基于模糊PID控制的棉花采摘性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)研制

王由之，張宏文，王 磊，李光耀，張 勇，劉秀梅

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基于模糊PID控制的棉花采摘性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)研制

王由之，張宏文※，王 磊，李光耀，張 勇，劉秀梅

（1. 石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832003；2. 農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003）

為了確定棉花采摘過(guò)程中的采摘效果，研究各因素對(duì)棉花采摘效果的影響，該文基于模糊PID控制理論，利用圖像化編程語(yǔ)言LabVIEW，研制了一套能夠進(jìn)行多通道數(shù)據(jù)采集的棉花采摘參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)3部分組成，可實(shí)現(xiàn)棉花采摘速度、輸送帶速度和風(fēng)機(jī)速度的連續(xù)可調(diào)，采摘過(guò)程中主軸扭矩、采摘滾筒速度、輸送帶速度和風(fēng)機(jī)速度等信號(hào)能夠?qū)崿F(xiàn)高速、實(shí)時(shí)采集與顯示，并具有數(shù)據(jù)保存等功能。試驗(yàn)結(jié)果表明，該測(cè)控系統(tǒng)能夠較好地實(shí)現(xiàn)棉花采摘速度與輸送帶速度在0～2 m/s范圍內(nèi)的任意匹配以及采摘扭矩和轉(zhuǎn)速分別在0～5、10～15 kHz采集頻率下的測(cè)量與分析。研究結(jié)果可為采摘頭性能參數(shù)的優(yōu)化和棉花采摘收獲裝備的國(guó)產(chǎn)化提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；棉花；采摘頭；采摘性能；測(cè)控系統(tǒng)

0 引 言

棉花采摘是棉花生產(chǎn)過(guò)程中的重要工作環(huán)節(jié)，采摘性能的好壞直接影響到棉花采凈率、撞落棉損失率和含雜率等技術(shù)指標(biāo)。棉花采摘試驗(yàn)參數(shù)是衡量棉花采摘性能的重要依據(jù)。為了更好地研究、開(kāi)發(fā)棉花采摘裝置，必須利用采摘試驗(yàn)臺(tái)對(duì)棉花進(jìn)行采摘試驗(yàn)[1-2]。在采摘試驗(yàn)中，利用試驗(yàn)設(shè)備中的數(shù)據(jù)采集器或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)棉花采摘過(guò)程的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者對(duì)棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，閻金剛等研制了一種單摘錠采摘試驗(yàn)臺(tái)，利用單摘錠試驗(yàn)臺(tái)和高速攝像系統(tǒng)，對(duì)摘錠的整個(gè)采摘過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，開(kāi)展了影響采棉機(jī)采凈率相關(guān)因素研究[3]；張宏文等利用一種膠棒滾筒棉花采摘頭試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展了對(duì)采摘速比值與采棉工藝速度、采摘工作角、滾筒轉(zhuǎn)速之間的相應(yīng)函數(shù)關(guān)系的研究[4-7]；張世福等設(shè)計(jì)了一種農(nóng)作物秸稈切割特性測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高速連續(xù)工作的主軸切割扭矩、切割力等數(shù)據(jù)的采集和處理[8]。

以上試驗(yàn)臺(tái)和測(cè)控系統(tǒng)雖然能夠獲取采摘試驗(yàn)參數(shù)，但主要存在以下2方面問(wèn)題：1）測(cè)控系統(tǒng)大多只能對(duì)一次試驗(yàn)進(jìn)行信息采集，與實(shí)際農(nóng)作物的采摘、切割過(guò)程中連續(xù)工作條件狀況不符；2）部分測(cè)控系統(tǒng)僅在中、低速條件下可以獲取農(nóng)作物試驗(yàn)的相關(guān)參數(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢，難以對(duì)農(nóng)作物實(shí)際采摘切割過(guò)程中的高速連續(xù)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。為了研究棉花的采摘特性，獲得實(shí)際工況下高速連續(xù)機(jī)采棉的采凈率，為棉花高效率機(jī)械化采收裝置設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，本文基于模糊PID控制原理，利用LabVIEW軟件，設(shè)計(jì)了一套測(cè)控系統(tǒng)，在該測(cè)控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)下，試驗(yàn)臺(tái)可以在速度較高的狀態(tài)下對(duì)棉花進(jìn)行連續(xù)采摘試驗(yàn)，同時(shí)對(duì)棉花采摘過(guò)程中試驗(yàn)臺(tái)主軸扭矩、采摘滾筒速度和輸送帶速度、扭矩等參數(shù)信息實(shí)時(shí)采集。

