基于AMESim-Simulink的新型采棉機采摘與行駛恒轉速協同控制

(石河子大學 機械電氣工程學院， 新疆 石河子 832000)

引言

在棉花采摘季節，為了降低勞動成本、提高生產率，通常使用采棉機進行機械化采收[1]。采棉機作為農業生產機械的重要組成部分，主要包括采摘系統、行走系統和清選系統，各系統由液壓泵與液壓馬達等液壓元件提供動力，然而液壓泵與液壓馬達的純液壓傳動效率低、能量損失明顯、液壓油波動頻率大，極大增加了棉花采摘的生產成本。國內外學者主要針對采棉機采摘系統中的液壓元件進行優化研究，對其行走系統與采摘系統的液壓元件的協同控制研究較少[2-3]。因此，提出一種裝有液壓機械無級變速器的新型采棉機行走系統，結合了液壓無級調速的良好性能和機械傳動的效率特性,有效結合純液壓與機械傳動的優點，提高采棉機的采摘作業的生產效率。

為提高采棉機的采摘效率及動力性，不僅需要提高采摘系統中的單泵控雙馬達液壓系統控制精度，同時需要對行駛系統中的液壓機械復合傳動系統進行更精確控制。許多學者對于轉速控制研究引入了多種控制策略，如自適應控制、滑?？刂啤⒛：刂频冗M行相關研究[4-6]。高冬冬[7]通過對采棉機采摘系統進行設計優化，采用PID控制對采棉機的采摘性能進行優化試驗，驗證其模型的正確性，提高了采棉機采摘系統的穩定性；李卉[8]通過搭建新型采棉機的采摘系統加入自適應控制算法，驗證在自適應控制算法下的采棉機采摘性能的性能提升；曹付義[9]根據液壓機械無級變速器的泵控馬達系統，應用直接控制、PID控制和雙前饋模糊算法控制對該系統進行試驗驗證，試驗結果表明雙前饋模糊算法控制系統比直接控制與PID控制的穩定性更好，響應速度更快；張曉剛[10]對泵控馬達系統采用電液比例控制技術，提出了最優二次型理論的PID控制策略，提高了泵控馬達傳動的穩定性。

以裝有液壓機械無級變速器的采棉機為研究對象，在建立采棉機采摘系統與行走系統的電液比例控制數學模型的基礎上，提出一種基于采棉機采摘速率和行走速率的模糊PID自整定同步控制方法，通過對采摘系統的液壓油路流量控制及行駛系統的變量泵斜盤傾角的電液比例控制來解決采摘速率及行走效率輸出轉速的波動問題，以期為廣泛的工程實際應用奠定基礎。

1 數學模型

采用如圖1所示的裝有液壓機械無級變速器的新型采棉機作為研究對象。采棉機通過發動機為采摘系統與行駛系統提供動力，采摘系統中是由單泵控雙馬達系統進行采摘滾筒驅動變速；行駛系統采用變量泵控馬達的液壓機械無級變速器向后輸出動力，為采棉機提供行駛速度。

圖1 采棉機系統結構

1.1 采摘系統數學模型

采摘系統中單個采摘頭是由單個定量泵和2個定量馬達組成，通過控制流量控制閥的電流大小改變定量馬達流量，從而實現采摘滾筒的轉速改變，結構原理圖如圖2所示。根據采摘系統中的三位四通流量控制閥經比例電磁鐵驅動，通過電機械和液壓放大器把輸入信號轉換成控制閥芯的移動，最終實現流量的變化。其中，比例電磁鐵電流與電壓關系為：

(1)

式中，uo為比例電磁鐵輸出電壓；Ls為電磁鐵電感；i為電磁鐵電流；Ro為電磁鐵內阻。

圖2 采摘系統結構原理圖

三位四通流量控制閥中閥芯位移與比例電磁鐵輸出力的關系：

(2)

