拖拉機(jī)多重模糊PID變論域耕深調(diào)節(jié)研究

李瑞川,丁馨鎧,孫祺友,程 懿,劉 琦,劉繼魯

(齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院) 機(jī)械工程學(xué)部,濟(jì)南 250353)

0 引言

耕深均勻性是拖拉機(jī)田間工作質(zhì)量的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),直接影響到農(nóng)田作物的生長(zhǎng)發(fā)育[1-5];但在實(shí)際耕作過(guò)程中,由于拖拉機(jī)所處環(huán)境條件變化較大,使得耕深均勻性變差。目前,耕深均勻性調(diào)節(jié)方式主要有單參數(shù)調(diào)節(jié)和混合調(diào)節(jié)。其中,單參數(shù)調(diào)節(jié)分為力調(diào)節(jié)、位置調(diào)節(jié)以及滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)3種[6-9]。將其中兩種或者多種調(diào)節(jié)方式結(jié)合在一起就形成了混合調(diào)節(jié)[10-11],混合調(diào)節(jié)同時(shí)考慮了影響耕深均勻性的多重因素,效果較好,在農(nóng)用機(jī)械領(lǐng)域應(yīng)用較廣[12-13]?；旌险{(diào)節(jié)方案主要有疊加式和切換式兩種。以力-位置混合調(diào)節(jié)為例,疊加式調(diào)節(jié)是將力調(diào)節(jié)與位置調(diào)節(jié)按一定比例疊加,比例劃分主要通過(guò)加權(quán)系數(shù)決定,調(diào)整加權(quán)系數(shù)即可調(diào)整力與位置調(diào)節(jié)所占比例。切換式調(diào)節(jié)則是通過(guò)優(yōu)化算法確定最優(yōu)單參數(shù)調(diào)節(jié),即力調(diào)節(jié)與位置調(diào)節(jié)可柔性切換,使得耕深控制始終處于最優(yōu)工作模式下。

為此,筆者基于現(xiàn)有的模糊PID控制,將力、位置及滑轉(zhuǎn)率通過(guò)多個(gè)模糊控制器結(jié)合在一起,形成一個(gè)多重模糊PID變論域耕深控制系統(tǒng),并根據(jù)三者對(duì)耕深的影響程度和對(duì)各參數(shù)的控制目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化選擇,可實(shí)現(xiàn)模糊控制器論域的實(shí)時(shí)調(diào)整、PID控制參數(shù)的一次及二次調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)耕深的粗調(diào)和細(xì)調(diào),保證耕深的相對(duì)均勻。

1 拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)基本原理

拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理如圖1所示。開(kāi)始作業(yè)前,駕駛員通過(guò)操控面板確定理想耕深量,控制器基于車速傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器和力傳感器采集得到的數(shù)據(jù)計(jì)算得到當(dāng)前耕深、滑轉(zhuǎn)率及牽引力,并根據(jù)這些參數(shù)完成對(duì)農(nóng)具高度的控制,從而實(shí)現(xiàn)耕深的調(diào)整。

圖1 拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of tractor tillage depth adjustment system

2 多重模糊PID變論域耕深控制系統(tǒng)原理

在此,提出一種多重模糊PID變論域耕深控制系統(tǒng),工作原理如圖2所示?？刂葡到y(tǒng)由3個(gè)模糊控制器與1個(gè)PID控制器組成。第1級(jí)模糊控制器與PID控制器組成常規(guī)的模糊PID控制,第2級(jí)模糊控制器完成對(duì)第1級(jí)模糊控制器論域的調(diào)整,第3級(jí)模糊控制器實(shí)現(xiàn)PID控制參數(shù)的二次調(diào)整(即實(shí)現(xiàn)耕深的微調(diào))。位置是影響耕深最顯著的參數(shù),將位置設(shè)定為耕深調(diào)整的主要控制參數(shù)。當(dāng)土壤阻力發(fā)生較大變化時(shí),耕深變化也較大,通常使得模糊PID系統(tǒng)的論域不再適合當(dāng)前狀態(tài),需要對(duì)論域做出適時(shí)調(diào)整。因此,將力設(shè)定為模糊PID系統(tǒng)變論域的參數(shù)?；D(zhuǎn)率相對(duì)力和位置對(duì)耕深均勻性影響相對(duì)較小,可作為耕深的細(xì)調(diào)量參數(shù)。簡(jiǎn)單而言,位置調(diào)節(jié)用以耕深的粗調(diào),滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)用以耕深的細(xì)調(diào),力調(diào)節(jié)作為變論域的依據(jù)。多重模糊PID變論域耕深控制系統(tǒng)的控制流程如圖3所示。

