曹向虎， 張春雨， 梁海燾， 張衛(wèi)民， 黃丹丹

(安徽科技學(xué)院 機械工程學(xué)院，安徽 鳳陽 233100)

玉米是我國三大糧食作物之一,其種植面積較廣,玉米收獲因其用工量大、勞動強度高、機械化水平低等特點而廣受關(guān)注。隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn),農(nóng)村勞動力減少,對收獲機械的需求較為迫切。目前國內(nèi)外使用的玉米收獲機,作物留茬高度多由駕駛員手動調(diào)節(jié),勞動強度大,難以實現(xiàn)割臺高度的精確調(diào)控,容易造成漏割、錯割等問題。若割臺高度調(diào)整不當(dāng),還可能導(dǎo)致機器堵塞,引發(fā)機械故障而被迫停止作業(yè),直接影響到收割機的收獲效率。為此,研制一種精準(zhǔn)、高效的收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng)顯得尤為重要。

近年來,相關(guān)研究者已對收割機割臺高度的自動控制策略進(jìn)行了深入研究,并取得了一定的進(jìn)展。如偉利國等研發(fā)了割臺地面仿形控制系統(tǒng),能夠根據(jù)地面的浮動情況進(jìn)行割臺高度的自動調(diào)整,但該系統(tǒng)采用機械式仿形傳感器,易受外界復(fù)雜作業(yè)環(huán)境的干擾而影響割臺調(diào)控精度。胡焉為等設(shè)計了一種雙輸入、雙輸出的葉菜收獲機割臺高度控制系統(tǒng),但該系統(tǒng)需要建立精準(zhǔn)的動力學(xué)模型,實現(xiàn)較為復(fù)雜；周冬冬等提出了一種基于模糊邏輯的割臺高度控制系統(tǒng),用于大豆聯(lián)合收獲機割臺高度的自動調(diào)整,但該系統(tǒng)采用角位移傳感器檢測信號作為系統(tǒng)輸入信號,信號在轉(zhuǎn)化過程中具有一定的延時性,使割臺調(diào)控的精度和實時性存在一定的不足。

本研究針對上述控制策略所存在的問題,提出了一種基于模糊PID算法的玉米收獲機割臺高度自適應(yīng)控制策略,將模糊控制與PID控制相結(jié)合,利用模糊推理方法實現(xiàn)對割臺高度調(diào)控參數(shù)的在線自動調(diào)整，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場試驗運行測試,以期為玉米收獲機自動控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗提供參考和借鑒。

1 割臺高度控制系統(tǒng)的工作原理及組成

1.1 割臺高度控制系統(tǒng)工作原理

收獲機是集機、電、液一體的農(nóng)業(yè)機械裝備,其主要由機械傳動系統(tǒng)、液壓執(zhí)行系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)等組成,其依靠農(nóng)機手操縱手柄的方式實現(xiàn)作物留茬高度的控制。本文研究設(shè)計的玉米收獲機割臺高度自動控制系統(tǒng),利用傳感器測距模塊、控制單元和液壓執(zhí)行模塊組成閉環(huán)控制系統(tǒng),其控制原理為:HC-SRO4型超聲波傳感器模塊實時檢測割臺的實際離地高度,檢測值c(t)與系統(tǒng)中設(shè)定的玉米作物留茬高度值r(t)進(jìn)行比較,得到偏差值e(t),通過控制器中嵌入的模糊PID算法提取誤差信號,發(fā)送對應(yīng)的控制信號;控制信號由比例放大器放大,電液比例換向閥動作,輸出與控制信號成比例的壓力或流量推動液壓油缸移動,控制割臺離地高度值向著減小偏差的方向運動,直到偏差趨近于零,從而實現(xiàn)割臺高度的自動調(diào)節(jié),其控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 割臺高度控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of header height control system

1.2 割臺高度電液比例控制系統(tǒng)總體組成

根據(jù)玉米聯(lián)合收獲機割臺的實際作業(yè)情況和割臺高度自動控制系統(tǒng)的具體要求,構(gòu)建如圖2所示的割臺高度電液比例控制系統(tǒng)簡圖。該系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC作為控制器,包括HC-SRO4型超聲波測距傳感器檢測元件、信號調(diào)理電路、A/D與D/A轉(zhuǎn)換器、先導(dǎo)式4WRTE型電液比例換向閥和相關(guān)輔助電路。常用的電液比例控制通常有開環(huán)控制和閉環(huán)控制,考慮到該系統(tǒng)有較高的精度要求和實時跟蹤功能等實際需要,采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。電液比例閉環(huán)控制系統(tǒng)總體組成框圖如圖3所示。