1 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)與工作原理

棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)主要由棉株輸送裝置、棉花采摘裝置、籽棉風(fēng)送裝置和測(cè)控系統(tǒng)等組成[9]，如圖1所示。其工作原理是將試驗(yàn)用的棉株經(jīng)測(cè)量后固定在棉株輸送裝置的輸送帶夾持機(jī)構(gòu)上；啟動(dòng)采摘電機(jī)并使用PLC控制器調(diào)節(jié)至試驗(yàn)設(shè)定轉(zhuǎn)速，待采摘電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定后，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)電機(jī)并通過(guò)PLC控制器調(diào)節(jié)至設(shè)定風(fēng)壓值，啟動(dòng)輸送帶電機(jī)并通過(guò)PLC控制器調(diào)節(jié)至設(shè)定運(yùn)行速度；利用數(shù)據(jù)采集功能實(shí)時(shí)采集動(dòng)力傳動(dòng)軸上的扭矩信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)及采摘環(huán)境中溫濕度信號(hào)；棉花采摘完畢后，調(diào)取扭矩和轉(zhuǎn)速信號(hào)進(jìn)行并分析。

棉花實(shí)際采摘過(guò)程是復(fù)雜開(kāi)放的作業(yè)環(huán)境，具有較強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)性、非線性和時(shí)變性等特點(diǎn)。為了保證采收裝置穩(wěn)健運(yùn)行和高效采收，在采收過(guò)程中需要實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)不斷變化的外部擾動(dòng)。常規(guī)PID控制自適應(yīng)差能力差，控制效果不佳，魯棒性欠佳，無(wú)法正常發(fā)揮機(jī)械采收的優(yōu)勢(shì)。本文采用模糊PID控制方法，以輸送帶速度v為控制目標(biāo)，結(jié)合模糊理論和PID控制技術(shù)，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取滾筒轉(zhuǎn)速和輸送帶速度，并在采摘速比系數(shù)值邊界條件約束下對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定，通過(guò)調(diào)整滾筒轉(zhuǎn)速對(duì)輸送帶速度不斷進(jìn)行動(dòng)態(tài)修正，使輸送帶速度控制在最佳范圍，試驗(yàn)臺(tái)采收裝置的采摘性能指標(biāo)達(dá)到最佳。

1. 輸送帶電機(jī) 2. 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器1 3. 風(fēng)機(jī)電機(jī) 4. 風(fēng)機(jī) 5. 機(jī)架 6. 采摘調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu) 7. 采摘電機(jī) 8. 采摘裝置 9. 扭矩轉(zhuǎn)速傳感器2 10. 動(dòng)力傳輸系統(tǒng) 11. 輸送帶 12. 夾持裝置 13. 電力輸出系統(tǒng) 14. 控制系統(tǒng)

采棉機(jī)工作時(shí)，采摘滾筒一邊隨著采棉機(jī)沿前進(jìn)方向向前運(yùn)行一邊自轉(zhuǎn)，采摘滾筒邊緣任意點(diǎn)的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)為其在矢量平面內(nèi)位移的合成，如圖2a所示，取點(diǎn)初始坐標(biāo)為0（，0），以采摘滾筒作為參照物，點(diǎn)隨采摘滾筒自轉(zhuǎn)到滾筒上任意位置時(shí)的坐標(biāo)為（cos，sin），點(diǎn)的位移方程為

式中為點(diǎn)橫坐標(biāo)；為點(diǎn)縱坐標(biāo)；為滾筒半徑，mm；為采摘滾筒角速度，rad/s；為時(shí)間，s。

以地面作為參照物，則采摘滾筒邊緣任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡方程為

式中v為輸送帶速度，mm/s。

根據(jù)采棉滾筒上任意點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡方程可知，采摘滾筒相對(duì)地面形成的軌跡形狀為長(zhǎng)幅擺線，如圖2b所示。點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡在擺線的峰值處會(huì)形成環(huán)扣，形成環(huán)扣的大小與采摘速比系數(shù)（滾筒轉(zhuǎn)速與輸送帶速度的比值）值有關(guān)，對(duì)籽棉的采摘質(zhì)量有一定影響。

注：r為采摘滾筒半徑，mm；ω為采摘滾筒角速度，rad·s-1；t為時(shí)間，s.

