【word】 联合收割机双闭环负荷控制系统的设计

【word】 联合收割机双闭环负荷控制系统的设计 联合收割机双闭环负荷控制系统的设计 第48卷第2期 2012年1月 机械工程 JOIRNAIOFMECHANICALENGINEERING V01.48NO.2 Jan.20l2 DoI:1O.3901,E.2012.02.165 联合收割机双闭环负荷控制系统的设计木 秦云赵德安张军 (江苏大学电气信息工程学院镇江212013) 摘要:联合收割机是一个高阶时变非线性系统,存在大滞后,工况复杂,简要分析联合收割机数学模型及作业期间可能存在 的各种内部,外部扰动.针对收割机负荷控制系统中利用一个控制器综合多个扰动,各参数相互影响,参数调整困难,系统 动态性能不够好的问题,提出一种双闭环负荷控制系统,将收割机系统分为行走,作业两部分,分别利用车速闭环和滚筒转 速闭环进行控制.车速闭环采用单神经元比例积分微分(Proportion,integration,differentiation,PID)算法,根据车辆行走系统的 工况变化不断调整控制参数,尽可能跟踪给定车速.滚筒转速闭环采 用直接广义预测控制算法,也可自动适应系统参数和工 况的变化,保证滚筒恒定在最佳转速.整个控制算法实时计算量较小, 可保证系统具有足够高的实时性.仿真和试验证明双 闭环负荷控制系统能获得较高的控制精度和优良的动态特性. 关键词:联合收割机负荷控制脱粒滚筒转速车速双闭环直接广义预 测控制 中图分类号:$225 DesignofCombineLoadControlSystemBasedonDoubleLoop QrNYunZHAODeanZHANGJun (SchoolofElectricalandInformationEngineering,JiangsuUniversity,Zhenjiang212013) Abstract:Combineisahigher?ordersystemwithtime-varyingcharacteristics,nonlinearcharacteristics,andlargedelaytime.Its workingconditioniscomplex.Themathematicalmodelofcombineandtheinternal,externaldisturbanceareanalyzedbrieflyinthis paper.Therearemanyproblemsinloadcontrolsystemusingonecontroller,suchastoomanydisturbancesaffectingthecontroller, mutualinfluencebetweenparameters,difficultiesinadjustingtheparameters,andthedynamicperformanceisnotgoodenough.A doubleloopcontrolsystemwasstudied.Combineisdividedintowalkingpartandoperatingpart.Thewalkingpartiscontrolledby vehiclespeedcontrollerandtheoperatingpartiscontrolledbythreshingcylin dercontroller.Thevehiclespeedcontrollerusesingle neuronPID.Controlleradjustthesystemparametersaccordingtothechangesofthewalkingconditiontokeepthevehiclespeedis equaltothedesiredvalue.Thethreshingcylindercontrollerusedirectgeneralizedpredictivecontro1.ThecontrollerCall automaticallyadapttothechangesofthesystemparameterandworkingconditionsandke印thecylinder’Srotatespeedconstantat