基于PID調控的割臺仿形高度控制系統(tǒng)的設計

王志超,楊然兵,2,陳棟泉,王 婕,李曉波

(1.青島農業(yè)大學 機電工程學院,山東 青島 266109;2.海南大學 機電工程學院,海口 570228)

0 引言

谷物收獲作業(yè)中有百分之75%的收獲損失是由割臺高度調整不當引起的[1-3]。割臺過高導致割茬高度增加,加劇收獲環(huán)節(jié)損失[4-5],更影響后續(xù)播種質量;割臺過低又容易導致割臺刮蹭地面,損壞機器。隨著谷物聯(lián)合收獲機收獲作業(yè)速度的提升,傳統(tǒng)利用駕駛員人工調整收獲機各項參數(shù)以保證最佳收獲性能的方式已經無法滿足當前收獲機無人化、智能化的需求[6]。目前,割臺自適應控制功能已經被認為是減少收獲損失、降低駕駛員工作強度及避免割臺設備損傷的有效方法[7]。

20世紀70年代,國外許多聯(lián)合收獲機企業(yè)就開始研發(fā)割臺自動控制系統(tǒng)[8]。加拿大賣塞福格公司利用磁吸式傳感機構,依賴扇形鐵板擺動吸引對應觸點吸合接通電路產生動作的控制原理,將該技術最早部署于MF-860聯(lián)合收獲機車型[9]。在理論研究方面,Andrew G建立了聯(lián)合收割機割臺高度控制系統(tǒng)模型,并利用頻域分析工具論證了割臺的機械配置與電動液壓驅動影響著系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)[10-11]。

在控制算法方面,Xie Y介紹了一種用于聯(lián)合收割機割臺高度控制(HHC)的二自由度(DOF)控制器[12-13]。為確保閉環(huán)穩(wěn)定性和穩(wěn)健的性能,還使用基于全球定位系統(tǒng) (GPS) 信息的前饋控制結構來增強反饋回路,但此種技術對控制器硬件配置要較高[14]。在結構設計方面,中國江蘇大學的陳進等[15]通過液壓缸的位置來估算割臺高度,利用離散PID控制方法進行自動控制,控制精度在±25mm范圍內。中國農業(yè)機械化科學研究院的偉利國等通過角度傳感器和檢測割臺油缸伸縮量的位移傳感器獲得割臺高度信息,采用PID控制算法實現(xiàn)了微地貌仿形,割臺高度控制誤差不大于20mm[16]。中國東南大學的張聰采用超聲波陣列與雙目視覺檢測的方式監(jiān)測作物割臺高度,但割茬、雜草對超聲信號有一定干擾且僅對平坦路面進行了測試[17]。

本文基于現(xiàn)有車型研發(fā)了一款可基于地面仿形監(jiān)測的割臺高度自適應控制系統(tǒng),旨在為后續(xù)無人駕駛谷物聯(lián)合收獲機的研發(fā)設計提供割臺裝置控制策略的理論依據(jù)。

1 結構組成及工作原理

1.1 結構組成

基于地面仿形監(jiān)測的割臺高度控制系統(tǒng)割臺改裝如圖1所示。其中,收獲機割臺模塊中的割刀裝置采用中華人民共和國國家標準(GB/T 1209.2-2009農業(yè)機械)中Ⅱ型割切器結構;在割臺底部加裝仿形輥與角度傳感器用于監(jiān)測地面起伏變化情況,作為改電液控制系統(tǒng)的信號輸入裝置;割臺末端加裝鉸接連桿與角度傳感器鉸接,實現(xiàn)對割臺高度調節(jié)后的反饋信號輸入裝置;為保證割臺高度微調時的系統(tǒng)反應靈敏度,重新選型符合系統(tǒng)要求的單作用油缸作為割臺高度執(zhí)行機構。

1.角度傳感器 2.仿形輥 3.單作用油缸 4.傳統(tǒng)割臺結構 5.割臺升降旋轉點 6.割臺高度反饋機構圖1 割臺仿形控制系統(tǒng)結構示意圖Fig.1 Structure diagram of header profiling control system