根據(jù)采棉滾筒上任意點(diǎn)點(diǎn)相對(duì)地面的運(yùn)動(dòng)軌跡，將式（2）對(duì)時(shí)間微分，則點(diǎn)在、軸上的分速度為

式中v為點(diǎn)沿軸方向速度，mm/s；v為點(diǎn)沿軸方向速度，mm/s。

由式（3）可以得出

其中v==2π（為采摘滾筒轉(zhuǎn)速，r/min），當(dāng)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到與采棉機(jī)行進(jìn)速度方向相差90°時(shí)，根據(jù)速度分量關(guān)系有

又根據(jù)文獻(xiàn)[10]

根據(jù)式（4）～（6）有

由式（7）可知，輸送帶速度的變化對(duì)值影響較大，在1.1～1.6時(shí)[10]，棉花采摘效果最佳，通過(guò)調(diào)整v與v的比例關(guān)系，能夠使值控制在最佳范圍。

2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)

2.1 測(cè)控系統(tǒng)的硬件組成

測(cè)控系統(tǒng)硬件主要由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)3部分組成，如圖3所示，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)PLC控制器和變頻器實(shí)現(xiàn)對(duì)采摘滾筒采摘轉(zhuǎn)速、輸送帶速度和風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)與控制；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)扭矩信號(hào)、溫濕度信號(hào)的采集，并利用/（頻率/電壓）轉(zhuǎn)換器把電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方波頻率轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的模糊PID控制；上位機(jī)系統(tǒng)利用安裝在工控機(jī)上的LabVIEW應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與分析，構(gòu)建良好的人機(jī)交互界面。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

2.1.1 工控機(jī)

系統(tǒng)主機(jī)是一臺(tái)研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，裝有LabVIEW 2015軟件，外置數(shù)據(jù)采集板卡USB-2000，通過(guò)USB-RS232轉(zhuǎn)換器總線與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)PLC控制器連接，獲取相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)；主機(jī)在LabVIEW軟件平臺(tái)完成所有數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)存盤(pán)、數(shù)據(jù)顯示、報(bào)表輸出，運(yùn)行控制策略，并通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)棉花采摘過(guò)程中對(duì)輸送帶速度的 控制。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1）PLC控制器。PLC控制器在控制系統(tǒng)中完成對(duì)傳感器信號(hào)的采集、分析和處理，并輸出信號(hào)通過(guò)變頻器控制三相異步電動(dòng)機(jī)執(zhí)行動(dòng)作。根據(jù)系統(tǒng)輸入/輸出點(diǎn)數(shù)及輸出高速脈沖數(shù)，選用西門(mén)子SIMATIC S7-200CN系列CPU 224XP CN控制器，該CPU具有14個(gè)數(shù)字量輸入點(diǎn)和10個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，電源電壓為直流85～264 VAC，頻率為47～63 Hz；在25 ℃常溫模式下，滿量程精度±0.2%[11-14]，系統(tǒng)的I/O端口如表1所示。

表1 PLC輸入輸出地址分配

2）變頻器。使用3臺(tái)功率分別為7.5、4.0和2.2 kW的AC70系列變頻器調(diào)節(jié)采摘電動(dòng)機(jī)、輸送帶電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，該型變頻器調(diào)試簡(jiǎn)單并具有完善的功能對(duì)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。變頻器與可編程控制器（PLC）之間通過(guò)采用串行接口協(xié)議（ModBus）中的RTU傳輸模式[15]，該通信方式的“單主多從”控制網(wǎng)絡(luò)，便于PLC與采摘滾筒電動(dòng)機(jī)變頻器、輸送帶電動(dòng)機(jī)變頻器和風(fēng)機(jī)電動(dòng)機(jī)變頻器的通信。圖4為設(shè)定的變頻器ModBus通信報(bào)文結(jié)構(gòu)圖，在RTU模式中，消息發(fā)送至少要以3.5個(gè)字節(jié)傳輸時(shí)間的停頓間隔作為開(kāi)始，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)域依次為：從機(jī)地址、操作命令碼、數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)字，每個(gè)域都是以十六進(jìn)制的0，1，2…9，A，B，C…F字節(jié)進(jìn)行傳輸，在消息發(fā)送過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷偵測(cè)包括停頓時(shí)間間隔在內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)總線，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)域的地址信息被接收到，其余網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都對(duì)該字節(jié)進(jìn)行解碼來(lái)判斷是否接收此消息，當(dāng)最后一個(gè)字節(jié)傳輸完成，經(jīng)歷一個(gè)至少為3.5個(gè)字符時(shí)間的停頓后，即可開(kāi)始另一個(gè)新消息的發(fā)送。

圖4 變頻器ModBus通信報(bào)文結(jié)構(gòu)圖

3）電機(jī)。用QABP系列變頻調(diào)速三相異步電機(jī)，表2為采摘電機(jī)、輸送帶電機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的性能參數(shù)。

表2 電動(dòng)機(jī)性能參數(shù)

2.1.3 驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)

