非線性積分滑動面的農(nóng)業(yè)車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制

張琦　張柯

摘要： 自動轉(zhuǎn)向控制是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航控制的關(guān)鍵技術(shù)，為了提高轉(zhuǎn)向性能和精度，提出了1種基于非線性積分滑動面的自適應(yīng)滑?？刂品椒?。先將農(nóng)業(yè)車輛的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)假定為1個(gè)二階的數(shù)學(xué)模型，并將系統(tǒng)中的不確定性因素和難以建模的外部干擾動力學(xué)系統(tǒng)假設(shè)為可滿足邊界條件的等效干擾；針對每個(gè)導(dǎo)航控制周期構(gòu)建所需系統(tǒng)響應(yīng)的瞬態(tài)過程，設(shè)計(jì)了1個(gè)非線性積分滑動面；同時(shí)根據(jù)閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)提出相應(yīng)的滑?？刂埔?guī)則，確保系統(tǒng)能夠獲得迅速無超調(diào)量的閉環(huán)響應(yīng)曲線，并利用模糊控制實(shí)現(xiàn)了滑?？刂圃鲆娴淖赃m應(yīng)切換。仿真試驗(yàn)表明，設(shè)計(jì)的非線性積分滑動面的自適應(yīng)滑?？刂品椒▽μ岣咿r(nóng)業(yè)車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性、精度具有重要意義。

關(guān)鍵詞： 自動轉(zhuǎn)向控制；非線性積分滑動面；自適應(yīng)滑模控制；模糊控制；農(nóng)業(yè)車輛

中圖分類號： TP273+ 2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）08-0391-03

農(nóng)業(yè)車輛的自動導(dǎo)航在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)自動化作業(yè)中發(fā)揮著重要作用，如自動播種、除草施肥、農(nóng)藥噴灑、作物收割等領(lǐng)域 [1]，其中農(nóng)業(yè)車輛自動轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航作業(yè)的核心技術(shù) [2]。目前，農(nóng)業(yè)車輛自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)主要分為馬達(dá)直接驅(qū)動轉(zhuǎn)向盤、電液轉(zhuǎn)向控制回路2種驅(qū)動方法 [3]。連世江分別研制了基于永磁無刷直流電機(jī)驅(qū)動機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)向控制方法，并通過自適應(yīng)比例-積分-微分（proportion-integral-differential，PID）增益獲得較為滿意的控制效果 [4]。為了提高控制器的控制精度，吳曉鵬等設(shè)計(jì)了1種閉環(huán)PID控制系統(tǒng)，盡管能夠提高控制器的控制精度，但轉(zhuǎn)向角速度的測量則非常困難 [5]。為此，本研究提出了1種基于非線性積分滑動面的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，能夠確保轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)獲得快速和無超調(diào)的響應(yīng)特性，有效緩解了傳統(tǒng)滑模控制中存在的控制輸入顫振現(xiàn)象。

1 農(nóng)業(yè)車輛轉(zhuǎn)向控制問題的描述

用于現(xiàn)代化、自動化及精細(xì)化農(nóng)業(yè)的農(nóng)業(yè)車輛，其典型的自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)通常包括導(dǎo)航控制器、位置和方位傳感器、轉(zhuǎn)向角度傳感器、轉(zhuǎn)向驅(qū)動器等部分 [6]。自動導(dǎo)航控制系統(tǒng)的原理如圖1所示。

導(dǎo)航控制器根據(jù)車輛當(dāng)前位置、方向、路徑等信息決定所需轉(zhuǎn)向角度的命令，并發(fā)送該轉(zhuǎn)向角度的命令到轉(zhuǎn)向控制器。自動轉(zhuǎn)向控制器是實(shí)現(xiàn)自動導(dǎo)航控制精度的關(guān)鍵。農(nóng)業(yè)車輛自動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的原理如圖2所示。

3 仿真試驗(yàn)

考慮到農(nóng)田地形相對復(fù)雜，農(nóng)業(yè)車輛在工作的過程中，會受到很多外力和自身因素的影響，因此難以建立合理的車輛數(shù)學(xué)模型。根據(jù)自動控制理論，可令非線性積分滑動面的數(shù)學(xué)模型（1）中的參數(shù)kg=50，τ=0 09s。且在本研究的仿真試驗(yàn)中，設(shè)定等效干擾如下：

