自動(dòng)玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置PID參數(shù)控制試驗(yàn)

張衛(wèi)星，溫貽芳

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

玉米收獲機(jī)是近年來發(fā)展較為迅速的農(nóng)用收獲機(jī)具之一，其工作性能的高低及作業(yè)效率的大小是重要的指標(biāo)。為此，很多學(xué)者和專家為不斷提高玉米收獲的準(zhǔn)確率、降低玉米籽粒的破損率都進(jìn)行了相關(guān)研究。圖1所示為某一應(yīng)用較為廣泛的玉米收獲機(jī)外觀圖。

圖1 玉米收獲機(jī)外觀圖Fig.1 Appearance figure of the corn harvester

筆者在借鑒相關(guān)理論與思路的基礎(chǔ)上，從提高玉米收獲的質(zhì)量與效率方向展開，為避免或盡量減低玉米收獲過程中玉米穗的漏收率，針對(duì)玉米收獲機(jī)的收獲臺(tái)調(diào)高裝置進(jìn)行PID參數(shù)化控制研究。

1 玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置

不同地區(qū)、不同地面狀況對(duì)于玉米收獲機(jī)的效能發(fā)揮均有影響，針對(duì)玉米品種的不同、玉米穗粒成長(zhǎng)高度的不同，需對(duì)玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置進(jìn)行上、下限位置控制。自動(dòng)玉米收獲機(jī)包括收割裝置、聯(lián)結(jié)與調(diào)高裝置、傳動(dòng)裝置及后臺(tái)傳感控制調(diào)節(jié)裝置等，如圖2所示。

1.托架 2.電機(jī) 3.收獲裝置 4.聯(lián)結(jié)及調(diào)高裝置 5.小托架 6.整體臺(tái)架 7.傳動(dòng)裝置 8.傳感裝置 9.電控裝置

其中，調(diào)高裝置的PID控制調(diào)節(jié)需要在原來的電液控制裝置中加入自動(dòng)控制及靈敏感應(yīng)與傳遞信息技術(shù)。關(guān)鍵的參數(shù)控制點(diǎn)主要包括主位置距離地面的高度值、收獲機(jī)擬設(shè)定的工作高度和收獲機(jī)作業(yè)過程中的傾斜角度等。調(diào)高裝置核心部件在于電磁閥與傳感控制裝置的選取與匹配，獲取最終精確調(diào)控高度，降低玉米穗收割的漏收率。

2 調(diào)高裝置控制系統(tǒng)

2.1 核心控制算法

該調(diào)高裝置的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)理論模型為PID控制算法理論。PID控制調(diào)節(jié)算法是一種實(shí)現(xiàn)裝置速度、溫度、位置等參數(shù)的有效調(diào)整方法，主要表現(xiàn)為利用數(shù)學(xué)模型中的比例、積分、微分環(huán)節(jié)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，將其應(yīng)用于玉米收獲機(jī)的調(diào)高機(jī)構(gòu)，通過傳感及視覺感應(yīng)，自動(dòng)玉米收獲機(jī)讀取玉米穗在植株的準(zhǔn)確位置，并給予調(diào)高裝置回饋信息。根據(jù)圖3所示PID控制的原理，首先進(jìn)行比例粗范圍調(diào)節(jié)，之后利用積分與微分進(jìn)行細(xì)范圍調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)高度精確調(diào)整控制。其控制算法可表示為

結(jié)合玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置實(shí)際作業(yè)要求及特點(diǎn)，將PID控制算法延伸為

(2)

KD·[e(k)-e(k-1)]/T

(3)

(4)

式中u(k)—k時(shí)刻控制器輸出值；

KP—比例調(diào)節(jié)系數(shù)；

KI—積分調(diào)節(jié)系數(shù)；

KD—微分調(diào)節(jié)系數(shù)；

e(k)—k時(shí)刻的采樣偏差；

e(k-1)—k-1時(shí)刻的采樣偏差；

T—采樣周期；

β—積分環(huán)節(jié)的開閉環(huán)系數(shù)。

圖3 PID控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of the PID control system

2.2 硬件裝置設(shè)計(jì)

玉米收獲機(jī)自動(dòng)調(diào)高裝置的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵在于對(duì)調(diào)高系統(tǒng)的硬件裝置的設(shè)計(jì)及改進(jìn)。傳統(tǒng)意義上的調(diào)高裝置主要依靠油壓千斤頂、導(dǎo)軌及絲杠等部件，獲取玉米收割裝置當(dāng)前處于何種程度的高度位置上，以適應(yīng)不同高度的玉米植株，從而做到高效率、低漏損率的玉米收割。

擬設(shè)計(jì)的PID參數(shù)控制調(diào)節(jié)在原有調(diào)高裝置基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)控，其硬件控制設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖4所示。在智能核心控制算法模塊的主導(dǎo)之下，通過加入輸入信號(hào)檢測(cè)、智能轉(zhuǎn)換及信號(hào)輸出等單元，進(jìn)行精細(xì)參數(shù)調(diào)節(jié)與傳遞，實(shí)現(xiàn)高度精準(zhǔn)獲取、玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置快速響應(yīng)，進(jìn)行收割作業(yè)。為更進(jìn)一步優(yōu)化硬件裝備，同時(shí)融入CAN通訊及觸摸屏顯示模塊，協(xié)調(diào)電氣線路與自動(dòng)智能控制線路，為達(dá)到數(shù)據(jù)傳輸、執(zhí)行的準(zhǔn)確性，在必要位置加裝防干擾及防隔離小模塊等。

圖4 玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置硬件控制設(shè)計(jì)框圖Fig.4 Design block diagram of the hardware control on the height adjusting device of the corn harvester

