一種面向對象方法的智能采棉機控制研究

丁玉濤

(河南職業技術學院,鄭州 450046)

0 引言

采棉機是一種大型棉花收獲機械,能夠有效提升采棉過程的自動化水平。作業過程中,受棉花生長狀態限制,采棉機經常出現采收效果不理想的現象,如果能夠根據棉花生長狀態進行采摘作業速度的實時調整,則對提高采棉機工作效率和安全性具有重要意義[1-2]。

棉田環境復雜,采摘過程存在較多的非線性和時變性因素,為了保證采摘作業效率和采摘過程安全性,需要根據采摘對象實時調整控制參數,適應環境中的不確定因素[3]。為此,基于面向對象技術,以FPGA硬件為基礎平臺,設計一種模糊PID控制器進行采棉機作業速度實時控制,并對采棉機作業速度進行優化,旨在為采棉機的高效安全作業奠定基礎。

1 采棉機作業速度控制調節原理

圖1所示為采棉機作業速度控制原理圖。工作時,輸棉管路上的近紅外流量傳感器對管路中的棉花流量數據進行采集,根據流量與質量參數模型獲取采摘過程中棉花實時產量;當遇到棉花堵塞輸棉管路狀態時,基于模糊控制器輸出控制電流,經伺服放大器進行功率放大,驅動執行機構狀態變化,從而改變液壓泵流量,實現作業速度的自動調節[4]。

圖1 采棉機作業速度控制原理圖Fig.1 Schematic diagram of operation speed control of cotton picker

采棉機工作過程中,假設管路中的平均棉花流量為Mr,管路中的允許最大棉花流量為Mmax,傳感器電流梯度為Δi,采棉作業行進過程中當前速度對應的伺服驅動電流為Ir,下一時刻伺服驅動電流為Inext,伺服驅動允許最大電流為Imax,則可得出采棉過程中輸棉管路負荷梯度為

采棉過程中輸棉管路堵塞邊界條件為

|Inext|≤Imax

其中,k1、k2、k3以及k4均為正數,且滿足k1≥k2≥k3。

2 采棉機作業速度控制器設計

采棉機工作過程,由于棉花的生長狀態和采摘過程中環境因素影響,作業速度控制過程存在較大的波動[5-6]。因此,通過對采棉機作業速度調節原理進行分析,保證采棉機能夠在不同的環境采摘作業過程中進行自適應調整。

采棉機作業過程中,行駛速度控制器結構原理如圖2所示。其中,控制器對采棉機伺服驅動器、伺服閥、變量泵以及行走機構進行控制,保證采棉作業過程中輸棉管路不發生堵塞。棉花流量傳感器對輸棉管路內的棉花流量數據進行實時采集,并轉化為棉花實時產量,經過輸棉管路堵塞邊界條件進行轉化,從而得出最佳的行走驅動控制電流,作為控制器的輸入信號[7-8]。

圖2 采棉機行駛速度控制器結構原理Fig.2 Structural principle of traveling speed controller of cotton picker

將采棉機輸棉管路中棉花流量在堵塞條件模型中進行轉化,獲取最優化行駛速度驅動電流,作為控制器的輸入參數設定值,霍爾傳感器采集到的行進速度傳感電流與設定驅動電流之間的偏差值和偏差變化率為控制器PID模塊輸入變量,控制器輸出語言變量設定為Kp、Ki、Kd。因此,可以得出控制參數自整定公式為

其中,kp0、ki0、kd0為控制器初始設計值;Δkp(k)、Δki(k)、Δkd(k)為控制器輸出值。

采棉機行駛速度控制器對控制參數進行修正,確保被控制對象的過程穩定性[13]。當采棉機啟動時,設定采棉初始作業速度,利用流量傳感器對輸棉管路中的流量進行檢測,轉化為棉花產量。同時,結合堵塞邊界條件模型轉化最優行駛速度驅動電流,經控制器進行分析調節,生成采棉機作業行駛速度最優化驅動電流[14]。圖3為采棉機行駛速度控制算法流程圖。

圖3 采棉機行駛速度控制算法流程圖Fig.3 Flow chart of traveling speed control algorithm of cotton picker

3 控制系統仿真試驗

為驗證采棉機行駛速度控制器設計合理性,在Simulink仿真環境中設計仿真模型,對控制系統進行模糊仿真。采棉機行駛速度面向對象傳輸控制模型可表示為

當霍爾傳感器對采棉機行駛速度的采樣周期為1ms時,仿真輸出信號幅值設定為1,由此得出控制器輸出響應方波信號和誤差信號曲線如圖4所示,控制器輸出響應誤差信號曲線如圖5所示。

由仿真結果曲線可以看出:采棉機作業行駛速度能夠進行自適應調整,控制區輸出超調量較小,同時能夠在較短的時間內進行速度調節,具有良好的動態響應特性,控制系統運行特性穩定;控制器能夠面向對象進行參數自適應調整,適合用于復雜環境中采棉機作業行駛速度控制和調節。

圖4 控制器輸出響應方波信號曲線Fig.4 Controller output response square wave signal

圖5 控制器輸出響應誤差信號曲線Fig.5 Controller output response error signal curve

4 田間試驗結果分析

為了驗證采棉機控制系統的運行可靠性,選擇1000m2棉田進行試驗,分別在不同作業行進速度下進行棉花采摘,并記錄統計數據。輸棉流量與行走時間關系曲線如圖6所示,采棉機輸棉管道內流量與行進速度關系曲線如圖7所示。

圖6 輸棉流量與行走時間關系曲線Fig.6 Relationship curve between cotton conveying flow and walking time

由圖6可以看出:采棉機的初始行駛速度為5.6km/h,在前5min的輸棉流量約為93kg/min,負荷堵塞條件最佳流量為100kg/min,此時可適當提高采棉機行進速度;當采棉機行進速度提升到5.6km/h時,理想流量為120kg/min,此時實際輸棉管道流量為120kg/min,采棉機可保持當前行進速度。

圖7 輸棉流量與采棉機行進速度關系曲線Fig.7 Relationship curve between cotton conveying flow and traveling speed of cotton picker

5 結論

對面向采棉機作業過程輸棉管路堵塞情況進行采棉行進速度控制,能夠有效提高采棉機的作業適應性,同時減少采棉機作業過程中輸棉管路堵塞現象的發生,對采棉機的智能化控制系統提升和改進具有重要意義。