gòu),結(jié)構(gòu)如圖3所示。工作時,割臺升降導(dǎo)致鉸鏈連桿產(chǎn)生位置變化,由此帶動割臺高度反饋監(jiān)測的角度傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)動;此時,割臺反饋的實時高度信號通過角度傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號(0～5V),進(jìn)入反饋環(huán)節(jié)參與控制算法運(yùn)算。

傳感器輸出電壓與割臺距地面高度、割臺反饋高度關(guān)系采用實際現(xiàn)場試驗標(biāo)定并擬合曲線的方法。為擬合割臺地面高度、反饋高度與角度傳感器之間的關(guān)系,利用MatLab&Curve Fitting工具箱進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測高度、反饋高度與電壓信號的關(guān)系Fig.4 Structural principle of ground profiling sensing

2 控制系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

2.1 液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計

傳統(tǒng)的割臺動作調(diào)節(jié)系統(tǒng)液壓控制機(jī)構(gòu)一般選擇電控?fù)Q向閥進(jìn)行液壓油路的控制,原理如下:通過對電控?fù)Q向閥對應(yīng)電磁線圈進(jìn)行通電產(chǎn)生對應(yīng)磁場,以此控制換向閥內(nèi)部閥芯動作,改變液壓系統(tǒng)回路閉合變化,實現(xiàn)液壓缸的升降。但是,該種控制策略僅適應(yīng)于低收獲速度時的人工調(diào)節(jié),且不容易對割臺高度進(jìn)行微調(diào)。自適應(yīng)割臺地面仿形控制系統(tǒng)對割臺動作要求精度高,且需實現(xiàn)在高速收獲作業(yè)時能完成基于地面高度信號的變化實現(xiàn)割臺升降的微調(diào)。因此,采用集成式電磁比例閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制,其安裝方式與內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。

1.直通式單向閥 2.二位三通電磁比例閥 3.液控出口減壓閥 4.二位二通電磁比例閥 5.液控直通式單向閥圖5 集成式電磁比例閥結(jié)構(gòu)原理Fig.5 Structural principle of integrated electromagnetic proportional valve

集成式電磁比例閥的工作原理為:當(dāng)割臺需上升時,車載控制器發(fā)出對應(yīng)的PWM信號轉(zhuǎn)化成為對應(yīng)的電流(130～400mA),作用于二位三通電磁比例閥線圈(左側(cè)得電,右側(cè)電磁閥失電),線圈產(chǎn)生磁場推動閥芯移動一定距離,液壓油從P口進(jìn)入集成式電磁比例閥,經(jīng)液控出口減壓閥減壓后流經(jīng)二位三通電磁比例閥由A口流出進(jìn)入割臺油缸推動割臺上升;出口減壓閥壓力高于彈簧設(shè)定壓力后,會推動減壓閥閥芯右移,減少P口進(jìn)油的流量,進(jìn)而達(dá)到穩(wěn)壓并保護(hù)二位三通電磁比例閥的目的。

當(dāng)割臺下降時,PWM信號轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電流(130～320mA)作用于右側(cè)二位二通電磁比例閥(左側(cè)電磁閥失電),液壓缸中的油量經(jīng)A口進(jìn)入電磁比例閥流經(jīng)液控直通式單項閥進(jìn)出油口T口,完成割臺下降動作;當(dāng)電磁比例閥進(jìn)油口油壓大于閥體彈簧設(shè)定的壓力值時,閥芯會被左推停止液壓油前往T口,可保證割臺不會急速下降砸向地面引發(fā)車體損傷。

2.2 PID控制的離散分析

當(dāng)前,主流的閉環(huán)自動控制技術(shù)主要基于反饋的概念來減少系統(tǒng)的不確定性,反饋理論主要包括測量、比較和執(zhí)行,測量的目的是采集被控對象的實際值與期望值進(jìn)行比較,并利用其偏差來糾正系統(tǒng)的響應(yīng),執(zhí)行調(diào)節(jié)控制。實際工程中應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)策略為比例、積分、微分控制,簡稱PID調(diào)節(jié),其控制原理如圖6所示。

