魏圣坤　文勇

摘要：為提高農(nóng)用機(jī)械面對(duì)偏載啟動(dòng)、負(fù)載突變和系統(tǒng)調(diào)速時(shí)的自適應(yīng)性，提出一種基于BP-PID控制的全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)械同步控制系統(tǒng)。首先分析該系統(tǒng)液壓工作原理，并提出轉(zhuǎn)速控制原理和同步控制策略；其次分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理并設(shè)計(jì)BP-PID控制系統(tǒng)；最后運(yùn)用AMESim和Matlab/Simulink進(jìn)行建模和聯(lián)合仿真分析。仿真結(jié)果表明：采用BP-PID控制系統(tǒng)相對(duì)于PID控制系統(tǒng)，系統(tǒng)偏載啟動(dòng)時(shí)，響應(yīng)速度提高36.4%，系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快；負(fù)載突變時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化量減少32%，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高25%，系統(tǒng)具有更好的魯棒性；目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用機(jī)械；全液壓驅(qū)動(dòng)；BP-PID；同步控制；聯(lián)合仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：S22： TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：20955553 （2023） 11010207

Research on joint simulation of synchronous control of fully hydraulic driven agricultural machinery

Wei ShengkunWen Yong

（1. School of Intelligent Manufacturing and Automotive Engineering， Luzhou Vocational & Technical College，

Luzhou， 646000， China; 2. Sichuan Beijinda New Materials Co.， Ltd.， Shifang， 618400， China）

Abstract：In order to improve the adaptability of agricultural machinery in the face of eccentric load start， load mutation， and system speed regulation， an asynchronous control system of fully hydraulic driven agricultural machinery based on BP-PID control is proposed. Firstly， the hydraulic working principle of the system is analyzed， and the speed control principle and synchronous control strategy are analyzed. Secondly， the principle of the BP neural network is analyzed and the BP-PID control system is proposed. Finally， AMESim and Matlab/Simulink are used for modeling and joint simulation analysis. The simulation shows that compared with the PID control system， the response speed of the BP-PID control system is increased by 36.4% when the system is started under eccentric load， the system has no overshoot and the response speed is faster. When the load changes suddenly， the change of system speed is reduced by 32%， and the system response speed is increased by 25%. The system has better robustness. When the target speed changes， the system has better speed regulation performance.

Keywords：agricultural machinery; full hydraulic driven; BP-PID; synchronous control; joint simulation

0引言

隨著“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”的實(shí)施，農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)駕駛已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必然選擇［1］。農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)駕駛是根據(jù)系統(tǒng)提前設(shè)定的地圖進(jìn)行作業(yè)的一種技術(shù)［2］，由于土壤環(huán)境復(fù)雜，容易出現(xiàn)偏載啟動(dòng)、負(fù)載突變和系統(tǒng)調(diào)速工況，引起車(chē)輪轉(zhuǎn)速不同步，導(dǎo)致農(nóng)用機(jī)械偏離設(shè)定路線(xiàn)，影響自動(dòng)駕駛工作效率。因此必須對(duì)農(nóng)用機(jī)械進(jìn)行同步控制，使其具有較好的同步性、魯棒性和調(diào)速性。傳統(tǒng)農(nóng)用機(jī)械以機(jī)械傳動(dòng)為主［3］，采用變速箱進(jìn)行調(diào)速，無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，難以進(jìn)行同步控制，因此無(wú)法滿(mǎn)足農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)駕駛需求，為此將液壓同步控制系統(tǒng)引入農(nóng)用機(jī)械行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)同步控制被廣泛應(yīng)用于對(duì)同步精度要求較高的場(chǎng)景，例如液壓支架、防纏導(dǎo)板、礦井無(wú)軌列車(chē)等［48］。為提高液壓系統(tǒng)的同步性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者將多種算法引入液壓同步控制系統(tǒng)［915］，有效改善了液壓系統(tǒng)同步控制性能。周山旭等［16］研究了水田整平機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸模糊PID同步控制仿真系統(tǒng)，有效提高了水田整平機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓缸系統(tǒng)的魯棒性。陳靖等［17］使用AMESim和Simulink仿真軟件對(duì)農(nóng)用機(jī)械行走馬達(dá)液壓系統(tǒng)進(jìn)行同步控制仿真研究，提高了農(nóng)用機(jī)械在行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和系統(tǒng)魯棒性。張靜等［18］研究了基于均值耦合的多液壓缸位置同步控制系統(tǒng)，通過(guò)AMESim/Simulink聯(lián)合仿真驗(yàn)證了與相鄰交叉耦合控制策略相比，均值耦合控制策略能更好地解決液壓缸的耦合作用及偏載問(wèn)題，而且同步誤差小，調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