1）數(shù)據(jù)采集卡。該系統(tǒng)采用USB-2000多功能數(shù)據(jù)采集卡（北京思邁科華技術(shù)有限公司）采集扭矩信號(hào)和溫度信號(hào)，該數(shù)據(jù)采集卡有5種常用的測(cè)量與控制功能：16-bit模擬輸入分辨率；最高1 MS/s模擬輸入采樣率；采樣周期可按20 ns步進(jìn)任意設(shè)置；最高16通道模擬輸入；模擬輸入±10 V/±5 V/±2.5 V/±1.25 V±/0.5 V，可通過(guò)軟件配置；4通道同步模擬輸出[16]。USB-2000采集卡上有一個(gè)可存儲(chǔ)16 kB A/D采樣點(diǎn)的FIFO（first input first output）先入先出緩沖器，當(dāng)FIFO半滿時(shí)，板卡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，該特性為測(cè)控系統(tǒng)對(duì)扭矩和溫度信號(hào)的高速采集提供了保證。

2）傳感器。測(cè)控系統(tǒng)選用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，將其分別安裝在采摘裝置與輸送裝置的動(dòng)力源和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，用來(lái)測(cè)量裝置的驅(qū)動(dòng)扭矩M和采摘滾筒轉(zhuǎn)速。扭矩與其方波信號(hào)頻率的轉(zhuǎn)換關(guān)系分為2種。

正向轉(zhuǎn)矩輸出值為

反向轉(zhuǎn)矩輸出值為

式中M為采摘棉花時(shí)對(duì)主軸產(chǎn)生的正向轉(zhuǎn)矩，N×m；為轉(zhuǎn)矩滿量程；f為正向滿量程輸出頻率值，kHz；實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)矩輸出頻率值，kHz；M為采摘棉花時(shí)對(duì)主軸產(chǎn)生的反向轉(zhuǎn)矩，N×m；f為反向滿量程輸出頻率值，kHz；0為轉(zhuǎn)矩零點(diǎn)輸出頻率值，kHz。

根據(jù)傳感器技術(shù)參數(shù)可知傳感器內(nèi)部傳感齒輪的齒數(shù)為= 60，則測(cè)量轉(zhuǎn)速與其方波信號(hào)頻率為的關(guān)系為

式中為轉(zhuǎn)速，r/min；為傳感器測(cè)速盤(pán)齒數(shù)。

通過(guò)安裝在采摘頭傳動(dòng)軸上的扭矩轉(zhuǎn)速傳感器可以采集到采摘滾筒運(yùn)行時(shí)驅(qū)動(dòng)扭矩的變化情況；通過(guò)安裝在采摘頭內(nèi)部的溫度傳感器，可以采集采摘頭運(yùn)行時(shí)采摘頭內(nèi)部潤(rùn)滑液的油溫，表3為所用各傳感器的性能 參數(shù)。

表3 傳感器性能參數(shù)

2.2 測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.2.1 測(cè)控系統(tǒng)操作面板

本系統(tǒng)測(cè)控軟件使用美國(guó)NI公司的LabVIEW語(yǔ)言開(kāi)發(fā)完成。虛擬儀器操作面板是測(cè)控系統(tǒng)與用戶交流信息的橋梁[17-21]，通過(guò)面板上的按鈕、開(kāi)關(guān)和顯示窗口可以很方便地觀察實(shí)時(shí)檢測(cè)的結(jié)果以及顯示操作系統(tǒng)的工作情況[22-23]。測(cè)控系統(tǒng)操作面板如圖5所示。

棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)操作面板主要包括采摘電動(dòng)機(jī)、輸送帶電動(dòng)機(jī)和風(fēng)機(jī)電機(jī)的啟停、轉(zhuǎn)速控制、扭矩曲線顯示、溫濕度曲線顯示及數(shù)據(jù)采集報(bào)警等功能。試驗(yàn)過(guò)程中能夠?qū)﹄妱?dòng)機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確控制，同時(shí)將通過(guò)USB-2000數(shù)據(jù)采集卡采集的轉(zhuǎn)速信號(hào)、扭矩信號(hào)和溫濕度信號(hào)實(shí)時(shí)的顯示出來(lái)。

2.2.2 電動(dòng)機(jī)控制子程序VI

在使用LabVIEW編程時(shí)采用模塊化編程的思想有效地利用子程序VI(virtual instrument)，可以簡(jiǎn)化程序結(jié)構(gòu)，提高VI運(yùn)行效率[24-25]。本測(cè)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)中最重要部分是3臺(tái)電機(jī)控制子VI和數(shù)據(jù)采集與處理子VI，圖6為采摘滾筒電動(dòng)機(jī)調(diào)速程序框圖。

圖5 測(cè)控系統(tǒng)操作面板

圖6 采摘電機(jī)調(diào)速程序框圖

電機(jī)調(diào)速程序?qū)斎胫颠M(jìn)行ModBus格式化，然后將ModBus后的10進(jìn)制值轉(zhuǎn)換為供變頻器通訊報(bào)文中數(shù)據(jù)和校驗(yàn)區(qū)使用的16進(jìn)制數(shù)值，改變數(shù)值區(qū)的值即改變變頻器的輸出頻率，校驗(yàn)區(qū)為一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)，保證通訊準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2.3 數(shù)據(jù)采集與處理子程序VI

