基于PID參數整定的低碎籽率聯合收獲機設計

黃力剛，王　哲，余良俊

( 1. 河南工業職業技術學院，河南 南陽　473000；2.武漢工程科技學院，武漢　430200；3.中國地質大學 機械與電子信息學院，武漢　430074)

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基于PID參數整定的低碎籽率聯合收獲機設計

黃力剛1，王哲1，余良俊2,3

( 1. 河南工業職業技術學院，河南 南陽473000；2.武漢工程科技學院，武漢430200；3.中國地質大學 機械與電子信息學院，武漢430074)

摘要：為了降低聯合收獲機收獲籽粒的破碎率，對全喂入軸流滾筒型聯合收獲機進行了改進，利用PID調節器對割臺的螺旋推進器的轉速進行了調節，使用模糊控制原理對調節器進行了參數整定，從而提高了脫粒過程的控制精度。為了驗證改進后的全喂入式聯合收獲機的可靠性，對其功能進行了測試，主要包括模糊控制的響應時間、超調量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測試主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱來完成。通過測試發現：聯合收獲機的轉速提升1rad/s，其控制時間為僅為1s，經過模糊控制之后超調量明顯減小，響應曲線平滑，調節時間理想。最后，通過籽粒破碎率試驗發現：使用本文設計的低籽粒破碎率聯合收獲機的在收獲過程中的籽粒破碎率有了明顯的降低，符合設計要求。

關鍵詞：聯合收獲機；模糊控制；參數整定；PID調節器；SIMULINK工具箱

0引言

自動控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置，使機器、設備或生產過程的某個工作狀態或參數自動地按照預定的規律運行。本次研究主要對聯合收獲機的螺旋推進器進行速度調節，其控制系統設計的總體框架如圖1所示。

圖1　聯合收獲機基本控制系統的結構

圖1中，輸入項目為螺旋推進器的速度，控制器使用模糊控制PID調節器，通過對速度的調節得到最佳的籽粒脫粒效果。對于控制系統的設計，首先需要建立系統的控制模型，包括系統的輸入、輸出和內部控制關系的數學表達式。常用的動態數學模型為微分方程、傳遞函數、動態結構圖等。

1低碎籽率收獲機結構設計

1.撥禾輪　2.割臺螺旋推運器　3.輸送鏈耙　4.軸流滾筒

通過割臺螺旋推進器的改進，對聯合收獲機進行優化設計，主要包括3項：一是在不增加機器體積的情況下能較大幅度地增加生產率；二是提高收獲機脫凈率；三是降低籽粒的破碎率。割臺螺旋推運器由螺旋和伸縮扒指兩部分組成，如圖3所示。

圖3中，螺旋將割下的谷物推向伸縮扒指，扒指將谷物流轉過90°縱向送入傾斜輸送器，由輸送鏈耙將谷物喂入滾筒。

1.主動鏈輪　2.左調節桿　3.螺旋筒　4.螺旋葉片　5.附加葉片

2低碎籽率收獲機模糊PID參數整定

為了降低收獲機的破碎率，可以通過PID調節器對推進器的轉速進行調節。圖4為聯合收獲機PID控制系統原理框圖。它根據設定值r(t)和實際輸出值y(t)構成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構成控制量u(t)，對被控對象進行控制，則有

(1)

其中，e(t)=r(t)-u(t)；Kp為比例系數；Ti為積分時間常數；Td表示微分時間常數。這3個參數的取值優劣將影響到PID控制系統的效果。本文采用模糊控制的方法，對PID參數進行整定。模糊控制框圖如圖5所示。

圖4　PID控制系統原理框圖

圖5　聯合收獲機模糊控制結構圖

常規的PID控制對于聯合收獲機的控制效果并不好，因此在常規PID調節的基礎上，本文設計了一種模糊控制PID參數整定方法。利用籽粒破碎率的實際反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID參數kp、ki、kd進行在線自整定，其過程如圖6所示。

圖6　PID模糊控制參數整定

圖6中，模糊控制器的控制采用的是兩輸入(e,ec)三輸出(Kp,Ki,Kd)的形式，籽粒破碎的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中，e,ec的論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3]，Kp,Ki,Kd的論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3]，其控制規則表如表1～表3所示。

表1　Kp的模糊規則表

表2　Ki的模糊規則表

表3　Kd的模糊規則

續表3

Kp、Ki、Kd的模糊規則表建立好后，可根據以下方法進行其自適應校正。通過參數的調節，可以實現螺旋推進器的模糊控制，利用破碎率的反饋調節，實現聯合收獲機的精確控制。

可是誰能說因為愛情這些不能被原諒呢，何況她追著他的那些天天那么冷，下著雪。田銘這么說服自己，心卻不由得溫暖起來，就像聽到了春天走來的腳步。

3基于模糊控制的聯合收獲機測試

為了測試設計的低碎籽率聯合收獲機的性能，對其進行了田間測試，主要包括模糊控制的響應時間、超調量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測試主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱來完成。使用SIMULINK工具箱建立PID控制模型，如圖7所示。

