翁仕鴻

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

在谷物收獲機(jī)械中，聯(lián)合收割機(jī)是一種能把切割，脫粒、分離和清選等多項(xiàng)工作集中在一臺機(jī)器上完成而直接獲得清潔谷粒的農(nóng)業(yè)機(jī)械，它的廣泛使用極大地減輕了農(nóng)民勞動強(qiáng)度，提高了勞動生產(chǎn)率。脫粒機(jī)中的脫粒裝置是聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部分，對于脫粒性能一定的谷物聯(lián)合收割機(jī),為保證脫粒質(zhì)量,其脫粒滾筒的角速度應(yīng)控制在預(yù)期的范圍內(nèi)，影響脫粒滾筒的脫粒性能因素有很多，既有作物密度、谷物濕度等不可控因素，也有滾筒角速度、喂入量等可控因素。各種因素又互相聯(lián)系，因此脫粒滾筒是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，滾筒角速度與各種性能影響因素之間難以建立一個精確的數(shù)學(xué)模型，這對傳統(tǒng)控制理論應(yīng)用帶來極大的不便[1,2]?；诮?jīng)驗(yàn)、規(guī)則和自學(xué)習(xí)，根據(jù)被控量的變化量和變化率進(jìn)行模糊推理的模糊控制技術(shù)不需要知道被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，為非線性復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供一種有效手段。對于脫粒裝置這樣一個非線性時變且有較大延時的復(fù)雜系統(tǒng)[3,4,5]，本文通過參考前人已研究的軸流脫粒滾筒數(shù)學(xué)模型以及實(shí)驗(yàn)參數(shù)，建立了聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒數(shù)學(xué)模型、模糊控制器以及整個控制系統(tǒng)的仿真，并且通過MATLAB語言編寫程序代碼生成控制表，為以后硬件實(shí)現(xiàn)的可行性打下一定的基礎(chǔ)。

1.粒滾筒子系統(tǒng)的建立與仿真

1.1.粒滾筒功耗數(shù)學(xué)模型

以軸流脫粒滾筒為研究對象，其功耗模型為[1]：

J，r—滾筒的轉(zhuǎn)動慣量和等效半徑

N—發(fā)動機(jī)提供給滾筒的功率

a，b—反映滾筒克服運(yùn)動副摩擦力和空氣阻力的系數(shù)

f—搓擦系數(shù)γ—作物的谷草比

λ—莖稿出口速度和滾筒圓周速度之比

q—滾筒入口處的喂入量

H—割幅寬度ρ—作物密度υ—收獲機(jī)行進(jìn)速度

式（1）反映了滾筒運(yùn)行狀態(tài)的全部信息，其右邊3項(xiàng)分別表示滾筒的輸入功率、空轉(zhuǎn)功率和有用脫粒工作阻力。=0意味著滾筒的輸入功率與總的工作阻力相等，滾筒勻速轉(zhuǎn)動，聯(lián)合收割機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；<0表示由于喂入量增加或地表形貌惡化使總工作阻力大于發(fā)動機(jī)所能提供的最大功率，滾筒處于減速運(yùn)行狀態(tài)；>0說明總工作阻力小于脫粒滾筒的額定負(fù)荷，機(jī)組沒有發(fā)揮最大生產(chǎn)能力，滾筒處于加速運(yùn)行狀態(tài)。忽略谷物在割臺上的傳輸特性時，滾筒入口喂入量q可近似地表示為收割機(jī)割幅寬度H，考慮割茬高度的田間作物密度ρ以及機(jī)組行走速度υ之積，從而式（1）可轉(zhuǎn)化為：

當(dāng)聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動參數(shù)以及谷物的脫粒特性確定后，影響滾筒角速度的因素主要有ρ和υ，因而本研究的控制方案是:當(dāng)田間作物密度ρ突變引起滾筒角速度變化時，控制機(jī)組的行走速度υ使?jié)L筒角速度始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近。模糊控制器的輸入量為滾筒角速度誤差和其誤差變化率(滾筒角加速度)，輸出量為聯(lián)合收割機(jī)行走速度。

1.2.粒滾筒子系統(tǒng)的仿真

代入表1中的各個仿真參數(shù)[1,4]，化簡得

表1.真參數(shù)

在MATLAB的Command Window中鍵入命令Simulink并回車,就會彈出Simulink庫瀏覽器，新建一個test.mdl文件,然后從Simulink模塊庫中找出需要的模塊,利用鼠標(biāo)將其拖到新窗口建立系統(tǒng)模型如圖1，測試脫粒滾筒功耗數(shù)學(xué)模型，