利用USB-2000數(shù)據(jù)采集卡的3個(gè)模擬量輸入通道對(duì)扭矩、速度和溫度信號(hào)進(jìn)行高速采集，根據(jù)傳感器固有參數(shù)，分別設(shè)定默認(rèn)采樣頻率為0～5 kHz和10～15 kHz。圖7為數(shù)據(jù)采集與處理子程序VI的流程圖和程序框圖，首先，對(duì)板卡進(jìn)行初始化，設(shè)定板卡設(shè)備號(hào)、采集通道及采集頻率等相關(guān)參數(shù)，然后采用循環(huán)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，板卡16 kB大小的FIFO緩沖器分為相同大小的前后2個(gè)分區(qū)使用，執(zhí)行1次中斷采集可以進(jìn)行多次A/D轉(zhuǎn)換。當(dāng)FIFO前半?yún)^(qū)滿時(shí)，將此半?yún)^(qū)數(shù)據(jù)傳送到用戶緩沖區(qū)進(jìn)行低通濾波，去除數(shù)據(jù)采集過(guò)程中引入的高頻干擾，同時(shí)采集的數(shù)據(jù)繼續(xù)向FIFO的后半部分寫(xiě)入。當(dāng)FIFO全滿時(shí)，將后半部分?jǐn)?shù)據(jù)傳送到緩沖區(qū)中處理，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)會(huì)重新寫(xiě)入FIFO的前半部分，多次循環(huán)，對(duì)扭矩、速度和溫度信號(hào)進(jìn)行高速采集[26]，數(shù)據(jù)采集流程圖如圖7a所示。

2.3 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)在棉花采收過(guò)程中能夠?qū)D(zhuǎn)速連續(xù)調(diào)節(jié)，以達(dá)到最佳的經(jīng)濟(jì)性，需要合理控制算法實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶速度的調(diào)節(jié)，以達(dá)到較好的預(yù)期效果。

2.3.1 自適應(yīng)模糊PID控制算法

根據(jù)棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)的控制原理，值在1.1～1.6范圍內(nèi)，試驗(yàn)臺(tái)輸送帶速度應(yīng)匹配棉花采摘滾筒轉(zhuǎn)速，即當(dāng)采摘滾筒轉(zhuǎn)速變化時(shí)，輸送帶速度應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，同時(shí)，通過(guò)值調(diào)節(jié)器調(diào)整輸送帶速度以適應(yīng)負(fù)載變化。因此，控制器通過(guò)調(diào)整輸送帶速度適應(yīng)試驗(yàn)臺(tái)作業(yè)過(guò)程。

試驗(yàn)臺(tái)作業(yè)速度控制器由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)PID控制器、模糊推理調(diào)節(jié)器和值邊界調(diào)節(jié)器組成[27-28]?？刂破鞯慕Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。扭矩轉(zhuǎn)速傳感器采集的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速經(jīng)過(guò)傳感器內(nèi)部當(dāng)量模型轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)在線轉(zhuǎn)速，再經(jīng)值邊界調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為輸送帶最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓，該驅(qū)動(dòng)電壓r作為模糊PID調(diào)節(jié)器的輸入信號(hào)，為輸送帶實(shí)時(shí)作業(yè)速度，()為經(jīng)模糊PID調(diào)節(jié)器輸出的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓。控制器在運(yùn)行過(guò)程中不斷監(jiān)測(cè)棉花試驗(yàn)臺(tái)采摘滾筒轉(zhuǎn)速和輸送帶速度，并將輸送帶速度經(jīng)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓輸入控制器，與經(jīng)采棉輸送值調(diào)節(jié)器輸出的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓r形成偏差和偏差變化率E，實(shí)時(shí)調(diào)整PID控制參數(shù)輸出適當(dāng)驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)調(diào)節(jié)輸送帶速度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)整功能。

2.3.2 模糊PID控制器模糊集、論域及隸變函數(shù)

將試驗(yàn)臺(tái)輸送帶轉(zhuǎn)速的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓作為模糊PID輸入設(shè)定值，輸送帶速度轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)電壓與設(shè)定值之間偏差和偏差變化率E作為PID控制器的輸入語(yǔ)言變量，K、K、K作為輸出語(yǔ)言變量。隸屬函數(shù)均為三角分布函數(shù)。其模糊子集定義為:{正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）}，對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閧6，4，2，0，-2，-4，－6}；K、K、K變量的模糊子集定義為{正大（PB）、正中（PM）、正?。≒S）、零（ZO）、負(fù)?。∟S）、負(fù)中（NM）、負(fù)大（NB）}，對(duì)應(yīng)的論域?yàn)閧1，-1}。參數(shù)自整定公式為