圖2 控制系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of control system

圖3 控制流程圖Fig.3 Control flow chart

具體而言,第1級(jí)模糊控制器的輸入變量為實(shí)際耕深與設(shè)定耕深的差值e及差值的變化率ec,輸出變量為PID控制器控制參數(shù)的一次調(diào)整量Δkp1、Δki1及Δkd1,以實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深的粗調(diào)。輸入變量及輸出變量的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隸屬函數(shù)和重心法解模糊規(guī)則。第1級(jí)模糊控制器控制規(guī)則如表1所示。

第2級(jí)模糊控制器是基于土壤阻力實(shí)現(xiàn)對(duì)第1級(jí)模糊控制器論域的調(diào)整,其輸入變量為實(shí)際土壤阻力與設(shè)定土壤阻力的差值f及差值的變化率fc,輸出變量為第一級(jí)模糊控制器輸入論域的伸縮因子α1、α2及輸出論域的伸縮因子β。輸入變量及輸出變量的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隸屬函數(shù)和重心法解模糊規(guī)則。第2級(jí)模糊控制器的控制規(guī)則如表2所示。

第3級(jí)模糊控制器基于滑轉(zhuǎn)率實(shí)現(xiàn)對(duì)PID控制參數(shù)的二次調(diào)整,從而達(dá)到耕深的細(xì)調(diào)。其輸入變量為實(shí)際滑轉(zhuǎn)率與設(shè)定滑轉(zhuǎn)率的差值q及差值的變化率qc,輸出變量為PID控制參數(shù)的二次調(diào)整量Δkp2、Δki2及Δkd2。輸入變量及輸出變量的模糊集為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隸屬函數(shù)和重心法解模糊規(guī)則。第3級(jí)模糊控制器的控制規(guī)則如表3所示。

表1 第1級(jí)模糊控制器控制規(guī)則

表2 第2級(jí)模糊控制器控制規(guī)則

表3 第3級(jí)模糊控制器控制規(guī)則

經(jīng)多重模糊PID變論域耕深控制器綜合調(diào)整后的耕深E可表示為

(1)

(2)

3 田間試驗(yàn)

為探究多重模糊PID變論域耕深控制器在實(shí)際耕深作業(yè)中表現(xiàn)的優(yōu)越性能,以PH1404型拖拉機(jī)為載體,掛接1LF-435型四鏵翻轉(zhuǎn)犁進(jìn)行田間試驗(yàn),如圖4所示。選用傳統(tǒng)的模糊PID控制和多重模糊PID變論域耕深控制兩種控制方式,基于實(shí)際耕種需要,設(shè)定耕深為26cm、車速為8km/h,試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)如圖5、圖6所示。為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,數(shù)據(jù)從耕作后15s開(kāi)始提取。圖5中,耕深為負(fù)值表示耕深為向下方向。

圖4 試驗(yàn)圖Fig.4 Experimental diagram

圖5 耕深對(duì)比Fig.5 Comparison of tillage depth

圖6 滑轉(zhuǎn)率對(duì)比Fig.6 Comparison of slip rate

由圖5可知:多重模糊PID變論域控制的耕深均勻性較好,實(shí)際耕深在-26cm上下波動(dòng),且波動(dòng)幅度小于模糊PID控制。由圖6可知:多重模糊PID變論域控制的實(shí)際滑轉(zhuǎn)率在0.19上下波動(dòng),相對(duì)模糊PID控制波動(dòng)范圍較小,不存在滑轉(zhuǎn)率大幅波動(dòng)的情況。田間試驗(yàn)表明:多重模糊PID變論域控制具有較好的控制精度,耕深均勻性得到較大提高,且滑轉(zhuǎn)率也得到了一定改善。

4 結(jié)論

基于現(xiàn)有的3種耕深控制方式,提出了一種多重模糊PID變論域耕深控制方法。該方法將3種耕深控制方式結(jié)合在一起,并根據(jù)每部分對(duì)耕深影響程度的不同對(duì)所控制的目標(biāo)進(jìn)行選擇。在傳統(tǒng)模糊PID控制器的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)模糊控制器,第1級(jí)模糊控制器根據(jù)位置信號(hào)對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行一次調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深的粗調(diào);第2級(jí)模糊控制器根據(jù)土壤阻力信號(hào)實(shí)時(shí)調(diào)整第1級(jí)模糊控制器的論域,實(shí)現(xiàn)變論域的目的;第3級(jí)模糊控制器根據(jù)滑轉(zhuǎn)率信號(hào)對(duì)PID控制器參數(shù)進(jìn)行二次調(diào)整,實(shí)現(xiàn)對(duì)耕深的微調(diào)。田間試驗(yàn)表明:多重模糊PID變論域控制相對(duì)傳統(tǒng)的模糊PID控制可達(dá)到更好的耕深均勻性,且滑轉(zhuǎn)率在一定程度上也得到了改善。