基于此，本文針對(duì)農(nóng)用機(jī)械提出一種基于BP-PID的全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)型同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用耦合同步控制策略，運(yùn)用AMESim和Matlab/Simulink建立聯(lián)合仿真模型，進(jìn)行聯(lián)合研究，并分析系統(tǒng)同步性、魯棒性和調(diào)速性。

1全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)械系統(tǒng)控制原理

1.1液壓系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)為開(kāi)式恒流量系統(tǒng)，動(dòng)力源帶動(dòng)定量泵轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生高壓油，高壓油分別通過(guò)電磁比例換向閥進(jìn)入驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)分別帶動(dòng)前輪和后輪轉(zhuǎn)動(dòng)，從驅(qū)動(dòng)馬達(dá)出來(lái)的低壓油分別通過(guò)電磁比例換向閥后進(jìn)入過(guò)濾器，最后流回油箱。

當(dāng)過(guò)濾器被堵塞時(shí)，低壓油通過(guò)單向閥流回油箱；當(dāng)前輪和后輪被卡死時(shí)，高壓油通過(guò)溢流閥流回油箱；當(dāng)電磁比例換向閥突然切換為中位制動(dòng)時(shí)，分別通過(guò)單向閥補(bǔ)油，溢流閥具有緩沖減震作用。轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)分別采集驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，并將信號(hào)傳給同步控制器，經(jīng)同步控制器處理后分別將控制信號(hào)傳給電磁比例換向閥，實(shí)時(shí)控制閥芯位移，從而控制閥芯開(kāi)口大小，使驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速同步。

1.2轉(zhuǎn)速控制原理

如圖2所示，上位機(jī)首先發(fā)出給定信號(hào)給比例放大器，再通過(guò)比例放大器傳給比例電磁鐵，通過(guò)電信號(hào)的大小調(diào)節(jié)電磁比例換向閥的開(kāi)口量，從而控制進(jìn)入驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的流量，轉(zhuǎn)速傳感器將驅(qū)動(dòng)器馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速反饋給上位機(jī)，通過(guò)與給定信號(hào)比較得出偏差信號(hào)，再由比例放大器放大后輸出給比例電磁鐵，通過(guò)控制電磁比例換向閥閥芯位移，控制液壓油的方向和流量，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速的精確控制。

1.3同步控制策略分析

同步控制可分為等效同步控制、主從同步控制和耦合同步控制［19］，本文采用耦合同步控制。耦合同步控制是一種考慮自生與相鄰支路運(yùn)行狀態(tài)的同步控制策略，由于運(yùn)行時(shí)不同的子系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)同步誤差，因此可根據(jù)該誤差對(duì)相鄰支路的控制參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)同步控制。如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)值n，分別將該值傳給控制器，控制器根據(jù)目標(biāo)值n和均值n1分別控制電磁比例換向閥，從而控制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)采集驅(qū)動(dòng)馬達(dá)實(shí)際轉(zhuǎn)速，求均值n1，并分別傳給控制器，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速同步。

2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線(xiàn)性、映射性和容錯(cuò)性的特點(diǎn)［20］，可以將該算法運(yùn)用到農(nóng)用機(jī)械中，實(shí)現(xiàn)農(nóng)用機(jī)械同步控制。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層、輸出層，內(nèi)部信號(hào)可以在該三層之間進(jìn)行雙向傳播。