圖9分別為比例、積分和微分系數(shù)在論域上的輸出曲面?？梢杂^察、E的變化對(duì)K、K、K的影響，隨著、E正向增加，K逐漸減小，K、K逐漸增大；隨著、E反向增加，K逐漸增大，K、K逐漸減??；在零點(diǎn)K、K、K為中間值。

注：rinput為驅(qū)動(dòng)電壓；de/dt為誤差變化率；Kp為比例調(diào)節(jié)系數(shù)；Ki為微分調(diào)節(jié)系數(shù)；Kd為積分調(diào)節(jié)系數(shù)；U(t)為經(jīng)模糊PID調(diào)節(jié)器輸出的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓；y為輸送帶實(shí)時(shí)作業(yè)速度。下同。

圖9 比例、積分和微分系數(shù)在論域上的輸出曲面

通過(guò)模糊控制對(duì)PID 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線修正，從而使輸送帶速度具有良好的穩(wěn)態(tài)性能。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)后，先設(shè)定輸送帶速度，同時(shí)通過(guò)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器檢測(cè)采摘滾筒的實(shí)際轉(zhuǎn)速，經(jīng)值邊界調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)換為最優(yōu)驅(qū)動(dòng)電壓，再經(jīng)過(guò)模糊PID調(diào)節(jié)后的最終輸出就是發(fā)送給輸送帶速度所對(duì)應(yīng)的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓。

3 臺(tái)架試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)地點(diǎn)為農(nóng)業(yè)部西北農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室收獲機(jī)械實(shí)驗(yàn)室，在棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)架上進(jìn)行試驗(yàn)，如圖10所示。試驗(yàn)時(shí)間為2017年9月25日至10月3日。輸送帶上夾持裝置的間距根據(jù)目前新疆植棉區(qū)機(jī)采棉種植模式66 cm＋10 cm機(jī)采棉帶狀種植模式。試驗(yàn)對(duì)象為第1果枝結(jié)鈴部位距地面15 cm以上、棉桿高度在65～85 cm（采用人工、機(jī)械打頂及化控）、脫葉率達(dá)80%以上的機(jī)采棉（新陸早26），棉花基本特性見(jiàn)表4。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備與儀器

棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)；DT-2234C數(shù)字式轉(zhuǎn)速表（中國(guó)TondaJ，量程：2.5～99 999 r/min；分辨率：0.1 r/min）；JN338型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器；SPS402F精密電子天平（美國(guó)Ohaus Scout Pro，量程0～400 g，精度0.01 g）。

1. 棉花輸送裝置 2. 測(cè)控系統(tǒng) 3. 電力輸出系統(tǒng) 4.采摘裝置 5. 籽棉輸送裝置

表4 試驗(yàn)棉花基本特性

3.3 試驗(yàn)方法

3.3.1 影響因素的確定

根據(jù)棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)，本試驗(yàn)主要分析影響棉花采收效果的關(guān)鍵參數(shù)：輸送帶速度、滾筒轉(zhuǎn)速、速比系數(shù)。

1）輸送帶速度

在保證棉花采摘作業(yè)性能和生產(chǎn)率的情況下，輸送帶速度v取1.1～2.0 m/s[2]。

2）采摘滾筒轉(zhuǎn)速

通過(guò)對(duì)采摘裝置的運(yùn)動(dòng)分析，滾筒轉(zhuǎn)速的選取與值、滾筒直徑的大小有關(guān)。滾筒轉(zhuǎn)速提高值增大，棉花采摘速度增大，采棉機(jī)采凈率提高。但過(guò)大的采摘 速度將打落棉鈴，含雜率上升。滾筒轉(zhuǎn)速可由式（12）確定[10]。

取1.1～1.6，滾筒半徑取120 mm[2]，輸送帶速度在0～2 m/s[29]，計(jì)算得出滾筒轉(zhuǎn)速取值范圍在95～150 r/min。

3.3.2 指標(biāo)測(cè)定

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量NY/T1133－2006[29]，本試驗(yàn)選取衡量棉花采收效果指標(biāo)為采凈率、含雜率。

1）采凈率

采收前在檢測(cè)樣本區(qū)選取5點(diǎn)，測(cè)定該區(qū)域內(nèi)所有棉株數(shù)及各開(kāi)裂棉鈴數(shù)，手工采摘開(kāi)裂棉鈴并稱質(zhì)量，計(jì)算出開(kāi)裂棉鈴單鈴質(zhì)量。求5點(diǎn)的平均值，得出檢測(cè)區(qū)平均開(kāi)裂棉鈴的單鈴質(zhì)量。在采收前測(cè)定該區(qū)域的棉株數(shù)及開(kāi)裂棉鈴總數(shù)，計(jì)算出開(kāi)裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量，清理自然落棉及地上枯葉。