圖6 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Principle block diagram of analog PID control system

PID控制器是一種線性控制器,主要根據(jù)給定值r(t)與實際值c(t)之間的差值進(jìn)行控制,即

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

將偏差的比例項(P)、積分項(I)和微分項(D)通過線性組合構(gòu)成的控制量對被控對象進(jìn)行控制,稱為PID控制。其控制規(guī)律為

(2)

式中KP-比例系數(shù);

TI-積分時間常數(shù);

TD-微分時間常數(shù)。

現(xiàn)實工程中,計算機(jī)控制是一種采樣控制,只根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量,不能采用連續(xù)PID控制算法,需對控制算法進(jìn)行離散化。在此,PID控制使用的是離散式數(shù)字PID控制器。

按照離散PID控制算法,以采樣時間點(diǎn)代表連續(xù)時間,以矩形法數(shù)值近似代替積分,以一階后向差分代替近似微分,即

(3)

由此可得離散PID表達(dá)式為

(4)

其中,T為采樣周期;k為采樣序號;e(k)為第k時刻所得的偏差信號;ki=kp/TI;kd=kpTD;k=1,2,...。

2.3 割臺仿形系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成與工作原理

基于PID調(diào)控的割臺仿形高度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖7所示。割臺升降的動力由車載液壓系統(tǒng)提供;柴油機(jī)以2100r/min的轉(zhuǎn)速帶動液壓泵向液壓系統(tǒng)內(nèi)部供油,在溢流閥與減壓閥的調(diào)節(jié)作用下,系統(tǒng)穩(wěn)壓在30MPa;車底仿形監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測當(dāng)前割臺與地面之間的高度,將信號傳給PID控制器,控制器通過計算得出對應(yīng)輸出的PWM信號,電磁比例閥進(jìn)行開合改變液壓系統(tǒng)液壓油流向,最終控制割臺進(jìn)行升降調(diào)節(jié)。

1.左側(cè)仿形傳感器 2.右側(cè)仿形傳感器 3.溢流閥 4.柴油機(jī) 5.液壓泵 6.單向濾芯器 7.減壓閥 8.高度監(jiān)測反饋傳感器 9.割臺油缸 10.集成式電磁比例閥 11.PID控制器圖7 割臺仿形控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成Fig.7 Structure composition of header profiling control system

聯(lián)合收獲機(jī)開始作業(yè)時,駕駛員通過駕駛室前方的人際交互界面設(shè)置割臺自適應(yīng)控制模式下的的割茬高度,收獲機(jī)開始進(jìn)入割臺仿形模式。割臺底側(cè)的仿形輥接觸地面隨地面高低起伏帶動仿形傳感器轉(zhuǎn)動輸出對應(yīng)電壓信號給車載控制器;車載控制器通過電壓-高度擬合曲線方程進(jìn)行計算,得出當(dāng)前程序周期采集到的割臺高度,通過與用戶設(shè)定值的差值運(yùn)算得出系統(tǒng)誤差;車載速度傳感器監(jiān)測當(dāng)前車速并確定出對應(yīng)的比例、積分、微分參數(shù),通過本研究新提出PID控制策略進(jìn)行數(shù)據(jù)計算,輸出對應(yīng)的PWM占空比(對應(yīng)數(shù)值0～1000)。割臺仿形系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。

圖8 割臺仿形系統(tǒng)的工作原理Fig.8 Working principle of header profiling system

工作時,車載控制器將PWM轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的PWMi電流作用于電磁比例閥的電磁線圈;電磁線圈產(chǎn)生對應(yīng)磁場控制閥芯開合一定距離,控制液壓回路內(nèi)液壓油的流向,使割臺油缸在液壓油作用的產(chǎn)生對應(yīng)動作;割臺高度反饋裝置將割臺實際高度傳回車載控制器,繼續(xù)與用戶設(shè)定值進(jìn)行差值運(yùn)算。為提高割臺在目標(biāo)值附近區(qū)域的穩(wěn)定性,避免割臺在目標(biāo)值附近震蕩調(diào)節(jié),若差值小于15mm則本次循環(huán)周期默認(rèn)割臺調(diào)節(jié)完成,若大于15mm則繼續(xù)進(jìn)入下一次程序控制循環(huán)周期。