收獲機割臺模塊中的割刀裝置采用中華人民共和國國家標準(GB/T 1209.2-2009農業(yè)機械)中Ⅱ型割切器結構。

1.2 地面仿形裝置結構設計

為跟蹤識別地面的起伏狀態(tài),設計了一種接觸式地面仿形機構,仿形機構由仿形輥、角度傳感器及鉸接連桿組成,如圖2所示。作業(yè)過程中,仿形輥與地面接觸,圍繞固定旋轉點轉動并通過鉸接連桿機構帶動角度傳感器轉動。由此,仿形板將割臺與地面之間的高度信號通過角度傳感器變成對應的電壓信號(0～5V)傳輸給車載控制器。

1.地面仿形板 2.鉸接連桿 3.角度傳感器圖2 地面仿形傳感機構結構原理Fig.2 Structural principle of ground profiling sensing mechanism

1.3 割臺高度反饋裝置結構設計

割臺控制系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)節(jié)需在每一次電液調節(jié)動作完成后對割臺實時高度進行反饋監(jiān)測,反饋實際信號與目標設定信號進行差值運算得出用于下一程序周期的數(shù)值計算。對割臺實際高度的反饋監(jiān)測采用角度傳感器與鉸鏈連桿機構,結構如圖3所示。工作時,割臺升降導致鉸鏈連桿產生位置變化,由此帶動割臺高度反饋監(jiān)測的角度傳感器進行轉動;此時,割臺反饋的實時高度信號通過角度傳感器轉化為電壓信號(0～5V),進入反饋環(huán)節(jié)參與控制算法運算。

傳感器輸出電壓與割臺距地面高度、割臺反饋高度關系采用實際現(xiàn)場試驗標定并擬合曲線的方法。為擬合割臺地面高度、反饋高度與角度傳感器之間的關系,利用MatLab&Curve Fitting工具箱進行數(shù)據(jù)擬合,標定結果如圖4所示。

圖4 監(jiān)測高度、反饋高度與電壓信號的關系Fig.4 Structural principle of ground profiling sensing

2 控制系統(tǒng)的改進設計

2.1 液壓系統(tǒng)的改進設計

傳統(tǒng)的割臺動作調節(jié)系統(tǒng)液壓控制機構一般選擇電控換向閥進行液壓油路的控制,原理如下:通過對電控換向閥對應電磁線圈進行通電產生對應磁場,以此控制換向閥內部閥芯動作,改變液壓系統(tǒng)回路閉合變化,實現(xiàn)液壓缸的升降。但是,該種控制策略僅適應于低收獲速度時的人工調節(jié),且不容易對割臺高度進行微調。自適應割臺地面仿形控制系統(tǒng)對割臺動作要求精度高,且需實現(xiàn)在高速收獲作業(yè)時能完成基于地面高度信號的變化實現(xiàn)割臺升降的微調。因此,采用集成式電磁比例閥實現(xiàn)對液壓系統(tǒng)的控制,其安裝方式與內部結構原理如圖5所示。

1.直通式單向閥 2.二位三通電磁比例閥 3.液控出口減壓閥 4.二位二通電磁比例閥 5.液控直通式單向閥圖5 集成式電磁比例閥結構原理Fig.5 Structural principle of integrated electromagnetic proportional valve

集成式電磁比例閥的工作原理為:當割臺需上升時,車載控制器發(fā)出對應的PWM信號轉化成為對應的電流(130～400mA),作用于二位三通電磁比例閥線圈(左側得電,右側電磁閥失電),線圈產生磁場推動閥芯移動一定距離,液壓油從P口進入集成式電磁比例閥,經液控出口減壓閥減壓后流經二位三通電磁比例閥由A口流出進入割臺油缸推動割臺上升;出口減壓閥壓力高于彈簧設定壓力后,會推動減壓閥閥芯右移,減少P口進油的流量,進而達到穩(wěn)壓并保護二位三通電磁比例閥的目的。