圖2 割臺高度電液比例控制系統(tǒng)簡圖Fig.2 Schematic diagram of electro hydraulic proportional control system for header height

圖3 閉環(huán)電液比例控制系統(tǒng)總體組成框圖Fig.3 Block diagram of overall composition of closed loop electro hydraulic proportional control system

1.3 傳感器的布置安裝

割臺高度檢測模塊選用HC-SRO4型超聲波測距傳感器。由于玉米收獲機在田間作業(yè)的地面凹凸不平、割臺作業(yè)寬幅較大,收獲作業(yè)狀態(tài)和地形狀況是隨機變化的,這直接影響割臺高度的測量精度。為此,在割臺底部安裝5組HC-SRO4型超聲波傳感器,并將其垂直于地面安裝在割臺分禾裝置底部,安裝位置如圖4所示。

圖4 超聲波傳感器安裝位置示意圖Fig.4 Installation position diagram of ultrasonic sensor

2 割臺高度模糊PID控制器設(shè)計

2.1 PID算法

PID控制是最早發(fā)展起來的控制策略之一,因其算法簡單、魯棒性好和可靠性高,在工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。PID算法是根據(jù)系統(tǒng)中給定值和實際輸出值構(gòu)成控制偏差,將偏差按PID三個控制參數(shù),通過線性組合構(gòu)成控制量,對被控對象進(jìn)行控制。其控制系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.5 Principle block diagram of PID control system

PID控制器微分方程為:

(1)

e

(

t

)=

r

(

t

)-

y

(

t

)

(2)

式中,

K

為比例增益;

T

為積分時間常數(shù);

T

為微分時間常數(shù)。

PID控制器傳輸函數(shù)為:

(3)

PID算法各校正環(huán)節(jié)作用為:比例部分可以減少偏差,加快系統(tǒng)調(diào)節(jié);積分部分可以消除靜態(tài)誤差,提高無差度;微分環(huán)節(jié)能減少超調(diào)量,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 改進(jìn)模糊PID算法原理

改進(jìn)模糊PID算法是在PID算法的基礎(chǔ)上,利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理,對PID參數(shù)進(jìn)行在線實時調(diào)整,以達(dá)到最優(yōu)控制效果。模糊PID控制器的原理框圖如圖6所示。

圖6 模糊PID控制器系統(tǒng)框圖Fig.6 System block diagram of fuzzy PID controller

考慮到玉米收獲機割臺高度自動調(diào)控要求,本研究采用改進(jìn)模糊PID算法對割臺離地高度進(jìn)行實時調(diào)控。根據(jù)偏差

e

、偏差變化率

ec

不同的情況,利用模糊控制算法在線調(diào)整PID控制器中的參數(shù)

K

、

K

和

K

,常規(guī)PID控制器重新獲取新的

K

、

K

和

K

過后,對被控對象輸出控制量,從而實現(xiàn)割臺留茬高度的自動調(diào)控。

2.3 系統(tǒng)改進(jìn)模糊PID控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計

本研究選取割臺高度偏差

e

和偏差變化率

ec

作為模糊控制器的輸入變量,以PID三個控制參數(shù)的修正量Δ

K

、

ΔK

和

ΔK

為模糊控制器的輸出變量?，F(xiàn)場偏差

e

、偏差變化率

ec

和微分系數(shù)

K

的基本論域為:{-3、-2、-1、0、1、2、3},比例系數(shù)

K

和積分系數(shù)

K

的基本論域為:{-0.3、-0.2、-0.1、0、0.1、0.2、0.3}。系統(tǒng)模糊子集分為7級,它們?yōu)?{NB、NM、NS、Z、PS、PM、PB},每個子集中的元素表示:負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大。正確選擇模糊隸屬函數(shù),使被控對象的控制效果滿足割臺調(diào)控要求。本文將正態(tài)分布的隸屬函數(shù)用于NB和PB,而三角形分布的函數(shù)用于PM、PS、Z、NS和NM。每個變量的隸屬函數(shù)曲線如圖7所示。

圖7 隸屬度函數(shù)圖Fig.7 Membership function graph

根據(jù)上述整定原則,通過模糊推理及試驗修正,得到

K

、

K

和

K

三個參數(shù)分別整定的模糊規(guī)則,如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表Table 1 Fuzzy control rule table

根據(jù)各模糊變量的隸屬度函數(shù)、模糊控制規(guī)則表,利用模糊推理理論設(shè)計PID參數(shù)整定算法,設(shè)

K

p′、

K

′和

K

′為PID控制器三個參數(shù)的預(yù)整定值,則?