D（x）=Γe -[（t-ud）/[KF（]2[KF）]σd]2。 （18）

式中：μd=5，σd=0 5，Γ=20；瞬態(tài)過程實(shí)際t=0 3 s；非線性積分滑動面參數(shù)c1=64，c2=8，λ=24；最小、最大阻尼分別為ζmin=0 5、ζmax=0 5；階躍輸入命令δd=0 1rad。

通過仿真試驗(yàn)獲得本研究所提出的基于非線性積分滑動面滑?？刂频碾A躍響應(yīng)曲線，并且在相同的參數(shù)條件下與傳統(tǒng)滑?？刂频碾A躍響應(yīng)曲線進(jìn)行分析比較，傳統(tǒng)滑模控制、自適應(yīng)滑?？刂频碾A躍響應(yīng)曲線如圖3、圖4所示。

由圖3可知，傳統(tǒng)滑?？刂频纳仙龝r(shí)間約為0 3 s，穩(wěn)態(tài)時(shí)間>1 0 s，且其超調(diào)量>20%。但如果使用本研究提出的新型滑?？刂偏@得相同的上升時(shí)間時(shí)，其穩(wěn)態(tài)時(shí)間<0 5 s，且?guī)缀鯖]有超調(diào)量（圖4）。仿真結(jié)果表明，非線性積分滑動面阻尼單調(diào)增加的特性保證了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以相對較小的阻尼加速輸出響應(yīng)的速度，也確保了轉(zhuǎn)向系統(tǒng)具有較高的阻尼，避免輸出超調(diào)量，減少穩(wěn)態(tài)時(shí)間。

此外，雖然傳統(tǒng)的滑?？刂品椒梢酝ㄟ^選擇1個(gè)足夠大的固定切換增益確?？刂葡到y(tǒng)的穩(wěn)定性，但較大的切換增益會使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的控制力和嚴(yán)重的顫振現(xiàn)象，其控制輸入量如圖5所示。本研究的模糊控制方法能夠通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)滑?？刂频那袚Q增益η，從而消除顫振現(xiàn)象、減小控制力，其控制輸入量在與圖5對應(yīng)的時(shí)間范圍內(nèi)不存在高頻振蕩（圖6）。

從圖5中可知，普通滑模控制的輸入量在0～4 s、6～10 s的時(shí)間范圍內(nèi)存在高頻的大幅振動，振幅約為0 04 rad，即所謂的顫振現(xiàn)象，這對于控制系統(tǒng)來說是一個(gè)致命的缺陷。通過對比分析，在相同的條件下，2種滑模控制方法的控制輸入量表現(xiàn)出完全不同的平穩(wěn)特性。自適應(yīng)模糊滑?？刂茖τ谙齻鹘y(tǒng)滑?？刂浦写嬖诘妮斎腩澱瘳F(xiàn)象效果明顯，這對于提高農(nóng)業(yè)車輛轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的平穩(wěn)性和精度具有重要的意義。

4 結(jié)論

本研究提出的用于農(nóng)業(yè)車輛自動導(dǎo)航的自適應(yīng)滑?？刂品椒?，在系統(tǒng)不確定和外界干擾的情況下，可有效提高轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制的響應(yīng)速度和精度。在每個(gè)導(dǎo)航控制周期中，為了避免轉(zhuǎn)向驅(qū)動器子系統(tǒng)產(chǎn)生大的初始沖擊力，構(gòu)建了1個(gè)瞬態(tài)變化的轉(zhuǎn)向角代替恒定的轉(zhuǎn)向角，并提出了1種基于瞬態(tài)過程的非線性積分滑動面。該系統(tǒng)不僅具有傳統(tǒng)積分滑動面所具有的優(yōu)點(diǎn)，還具有單調(diào)上升的阻尼比，使得閉環(huán)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)能夠以較小的阻尼比加快輸出的響應(yīng)速度，而且可利用其大阻尼比的特性來消除系統(tǒng)輸出的超調(diào)量。通過仿真試驗(yàn)表明，自適應(yīng)滑?？刂品椒ň哂凶冏枘岜鹊奶匦?，使得轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)不僅能夠獲得迅速而無超調(diào)量的閉環(huán)響應(yīng)曲線，還減緩了系統(tǒng)控制輸入的顫振現(xiàn)象，增強(qiáng)了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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