采收后收集撞落棉、掛枝棉及漏采棉，分別稱質(zhì)量。按式（13）、式（14）分別計(jì)算。

式中S為撞落棉損失率，%；W為撞落棉質(zhì)量，g；為開(kāi)裂棉鈴的籽棉總質(zhì)量，g。

式中為采凈率，%；W為遺留在鈴殼內(nèi)未被采收的開(kāi)裂棉質(zhì)量，g；W為掛在棉株上的籽棉質(zhì)量，g。

2）含雜率

在棉箱的不同部位隨機(jī)抽取5份籽棉樣品，每份不少于2 000g，集中并充分混合，從中取出樣品5份，每份1 000g，人工揀出碎葉、莖稈、鈴殼、雜草、草籽等雜物。雜物質(zhì)量為樣品中所有雜物總質(zhì)量，按式（15）計(jì)算含雜率，每次試驗(yàn)的含雜率為5份樣品的平均值[29]。

式中為含雜率，%；W為樣品中人工揀出碎葉、莖稈、鈴殼、雜草、草籽等雜物質(zhì)量，g；W為樣品通過(guò)試軋機(jī)的雜質(zhì)量，g；W為樣品中皮棉所含雜質(zhì)量，g；W為樣品中特雜質(zhì)量，g；W為樣品質(zhì)量，g。

3.3.3 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)JN338型扭矩轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)DT-2234C數(shù)字式轉(zhuǎn)速表進(jìn)行標(biāo)定以及對(duì)轉(zhuǎn)速測(cè)量的精度進(jìn)行檢驗(yàn)，記錄系統(tǒng)測(cè)量值。通過(guò)對(duì)測(cè)量值的分析處理，得到扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量誤差。

在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)調(diào)節(jié)輸送帶電機(jī)以及采摘滾筒電機(jī)的頻率以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸送帶速度與滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)整，利用扭矩轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量扭矩。通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)人機(jī)交互界面對(duì)輸送帶速度進(jìn)行設(shè)置并實(shí)時(shí)顯示。

根據(jù)按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21397－2008 棉花收獲機(jī)的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，每次測(cè)100株，每個(gè)試驗(yàn)重復(fù)3 次。試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)采棉機(jī)作業(yè)質(zhì)量NY/T1133－2006測(cè)量并計(jì)算采凈率、含雜率[30-31]。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)穩(wěn)定試驗(yàn)臺(tái)輸送帶速度的可調(diào)節(jié)范圍，分別給定輸送帶速度（1.20～1.75m/s）進(jìn)行穩(wěn)態(tài)誤差試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果如表5所示，表5測(cè)試結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)輸送帶速度的穩(wěn)態(tài)誤差在系統(tǒng)可接受范圍之內(nèi)。

表5 輸送帶穩(wěn)態(tài)誤差測(cè)試結(jié)果

表6為棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控試驗(yàn)結(jié)果。由表6可知，當(dāng)采摘速比系數(shù)小于1.1、滾筒轉(zhuǎn)速小于100 r/min、輸送帶速度小于1.2 m/s時(shí)，采凈率小于90%，遺留棉大于2%，落地棉大于20%，不滿足采棉機(jī)作業(yè)規(guī)程要求；當(dāng)采摘滾筒轉(zhuǎn)速在130 r/min以上時(shí)，落地棉超過(guò)2%，含雜率20%以上。雜質(zhì)含量過(guò)高會(huì)增加采摘頭內(nèi)部棉花輸送難度，容易發(fā)生輸棉管道堵塞現(xiàn)象，影響正常采棉作業(yè)。采摘滾筒轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，棉花采凈率達(dá)94.3%，含雜率14.1%，落地棉小于1.1%。采摘質(zhì)量滿足棉花收獲規(guī)程要求。此時(shí)值為1.198，試驗(yàn)臺(tái)輸送帶速度約1.67 m/s。棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了棉花采摘連續(xù)采摘過(guò)程中輸送帶速度、采摘滾筒轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)及溫濕度、扭矩的采集、顯示和處理。

表6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果

4 結(jié) 論

1）利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)研制了一套棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)采摘電機(jī)、輸送帶電機(jī)速度和風(fēng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速大小的調(diào)節(jié)；可以對(duì)扭矩和溫度信號(hào)在高頻率下進(jìn)行高速采集與處理并實(shí)時(shí)顯示和保存；具有良好的可操作性和人機(jī)交互界面。

2）對(duì)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)工作性能可靠、測(cè)量參數(shù)準(zhǔn)確，能夠?yàn)槊藁ㄊ斋@裝備的開(kāi)發(fā)提供數(shù)據(jù)支持和理論依據(jù)。