式中，K1為比例電磁鐵的增益系數；m為閥芯組件的質量；Xf為閥芯的位移；c為動態阻尼系數；kf為彈簧剛度。

根據式(1)和式(2)可得出閥芯位移與誤差電壓的傳遞函數為：

式中，U(s)為誤差電壓；Km為閥芯的增益；K2為比例電磁鐵總增益。

采摘系統通過三位四通流量控制閥和定量馬達組成采摘系統的速度變化機構，通過控制閥流量實現馬達轉速變化，該速度變化機構的動態特性取決于液壓油路的流量及負載狀況，其控制閥控馬達流量方程為:

式中，DCM為采摘系統馬達排量；θ為馬達轉角；Ci，Ce為定量馬達的內外泄漏系數；V1，V2為定量馬達油腔體積；p1,p2為馬達進出口壓力；β為體積彈性模量。

假設定量馬達不發生泄漏，兩定量馬達的流量控制閥匹配對稱，流量相等則q1=q2；V1=V2；Vt=V2+V1；pL=p1-p2。故可簡化為：

(6)

式中，qL為比例電磁閥負載流量；Ct為馬達總泄漏系數；pL為負載壓力；q1，q2為馬達進出口流量；Vt為總壓縮體積。

1.2 行駛系統數學模型

行駛系統中液壓機械無級變速器通過電液比例控制閥控制變量泵的排量達到控制定量馬達轉速，從而實行變速器的調速功能[11]。液壓機械無級變速器主要由液壓部分和機械部分組成，通過液壓部分的變量泵控馬達和機械部分的離合器動作通過行星排的匯流實現整車的車速變化，如圖3所示，針對于變量泵控馬達系統采用電液比例控制閥控制液壓缸的位移實現變量泵的變化，最終實現對變速器的整體控制。

為合理匹配采棉機采摘系統效率，要求采棉機具有一定的行駛速度，其采棉機在采摘過程中的行駛速度一般為5.6 km/h,本研究的液壓機械無級變速器通過變量泵排量變化和離合器的切換，變速范圍為0～25 km/h，如圖4所示，分別為純液壓區段、液壓機械低速段和液壓機械高速段。

圖3 行駛系統液壓部分原理圖

圖4 行駛系統輸出轉速

純液壓段的液壓傳動效率低，對液壓元件要求精度高，不能合理匹配采棉機行駛速度要求，因此，采棉機行駛速度在液壓機械低速段，該區段的動力性模型為:

(7)

式中，noHM1為液壓機械低速段輸出轉速；DXM為行駛系統中定量馬達排量；εp為變量泵變排量系數；Dp為變量泵排量；i為定軸齒輪傳動比；K1為行星排特征常數；ni為發動機輸入轉速。

通過對電液比例控制閥與伺服液壓缸的位置控制實現對變量泵排量變化[12]，其電液比例控制閥的比例電磁鐵控制與采摘系統中的流量控制閥相似，對于伺服液壓缸的流量連續性方程為：

(8)

(9)

式中，Qj,Qh為伺服缸進回油口流量；Ci，Ce為內外泄漏系數；A為缸內活塞有效面積；Vj為進油腔體積；Vh為回油腔體積。

變量泵控馬達中，變量泵流量方程為：

QP=DPωP-CiP(p1-p2)-CePp1

(10)

式中，QP為變量泵流量；CiP,CeP為變量泵的內泄漏系數；DP為變量泵排量。

定量馬達流量方程：

(11)

式中，QXM為行駛系統馬達排量；pg，pd為馬達進出口壓力；Ce為馬達的泄漏系數；θXM為馬達轉角。

2 協同控制器設計

根據采棉機采摘系統單泵控雙馬達的數學模型，經拉式變化，以兩馬達轉速作為輸出，其系統傳遞函數為：

(12)

式中，Ka為比例放大器增益；Kuxv為閥芯位移增益；Kq為流量增益；Kf為閥的增益；ωh為液壓固有頻率；ξh為液壓系統阻尼比。

根據行駛系統中變量泵控馬達和電液比例控制閥控伺服液壓缸的流量方程[10]，得到電液比例控制閥與變量泵控馬達的系統傳遞函數為：

(13)