theoptimumspeed.Thealgorithminthecontrollershassmallercomputationload,andCanmeetthereal-timerequirements.The simulationandtestshowthatthesystemCanaccesstohighercontrolaccuracyandbetterdynamiccharacteristics. Keywords:LoadcontrolofcombineThreshingcylinderspeedVehiclespeedDoubleloop Directgeneralizedpredictivecontrol 0前言 为了获得最佳的联合收割机作业效率和工作 质量,需要保持其脱粒,清选等系统负荷处于最佳 状态,脱粒滚筒恒定在最佳转速.为此须不断根据 田间作物密度,含水量等的变化调整行驶速度,实 ?”十二五”国家科技支撑(2Ol1BAD20BO6)和江苏高校优势学 科建 设工程资助项目.20110622收到初稿,20111125收到修改稿 现对收获机负荷的控制.联合收获机是一个非线性, 时变且有大延时的复杂系统,影响其作业效率和工 作质量的因素非常多,包括作物密度,品种,含水 量以及车速,滚筒转速等,这些因素之间存在严重 的耦合【-. 当前,国内外针对联合收割机负荷控制的研究 很多.文献[3】采用基于模型的预测控制技术实现了 联合收割机的自动操作,简化了操作人员的工作. 文献[4】采用模糊控制方法设计了联合收割机清选 机械工程第48卷第2期 装置自动控制系统.文献[5]设计了滚筒比例积分微 分(Proportion,integration,differentiation,PID)恒速 控制器,可实现一定工况范围内滚筒转速保持基本 恒定,但当收割机大范围工况工作时,控制器参数 需重新整定.文献[6]提出了基于模式识别的脱粒滚筒 恒速控制方法,并设计了智能恒速控制器.文献[7] 结合灰色系统预测和模糊技术设计了智能控制器.文 献【8】利用可编程逻辑门阵列(Field.programmable gatearray,FPGA)实现了滚筒转速模糊控制器,充分 考虑了控制过程中的系统实时性要求.文献[9】研究 了基于径向基函数(Radialbasisfunction,RBF)网络 的联合收割机脱粒滚筒恒速控制方法. 目前联合收割机负荷控制均采用负荷单闭环 结构,简化甚至忽略行走系统的扰动和动态特性. 系统用一个控制器综合多个扰动,各参数相互影响, 控制器调整困难,动态性能不够好.环内任何扰动, 尤其是行走系统的扰动,都须等到滚筒转速出现偏 差才进行调节,滚筒转速动态波动大.为此,本文 将主要被调量滚筒转速与辅助被调量车速分别加以 控制,构成滚筒转速,车速双闭环结构.对控制算 法进行了仿真研究,并对装有控制器的联合收割机 进行田间试验.仿真和试验表明,本方案可有效抑 制各种外部扰动,获得良好的控制效果. 1联合收割机对象 1.1系统结构 研究中以4LZ2.0型全喂入联合收割机为对象, 适当安装必需的监测,执行元件.系统包括行走系 统,割台与传送系统和滚筒,收割机系统结构如图 1所示【. 控制信号——.{行走系统 I变量泵排量比t收割 . 静液压车速- 臣塑回................无级变速器 图1收割机系统结构 收割机以柴油机为动力,节气门开度保持80% 左右.行走系统采用液压传动(Hydrosatictansmission, HST)(装置),通过扳动操纵杆调节HST变量泵排量 实现车速控制.收割,脱粒部分采用V带,链传动, 喂入量增大使滚筒负载力矩加大,转速降低.利用 步进电动机调节HST操纵杆位置,滚筒转轴和行走 履带驱动轮上安装霍尔传感器检测其转速. 1.2系统特性 行走系统含三个环节:?控制脉冲频率与操 纵杆位置之间构成积分环节;?忽略变量泵斜盘转 动惯量,变量泵排量比与操纵杆位置之间构成比例环 节;?根据文献[10】,变量泵排量比与HST变速比 之间是一个二阶低通环节.总体看,行走系统传递 函数如式(1)所示 G1()1lq(1) VP J m + ~ J Vm flf3【J+J 鲁{-叫 [+l(1+白)”J c:+cm 式中,为步进电动机积分时间常数,为变量 泵最大排量,il为输入轴到泵轴传动比,f3为输出 行星排架传动比,kl为输出行星排架特性参数, 为液压马达排量,叩为输出轴额定载荷产生的容 积效率,为油液总容积,为油液体积模量, 为输出轴转动惯量,为液压马达轴转动惯量,C. 