基于模糊控制的播種機精密單體播深控制仿真研究

王林生,馬　瑛，汪小志，劉志剛

(1.河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.南昌工學院，南昌　330108；3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌　330031)

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基于模糊控制的播種機精密單體播深控制仿真研究

王林生1,馬瑛1，汪小志2,3，劉志剛2,3

(1.河南工業職業技術學院 電子工程系，河南 南陽473000；2.南昌工學院，南昌330108；3.南昌大學 資源環境與化工學院，南昌330031)

摘要：為了提高播種機單體播深控制的精度和速度及研究播種機作業過程中土壤的變化規律，設計了一種新的播種機單體控制系統，在播種自動化控制環節中引入了模糊算法和PID閉環控制，建立了播深模糊控制的數學模型，并通過多軟件聯合仿真的方式對控制系統進行了仿真實驗，驗證了算法的有效性和可靠性。利用MatLab線性回歸算法得到播深和施加力的線性回歸方程，通過播深的反饋調節對施加力進行模糊控制，使用MatLab模糊控制工具箱設置了控制參數，最終實現播種機精密PID閉環控制。應用Pro/E軟件設計了精密播種機三維參數化模型，將模型導入到ADAMS軟件中進行了運動仿真，將結果和MatLab計算得到的結果進行對比發現：其誤差小于10%，說明仿真結果是可靠的。

關鍵詞：模糊控制；播種機；播深控制；PID控制

0引言

精密播種技術已成功應用于多種作物的種植，是農業增產、增收和降低糧食生產成本的重要措施之一。精密播種技術要求播深精確，為作物生長發育創造最佳的條件。20世紀90年代國外三維CAD軟件已開始在農機公司用于農業機械設計中，并且CAD三維設計軟件也不斷的趨向多元化，到目前為止，Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等三維設計軟件在農業機械上進行了普遍應用。國內在2000年后開始有人嘗試使用Pro/E、UG等三維設計軟件對農業機械零部件建模與參數化設計并逐漸普及，為農業機械研究和設計方法提高開辟了新思路。

隨著計算機硬件和軟件系統性能的提升，計算機仿真技術開始應用在播種機的研究和設計過程中，包括零部件的參數化設計和樣機的虛擬仿真，從而大大提高了產品的設計質量和設計效率，降低了設計成本，為精密播種機的研究提供了更好的方向和思路。但是，到目前為止，對于精密播種機還缺乏深入系統的仿真模擬設計，本文基于計算機虛擬仿真技術對播種機的作業過程進行了仿真模擬，主要從播深控制和土壤的變化上研究播種機的作業規律，為精密播種機的設計提供了技術參考。

1播種機播深控制仿真模擬總體設計

近年來，隨著農業機械新材料、新技術與新工藝的廣泛應用，國外農機公司的研究和推廣精密播種機的技術水平越來越高，許多著名農機公司已經有許多成熟的精密播種機在農業生產中應用，并且在播種質量控制上達到了較高的技術水平。其性能主要表現在播深的控制上，與播種機的控制系統設計關系密切，其主要的精密播種機結構形式如圖1所示。

圖1　精密播種機示意圖

目前，多數播種機都采用了平行四桿仿形機構，在播種的單體上設計了精密的播深調整裝置，可以準確地調整和指示播深，保證了播種深度的一致性。利用不同結構和材料的覆土器和開溝器，使精密播種機滿足了很多不同作物土壤的播種需求，其適應性比較好。本文利用仿真模擬的方法對精密播種機單體的控制裝置進行設計，并利用仿真模擬的方法對裝置的控制性能進行驗證，其設計過程如圖2所示。

設計時，首先利用MatLab軟件仿真計算得到土壤力和播深的線性回歸模型，利用模糊控制原理控制力和播深的誤差，并利用PID閉環控制將播深反饋給控制模型，從而調整播種機單體的施加力，達到自動化控制播深的效果。為了驗證該系統的可靠性，本文使用PrO/E和ADMAS聯合仿真的形式對系統進行了驗證，希望通過在ADMAS中輸入一致性的運動仿真參數，得到一致的仿真模擬結果。

圖2　播種機播深精密控制過程示意圖

2播種機播深模糊控制數學模型和算法設計

為了提高播種機播深的控制精度，采用模糊算法對播種機施加給土壤的力進行模糊控制，并通過定義位移誤差域和施加力的誤差域來實現PID閉環自動化控制。首先，定義播種機的播深和控制力的誤差范圍，有

-5mm≤x(k)=x(k)-x(k-1)≤5mm

-20N≤f(i)=f(i)-f(i-1)≤20N

(1)

播種機模糊控制的基本算法中播深和力的誤差域分別為S[-5,5]和F[-20,20]，首先利用代數式將智能控制系統的模糊控制算法進行離散化，有

(2)

其中，x∈[u,v]，表示誤差域；n為離散度。通過離散化共得到n個子矩陣關系，其算法為

M=M1∪M2∪…∪Mn

(3)

通過播深誤差量的反饋調節，得到模糊控制輸出量為

Y=(S×F)·M

(4)