當割臺下降時,PWM信號轉化成對應電流(130～320mA)作用于右側二位二通電磁比例閥(左側電磁閥失電),液壓缸中的油量經A口進入電磁比例閥流經液控直通式單項閥進出油口T口,完成割臺下降動作;當電磁比例閥進油口油壓大于閥體彈簧設定的壓力值時,閥芯會被左推停止液壓油前往T口,可保證割臺不會急速下降砸向地面引發(fā)車體損傷。

2.2 PID控制的離散分析

當前,主流的閉環(huán)自動控制技術主要基于反饋的概念來減少系統(tǒng)的不確定性,反饋理論主要包括測量、比較和執(zhí)行,測量的目的是采集被控對象的實際值與期望值進行比較,并利用其偏差來糾正系統(tǒng)的響應,執(zhí)行調節(jié)控制。實際工程中應用最廣泛的調節(jié)策略為比例、積分、微分控制,簡稱PID調節(jié),其控制原理如圖6所示。

圖6 模擬PID控制系統(tǒng)原理框圖Fig.6 Principle block diagram of analog PID control system

PID控制器是一種線性控制器,主要根據(jù)給定值r(t)與實際值c(t)之間的差值進行控制,即

e(t)=r(t)-c(t)

(1)

將偏差的比例項(P)、積分項(I)和微分項(D)通過線性組合構成的控制量對被控對象進行控制,稱為PID控制。其控制規(guī)律為

(2)

式中KP-比例系數(shù);

TI-積分時間常數(shù);

TD-微分時間常數(shù)。

現(xiàn)實工程中,計算機控制是一種采樣控制,只根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量,不能采用連續(xù)PID控制算法,需對控制算法進行離散化。在此,PID控制使用的是離散式數(shù)字PID控制器。

按照離散PID控制算法,以采樣時間點代表連續(xù)時間,以矩形法數(shù)值近似代替積分,以一階后向差分代替近似微分,即

(3)

由此可得離散PID表達式為

(4)

其中,T為采樣周期;k為采樣序號;e(k)為第k時刻所得的偏差信號;ki=kp/TI;kd=kpTD;k=1,2,...。

2.3 割臺仿形系統(tǒng)結構組成與工作原理

基于PID調控的割臺仿形高度控制系統(tǒng)結構組成如圖7所示。割臺升降的動力由車載液壓系統(tǒng)提供;柴油機以2100r/min的轉速帶動液壓泵向液壓系統(tǒng)內部供油,在溢流閥與減壓閥的調節(jié)作用下,系統(tǒng)穩(wěn)壓在30MPa;車底仿形監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測當前割臺與地面之間的高度,將信號傳給PID控制器,控制器通過計算得出對應輸出的PWM信號,電磁比例閥進行開合改變液壓系統(tǒng)液壓油流向,最終控制割臺進行升降調節(jié)。

1.左側仿形傳感器 2.右側仿形傳感器 3.溢流閥 4.柴油機 5.液壓泵 6.單向濾芯器 7.減壓閥 8.高度監(jiān)測反饋傳感器 9.割臺油缸 10.集成式電磁比例閥 11.PID控制器圖7 割臺仿形控制系統(tǒng)結構組成Fig.7 Structure composition of header profiling control system

聯(lián)合收獲機開始作業(yè)時,駕駛員通過駕駛室前方的人際交互界面設置割臺自適應控制模式下的的割茬高度,收獲機開始進入割臺仿形模式。割臺底側的仿形輥接觸地面隨地面高低起伏帶動仿形傳感器轉動輸出對應電壓信號給車載控制器;車載控制器通過電壓-高度擬合曲線方程進行計算,得出當前程序周期采集到的割臺高度,通過與用戶設定值的差值運算得出系統(tǒng)誤差;車載速度傳感器監(jiān)測當前車速并確定出對應的比例、積分、微分參數(shù),通過本研究新提出PID控制策略進行數(shù)據(jù)計算,輸出對應的PWM占空比(對應數(shù)值0～1000)。割臺仿形系統(tǒng)的工作原理如圖8所示。

