谷物聯合收獲機自適應控制方式與技術分析

陶繼哲

(黑龍江省農業機械工程科學研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

《國民經濟和社會發展第十四個五年規劃綱要》明確指出要促進農業械化的提檔升級,重點支持發展聯合收獲機械裝備提升機械化、智能化與信息化水平,全面提高收獲機械裝備的綜合性能,促進我國收獲機械行業“數量”與“質量”水平的雙重提升[1]。隨著我國農業機械化發展,玉米、小麥、大豆等谷物類種植面積不斷增加,谷物聯合收獲機使用率逐年提升,對谷物聯合收獲機的收獲質量、勞動強度、生產效率與實際的持有量及投入量等提出更高要求。谷物聯合收獲機自適應控制不但提高收獲質量和生產效率,而且降低勞動強度、生產成本和谷物收獲損失率,全面優化谷物聯合收獲機的作業性能,為“機械化、智能化、精細化農業”發展提供技術參考[2-3]。

1 谷物聯合收獲機發展現狀

谷物聯合收獲機(簡稱聯合收獲機)基于“聯合收獲法”能夠在田間一次性作業過程完成谷物類作物切割、喂入、輸送、分離、清選、除雜、脫粒和集糧等工作的功能復合型農業生產機械。目前,我國的聯合收獲機應用于稻麥類農作物收獲,主要包括牽引式和自走式兩種機型。其中,牽引式聯合收獲機是20世紀50—60年代由蘇聯引進到我國,通過拖拉機作為動力提供牽引,在田間一次性完成收獲、脫粒、除雜和集糧等功能,但聯合收獲機與拖拉機配套使用存在整機結構緊湊性較差、動力轉向靈活性較差、行駛底盤穩定性較差及田間適應性較差等問題,且現階段農業生產中應用較少,僅適用于小型或家庭農田;自走式聯合收獲機是通過專用動力系統和行駛底盤,在田間一次性完成谷物全功能收獲及全機械獨立脫粒清選等農藝過程,具有整機結構緊湊、轉向靈活、底盤穩定及田間適應性較好,現階段農業生產中應用較多。

由于農業生產過程中工作環境惡劣、實際工況復雜且谷物收獲時稻麥類農作物生長程度不同、含水率不同、種植密度不同及種植區域不同都會對谷物類農作物收獲效果產生不同的影響,傳統的谷物收獲主要依靠農機操作人員根據谷物聯合收獲機工作狀態及收獲時稻麥類農作物生長情況等進行“主觀”判斷和調整,在實際作業過程中,使谷物聯合收獲機工作穩定性與可靠性差、易發生機械故障,影響谷物收獲效率與質量等。針對以上問題,在谷物聯合收獲機作業過程中,利用多傳感器信息融合技術、大數據挖掘技術、自動化與智能化控制技術等,開展谷物聯合收獲機自適應控制技術研究,在充分保證谷物收獲效率與質量前提下,依據不同谷物類農作物籽粒損失率、破碎率、含雜率等收獲數據實時調節脫粒系統作業參數,依據谷物聯合收獲機各個工作部件的工作狀態實時監測與調整聯合收獲機,實現谷物聯合收獲處于“最優”控制范圍,為我國農業機械化與智能化發展提供技術支撐,且應用前景廣泛[4-5]。

2 谷物聯合收獲機自適應控制方式

谷物聯合收獲機自適應控制是一種基于谷物收獲在線參數評估方法與控制系統設計方法的融合技術并兼顧“自校正”能力的控制方式。由于谷物收獲時,農作物生長情況、收獲機械運行狀態及工作環境(天氣狀況、田間氣候、地形特點)等被控對象具有不確定性,存在著大量的未知且隨機的客觀因素影響。在其實際運行過程中,谷物聯合收獲機通過自適應控制系統的數據采集與處理單元實時獲取被控對象輸入與輸出狀態,了解并掌握作業過程的綜合信息,依據谷物收獲在線參數評估與控制系統設計的方法,為適應環境參數變化,利用反饋單元的信息反饋動態更新系統控制器,谷物聯合收獲機做出相應控制決策,使谷物收獲控制效果達到最優或近似最優狀態[6]。目前,谷物聯合收獲機比較成熟的自適應控制方式有以下幾種。

2.1 自校正調節控制方式

谷物聯合收獲機自校正調節控制是利用被控對象數學模型與遞推估計算法對谷物聯合收獲系統參數進行在線評估,并通過評估對象系統辨識及對周圍環境變化自動校準調節的閉環控制,以使系統達到期望控制目標的自適應控制方式,自校正調節控制單元結構如圖1所示,自校正調節控制單元分為內環和外環兩部分,其中內環主要由被控對象和線性反饋調節器組成,外環主要由聯合收獲機械執行機構和遞推參數估計器組成,線性反饋調節器接收遞推參數估計器信號進行反饋調節。在工作過程中,自校正調節控制系統自動完成系統建模與控制設計,自動校正系統參數,并在每個采樣周期更新一次,以使谷物收獲控制效果達到最優。