3）利用該測(cè)控系統(tǒng)控制試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了各因素對(duì)棉花采摘性能影響的試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：在輸送帶速度為1.67 m/s、采摘滾筒轉(zhuǎn)速為120 r/min時(shí)，棉花采摘試驗(yàn)臺(tái)的棉花采凈率94.3%，含雜率14.1%，落地棉1.1%，均滿足優(yōu)等采摘標(biāo)準(zhǔn)，棉花采摘質(zhì)量達(dá)到國(guó)家采棉機(jī)作業(yè)規(guī)程要求。

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Development of control system for cotton picking test bench based on fuzzy PID control

Wang Youzhi, Zhang Hongwen※, Wang Lei, Li Guangyao, Zhang Yong, Liu Xiumei

(1.832003,; 2.832003,)

The quality of cotton harvesting performance has a direct impact on the technical index such as net production rate of cotton, loss rate of hit cotton and impurity rate. At the same time, field cotton picking test parameters are important basis for measuring cotton picking performance. In order to study and develop the cotton picking device, the cotton picking experiment must be carried out by using the experimental device. A control system of cotton picking test bench was designed in this paper. PLC (programmable logic controller) was used as the processor of the system and HMI (human-machine interface) was designed based on LabVIEW, which realized the automatic start-stop of the cotton picking test bench, and the picking performance parameters could be manual adjustment on the human-computer interface. According to the design requirements, the corresponding network programs included the main program, motor speed control subroutine, data acquisition and processing subroutine, serial communication subroutine, data storage subroutine and so on. The sub-program of motor speed control included the start and stop of picking motor, conveyor belt motor and fan motor. The subroutine of data acquisition and processing was used to collect the torque and speed of the picking device and the conveyor belt, the temperature and humidity of the picking environment. Serial communication subroutine was used to develop the communication program with PLC based on the standard of VISA instrument programming I/O API in LabVIEW. The data storage was used to collect the datas and save it to the hard disk for subsequent data analysis after processing. The control system was composed of 3 parts: motor control system, data acquisition system and upper computer. The motor control system consists of frequency converter, picking motor, conveyor motor, fan motor and PLC controller. According to the motor speed and fuzzy PID control strategy, the rotational speed of the plucking drum, the speed of conveyor belt and the speed of the fan were accurately controlled. The data acquisition system was composed of USB-2000 acquisition card, temperature and humidity sensor, torque speed sensor, F/V converter and signal conditioning circuit. Before the data collection system working, the parameters of USB-2000 card, communication channel and data acquisition frequency should be selected first. The output datas of torque speed sensor and temperature and humidity sensor were recorded in a high-speed and accurate way. At the same time, the torque speed sensor was used to measure the real-time speed of the motor, and on this basis, the fuzzy PID control of the motor was carried out. The upper computer system was made up of IPC and measurement and control software, the human-computer interaction interface developed by LabVIEW displayed and analyzed data in real time. The test results show that the picking speed and speed of conveyor belt could be continuously adjusted within 0～2 m/s, the temperature and picking torque signals could be collected quickly from 0~5 kHz and 10~15 kHz, and could carry on the data collection and record. In order to verify the reliability and accuracy of the measurement and control system, the picking experiment of cotton (Xin Luzao 26) was carried out in this paper. The moisture content of cotton was 25.1%, the plant spacing was 300 mm and the row spacing was 600 mm. When the conveyor speed was 1.67 m/s and the picking drum speed was 120 r/min, the cotton picking net rate of the cotton picking test bench was 94.3%, the impurity rate was less than 14.1%, the ground cotton was less than 1.1%, and the cotton picking quality was meet the requirements of the national cotton picker operating procedures. The quality of cotton picking conform the requirements of the national cotton picking machine. It provided a theoretical basis and technical support for the optimization of performance parameters of picking head and the localization of cotton picking and harvesting equipment.

agricultural machinery; cotton; picking head; picking performance; test and control system

王由之，張宏文，王 磊，李光耀，張 勇，劉秀梅. 基于模糊PID控制的棉花采摘性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(23)：23－32. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.003 http://www.tcsae.org

Wang Youzhi, Zhang Hongwen, Wang Lei, Li Guangyao, Zhang Yong, Liu Xiumei. Development of control system for cotton picking test bench based on fuzzy PID control[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 23－32. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.003 http://www.tcsae.org

2018-07-15

2018-10-03

國(guó)家自然基金項(xiàng)目（51605314，50865011）；兵團(tuán)師區(qū)域發(fā)展創(chuàng)新支持計(jì)劃

王由之，主要從事測(cè)試技術(shù)與自動(dòng)化裝置的研究。 Email：wyz_mac1373865782@163.com

張宏文，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械系統(tǒng)仿真方面的研究。Email：zhw_mac@shzu.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.003

S225.91+1

A

1002-6819(2018)-23-0023-10