脫粒滾筒角速度的模糊PID控制①

黃金俠， 潘成華， 李鳳霞， 張 良

(1.佳木斯大學(xué)信息電子技術(shù)學(xué)院，黑龍江佳木斯154007;2.多多藥業(yè)有限公司，黑龍江佳木斯154007)

0 引言

隨著農(nóng)民對收獲機收獲質(zhì)量要求的不斷提高，在收獲機上應(yīng)用于新型的自動控制技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)機械實現(xiàn)自動化和智能化發(fā)展的必然趨勢.對于脫粒性能一定的谷物聯(lián)合收獲機，為保證脫粒質(zhì)量，其脫粒滾筒的角速度應(yīng)控制在預(yù)期的范圍內(nèi)［1］.然而，脫粒滾筒系統(tǒng)具有滯后性、時變性和非線性等環(huán)節(jié)，收獲機在田間作業(yè)時，作物的一些參數(shù)(作物濕度、作物密度)也難以確定，所以脫粒滾筒是時變的復(fù)雜系統(tǒng).采用傳統(tǒng)的控制算法得不到非常滿意的控制品質(zhì)，因此研究采用模糊PID控制算法實現(xiàn)了對脫粒滾筒角速度的自動控制.

1 模糊自整定PID控制原理

模糊自整定PID控制器是利用模糊控制規(guī)則和推理對PID控制的比例增益、積分增益和微分增益三個參數(shù)進行在線調(diào)整，控制原理如圖1所示.調(diào)整原則是:當(dāng)偏差e或偏差變化率ec較大時，應(yīng)減小Kl和KD，使系統(tǒng)有較好的快速性，同時增大KP，避免出現(xiàn)較大的超調(diào);當(dāng)偏差e或偏差變化率ec較小時，應(yīng)增大KP和Kl，使系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)態(tài)性能，同時減小KD，避免出現(xiàn)震蕩.將調(diào)整后的比例、積分和微分量代人公式(1)中計算，計算結(jié)果u(k)即為控制器的最終輸出［2］.

圖1 模糊自整定PID控制原理

2 模糊PID控制器設(shè)計

收獲過程中，要求聯(lián)合收獲機在保證脫粒質(zhì)量的前提下，提高收獲效率.從文獻(xiàn)［3］滾筒模型中可知，當(dāng)收獲機的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)確定后，機器前進速度和作物密度是影響滾筒角速度的主要因素.其中，作物密度是不可控制且時刻變化.當(dāng)作物密度突然發(fā)生變化時會引起脫粒滾筒角速度的改變，可以通過控制機器行走速度來實現(xiàn)脫粒滾筒角速度的穩(wěn)定運行.根據(jù)模糊控制器的特點及脫粒滾筒控制系統(tǒng)中輸入量的特性，本文將脫粒滾筒角速度的偏差e及偏差變化率ec作為模糊自整定PID控制器的輸入，PID控制器比例、積分和微分的變化量作為模糊控制器的輸出，機組的行走速度增量Δv作為模糊自整定PID控制器的輸出量［2］.本設(shè)計依據(jù)被控系統(tǒng)的實際情況和工程實際經(jīng)驗，將偏差e和偏差變化率ec對應(yīng)到(－2，2)的論域，將輸出量 ΔKP，ΔKl，ΔKD分別對應(yīng)到 (－ 0.3，0.3)、(－0.3，0.3)、(－ 0.5，0.5)的區(qū)間.對應(yīng)的模糊語言詞集表示為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}七組符合來表示.

本系統(tǒng)采用gauss隸屬函數(shù)，并在論域區(qū)間兩個端點處，分別采用S型和Z型的隸屬函數(shù).通過多次操作經(jīng)驗總結(jié)和理論分析，結(jié)合“if A and B then C”規(guī)則可以歸納出輸入變量e與三個參數(shù)ΔKP，ΔKl，ΔKD間的定性關(guān)系，結(jié)合工程技術(shù)人員的分析和實際操作經(jīng)驗，考慮偏差ec變化的影響，綜合得出ΔKP，ΔKl和ΔKD模糊控制規(guī)則，如表1所示.ΔKP，ΔKl，ΔKD對應(yīng)e，ec的曲面關(guān)系見圖2 所示.

圖2 ΔKP，ΔKI和 ΔKD對應(yīng)e，ec的曲面關(guān)系圖

圖3 PID控制Simulink仿真框圖

3 基于SIMULINK軟件仿真及分析

3.1 被控對象近似傳遞函數(shù)的確定

［4］可知，被控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可以近似地表示成

式中:K為增益系數(shù);T1，T2為時間常數(shù);τ為滯后時間.

根據(jù)文獻(xiàn)［4］，參數(shù)整定采用下列公式:

式中，KP，Ti，Td為PID控制器的比例、積分和微分時間常數(shù).其中ζ＞0，為中間參數(shù)，具有時間的量綱.

圖4 模糊控制Simulink仿真框圖

圖5 模糊自整定PID控制Simulink仿真框圖

表1 ΔKP，ΔKl和 ΔKD的模糊規(guī)則

圖6 PID、模糊及模糊自整定PID控制曲線圖

3.2 控制系統(tǒng)的仿真及分析

Matlab/Simulink是用來對連續(xù)、離散和混雜系統(tǒng)的建模、仿真和分析的優(yōu)秀集成軟件.本文通過此軟件建立三種控制方法(模糊控制、PID控制、模糊PID控制)應(yīng)用于脫粒滾筒角速度控制中的仿真模型，如圖3～5所示.其中，數(shù)學(xué)模型由前邊公式(2)給出.

表2給出了滾筒仿真參數(shù).本設(shè)計給出了脫粒滾筒在初始狀態(tài)下的角速度為80rad/s，收獲機作業(yè)速度 1.4m/s、農(nóng)作物的密度為 2.6kg/m2.當(dāng)滾筒角速度處于穩(wěn)定狀態(tài)1秒時，作物密度從原來的2.6kg/m2突然增加到3.25kg/m2(即密度增大了25%)時，仿真曲線見圖6所示.

表2 仿真參數(shù)

通過上圖可得出如下結(jié)論，如表3所示.

表3 仿真結(jié)果比較

由以上的仿真結(jié)果可知，模糊自整定PID算法彌補了PID控制的超調(diào)量高和模糊控制的穩(wěn)態(tài)精度差等問題，把模糊自整定PID控制算法應(yīng)用到本控制系統(tǒng)是可行的.

4 結(jié)論

模糊自整定PID控制具有良好的魯棒性和較強的適應(yīng)性.此控制系統(tǒng)經(jīng)過田間實際應(yīng)用也達(dá)到了預(yù)期的控制目標(biāo).

參考文獻(xiàn):

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