圖1.粒滾筒功耗模型

圖2.波器輸入輸出穩(wěn)定值

2.SIMULINK實(shí)現(xiàn)模糊控制器的可視化設(shè)計

取E、EC的論域?yàn)閇-6,6] 以及U的論域[-7,7]，其模糊子集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。共有49條模糊控制規(guī)則。利用MATLAB/SIMULINK模糊邏輯工具箱建立隸屬函數(shù)。在 MATLAB的 Command Window中鍵入命令fuzzy，進(jìn)入FIS(Fuzzy Inference System，模糊推理系統(tǒng))環(huán)境。

默認(rèn)建立的是一個單輸入單輸出的Mamdani型推理系統(tǒng)(常用Mamdani型推理和Sugeno型推理，Mamdani型推理使用最多，具有廣泛的接受性，而Sugeno型推理在于計算效率高，適用于線性化技術(shù)以及數(shù)學(xué)分析)[6,7]。

添加一個輸入變量，建立一個雙輸入單輸出的Mamdani型推理系統(tǒng)，如圖3所示。分別設(shè)置輸入變量E、EC以及輸出變量 U的 MF數(shù)目為 7個，對應(yīng)模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，并確定各變量的隸屬函數(shù)類型，其中zmf為左開非對稱函數(shù)，smf為右開的鏡像函數(shù)，trimf為三角隸屬函數(shù)，設(shè)置變量NB、PB分別為zmf型函數(shù)、smf型函數(shù)，其他為trimf型函數(shù)。如變量E得隸屬函數(shù)如圖4。

圖3.輸入單輸出Mamdani型推理

編輯模糊控制規(guī)則及決策方法?？刂埔?guī)則是對專家的理論知識與實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。由于有兩個輸入變量各有 7個語言值，以if語句按照模糊控制規(guī)則表2，編輯49條模糊規(guī)則，一般按模糊規(guī)則表從左到右，從上到下的順序輸入模糊規(guī)則，如ifE is NB and EC is NB then U is PB.按照同樣的方法和步驟，輸入第2條到第49條規(guī)則。

圖4.立變量E隸屬函數(shù)

表2.糊控制規(guī)則表

觀察模糊規(guī)則以及模糊推理的輸出曲面如圖5所示，至此，就完成了整個模糊推理系統(tǒng)的建立，Export to file導(dǎo)出保存，將設(shè)計好的模糊控制器保存在一個名為fuzzy1.fis的數(shù)據(jù)文件中,以供仿真運(yùn)行時調(diào)用。

圖5.糊規(guī)則的顯示及曲面圖

3.個脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

在MATLAB的Command Window中鍵入Simulink回車,就會彈出Simulink庫瀏覽器，新建一個fuzzy1.mdl文件,然后從Simulink庫中找出需要的模塊,利用鼠標(biāo)將其拖到新窗口建立系統(tǒng)模型如圖6，建立整個系統(tǒng)，其中調(diào)整比例參數(shù)K1=1、調(diào)整微分參數(shù)K2=1。

在fuzzy1.mdl建立好整個模型，然后調(diào)用模糊控制器FIS文件，在MATLAB的Command Window中鍵入fuzzy1=readfis('fuzzy1')，將前面生成的FIS文件加載到模糊控制器模塊(Fuzzy Logic Controller )中,雙擊Fuzzy Logic Controller模塊，在Parameters行中的FIS file or structure中輸入fuzzy1，點(diǎn)擊OK。利用模擬示波器來觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)情況?？梢酝ㄟ^適當(dāng)調(diào)整參數(shù)K1、K2進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7。

由示波器仿真結(jié)果可見：控制系統(tǒng)經(jīng)過1.08 s調(diào)整后使?jié)L筒角速度穩(wěn)定在43.8 r ad? s?1，偏差34.7r ad? s?1，兩者的和剛好為=78.5rad? s?1，而行進(jìn)速度在3.8 m ? s?1與4 m ? s?1中波動。因而通過脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)，滾筒的角速度能夠穩(wěn)定在額定值附近，能起到恒速控制，也就是說，通過控制行進(jìn)速度一定的范圍值從而對滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)控在額定值。另外，當(dāng)負(fù)荷突變時，滾筒角速度的回調(diào)時間很短，因此可以預(yù)防滾筒過載堵塞現(xiàn)象[3]。

圖7 滾筒角速度ω及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

圖8.筒角速度誤差0ω-ω及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

圖9.整后的行走速度0uυ+及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

4.論

模糊控制基于模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理,不要求給被控對象建立精確的數(shù)學(xué)模型，具有一定的魯棒性，運(yùn)用專家的控制規(guī)則表，在本文的仿真曲線圖表明，聯(lián)合收割機(jī)行進(jìn)速度在一定范圍中波動，通過脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)，滾筒的角速度能夠穩(wěn)定在額定值附近，另外，利用 MATLAB語言編寫的程序代碼生成的控制規(guī)則表可導(dǎo)入存儲器，執(zhí)行查表程序以控制被控對象，對以后的硬件控制板卡的恒速控制實(shí)現(xiàn)具有一定的可行性。

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