为总泄漏系数,为油液粘度,Cm为液压马达粘性 阻尼. 设割台高度恒定,割台收割速度与作物密度, 车速之间近似为乘积关系.传送带可近似为纯延迟 环节,通过试验可得延时时间约为0.8S.割台与传 送系统的传递函数 G2()=exp(一)(2) 式中,日为割幅,P,?为作物密度,f为延时时间 常数. 额定工作点附近,滚筒转速与喂入量之间关系 可表示为非线性微分方程] d?P+B(‰+AoJ) dtJ(COo+Aco)J 2(1u)J鲁g(3)一1+五 式中,09o为滚筒额定角速度,Aco为滚筒角速度相 对?o的变化量,P为输入功率,为滚筒转动惯量, A,B’为常数,R为滚筒半径,为滚筒搓擦因数, 2012年1月秦云等:联合收割机双闭环负荷控制系统的设计167 y为谷草比,为谷物出口速度比,g为滚筒喂入量. 综合上面分析,系统特性存在较高的阶次,仅 行走系统就包含了三阶特性,同时脱离滚筒存在严 重的非线性,谷物传送带引入了较大的延迟滞后. 系统中很多参数,如滚筒搓擦系数等会随着实际工 作环境的变化而变化. 2控制系统设计 2.1系统结构 收割机分为行走系统和作业系统两部分,分别 利用车速闭环和负荷闭环进行控制,系统结构如图 2所示. 图2收割机双闭环负荷控制系统结构 系统外环以脱粒滚筒转速?为反馈,与给定最 佳转速09.的偏差输入负荷控制器),负荷控制 器输出收割机最佳行驶速度给定v’.y与实际行驶 速度1,的偏差输入车速控制器Gv),获得步进电动 机的控制信号C施加在收割机行走系统G1?上.行 驶速度v和田间作物密度P共同作用在收割系统G2) 上得到滚筒的喂入量输入滚筒,产生滚筒转速. 2.2车速控制器的设计 车速控制器是一个随动控制器,其控制目标是 抑制行走系统的外界扰动和内部参数变化,使行走速 度尽可能跟随给定速度.车速闭环内存在多种扰动, 包括地面坡度引起HST负荷力矩变化,收粮,卸粮 引起HST负荷转动惯量起伏,液压油泄漏与补油引 起HST液压起伏,温度变化引起HST油液粘度变 化[1o]等.为获得更高的控制响应速度,车速控制器 采用较高采样率,控制算法的运算量须尽可能少. 车速控制采用单神经元PID控制器,结构如图 3所示.单神经元具有自学习,自调节能力,结构 简单,计算简便,调整方便,PID算法与之结合可 解决参数不易在线调节的缺陷,适合参数时变缓慢 的控制[13_钔. 图3车速控制器结构 神经元输入矢量和输出分别为 = (P(),e(七)一e(k-1),e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (4) 3 c(|i})=?(七)(|j})(5) i=1 式中,(=v’(v(五=),k为采样序号,为比例系 数,wf为输入权值,与神经元输入,输出和输出偏 差三者相关,采用有监督的Hebb学习规则调整 (七+1)=(1一c)(七)+rle(k)c(k)xi(k)(6) 式中,玎为学习速率,C为遗忘因子. 控制器以输出误差平方为性能指标 1 ‘ =v’()一1,(七+1)](7) 2.3负荷控制器的设计 负荷控制器响应作业系统的各种扰动,包括割 台高度和传送系统延迟时间的波动,作物植株密度, 含水率的变化等【2J,不断调整给定车速,保持滚筒 转速恒定.作业过程本身具有较大的滞后,负荷控 制器须具备一定的预测控制能力. 负荷控制器采用直接广义预测控制(Direct generalizedpredictivecontrol,DGPC)技术.DGPC 是基于广义预测控制的新型控制技术,对被控对象 的不确定性有较强的鲁棒性,能克服纯滞后对系统 闭环特性的影响,同时计算量大大减少,提高了实 时性.对于非线性对象,可将对象近似为时变线性 系统,利用三次样条函数逼近时变参数,然后应用 线性DGPC实现预测控制【l5.】.文献[15】l证明了该 方法可使广义误差收敛到原点的一个小邻域内. 收割机作业系统进行简化近似,描述为二阶受 控自回归积分滑动平均(Controlledautoregressive integratedmovingaverage,CARIMA)模型 co(k)=a1?(七一1)+a2?(七一2)+61V’(七一1)(8) 控制的目标是滚筒转速输出尽可能恒定为最 佳转速CO’,同时变化不能过于剧烈,性能指标函数 rNl-] J={?【?(+)一?’】