K

′、

K

′、

K

′的計算公式為:

K

=

K

′+

ΔK

,

K

=

K

′+

ΔK

,

K

=

K

′+

ΔK

。

分析可知,通過表1的模糊控制規(guī)則,用If(條件),Then(結(jié)果)語句表示,由模糊控制器完成PID參數(shù)的在線自整定。

3 基于MATLAB的系統(tǒng)仿真分析

3.1 仿真模型

設(shè)定玉米聯(lián)合收獲機割臺的留茬高度為15 cm,假設(shè)地面輪廓為弦曲線,經(jīng)計算推理割臺離地高度函數(shù)

H

=10sin(0.02π

t

)。由于玉米收獲機割臺升降液壓油缸在控制過程中存在一定的延時性和滯后性,進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后被控對象的數(shù)學(xué)模型近似等效如下關(guān)系式(4)。

(4)

式中,G(S)為系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù),根據(jù)被控對象設(shè)置相應(yīng)的PID參數(shù)為:

K

=1.3,

K

=0.3,

K

=0.02。圖8為割臺高度自動控制系統(tǒng)在MATLAB中的simulink環(huán)境下的仿真模型。

圖8 傳統(tǒng)PID與模糊PID控制器仿真模型Fig.8 Simulation model of traditional PID and fuzzy PID controller

3.2 結(jié)果分析

通過運用MATLAB軟件中的Simulink仿真環(huán)境,對模糊PID和傳統(tǒng)PID控制方式進(jìn)行仿真。設(shè)定采樣時間為1 ms,在第5 s時對控制器輸出外加0.15的干擾,其階躍響應(yīng)曲線如圖9所示。其中,實線和虛線分別表示傳統(tǒng)PID控制曲線和改進(jìn)的模糊PID控制曲線。

圖9 階躍響應(yīng)曲線Fig.9 Step response curve

對改進(jìn)的模糊PID控制和傳統(tǒng)PID控制的仿真曲線進(jìn)行對比分析,其結(jié)果如下:

(1)模糊PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時間約0.5 s,在第2 s時趨于期望值;傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)響應(yīng)時間約1 s,在第5 s時趨于期望值。同時,傳統(tǒng)PID控制的階躍響應(yīng)曲線振蕩幅度較大,達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時間較長。

(2)第5 s時,在控制器輸出外加干擾信號后,模糊PID控制比傳統(tǒng)PID控制提前約2 s恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)遇到干擾后,模糊PID恢復(fù)至期望值的速度比傳統(tǒng)PID控制更快,抗干擾能力強、穩(wěn)定性更好。

因此,玉米收獲機割臺高度控制系統(tǒng)采用改進(jìn)的模糊PID算法時,系統(tǒng)的超調(diào)量小,趨于穩(wěn)定的速度更快,并具有較好的抗干擾能力和動態(tài)響應(yīng)特性,與傳統(tǒng)PID控制相比其性能明顯提高。

4 系統(tǒng)運行試驗

4.1 基本條件

本研究以籽粒型玉米聯(lián)合收獲機割臺為試驗研究對象,系統(tǒng)電氣部分試驗平臺如圖10所示。圖10中,1的位置為PLC控制器電源穩(wěn)壓器;2的位置為西門子S7-1200型PLC控制器;3的位置為數(shù)據(jù)采集分析儀;4的位置為信號調(diào)理器;5的位置為電液比例閥信號輸入接頭;6的位置為HC-RO4超聲波測距傳感器。為了滿足收獲機電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計要求,試驗系統(tǒng)采用西門子S7-1200 PLC控制器作為割臺液壓系統(tǒng)的控制核心。由于割臺液壓油缸在工作過程中頻繁動作,則采用先導(dǎo)式4WRTE型三位四通電液比例換向閥,本試驗割臺高度自動控制液壓系統(tǒng)各元件安裝布置如圖11所示。