圖8 割臺仿形系統(tǒng)的工作原理Fig.8 Working principle of header profiling system

工作時,車載控制器將PWM轉化為對應的PWMi電流作用于電磁比例閥的電磁線圈;電磁線圈產生對應磁場控制閥芯開合一定距離,控制液壓回路內液壓油的流向,使割臺油缸在液壓油作用的產生對應動作;割臺高度反饋裝置將割臺實際高度傳回車載控制器,繼續(xù)與用戶設定值進行差值運算。為提高割臺在目標值附近區(qū)域的穩(wěn)定性,避免割臺在目標值附近震蕩調節(jié),若差值小于15mm則本次循環(huán)周期默認割臺調節(jié)完成,若大于15mm則繼續(xù)進入下一次程序控制循環(huán)周期。

3 田間試驗

3.1 割臺控制與傳統(tǒng)人工控制對比試驗

割茬高度的準確性是判斷該控制系統(tǒng)準確性的主要參考因素,在此采用兩種試驗方法來論證割臺高度控制的準確性。

為了測試割臺控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工控制割臺效果的對比,分別以5km/h的作業(yè)速度進行兩者對照試驗,割茬高度設置為16mm。

以上試驗數(shù)據(jù),以樣本方差來代表割臺高度控制的準確性與穩(wěn)定離散程度,其計算公式為

(5)

式中xi-第i次測量的割茬高度;

μ-割茬高度設定值;

σ2-樣本方差;

N-樣本采集次數(shù)。

試驗結果如圖9所示。

圖9 割臺控制與傳統(tǒng)人工控制對比試驗Fig.9 Comparative test of header control and traditional manual control

根據(jù)圖9中的2個對比試驗結果可知:傳統(tǒng)人工控制割臺高度模式割臺高度波動較大,割臺震蕩幅度約為15cm左右,最高能達30cm。將這兩種控制方式的割臺高度數(shù)據(jù)帶入樣本方差公式(5)中計算,傳統(tǒng)人工調節(jié)方式中割臺高度的樣本方差值為53.4853,而EVPIVS-PID控制系統(tǒng)的割臺高度樣本方差值為24.4757。根據(jù)樣本方差的特性,可以得出傳統(tǒng)人工調節(jié)下的該高度震動離散程度高于PID控制系統(tǒng),PID控制系統(tǒng)控制割臺高度更加穩(wěn)定。

由圖9(a)得出:當割茬高度設置為16cm時,割臺高度低于14.5cm時(e(k)>15mm),系統(tǒng)才會輸出割臺上升PWM值;同樣,只有割臺高度高于17.5cm時(e(k)>15mm),系統(tǒng)才會輸出割臺下降PWM值。如果割臺高度恢復至e(k)<15mm時,系統(tǒng)輸出PWM輸出為0。由此論證了“割臺差值小于15mm,系統(tǒng)默認完成”的準確性。

3.2 不同收獲速度下割臺控制效果檢驗

為測試割臺地面仿形自適應控制系統(tǒng)在不同作業(yè)速度下的控制效果,割茬設定16cm,控制收獲機作業(yè)速度從5～11km/h勻速階躍上升,其控制效果如圖10所示。田間試驗表明:割臺控制系統(tǒng)在車速5～11km/h范圍內不斷調節(jié)的情況下始終都保持了良好的自適應調節(jié)能力。

圖10 不同車速下系統(tǒng)控制效果對比試驗(車速6～11km/h,割茬設置高度16mm)Fig.10 Comparative test of system control effect at different vehicle speeds

4 結論

1)設計了基于角度傳感器的割臺仿形監(jiān)測機構與割臺高度反饋機構,標定并擬合出實際高度與電壓信號之間的線性關系。

2)增設集成式電磁比例閥,論述了其結構組成與工作原理,通過對模擬PID的理論分析,推導出可用于車載控制器的離散PID計算公式。

3)進行田間試驗,驗證了割臺地面仿形自適應控制系統(tǒng)的性能,結果表明:控制系統(tǒng)在5～11km/h作業(yè)速度區(qū)間內均保持了良好的割臺調節(jié)性能,相較于傳統(tǒng)人工控制割臺高度的方式表現(xiàn)出更加優(yōu)異的性能,完全滿足收獲作業(yè)要求。