+?2(Av*(k+j-I))}Lj=1,=IJ (9) 控制器的最大预测时域选为2,最大控制时域 168机械工程第48卷第2期 选为1,由此建立控制器 1,’(七)=12”(一1)+?1,(Ji}) Av(七)=(七2ru(七) (10) (11) 式中,6lu(为时变控制参数,zu为控制器输入, zu=,to(k-1),09’,CO’,CO’,Av’(1))T,利用三 次样条函数进行逼近.三次样条基函数形式为 = 1 — 3+3f2—3H1) .3 (f)=l(3t- 6t2+4) ?=吉(一3t3+3t2+3川) , 3 (f)=1 6 取z=e(一],式c变换为 ‘(七一2)=(Ii}一2)一 砸(20)(2)【20) P{=(21) 式中,Y2为自适应学习率,Me为阈值参数. 3仿真与试验 (12)3.1仿真 根据上述联合收割机数学模型和控制器,利用 Matlab建立了系统仿真模型,并进行了仿真试验. 仿真模型主要参数如下表所示. r,,(f), (七)=tT(七)l..Izu(七):tTt(七) F(f),J (13) 式中,F(0=(Fo,3(,FI,3(f),,3(力,F3,3(f))T,To为采样 周期,()为控制参数,利用下面自适应率进行 调整 tT (后)=(七一2)一T(后) (15) P?)=(16) 式中,),l为自适应学习率,为阈值参数,(七)为 广义误差估计值,估算算法为 (|j})=(|j}一2)ze(七一2)(17) 式中,ze()为误差估计器输入,ze一2)=(P(一1), 8(七),1,(|i}一2)),(Ji}一2)为时变参数,利用三 次样条函数进行逼近.则式(17)变换为 f,(f)1 (Ji})=o~T(k一2)l’Ize(|i}一2)= F(f)J (k一2)(七一2)(18) 式中,T(七一2)为时变参数,利用下面自适应率进 行调整 .2)=【9,(k ( - 尼 2 _2) ) } ~/(k _2) - 2) l> l<Me . (19) 表主要仿真模型参数 参数数值 步进电动机积分时间常数T/s 输出轴额定载荷产生的容积效率 油液弹性模量pdMPa 输出轴转动惯囊Jkg?m2) 总泄漏系数cd(m3?Pa-?s1 油液粘度(Pa?s) 作物密度p~(kg?m-2) 延时时间常数f/s 滚筒转动惯量(N?柚 滚筒额定角速度rod(rad?rain-, 收割机额定车速vg(m?1 输入功率P/kW 滚筒半径R/m 谷草比y 谷物出口速度比A 滚筒搓擦因数 O.3 1.2 0.5 0.8 保持作物密度等不变,行走系统加入扰动,验 证控制器的有效性,仿真结果如图4a,4b所示.从 曲线可知,在幅值约为1ON.m的负载力矩正弦扰 动作用下,控制器能很好地保持给定车速,车速误 差小于0.03m/s,滚筒转速误差小于0.5r/min.在 20N.nl负载力矩阶跃扰动作用下,车辆行驶阻力 增大,车速下降,而后在控制系统作用下逐渐恢复. 车速最大下降0.02m/s,滚筒转速最大上升0.7 r/rain.系统的响应时间约为5S,基本无静差. 保持行走系统无扰动,作物密度加入扰动,验 证控制器的有效性,仿真结果如图4c,4d所示.从 曲线可知,在幅值为0.2kg/m2的作物密度正弦扰动 作用下,控制器能较好地保持滚筒转速,误差小于 5r/min.在0.25kg/mz的作物密度阶跃扰动作用下, 收割机喂入量增大,滚筒转速发生9r/min的下陷, 而后随着车速下降,滚筒转速恢复正常.系统的响 应时间约为15S,基本无静差. ?跏踟5 2012年1月秦云等:联合收割机双闭环负荷控制系统的设计 利用负荷单闭环PID控制器对联合收割机对象 进行扰动对比仿真试验,施加与上面相同的行走系 统和作物密度阶跃扰动,得到车速和滚筒转速仿真 f2 2 : 魁 难. 蓬燧 } 暑 瑙 * 时间f/s (a)行走系统阶跃扰动 鎏 霪超8 翅《 需 浆 坦 j鞋 l们 ? g 褂 时间f/s 时间珧 (c)作物密度正弦扰动 905 900 毛895 89o 885 结果如图4e,4f所示.从仿真结果容易看出,双闭 环控制策略的各项控制指标明显优于单闭环系统, 尤其是系统的响应速度,过冲等动态性能. l E * 越 蝴 峨 蓬萼j鲢 . I 吕 姗 {毯 蜊f’ 鎏 I 吕 * 一 霪j霆8 j墼6 时间f,s 时间 (b)行走系统正弦扰动 (d)作物密度阶跃扰动 时间ds时间t/s (e)单闭环行走系统阶跃扰动(f)单闭环作物密度阶跃扰动 图4控制器扰动仿真结果 3.2田间试验 根据上述算法设计了智能控制器,并安装在 4LZ.2.0型收割机上进行了田间试验.