2.3 控制系統(tǒng)優(yōu)化

確定核心控制算法與執(zhí)行部件之后，對(duì)自動(dòng)玉米收獲機(jī)的調(diào)高裝置軟件控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化，按照?qǐng)D5所示流程簡(jiǎn)圖進(jìn)行。初始化參數(shù)之后，高度實(shí)際測(cè)得值與理論設(shè)定值進(jìn)行比較，若存在偏差，開啟PID調(diào)節(jié)，并加入一定的修正系數(shù)，獲取高度值重新進(jìn)行對(duì)比，直至達(dá)到理想高度；通過確定硬、軟件系統(tǒng)控制，對(duì)目標(biāo)函數(shù)形成最優(yōu)解參數(shù)控制，解決非線性或相對(duì)復(fù)雜的參數(shù)關(guān)系，為后期玉米收獲機(jī)高度位置與影響參數(shù)之間形成優(yōu)化迭代收斂奠定良好的基礎(chǔ)。

3 試驗(yàn)研究

3.1 試驗(yàn)條件

針對(duì)自動(dòng)玉米收獲機(jī)的高度調(diào)整裝置進(jìn)行試驗(yàn)，前置條件設(shè)定為：

1)玉米收獲機(jī)的行進(jìn)速度控制在4～10km/h；

2)摘輥裝置的轉(zhuǎn)速控制在500～1 000r/min；

3)給定合理的玉米植株間距及行距；

4)給定合理的玉米收割臺(tái)的傾斜角度，在15°～45°范圍內(nèi)。

在如上關(guān)鍵參數(shù)變化或合理調(diào)控的情況下，記錄玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置選取不同高度時(shí)玉米收獲機(jī)的作業(yè)效率及工作性能狀況。

圖5 自動(dòng)玉米收獲機(jī)調(diào)高裝置軟件控制流程簡(jiǎn)圖Fig.5 Flow diagram of the software control on the height adjusting device of the automatic corn harvester

3.2 過程分析

通過試驗(yàn)，記錄調(diào)高裝置控制系統(tǒng)的性能參數(shù)變化，如表1所示。由表1可知：PID參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的指標(biāo)與優(yōu)化前相比，性能參數(shù)提高明顯，調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，超調(diào)量靈敏度提高50%以上，穩(wěn)定誤差率縮短至0.12%。PID各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)在控制系統(tǒng)識(shí)別、感應(yīng)及做出反饋等環(huán)節(jié)發(fā)揮了實(shí)時(shí)調(diào)控作用，運(yùn)行良好。

表1 玉米收獲機(jī)PID參數(shù)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)對(duì)比Table 1 PID parameters comparison of the test data on before and after the automatic corn harvester

續(xù)表1

針對(duì)自動(dòng)玉米收獲機(jī)的試驗(yàn)高度與整機(jī)的行進(jìn)作業(yè)速度進(jìn)行對(duì)比分析。由表2可得出：不同的整機(jī)行進(jìn)速度，對(duì)于不同調(diào)高裝置高度下的玉米穗粒漏收率和觸地次數(shù)及概率有著不同的影響：在保持玉米收獲機(jī)6～8km/h的收獲作業(yè)速度時(shí)，可以達(dá)到較為滿意的試驗(yàn)效果，此時(shí)觸地次數(shù)相對(duì)最少且玉米穗粒漏收率損失較小；高度需要保持適中，在15cm左右最為理想。各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)均應(yīng)考慮實(shí)地作業(yè)情況和玉米作物的高度生長(zhǎng)成熟現(xiàn)狀，此PID參數(shù)控制試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)調(diào)高裝置的優(yōu)化。

表2 自動(dòng)玉米收獲機(jī)試驗(yàn)高度與整機(jī)行進(jìn)速度數(shù)值對(duì)比Table 2 Data comparison between the testing height and the whole machine speed of the automatic corn harvester

為進(jìn)一步了解PID核心控制算法及調(diào)節(jié)高度的實(shí)現(xiàn)過程，給出了自動(dòng)玉米收獲機(jī)PID控制算法下的迭代收斂曲線，如圖6所示。

圖6 自動(dòng)玉米收獲機(jī)PID控制算法下迭代曲線Fig.6 Iterative curves of the PID control algorithm on the automatic corn harvester

由圖6可以看出：加入了PID控制算法的迭代曲線收斂速度較快，且收斂效果好，理論模型與試驗(yàn)結(jié)果的偏差在誤差允許范圍內(nèi)，說明核心控制理論算法融入收獲機(jī)調(diào)高裝置可行。

4 結(jié)論

1)針對(duì)玉米收獲機(jī)的自動(dòng)調(diào)高裝置，加入PID核心控制算法理論，通過對(duì)調(diào)高裝置軟件控制優(yōu)化、硬件組件選型設(shè)計(jì)及各個(gè)參數(shù)指標(biāo)計(jì)算，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)整控制玉米收獲機(jī)的收獲臺(tái)高度與玉米植株穗粒位置相適應(yīng)的目標(biāo)。

2)試驗(yàn)表明：改變自動(dòng)玉米收獲機(jī)的整機(jī)行進(jìn)速度，不同高度控制下玉米穗粒的漏收率會(huì)有不同程度的表征，在6～8km/h的行進(jìn)速度下，可達(dá)到較為理想的參數(shù)指標(biāo)控制效果。

3)PID智能調(diào)節(jié)算法應(yīng)用于玉米收獲機(jī)自動(dòng)調(diào)高裝置，試驗(yàn)效果良好，在最優(yōu)迭代函數(shù)的理論模型下可獲取理想的迭代收斂效果，此思想對(duì)于其他相似農(nóng)業(yè)機(jī)具的改進(jìn)有一定的借鑒和幫助。