數學建模應用的水稻插秧機控制系統優化分析

張靜文

(重慶科創職業學院,重慶 402160)

0 引言

水稻插秧機作業過程中,秧苗的插栽深度是成活率的重要影響因素,因此插秧機的插秧深度成為插秧作業過程的重要控制指標[1-3]。插秧機液壓仿形系統是插秧過程的升降裝置,能夠有效控制秧苗的插入深度,同時是插秧機工作性能的重要決定環節[4-5]。為此,基于數學建模的方式,設計了一種水稻插秧機仿形機構控制系統。

1 插秧機執行機構工作原理

按照不同的連接方式,可以將插秧機仿形系統分為鉸接式連接和整體式連接。其中,鉸接式連接仿形系統是一種位置控制系統,整體式連接是一種力反饋控制系統,兩種連接方式的工作原理相同,控制過程中的物理量不同[6-8]。

插秧機作業時,仿形滑閥通過機械式傳感器進行控制;插秧機行走在下坡水田中時,插植部分與泥水表面的相對高度差較小,此時插秧機浮板受到的泥水浮力較大,壓力傳感器可將此時的力值反饋至仿形滑閥;閥芯在反饋指令下開始運動,控制插秧機仿形升降機構上升,此時浮板開始動作,壓力傳感器的監測值恢復至初始值[9]。

2 插秧機執行機構控制方法

插秧機仿形升降系統的控制方式主要包括位置反饋式調節控制、壓力反饋式調節控制及位置反饋和壓力反饋相結合的綜合調節控制[9]。本文設計的插秧機仿形升降控制系統采用力反饋與位置反饋相結合切換的控制方式,根據水田底部的起伏變化幅度對浮板位置進行跟隨控制,在保持階段,仿形升降機構液壓系統進行壓力保持[10-11]。圖1所示為插秧機仿形升降機構控制原理圖。

圖1 插秧機仿形升降機構控制原理圖Fig.1 Control principle diagram of seedling copying transplanter

3 插秧機執行機構數學模型

插秧機作業過程中,控制器根據仿形升降機構的位置或力反饋值,計算仿形機構中滑閥閥芯的位移,從而控制仿形升降機構的液壓缸的動作[12-14]。仿形升降機構控制系統升降階段的控制傳遞函數為

仿形升降機構控制系統保持階段的控制傳遞函數為

對仿形升降機構升降階段進行仿真,升降階段開環伯德圖(幅值)如圖2所示,升降階段開環伯德圖(相位)如圖3所示。

圖2 升降階段開環伯德圖(幅值)Fig.2 Open loop Bode diagram of lifting stage (amplitude)

圖3 升降階段開環伯德圖(相位)Fig.3 Open loop Bode diagram of lifting stage (phase)

從圖2、圖3中可以看出:系統校正前的幅值裕量為Gm=18dB,相位裕量為Pm=88°,穿越頻率為ωc=2rad/s,表明升降階段控制系統傳遞函數穩定。升降階段控制系統階躍響應如圖4所示。

圖4 升降階段控制系統階躍響應Fig.4 Step response of control system in lifting stage

對仿形升降機構保持階段進行仿真,保持階段開環伯德圖(幅值)如圖5所示,保持階段開環伯德圖(相位)如圖6所示。從圖5、圖6中可以看出:系統校正前的幅值裕量為Gm=9.8dB,相位裕量為Pm=93°,穿越頻率為ωc=16rad/s,表明升降階段控制系統傳遞函數穩定。升降階段控制系統階躍響應如圖7所示。

圖5 保持階段開環伯德圖(幅值)Fig.5 Open loop Bode diagram of holding stage (amplitude)

圖6 保持階段開環伯德圖(相位)Fig.6 Open loop Bode diagram of holding stage (phase)

圖7 保持階段控制系統階躍響應Fig.7 Step response of control system in holding stage

根據仿形升降系統參數,確定控制系統在升降階段,位置反饋的系統傳遞函數為

根據仿形機構保持階段系統參數,確定控制系統在保持階段,力反饋的系統傳遞函數為

由此可以得出:在插秧機仿形機構升降和保持階段,控制系統具有相同的傳遞函數,可為控制系統的設計提供便利[15]。

4 插秧機執行機構控制系統仿真

在進行插秧機執行機構仿真時,采用自整定PID控制算法,對插秧機仿形升降機構控制系統進行仿真,利用位置反饋與力反饋相結合的方式建立控制系統,如圖8所示。

圖8 插秧機仿形升降機構控制系統模型Fig.8 Control system model of profiling lifting mechanism of transplanter

輸入參數為仿形升降機構中液壓缸活塞的位移或力值的誤差和誤差變化率。設置控制系統仿真總時間為2s,給定輸入信號為階躍信號,仿真參數分別為P=2、I=2.5、D=0.01,為插秧機仿形升降機構相應性能指標如表1所示。圖9所示為插秧機仿形升降機構升降階段階躍響應對比曲線;圖10所示為插秧機仿形升降機構保持階段階躍響應對比曲線。

表1 插秧機仿形升降機構相應性能指標Table 1 Corresponding performance indexes of profiling lifting mechanism of transplanter

圖9 升降階段階躍響應對比曲線Fig.9 Comparison curve of step response in lifting stage

圖10 保持階段階躍響應對比曲線Fig.10 Comparison curve of step response in holding stage

實際插秧工作控制過程中,當位置反饋信號在設定閾值范圍內時,控制系統采用力反饋的方式進行調節;當位置反饋信號在超過設定閾值時,控制系統切換至位置反饋的方式進行調節。控制系統調節方式切換的主要依據是水田地形的起伏波動,要求插秧機具有較好的誤差跟隨性。

5 結論

插秧機仿形升降系統工作過程中,依據地形起伏對插秧升降過程進行控制,依據升降機構的壓力傳感器信號進行保持階段控制,兩種控制反饋調節方式之間能夠根據設定閾值進行切換。仿真結果表明:模糊PID控制能夠有效提高插秧機仿形升降機構的控制系統工作性能。