播深可以通過傳感器直接測量得到，利用播深的PID反饋調節，將播深帶入到播深和力的數學模型中，便可以得到施加力的大小。其中，播深和力的控制模型通過MatLab線性回歸計算可以得到。通過MatLab中的Curve Fitting Tool工具進行擬合計算，得出不同試驗條件下的土壤的流變參數，從而得到在力一定條件下的播深數學模型為

(5)

圖3　模糊控制設置窗口

首先在MatLab的命令窗口的command window中輸入 fuzzy，回車就會出來這樣一個窗口；調用fuzzy工具箱，生成的是一個.fis的文件，如圖4所示。

圖4　MatLab添加土壤參數

播深和力的調節是利用MatLab變量的形式進行添加，其誤差控制利用差分的方式進行迭代，將結果離散化，輸入模糊控制的參數(包括模糊控制函數和隸屬度)，便可以得到計算結果。

3播種機單體模糊控制聯合仿真設計

本節中使用MatLab、PrO/E和ADAMS 3種軟件對播種機的單體模糊控制進行聯合仿真，使用MatLab對播深的控制曲線進行擬合，得到播深控制的變化規律;利用Pro/E建立播種機和單體的參數化模型，利用ADAMS軟件對模型進行仿真。本文選取了一定含水率的土壤，對土壤進行試驗測量得到了如表1所示的流變參數。

表1　流變參數表

本文使用表1所示的流變參數，結合式(5)對播深隨時間的變化規律進行仿真，其施加鎮壓力為800N，通過MatLab仿真計算最終得到了如圖5所示的播深隨時間變化曲線。

圖5　播深隨時間變化曲線

由圖5可以看出:該曲線的變化趨勢符合Burgers模型曲線的變化規律。在初始階段，播深的變化并不顯著;但隨著下壓時間的增加，下陷量的變化則越來越顯著，在一段時間后，播深的變化開始穩定。

為了驗證MatLab計算仿真的可靠性，本章以 Pro/E 4.0 軟件為開發平臺，對精密播種機零部件進行了參數化設計，如圖6所示。

模型的建立采用自下而上的方式完成。圖6表示設計的一個播種機開溝器的模型，將不同的零件利用Assembly模塊進行裝配，并在零件之間建立一定的連接關系，從而確定零件的空間位置關系，將播種機單體和拖拉器械進行組裝，最終得到總裝配體。

圖6　播種機開溝器設計

如圖7所示，將Pro/E得到的裝配體利用Mech/pro可從實現從Pro/E 到 ADAMS 的轉換，利用ADAMS導入的模型可以實現播種機單體的運動學仿真。為了提高計算的精度，利用柔性體生成器模塊建立了地面模型，并使用MatLab仿真計算的參數進行仿真計算，通過計算最終得到了如圖8所示的計算結果。

圖7　添加運動副后的效果

圖8　ADMAS和MatLab結果對比

圖8表示利用ADMAS仿真計算得到的播深和MatLab得到結果的對比曲線。由曲線可以看出：利用兩種軟件仿真模擬得到的曲線變化趨勢相同，都符合Burgers模型曲線變化規律；利用ADMAS得到的仿真結果和MatLab得到的仿真結果誤差最大僅為10%，從而驗證了計算結果的有效性和可靠性，為精密播種機的設計提供了數據參考。

4結論

設計了一種新型播種機單體播深的閉環控制系統，該系統利用模糊控制和PID閉環控制作為系統的控制算法，有效地提高了播種機單體播深的控制精度和自動化程度。為了驗證該控制系統的有效性和可靠性，采用MatLab和ADMAS聯合仿真的形式對算法進行驗證，通過MatLab得到了播深隨時間變化曲線，利用Pro/E建立了播種機單體的參數化模型，將模型導入到ADMAS中進行了運動仿真，通過得到了播深隨時間變化曲線。將ADAMS得到的計算結果和MatLab仿真結果進行對比發現，其誤差小于5%，說明仿真結果是可靠的。

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Simulation on Precision Single Sowing Depth Control of Seeder Based on Fuzzy Control

Wang Linsheng1, Ma Ying1, Wang Xiaozhi2,3， Liu Zhigang2,3

(1.Department of Electric Engineering, Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330108,China; 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China)

Abstract：In order to improve the sowing depth control precision and speed, change the rule of soil operations process, it designs a new control system of monomer sowing machine , automatic control links in seeding by introducing fuzzy algorithm and PID closed loop control. It has established the mathematical model of deep seeding based on fuzzy control, and it research on the control system of simulation experiments to verify the validity of the reliability of the algorithm. By using Matlab linear regression algorithm,it can obtain the sowing depth and force.By applying linear regression equation, it gets the feedback through the sowing depth regulation for the applied force and fuzzy control.By using the Matlab toolbox to set control parameters, it realizes the ultimate precision PID closed loop control of seeder. Three dimensional parameter precision seeding machine model was designed by using Pro/E software, the model is imported into ADAMS software in order to carry on the movement simulation.The calculated results and the Matlab results were compared, and it was found that the error is less than 10%, which shows the reliability of the simulation results.

Key words：fuzzy control; seeder; sowing depth control; PID control

文章編號：1003-188X(2016)01-0086-04

中圖分類號：S223.2+3；TP277

文獻標識碼：A

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-01-05