圖7　聯合收獲機溫度控制PID模型

圖7中,通過PID控制器對螺旋推進器的轉速進行調節條件，通過計算得到了如圖8所示的調節曲線。

圖8　聯合收獲機轉速PID調節曲線

由圖8可以看出:通過一定時間的調節，聯合收獲機的轉速可以有效地提升1rad/s；但是系統超調量較大，調節時間較長，不符合設計要求。

SIMULINK可以與模糊邏輯工具箱結合，在MatLab軟件中輸入fuzzy01=readfis (‘fuzzy01.fis’)，就完成了模糊邏輯組件和SIMULINK相關模塊的連接。以dkd.fis的導入為例，當成功導入時，會出現如下提示：

>> dkd=readfis('dkd')

dkd = name: 'dkd'

type: 'mamdani'

andMethod: 'min'

orMethod: 'max'

defuzzMethod: 'bisector'

impMethod: 'min'

aggMethod: 'max'

input: [1x2 struct]

output: [1x1 struct]

rule: [1x42 struct]

在MatLab 建立一個新的SIMULINK仿真模型，并在模型庫中選擇使用“Fuzzy Logic Toolbox”項，利用鼠標拖動的方法將“Fuzzy Logic Controller”放到仿真系統中，并對系統模型進行封裝，得到了如圖9所示的轉速模糊控制PID仿真模型。

圖9　聯合收獲機轉速模糊控制PID模型

圖9中，通過模糊PID控制器對轉速進行調節調節，通過計算得到了如圖10所示的調節曲線。

圖10　聯合收獲機轉速模糊控制PID調節曲線

由圖10可以看出：通過一定時間的調節，聯合收獲機的轉速可以有效地提升1rad/s，其控制時間為僅為1s；經過模糊控制之后超調量明顯減小，響應曲線平滑，調節時間理想，較符合設計要求。如11圖所示，為了驗證設計的低碎籽粒聯合收獲機的有效性與可靠性，在對籽粒進行測試時，選用了飽滿籽粒和非飽滿籽粒兩種籽粒對其破碎率進行測試，通過測試得到了如表4所示的測試結果。

圖11　測試籽粒樣品

測試編號未濾波籽粒清選誤差Kalman濾波籽粒清選誤差13.251.2123.321.2833.211.3243.281.4553.371.2763.061.3673.581.2583.691.22

最后，對模糊控制PID參數整定的聯合收獲機進行了8次測試，得到了8組籽粒破碎率測試結果。由表4可以看出：使用本文設計的低籽粒破碎率聯合收獲機的在收獲過程中的籽粒破碎率有了明顯的降低。這是由于使用模糊控制后可以對螺旋推進器的速度進行有效的控制，使籽粒脫粒過程的控制更加精確，從而提高了脫粒的效果。

4結論

本文利用PID調節器和模糊控制原理對全喂入軸流滾筒型聯合收獲機進行了改進，對割臺的螺旋推進器的轉速進行了調節。通過改進，有效地降低了聯合收獲機的脫粒過程的籽粒破碎率。

對低籽粒破碎率的聯合收獲機進行了測試，結果表明：聯合收獲機的轉速提升1rad/s，其控制時間為僅為1s，響應時間短，超調量低，系統反應迅速；常規的聯合收獲機相比，籽粒破碎率有了明顯的降低。

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Design for Combine of Low Seed Broken Rate Based on PID Parameter Setting

Huang Ligang1, Wang Zhe1,Yu Liangjun2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 3.Faculty of Mechanical & Electronic Information ,China University of Geosciences,Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to reduce the seed broken rate of combine, kernels on the feeding drum of axial flow type united harvest machine is improved, the use of the PID regulator to adjust the screw propeller speed, using the fuzzy control principle on the regulator parameter setting, so as to improve the control precision of the threshing process. In order to verify the improved the reliability of the whole feeding type combine, its function was tested, the test project mainly includes the response time and overshoot of fuzzy control, the broken rate of corn seed kernels under the test of fuzzy control is mainly use MATLAB SIMULINK toolbox to complete offers. By testing found that combine the speed of increase 1 rad/s, its control time is only 1 s, after fuzzy control overshoot volume reduced obviously, the response curve smoothing, adjust the time ideal, at last, it was found that the grain crushing rate using this article designed a low rate of grain crushing the united harvest machine in the process of harvesting grain crushing rate were significantly lower, comply with the design requirements.

Key words：combine; fuzzy control; parameters setting; PID controller; SIMULINK toolbox

文章編號：1003-188X(2016)06-0050-05

中圖分類號：S225；TP273+.4

文獻標識碼：A

作者簡介：黃力剛(1980-)，男，河南鄧州人，講師，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFC1079)；湖北省自然科學基金計劃面上項目(2013CFB418)

收稿日期：2015-05-30