圖1 自校正調節控制單元結構

2.2 模型參考自適應控制方式

谷物聯合收獲機的模型參考自適應控制是利用被控對象參考模型與自適應規律,通過非線性系統的穩定理論的方法,控制被控對象參數在自適應調節過程始終保持穩定,并使其參考模型極值收斂于目標參考值,以使系統達到期望控制目標的自適應控制方式,模型參考自適應控制單元結構如圖2所示。其中,模型參考自適應控制單元主要由參考模型、被控對象、前饋控制器、反饋控制器及自適應機構等組成。在工作過程中,模型參考自適應控制系統依據系統初期建立的參考模型與自適應機構所應遵循算法,不斷計算并優化系統參數,并在每個采樣周期更新一次,以使谷物收獲控制效果達到最優。

圖2 模型參考自適應控制單元結構

2.3 自尋最優控制方式

谷物聯合收獲機自尋最優控制是利用被控對象輸入與輸出特性中至少一個非線性特性處于最優運行狀態,即被控對象數學模型極值點,自尋最優控制系統自動搜索和保持系統輸出位于目標極值的狀態,以使谷物收獲系統達到期望控制目標的自適應控制方式,自尋最優控制單元結構如圖3所示。其中,自尋最優控制單元主要由反饋控制器、自適應優化控制器及被控對象等組成。在工作過程中,自尋最優控制系統采用自尋最優控制策略,結合實驗分析經驗數據自動保持系統工作在極值位置的最優控制量,并使運行狀態的梯度趨于零,以使谷物收獲控制效果達到最優。

圖3 自尋最優控制單元結構

2.4 可變增益自適應控制方式

谷物聯合收獲機的可變增益自適應控制結構簡單、響應迅速,在各個領域應用普遍,通過系統中的一組或多組可變增益放大器,能夠使谷物收獲系統達到期望控制目標,可變增益自適應控制單元結構如圖4所示。其中,可變增益自適應控制單元主要由可變增益機構(可變增益放大器)、調節器及被控對象等組成。在工作過程中,可變增益自適應控制系統中的調節器依據被控過程的參數變化規律實時進行系統設計,當被控對象(或控制過程)的參數(狀態)發生變化時,系統程序自動改變調節器的增益,以使系統保持良好的運行狀態和谷物收獲控制最優效果。

圖4 可變增益自適應控制單元結構

3 谷物聯合收獲機自適應控制關鍵技術

谷物聯合收獲機自適應控制的關鍵一階系統的自適應控制技術研究[7],分析重點是谷物聯合收獲機自適應控制系統一階微分方程

y=-apy+bpu

(1)

式中y—為系統的輸出函數;

u—為系統輸入函數;

ap與bp—為系統參數。

3.1 問題描述

在谷物聯合收獲機自適應控制過程中,系統參數ap與bp均是未知數,期望控制目標一階參考模型

yR=-aRyR+bRr(t)

(2)

式中aR與bR—為常數;

r(t)—為外部參考信號;

R—為參考模型傳遞函數。

谷物聯合收獲機自適應控制問題描述的關鍵是研究分析系統控制規律與自適應規律,使系統模型與參考模型的跟蹤誤差近似趨近于零。

3.2 控制規律選擇

期望控制目標一階參考模型基本控制規律

u=ar(t)r+ay(t)y

(3)

式中ar(t)與ay(t)—為系統反饋增益函數。

結合系統一階微分方程式(1)與(3)整理得到系統閉環控制方程

y=-(aq-aybp)y+arbpr(t)

(4)

谷物聯合收獲機自適應控制規律選擇的關鍵是實現系統閉環控制模型精確匹配,保證閉環控制系統數學模型與參考模型實時相同,從而,實現系統模型與參考模型的“零”跟蹤誤差。

3.3 自適應規律選擇

系統模型參數誤差與跟蹤誤差之間存在如下關系

(5)

式中p—為拉普拉斯變量。

其中,系統自適應控制規律表示

(6)

式中γ—為系統自適應增益常數;

sgn(bp)—正負決定控制器參數方向。

谷物聯合收獲機自適應規律選擇的關鍵是依據經典自適應規律,求解系統的自適應增益常數,并確定適當的自適應控制器的方向。

3.4 跟蹤收斂性分析

李雅普諾夫理論是分析系統穩定性與收斂性主要方法,自適應控制系統李雅普諾夫函數

(7)

谷物聯合收獲機自適應控制跟蹤收斂性分析的關鍵是在系統模型求解過程中,保證跟蹤誤差全局近似收斂,并確保自適應控制系統的李雅普諾夫函數始終為連續函數。

4 結論

通過谷物聯合收獲機的發展現狀的討論,深入地分析了谷物聯合收獲機中的自校正調節、模型參考自適應、自尋最優、可變增益自適應等控制方式,詳細地討論了谷物聯合收獲機自適應控制中問題描述、控制規律選擇、自適應規律選擇與跟蹤收斂性分析等關鍵技術,為谷物聯合收獲機的機械化與智能化應用提供了借鑒參考。