试验控制器 采用MagicARM2410构建,在嵌入式Linux环境下 利用C语言设计了控制算法,操纵杆采用带50倍 减速的MP057NA型步进电动机控制,利用霍尔传 感器检测滚筒驱动齿轮和行走驱动轮上的磁钢得到 滚筒转速和车速.试验田种植镇稻lO号水稻,种植 l70机械工程第48卷第2期 密度均匀. 行走系统扰动试验中,在待收割田块中人为放 置一高约20Clll,宽约30cm的障碍.收割机在作 业过程中遇到障碍,首先会感到行驶阻力增大,跨 过障碍时阻力会减小,之后阻力恢复正常.试验结 果如图5a所示,收割机遇到障碍时行驶速度下降, 在车速闭环的控制作用下,滚筒转速发生变化之前 车速控制器就发出了控制信号,有效抑制了车速的 波动,车速下降幅度0.046m/s.跨过障碍后车速突 然上升,幅度0.044m/s.车速扰动引起滚筒转动角 速度最大波动1.4rad/min. 作物密度扰动试验前,人工收割部分田内作 物,使作物宽度形成一个台阶.收割机作业初期割 幅宽度约1.5m,收割机稳定行驶一段时间后,割 幅突变为满幅2.0m,以此模拟作物密度突变.试验 中,起始作物密度小,收割机车速较高.作物密度发 生突变时,滚筒转速迅速降低,最低降至884r/min. 车速随之降低,喂入量减小,滚筒转速逐渐恢复. 系统响应时间约为13S,试验结果见图5b. ? g * 簧援’? 纂j匠黾 避 l E 姗 馘一 罂 霪捏怠 时间珧 (a)行走系统扰动 时间t/s (b)作物密度扰动 图5田间试验数据曲线 4结论 (1)联合收割机是一个高阶时变非线性系统, 存在大滞后,工况复杂.本文提出了一种双闭环负 荷控制系统,将收割机系统分为行走,作业两部分, 分别利用车速闭环和滚筒转速闭环进行控制,克服 了一个控制器综合多个扰动,各参数相互影响,控 制器参数调整困难,系统动态性能不够好的缺点. (2)车速闭环和滚筒转速闭环分别采用单神经 元PID算法和直接广义预测控制算法,自动适应系 统参数和工况的变化,同时保证足够高的实时性. (3)仿真和试验证明双闭环负荷控制系统能够 获得较高的控制精度,并具有对外部扰动的快速响 应等优良的动态特性. 参考文献 [1】介战,刘红俊,侯风云.中国精准农业联合收割机研究 现状与前景展望[J].农业工程,2005,21(2): 179182. JIEZhan,LIUHongjun,HOUFengyun.Research advancesandprospectsofcombineonprecision agricultureinChina[J].TransactionsoftheCSAE,2005, 21(2):179-l82. [2】秦云,赵德安,张超,等.联合收割机负荷控制半实物 仿真平台的设计[J].农业工程,2011,27(1): 142.147. QrNYun,ZHA0Dean,ZHANGChao,eta1.Designofa hardware-in-loopsimulationplatformforcombine harvesterloadcontrol[J].TransactionsoftheCSAE, 2011,27(1):142-147. [3】COENT,SAEYSAW,MISSOTTENB,eta1.Cruise controlonacombineharvesterusingmodel-based predictivecontrol[J].BiosystemsengEngineering,2008, 99(1):47-55. [4]CRAESSAERTSGDEBAERDEMAEKERJ, MISSOTTENB,eta1.Fuzzycontrolofthecleaning processonacombineharvester[J].Biosystemseng Engineering,2010,106(6):103—111. [5】李国栋,李勇智,张际先,等.联合收割机脱粒滚筒的 PID恒速控制[J】.农业机械,2000,31(1):48.5O. 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