2.2BP-PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

3系統(tǒng)建模

3.1液壓系統(tǒng)建模

電磁比例換向閥可根據(jù)輸入電信號(hào)的大小與使其產(chǎn)生的電磁力成比例，從而調(diào)整電信號(hào)的數(shù)值來(lái)獲得對(duì)應(yīng)的電磁力，來(lái)實(shí)時(shí)控制電磁比例換向閥閥芯的位置，進(jìn)而獲取相應(yīng)的壓力、方向和流量。由圖1全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)械液壓系統(tǒng)原理圖，可在AMESim中運(yùn)用HCD庫(kù)、2D機(jī)械庫(kù)和信號(hào)庫(kù)建立模型。本研究以某全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)械為研究對(duì)象，在典型工況下進(jìn)行仿真，即（1）偏載啟動(dòng)；（2）行駛過(guò)程負(fù)載突變；（3）以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行行駛。忽略系統(tǒng)的泄漏，設(shè)定液壓元件參數(shù)如表1所示。

3.2同步控制器建模

在AMESim中設(shè)置仿真時(shí)間為8s，步長(zhǎng)為0.01s，設(shè)置完成后進(jìn)入仿真模式，運(yùn)行仿真進(jìn)入Matlab/Simulink，根據(jù)圖5的BP-PID控制原理可建立分別如圖6～圖8所示模型，本研究采用解析法整定初始PID參數(shù)分別為Kp=0.1，Ki=5.5，Kd=0.3。

4仿真與分析

4.1系統(tǒng)啟動(dòng)特性分析

設(shè)定驅(qū)動(dòng)馬達(dá)目標(biāo)值為200r/min，運(yùn)行仿真，在AMESim中經(jīng)批處理后得到驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的同步轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)，如圖9所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為225.6r/min，超調(diào)量為12.8%，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有超調(diào)量。

如圖10所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在2.2s達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.4s達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了36.4%。系統(tǒng)偏載啟動(dòng)時(shí)，BP-PID控制系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快。

4.2系統(tǒng)抗負(fù)載突變特性分析

如圖11所示，在4s時(shí)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)27減少50N·m， 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)28增加25N·m，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)29增加25N·m，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)30增加25N·m。

如圖12所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速變化量為12.5r/min，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速變化量為8.5r/min，轉(zhuǎn)速變化量減少了32%。

如圖13所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.6s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.2s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了25%。BP-PID控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性。

4.3系統(tǒng)調(diào)速特性分析

如圖14所示，當(dāng)設(shè)定目標(biāo)值為150r/min時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為168.5r/min，超調(diào)量為12.3%，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有超調(diào)量。當(dāng)設(shè)定目標(biāo)值為250r/min時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)最大轉(zhuǎn)速為285.6r/min，超調(diào)量為14.2%，系統(tǒng)采用BP-PID控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)沒(méi)有超調(diào)量。

如圖15所示，目標(biāo)值為150r/min時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.5s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.1s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了26.7%。

如圖16所示，目標(biāo)值為250r/min時(shí)，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在2.5s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在1.5s后達(dá)到穩(wěn)定的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了40%。BP-PID控制系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

5結(jié)論

1） 本文提出一種全液壓驅(qū)動(dòng)農(nóng)用機(jī)械同步控制系統(tǒng)，并分析系統(tǒng)位置控制原理和同步控制策略，分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，并設(shè)計(jì)BP-PID控制系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。

2）? 偏載啟動(dòng)時(shí)，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對(duì)于PID控制系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了36.4%，系統(tǒng)沒(méi)有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快；負(fù)載突變時(shí)，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對(duì)于PID控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化量減少了32%，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了25%，系統(tǒng)具有更好的魯棒性；目標(biāo)轉(zhuǎn)速變化時(shí)，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對(duì)于PID控制系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

3）? 該系統(tǒng)能夠有效提高農(nóng)用機(jī)械行走時(shí)的同步性、魯棒性和調(diào)速性，為農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)駕駛驅(qū)動(dòng)底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)提供參考。

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