基于PID參數(shù)整定的低碎籽率聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)

黃力剛，王　哲，余良俊

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽　473000；2.武漢工程科技學(xué)院，武漢　430200；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢　430074)

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基于PID參數(shù)整定的低碎籽率聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)計(jì)

黃力剛1，王哲1，余良俊2,3

( 1. 河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽473000；2.武漢工程科技學(xué)院，武漢430200；3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074)

摘要：為了降低聯(lián)合收獲機(jī)收獲籽粒的破碎率，對(duì)全喂入軸流滾筒型聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，利用PID調(diào)節(jié)器對(duì)割臺(tái)的螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)節(jié)，使用模糊控制原理對(duì)調(diào)節(jié)器進(jìn)行了參數(shù)整定，從而提高了脫粒過程的控制精度。為了驗(yàn)證改進(jìn)后的全喂入式聯(lián)合收獲機(jī)的可靠性，對(duì)其功能進(jìn)行了測(cè)試，主要包括模糊控制的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測(cè)試主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱來完成。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：聯(lián)合收獲機(jī)的轉(zhuǎn)速提升1rad/s，其控制時(shí)間為僅為1s，經(jīng)過模糊控制之后超調(diào)量明顯減小，響應(yīng)曲線平滑，調(diào)節(jié)時(shí)間理想。最后，通過籽粒破碎率試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：使用本文設(shè)計(jì)的低籽粒破碎率聯(lián)合收獲機(jī)的在收獲過程中的籽粒破碎率有了明顯的降低，符合設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī)；模糊控制；參數(shù)整定；PID調(diào)節(jié)器；SIMULINK工具箱

0引言

自動(dòng)控制就是在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置，使機(jī)器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。本次研究主要對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的螺旋推進(jìn)器進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體框架如圖1所示。

圖1　聯(lián)合收獲機(jī)基本控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

圖1中，輸入項(xiàng)目為螺旋推進(jìn)器的速度，控制器使用模糊控制PID調(diào)節(jié)器，通過對(duì)速度的調(diào)節(jié)得到最佳的籽粒脫粒效果。對(duì)于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，首先需要建立系統(tǒng)的控制模型，包括系統(tǒng)的輸入、輸出和內(nèi)部控制關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。常用的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為微分方程、傳遞函數(shù)、動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖等。

1低碎籽率收獲機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.撥禾輪　2.割臺(tái)螺旋推運(yùn)器　3.輸送鏈耙　4.軸流滾筒

通過割臺(tái)螺旋推進(jìn)器的改進(jìn)，對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要包括3項(xiàng)：一是在不增加機(jī)器體積的情況下能較大幅度地增加生產(chǎn)率；二是提高收獲機(jī)脫凈率；三是降低籽粒的破碎率。割臺(tái)螺旋推運(yùn)器由螺旋和伸縮扒指兩部分組成，如圖3所示。

圖3中，螺旋將割下的谷物推向伸縮扒指，扒指將谷物流轉(zhuǎn)過90°縱向送入傾斜輸送器，由輸送鏈耙將谷物喂入滾筒。

1.主動(dòng)鏈輪　2.左調(diào)節(jié)桿　3.螺旋筒　4.螺旋葉片　5.附加葉片

2低碎籽率收獲機(jī)模糊PID參數(shù)整定

為了降低收獲機(jī)的破碎率，可以通過PID調(diào)節(jié)器對(duì)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖4為聯(lián)合收獲機(jī)PID控制系統(tǒng)原理框圖。它根據(jù)設(shè)定值r(t)和實(shí)際輸出值y(t)構(gòu)成控制偏差e(t)，將偏差按比例、積分和微分通過線性組合構(gòu)成控制量u(t)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，則有

(1)

其中，e(t)=r(t)-u(t)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間常數(shù)；Td表示微分時(shí)間常數(shù)。這3個(gè)參數(shù)的取值優(yōu)劣將影響到PID控制系統(tǒng)的效果。本文采用模糊控制的方法，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。模糊控制框圖如圖5所示。