圖10 割臺高度自動控制系統(tǒng)試驗平臺Fig.10 Test platform for automatic control system of header height

圖11 割臺高度調(diào)控液壓系統(tǒng)布置圖Fig.11 Layout of hydraulic system for header height control

4.2 割臺高度調(diào)節(jié)檢測

玉米是我國主要糧食作物之一,國內(nèi)成熟玉米植株的高度一般在200～270 cm之間,株距一般在25～30 cm之間。在收獲時期,玉米作物的留茬高度值在15 cm以下,根據(jù)玉米植株留茬高度值來確定玉米收獲機割臺高度調(diào)節(jié)范圍。

在試驗過程中使用電腦軟件控制平臺,向玉米收獲機割臺控制單元隨機發(fā)送不同指令的高度調(diào)節(jié)值,待割臺調(diào)整穩(wěn)定后,用手持式激光測距儀測量割臺距離地面的實際高度。割臺調(diào)節(jié)高度實際測量值如表2所示。

表2 割臺調(diào)節(jié)高度實際測量值Table 2 Actual measured value of header adjustment height

4.3 系統(tǒng)響應(yīng)速度檢測

通過遮擋測距傳感器的方式,調(diào)節(jié)遮擋物與傳感器之間的距離,相當(dāng)于割臺距離地面的不同高度值,并記錄割臺從開始動作到穩(wěn)定時所需的時間,割臺上升動作響應(yīng)時間如表3所示。

表3 割臺上升動作響應(yīng)時間Table 3 Response time of header rising action

4.4 結(jié)果分析

從表2可以看出,割臺上升高度實測值與系統(tǒng)中設(shè)定的割臺高度目標(biāo)值進(jìn)行對比,實測值和目標(biāo)值的誤差取值范圍為-0.68～1.31 cm。分析可知,現(xiàn)有收獲機割臺高度調(diào)控誤差為2.5 cm,本研究中的割臺高度調(diào)控誤差小于1.5 cm,滿足玉米收獲作業(yè)留茬高度的農(nóng)藝要求。根據(jù)表3中的試驗數(shù)據(jù)可知,割臺上升系統(tǒng)響應(yīng)速度的最小值為0.17 m/s,割臺上升系統(tǒng)響應(yīng)速度的最大值為0.23 m/s。對試驗數(shù)據(jù)中割臺上升和下降的響應(yīng)速度分別取其平均值,可得在割臺上升和下降時,系統(tǒng)平均響應(yīng)速度分別約為0.22 m/s和0.17 m/s。

根據(jù)GB/T 21962-2008玉米收獲機械技術(shù)條件,割臺液壓升降速度指標(biāo)為:提升速度不低于0.2 m/s,下降速度不低于0.15 m/s,則該系統(tǒng)控制的割臺升降速度均高于國家標(biāo)準(zhǔn)要求,割臺調(diào)控時間與現(xiàn)有玉米收獲機相比提升約10%。為此,將該系統(tǒng)用于實現(xiàn)玉米聯(lián)獲機割臺高度的自動調(diào)控是可行的和有效的。

5 結(jié)論

本研究為提高玉米收獲機割臺高度的自動調(diào)控精度和速度,區(qū)別于傳統(tǒng)的PID算法和模糊算法,提出了將上述2種算法進(jìn)行融合,將改進(jìn)的模糊PID算法應(yīng)用于智能玉米收獲機割臺高度的自動調(diào)控中。利用simulink仿真環(huán)境對傳統(tǒng)PID和改進(jìn)的模糊PID兩種控制方式進(jìn)行仿真對比,仿真結(jié)果表明,改進(jìn)的模糊PID算法的控制效果在系統(tǒng)響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)性和抗干擾能力等方面,明顯優(yōu)于傳統(tǒng)PID算法。此外,在試驗場地分別對玉米收獲機割臺高度的控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度進(jìn)行測試,試驗結(jié)果表明,割臺高度控制誤差小于1.5 cm,系統(tǒng)響應(yīng)速度約為0.22 m/s,割臺調(diào)控時間較現(xiàn)有玉米收獲機提升約10%,改進(jìn)的模糊PID控制算法克服了傳統(tǒng)PID算法的眾多不足,大幅度提高了割臺自動調(diào)控系統(tǒng)的魯棒性和響應(yīng)速度,為玉米收獲機提供了一種更優(yōu)的割臺高度自動調(diào)控系統(tǒng)。