基于模糊PID參數整定的收獲機前進速度控制優化

崔建弘，寇雪梅，楊靜宜，張衛娟，鮑秀蘭

(1.河北工程技術學院，石家莊　050091;2.華中農業大學 工學院，武漢　430070)

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基于模糊PID參數整定的收獲機前進速度控制優化

崔建弘1，寇雪梅1，楊靜宜1，張衛娟1，鮑秀蘭2

(1.河北工程技術學院，石家莊050091;2.華中農業大學 工學院，武漢430070)

摘要：為了提高聯合收獲機前進速度控制的精度，解決前進速度控制的滯后問題，使收割機具有穩定的負荷和良好的脫粒能力，對驅動輪軸裝配機構進行了改進，并提出了基于灰色預測的模糊PID控制方案，將其應用在了縱流聯合收割機的控制系統中。控制系統使用單片機作為速度的控制裝置，并可對裝置故障做出預警。為了測試收割機速度灰色預測模糊PID控制方法的有效性和可靠性，對收割機的速度控制進行了測試。以喂入量作為干擾信號，通過測試發現：灰色預測模糊PID控制的速度控制響應時間短，響應迅速，滿足設計需求，可以在各類聯合收割機的速度控制器推廣使用，為收割機速度控制的研究提供了較有價值的參考。

關鍵詞：聯合收獲機；模糊PID；灰色預測；驅動輪軸；前進速度；喂入量

0引言

我國是農業大國，谷物類生產機械化對谷物類種植至關重要，而谷物類最重要的機械化收割工具是聯合收割機。聯合收割機可以一次性完成收割和脫粒作業，大大提高了收獲效率，節省了人力物力，減輕了農民的負擔，因此聯合收割機的改進和優化設計具有重要的意義。但是，聯合收割機受到作業谷物密度和地形的影響，其速度達不到精準控制的目的，并且速度控制存在一定的滯后性。當作業為丘陵地形時，地形起伏較大，河流眾多，對聯合收獲機的適應性提出了更高的要求。而在跨地區作業時，還要求聯合收獲機具有較高的行駛速度，可靠性要求也較高。為此，對聯合收割機的速度控制進行了優化設計，以期達到對速度的穩定、高效和精準控制。

1聯合收割機行走機構優化設計

驅動輪和變速器是控制收割機前進速度的關鍵，對于變速箱和驅動輪的設計是實現速度模糊PID控制的基礎。驅動輪軸是驅動輪和變速器的連接軸，變速器通過連接軸給驅動輪提供動力。驅動輪軸一端在變速箱里，利用鍵和變速箱進行連接，從變速箱出來之后，驅動輪利用普通的平鍵和軸進行連接；由于工作過程中需要傳遞扭矩，因此軸是轉動的，需要在連桿外加上軸套。軸的重力支持設計在下方，其結構如圖1所示。

圖1　驅動輪軸的軸向裝配方案

驅動輪一端連接在軸上，驅動輪的工作面在履帶里，軸也需要包圍在履帶里，所以在設計連桿時不能讓尺寸太大，否則會和履帶發生干涉現象，影響收割機的速度控制。因此，在結構上需要更加緊湊，對方案1的結構進行改進后，得到了方案2的裝配結構示意圖，如圖2所示。

圖2　改進后的驅動輪軸的軸向裝配

由圖2可以看出：相對于方案1的裝配，驅動輪軸的結構更加緊湊，不用擔心連桿支座會不會和履帶發生干涉，所以可以使用改進后方案。為了實現收割機速度的控制，需要對驅動輪的數據進行實時采集，并利用反饋調節的方法實現速度的優化配置，其總體設計方案如圖3所示。

圖3　收割機前進速度優化

收割機的速度調節可以利用PID調節器：首先使用模糊算法對參數進行整定，然后利用PID對速度進行反饋，由單片機執行器執行速度大小控制；最后，采用反饋調節的方法對調節誤差進行調整，通過不斷的迭代計算，使控制誤差降低到最少，從而達到縮短控制時間、提高控制精度的目的。

2聯合收割機前進速度模糊控制器設計

聯合收割機前進速度采用模糊PID調節器進行控制，在控制時首先需要一個輸入期望值，這個值可以利用灰色預測模型來進行預測。然后，利用模糊控制推理的方法得到控制量，其基本流程如圖4所示。

圖4　灰色預測模糊控制器流程圖

(1)