圖4　PID控制系統(tǒng)原理框圖

圖5　聯(lián)合收獲機(jī)模糊控制結(jié)構(gòu)圖

常規(guī)的PID控制對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)的控制效果并不好，因此在常規(guī)PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種模糊控制PID參數(shù)整定方法。利用籽粒破碎率的實(shí)際反饋值與目標(biāo)值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對(duì)PID參數(shù)kp、ki、kd進(jìn)行在線自整定，其過程如圖6所示。

圖6　PID模糊控制參數(shù)整定

圖6中，模糊控制器的控制采用的是兩輸入(e,ec)三輸出(Kp,Ki,Kd)的形式，籽粒破碎的模糊集均為{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中，e,ec的論域?yàn)閇-3,-2,-1,0,1,2,3]，Kp,Ki,Kd的論域?yàn)閇-3,-2,-1,0,1,2,3]，其控制規(guī)則表如表1～表3所示。

表1　Kp的模糊規(guī)則表

表2　Ki的模糊規(guī)則表

表3　Kd的模糊規(guī)則

續(xù)表3

Kp、Ki、Kd的模糊規(guī)則表建立好后，可根據(jù)以下方法進(jìn)行其自適應(yīng)校正。通過參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)螺旋推進(jìn)器的模糊控制，利用破碎率的反饋調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)的精確控制。

可是誰能說因?yàn)閻矍檫@些不能被原諒呢，何況她追著他的那些天天那么冷，下著雪。田銘這么說服自己，心卻不由得溫暖起來，就像聽到了春天走來的腳步。

3基于模糊控制的聯(lián)合收獲機(jī)測(cè)試

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的低碎籽率聯(lián)合收獲機(jī)的性能，對(duì)其進(jìn)行了田間測(cè)試，主要包括模糊控制的響應(yīng)時(shí)間、超調(diào)量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測(cè)試主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱來完成。使用SIMULINK工具箱建立PID控制模型，如圖7所示。

圖7　聯(lián)合收獲機(jī)溫度控制PID模型

圖7中,通過PID控制器對(duì)螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)條件，通過計(jì)算得到了如圖8所示的調(diào)節(jié)曲線。

圖8　聯(lián)合收獲機(jī)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)曲線

由圖8可以看出:通過一定時(shí)間的調(diào)節(jié)，聯(lián)合收獲機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有效地提升1rad/s；但是系統(tǒng)超調(diào)量較大，調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)，不符合設(shè)計(jì)要求。

SIMULINK可以與模糊邏輯工具箱結(jié)合，在MatLab軟件中輸入fuzzy01=readfis (‘fuzzy01.fis’)，就完成了模糊邏輯組件和SIMULINK相關(guān)模塊的連接。以dkd.fis的導(dǎo)入為例，當(dāng)成功導(dǎo)入時(shí)，會(huì)出現(xiàn)如下提示：

>> dkd=readfis('dkd')

dkd = name: 'dkd'

type: 'mamdani'

andMethod: 'min'

orMethod: 'max'

defuzzMethod: 'bisector'

impMethod: 'min'

aggMethod: 'max'

input: [1x2 struct]

output: [1x1 struct]

rule: [1x42 struct]

在MatLab 建立一個(gè)新的SIMULINK仿真模型，并在模型庫中選擇使用“Fuzzy Logic Toolbox”項(xiàng)，利用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法將“Fuzzy Logic Controller”放到仿真系統(tǒng)中，并對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行封裝，得到了如圖9所示的轉(zhuǎn)速模糊控制PID仿真模型。

圖9　聯(lián)合收獲機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制PID模型

圖9中，通過模糊PID控制器對(duì)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)，通過計(jì)算得到了如圖10所示的調(diào)節(jié)曲線。