式中，uo為電液比例閥電壓；K為系統增益。

根據采摘系統與行駛系統的傳遞函數分析，實現對采摘速度和行駛速度的轉速控制可知，影響采摘與行駛的同步平穩性的關鍵在于液壓元件的動態特性變化和外部復雜變化。本研究針對采棉機采摘與行駛的速度匹配穩定性問題，提出一種基于單泵控雙馬達系統和變量泵控馬達系統的前饋補償模糊PID自適應協同控制方法，控制原理如5所示。

由其控制原理分析搭建其控制器，采棉機采摘系統與行駛系統恒轉速協同控制器由兩部分組成，第一部分是采摘與行駛轉速閉環控制系統，第二部分為前饋補償控制。采摘與行駛協同控制采用模糊PID自適應控制算法，參數值調節器為PID控制器中對KP,KI,KD進行參數修改及在線整定，然后把PID的3個控制參數、偏差以及偏差變化率進行模糊化，模糊化是將輸入的參數值轉化為模糊量，根據解模糊中模糊量進行精確值的轉化機制，建立基于模糊論域及隸屬度函數的規則表，最終根據模糊規則對原參數進行修改。在實際工作中，根據采棉機的采摘速度與行駛速度的期望轉速，求解出其補償基準值，使整個系統控制系統響應速度更快速，穩態性能更良好。

圖5 控制原理圖

3 AMESim-Simulink聯合仿真

3.1 模型的建立

采棉機采摘作業轉速最高可達1500 r/min,其行走速度為5.6 km/h,運用AMESim軟件建立其物理模型，根據采棉機行駛系統試驗臺架進行參數修改與選取，如表1所示。

通過軟件設置添加Simulink Standard Interface接口，實現AMESim與Simulink的聯合仿真。建立的模型如圖6所示。

3.2 仿真結果分析

通過對采棉機實際采摘過程進行分析，其采摘系統中定量馬達最高轉速為1500 r/min,在5.6 km/h時，行走系統中行星架輸出轉速1115 r/min，對采摘系統及行駛系統進行經典PID及前饋補償模糊PID自適應協同控制算法進行仿真。

表1 采棉機采摘與行駛系統參數

圖6 液壓機械變速器采棉機采摘與行走系統AMESim模型

采用經典PID協同控制時，如圖7所示，相對于直接控制，PID協同控制在采摘系統中，超調量較小，且縮小了系統的調整時間，增強了采摘系統的穩定性；如圖8在行走系統中經典PID協同控制的系統穩定時間增加，但響應速度加快，總體增加了系統的調節時間，對于采棉機的行走速度波動影響較大。

圖7 采摘系統輸出轉速

圖8 行走系統輸出轉速

采棉機采摘及行駛采用模糊PID協同控制，如圖7所示。采摘系統在1500 r/min時，相對于PID控制，模糊PID協同控制使采摘系統達到穩定狀態的超調量減少3.95%，且提高了系統響應速度，其系統達到1500 r/min的穩定輸出轉速的調整時間減少0.124 s。如圖8行駛系統中行星排輸出轉速1120 r/min時，通過減速齒輪后，其車輛行駛速度為5.6 km/h，該系統采用雙前饋模糊PID協同控制，相對于PID控制，系統超調量減少0.1%，其系統達到1120 r/min的系統穩定輸出轉速的調整時間減少3.67 s。雙前饋模糊PID協同控制提高了采棉機采摘與行駛的同步穩定性，增強了系統控制性能。

4 結論

通過采棉機采摘系統的單泵控雙馬達和行駛系統中的變量泵控馬達的數學模型的建立與分析，進行采摘與行駛的協同控制，并進行仿真試驗，主要有以下結論：

(1) 通過分析建立了采摘系統中單泵控雙馬達和行駛系統中變量泵控馬達的協同控制傳遞函數，運用AMESim和Simulink搭建了該系統的物理模型，驗證了模型的正確性；

(2) 基于采摘與行駛的數學模型，提出一種基于采摘與行駛同步控制的前饋補償模糊自適應PID控制方法，根據給定轉速能快速響應達到速度穩態值。