假設系統的采樣時間為0.5s，收割谷物達到脫粒器的時間為1.5s，調速執行機構的響應時間約為1s。假設預測步數為p=5，對數據進行累加可得

(2)

背景值z(1)(k)可以寫成

(3)

于是得到矩陣B和數據向量XN

(4)

(5)

求得矩陣B的轉秩矩陣BT為

(6)

定義4個計算參數為

(7)

則求得

(8)

(BTB)-1BT=

(9)

進而可以求得

(10)

所以發展系數a為

(11)

灰色輸入u為

(12)

(13)

表的量化表

表1中，對應的模糊控制語言集可以表示為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}7個詞匯，將其用英文縮寫可以表示為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其隸屬函數的控制曲線如圖5所示。

圖5　隸屬函數曲線

3聯合收割機前進速度控制測試

為了測試聯合收割機灰色模糊PID控制的有效性和可靠性，將設計的控制系統應用在切縱流聯合收割機上，并使用模糊控制、模糊PID控制、灰色預測模糊PID控制3種算法對小麥收割機的行進速度進行了測試試驗。收割機作業現場如圖6所示。

圖6　小麥收割機速度測試

通過對小麥收割機速度的采集，使用MatLab軟件對系統的響應進行繪圖，采用單位階躍輸入信號對前進速度控制系統進行灰色預測模糊控制仿真試驗。首先將收割機設置為自動收割狀態，割茬在10～20cm之間，收割距離控制在100m以內，以改變喂入量作為系統的干擾信號，對速度進行調節，通過計算得到了如圖7所示的速度隨時間變化曲線。

由圖7可以看出：采用模糊PID調節器，當改變喂入量時，前進速度在15s左右時開始響應，響應總共用時在14s左右。

圖7　模糊PID調節器收割機速度控制計算結果

圖8表示灰色預測模糊PID調節器收割機速度控制計算的結果。由圖8可以看出：采用灰色預測模糊PID調節器時，當改變喂入量，前進速度在10s左右時便開始響應，相比單純的模糊PID調節開始響應時間早，響應總共用時在10s左右，相比單純使用模糊PID調節算法時響應時間要短。為了進一步驗證結果的可靠性，對收割機進行了8次測試，最終得到了如表2所示的結果。

圖8　灰色預測模糊PID調節器收割機速度控制計算結果

s

由表2可以看出:經過8次測試，灰色預測模糊PID控制的速度控制開始響應時間最短，響應速度最快，性能最優，從而驗證了本文設計的收割機速度控制器的優越性。

4結論

1)對驅動輪軸的裝配方案進行了改進，改進后的結構更加緊湊，利于收割機前進速度的控制。利用單片機作為速度執行器，提出了基于灰色預測的模糊PID控制方案，并在縱流聯合收割機上進行了測試。

2)為了驗證控制算法的有效性和可靠性，對縱流聯合收割機的前進速度控制進行了測試。以喂入量作為干擾信號，通過灰色模糊PID速度控制器測試發現：該控制器速度調節響應時間端，調節速度快、響應精度高，性能優于單純使用模糊控制和模糊PID控制。

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Forward Speed Control Optimization of the Harvester Based on Parameter Tuning of Fuzzy PID

Cui Jianhong1, Kou Xuemei1, Yang Jingyi1, Zhang Weijuan1, Bao Xiulan2

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091,China; 2.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070,China)

Abstract：In order to improve the combined harvester forward speed control precision,solve the forward problem of speed control of the lag, it studied the harvester with stable load and good threshing ability. And the drive axle assembly is improved.Based on grey prediction and fuzzy PID control scheme and its application in the longitudinal flow control system of combine harvester. It used single chip microcomputer as a speed control device, and the device fault warning made, in order to test the harvester speed grey prediction fuzzy PID control method of validity and reliability, the harvester speed control were tested. To feed quantity as a jamming signal, through the test to find out, grey prediction fuzzy PID control of speed control response time is short, rapid response, which meet the design requirements, so you can use it in combine harvester of the speed controller,which is extended for harvester speed control study for a more valuable reference.

Key words：combined harvester; fuzzy PID; gray prediction; driving wheel axle; forward speed; feed quantity

文章編號：1003-188X(2016)07-0075-05

中圖分類號：S225.3;TP273

文獻標識碼：A

作者簡介：崔建弘(1980-)，女，河北趙縣人，講師，碩士，(E-mail)cuijianhong1980@163.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-06-28