圖10　聯(lián)合收獲機(jī)轉(zhuǎn)速模糊控制PID調(diào)節(jié)曲線

由圖10可以看出：通過一定時(shí)間的調(diào)節(jié)，聯(lián)合收獲機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有效地提升1rad/s，其控制時(shí)間為僅為1s；經(jīng)過模糊控制之后超調(diào)量明顯減小，響應(yīng)曲線平滑，調(diào)節(jié)時(shí)間理想，較符合設(shè)計(jì)要求。如11圖所示，為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的低碎籽粒聯(lián)合收獲機(jī)的有效性與可靠性，在對(duì)籽粒進(jìn)行測(cè)試時(shí)，選用了飽滿籽粒和非飽滿籽粒兩種籽粒對(duì)其破碎率進(jìn)行測(cè)試，通過測(cè)試得到了如表4所示的測(cè)試結(jié)果。

圖11　測(cè)試籽粒樣品

測(cè)試編號(hào)未濾波籽粒清選誤差Kalman濾波籽粒清選誤差13.251.2123.321.2833.211.3243.281.4553.371.2763.061.3673.581.2583.691.22

最后，對(duì)模糊控制PID參數(shù)整定的聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了8次測(cè)試，得到了8組籽粒破碎率測(cè)試結(jié)果。由表4可以看出：使用本文設(shè)計(jì)的低籽粒破碎率聯(lián)合收獲機(jī)的在收獲過程中的籽粒破碎率有了明顯的降低。這是由于使用模糊控制后可以對(duì)螺旋推進(jìn)器的速度進(jìn)行有效的控制，使籽粒脫粒過程的控制更加精確，從而提高了脫粒的效果。

4結(jié)論

本文利用PID調(diào)節(jié)器和模糊控制原理對(duì)全喂入軸流滾筒型聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)割臺(tái)的螺旋推進(jìn)器的轉(zhuǎn)速進(jìn)行了調(diào)節(jié)。通過改進(jìn)，有效地降低了聯(lián)合收獲機(jī)的脫粒過程的籽粒破碎率。

對(duì)低籽粒破碎率的聯(lián)合收獲機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明：聯(lián)合收獲機(jī)的轉(zhuǎn)速提升1rad/s，其控制時(shí)間為僅為1s，響應(yīng)時(shí)間短，超調(diào)量低，系統(tǒng)反應(yīng)迅速；常規(guī)的聯(lián)合收獲機(jī)相比，籽粒破碎率有了明顯的降低。

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Design for Combine of Low Seed Broken Rate Based on PID Parameter Setting

Huang Ligang1, Wang Zhe1,Yu Liangjun2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 3.Faculty of Mechanical & Electronic Information ,China University of Geosciences,Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to reduce the seed broken rate of combine, kernels on the feeding drum of axial flow type united harvest machine is improved, the use of the PID regulator to adjust the screw propeller speed, using the fuzzy control principle on the regulator parameter setting, so as to improve the control precision of the threshing process. In order to verify the improved the reliability of the whole feeding type combine, its function was tested, the test project mainly includes the response time and overshoot of fuzzy control, the broken rate of corn seed kernels under the test of fuzzy control is mainly use MATLAB SIMULINK toolbox to complete offers. By testing found that combine the speed of increase 1 rad/s, its control time is only 1 s, after fuzzy control overshoot volume reduced obviously, the response curve smoothing, adjust the time ideal, at last, it was found that the grain crushing rate using this article designed a low rate of grain crushing the united harvest machine in the process of harvesting grain crushing rate were significantly lower, comply with the design requirements.

Key words：combine; fuzzy control; parameters setting; PID controller; SIMULINK toolbox

文章編號(hào)：1003-188X(2016)06-0050-05

中圖分類號(hào)：S225；TP273+.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：黃力剛(1980-)，男，河南鄧州人，講師，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079)；湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418)

收稿日期：2015-05-30