3 田間試驗

3.1 割臺控制與傳統(tǒng)人工控制對比試驗

割茬高度的準(zhǔn)確性是判斷該控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性的主要參考因素,在此采用兩種試驗方法來論證割臺高度控制的準(zhǔn)確性。

為了測試割臺控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工控制割臺效果的對比,分別以5km/h的作業(yè)速度進(jìn)行兩者對照試驗,割茬高度設(shè)置為16mm。

以上試驗數(shù)據(jù),以樣本方差來代表割臺高度控制的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定離散程度,其計算公式為

(5)

式中xi-第i次測量的割茬高度;

μ-割茬高度設(shè)定值;

σ2-樣本方差;

N-樣本采集次數(shù)。

試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 割臺控制與傳統(tǒng)人工控制對比試驗Fig.9 Comparative test of header control and traditional manual control

根據(jù)圖9中的2個對比試驗結(jié)果可知:傳統(tǒng)人工控制割臺高度模式割臺高度波動較大,割臺震蕩幅度約為15cm左右,最高能達(dá)30cm。將這兩種控制方式的割臺高度數(shù)據(jù)帶入樣本方差公式(5)中計算,傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)方式中割臺高度的樣本方差值為53.4853,而EVPIVS-PID控制系統(tǒng)的割臺高度樣本方差值為24.4757。根據(jù)樣本方差的特性,可以得出傳統(tǒng)人工調(diào)節(jié)下的該高度震動離散程度高于PID控制系統(tǒng),PID控制系統(tǒng)控制割臺高度更加穩(wěn)定。

由圖9(a)得出:當(dāng)割茬高度設(shè)置為16cm時,割臺高度低于14.5cm時(e(k)>15mm),系統(tǒng)才會輸出割臺上升PWM值;同樣,只有割臺高度高于17.5cm時(e(k)>15mm),系統(tǒng)才會輸出割臺下降PWM值。如果割臺高度恢復(fù)至e(k)<15mm時,系統(tǒng)輸出PWM輸出為0。由此論證了“割臺差值小于15mm,系統(tǒng)默認(rèn)完成”的準(zhǔn)確性。

3.2 不同收獲速度下割臺控制效果檢驗

為測試割臺地面仿形自適應(yīng)控制系統(tǒng)在不同作業(yè)速度下的控制效果,割茬設(shè)定16cm,控制收獲機(jī)作業(yè)速度從5～11km/h勻速階躍上升,其控制效果如圖10所示。田間試驗表明:割臺控制系統(tǒng)在車速5～11km/h范圍內(nèi)不斷調(diào)節(jié)的情況下始終都保持了良好的自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力。

圖10 不同車速下系統(tǒng)控制效果對比試驗(車速6～11km/h,割茬設(shè)置高度16mm)Fig.10 Comparative test of system control effect at different vehicle speeds

4 結(jié)論

1)設(shè)計了基于角度傳感器的割臺仿形監(jiān)測機(jī)構(gòu)與割臺高度反饋機(jī)構(gòu),標(biāo)定并擬合出實際高度與電壓信號之間的線性關(guān)系。

2)增設(shè)集成式電磁比例閥,論述了其結(jié)構(gòu)組成與工作原理,通過對模擬PID的理論分析,推導(dǎo)出可用于車載控制器的離散PID計算公式。

3)進(jìn)行田間試驗,驗證了割臺地面仿形自適應(yīng)控制系統(tǒng)的性能,結(jié)果表明:控制系統(tǒng)在5～11km/h作業(yè)速度區(qū)間內(nèi)均保持了良好的割臺調(diào)節(jié)性能,相較于傳統(tǒng)人工控制割臺高度的方式表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能,完全滿足收獲作業(yè)要求。