谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制方式與技術(shù)分析

陶繼哲

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院,哈爾濱 150081)

0 引言

《國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃綱要》明確指出要促進(jìn)農(nóng)業(yè)械化的提檔升級,重點支持發(fā)展聯(lián)合收獲機(jī)械裝備提升機(jī)械化、智能化與信息化水平,全面提高收獲機(jī)械裝備的綜合性能,促進(jìn)我國收獲機(jī)械行業(yè)“數(shù)量”與“質(zhì)量”水平的雙重提升[1]。隨著我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展,玉米、小麥、大豆等谷物類種植面積不斷增加,谷物聯(lián)合收獲機(jī)使用率逐年提升,對谷物聯(lián)合收獲機(jī)的收獲質(zhì)量、勞動強度、生產(chǎn)效率與實際的持有量及投入量等提出更高要求。谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制不但提高收獲質(zhì)量和生產(chǎn)效率,而且降低勞動強度、生產(chǎn)成本和谷物收獲損失率,全面優(yōu)化谷物聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)性能,為“機(jī)械化、智能化、精細(xì)化農(nóng)業(yè)”發(fā)展提供技術(shù)參考[2-3]。

1 谷物聯(lián)合收獲機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀

谷物聯(lián)合收獲機(jī)(簡稱聯(lián)合收獲機(jī))基于“聯(lián)合收獲法”能夠在田間一次性作業(yè)過程完成谷物類作物切割、喂入、輸送、分離、清選、除雜、脫粒和集糧等工作的功能復(fù)合型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械。目前,我國的聯(lián)合收獲機(jī)應(yīng)用于稻麥類農(nóng)作物收獲,主要包括牽引式和自走式兩種機(jī)型。其中,牽引式聯(lián)合收獲機(jī)是20世紀(jì)50—60年代由蘇聯(lián)引進(jìn)到我國,通過拖拉機(jī)作為動力提供牽引,在田間一次性完成收獲、脫粒、除雜和集糧等功能,但聯(lián)合收獲機(jī)與拖拉機(jī)配套使用存在整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊性較差、動力轉(zhuǎn)向靈活性較差、行駛底盤穩(wěn)定性較差及田間適應(yīng)性較差等問題,且現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較少,僅適用于小型或家庭農(nóng)田;自走式聯(lián)合收獲機(jī)是通過專用動力系統(tǒng)和行駛底盤,在田間一次性完成谷物全功能收獲及全機(jī)械獨立脫粒清選等農(nóng)藝過程,具有整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)向靈活、底盤穩(wěn)定及田間適應(yīng)性較好,現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用較多。

由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中工作環(huán)境惡劣、實際工況復(fù)雜且谷物收獲時稻麥類農(nóng)作物生長程度不同、含水率不同、種植密度不同及種植區(qū)域不同都會對谷物類農(nóng)作物收獲效果產(chǎn)生不同的影響,傳統(tǒng)的谷物收獲主要依靠農(nóng)機(jī)操作人員根據(jù)谷物聯(lián)合收獲機(jī)工作狀態(tài)及收獲時稻麥類農(nóng)作物生長情況等進(jìn)行“主觀”判斷和調(diào)整,在實際作業(yè)過程中,使谷物聯(lián)合收獲機(jī)工作穩(wěn)定性與可靠性差、易發(fā)生機(jī)械故障,影響谷物收獲效率與質(zhì)量等。針對以上問題,在谷物聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過程中,利用多傳感器信息融合技術(shù)、大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、自動化與智能化控制技術(shù)等,開展谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制技術(shù)研究,在充分保證谷物收獲效率與質(zhì)量前提下,依據(jù)不同谷物類農(nóng)作物籽粒損失率、破碎率、含雜率等收獲數(shù)據(jù)實時調(diào)節(jié)脫粒系統(tǒng)作業(yè)參數(shù),依據(jù)谷物聯(lián)合收獲機(jī)各個工作部件的工作狀態(tài)實時監(jiān)測與調(diào)整聯(lián)合收獲機(jī),實現(xiàn)谷物聯(lián)合收獲處于“最優(yōu)”控制范圍,為我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化與智能化發(fā)展提供技術(shù)支撐,且應(yīng)用前景廣泛[4-5]。

2 谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制方式

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制是一種基于谷物收獲在線參數(shù)評估方法與控制系統(tǒng)設(shè)計方法的融合技術(shù)并兼顧“自校正”能力的控制方式。由于谷物收獲時,農(nóng)作物生長情況、收獲機(jī)械運行狀態(tài)及工作環(huán)境(天氣狀況、田間氣候、地形特點)等被控對象具有不確定性,存在著大量的未知且隨機(jī)的客觀因素影響。在其實際運行過程中,谷物聯(lián)合收獲機(jī)通過自適應(yīng)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理單元實時獲取被控對象輸入與輸出狀態(tài),了解并掌握作業(yè)過程的綜合信息,依據(jù)谷物收獲在線參數(shù)評估與控制系統(tǒng)設(shè)計的方法,為適應(yīng)環(huán)境參數(shù)變化,利用反饋單元的信息反饋動態(tài)更新系統(tǒng)控制器,谷物聯(lián)合收獲機(jī)做出相應(yīng)控制決策,使谷物收獲控制效果達(dá)到最優(yōu)或近似最優(yōu)狀態(tài)[6]。目前,谷物聯(lián)合收獲機(jī)比較成熟的自適應(yīng)控制方式有以下幾種。

2.1 自校正調(diào)節(jié)控制方式

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自校正調(diào)節(jié)控制是利用被控對象數(shù)學(xué)模型與遞推估計算法對谷物聯(lián)合收獲系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行在線評估,并通過評估對象系統(tǒng)辨識及對周圍環(huán)境變化自動校準(zhǔn)調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制,以使系統(tǒng)達(dá)到期望控制目標(biāo)的自適應(yīng)控制方式,自校正調(diào)節(jié)控制單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,自校正調(diào)節(jié)控制單元分為內(nèi)環(huán)和外環(huán)兩部分,其中內(nèi)環(huán)主要由被控對象和線性反饋調(diào)節(jié)器組成,外環(huán)主要由聯(lián)合收獲機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)和遞推參數(shù)估計器組成,線性反饋調(diào)節(jié)器接收遞推參數(shù)估計器信號進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)。在工作過程中,自校正調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)自動完成系統(tǒng)建模與控制設(shè)計,自動校正系統(tǒng)參數(shù),并在每個采樣周期更新一次,以使谷物收獲控制效果達(dá)到最優(yōu)。

圖1 自校正調(diào)節(jié)控制單元結(jié)構(gòu)

2.2 模型參考自適應(yīng)控制方式

谷物聯(lián)合收獲機(jī)的模型參考自適應(yīng)控制是利用被控對象參考模型與自適應(yīng)規(guī)律,通過非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定理論的方法,控制被控對象參數(shù)在自適應(yīng)調(diào)節(jié)過程始終保持穩(wěn)定,并使其參考模型極值收斂于目標(biāo)參考值,以使系統(tǒng)達(dá)到期望控制目標(biāo)的自適應(yīng)控制方式,模型參考自適應(yīng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中,模型參考自適應(yīng)控制單元主要由參考模型、被控對象、前饋控制器、反饋控制器及自適應(yīng)機(jī)構(gòu)等組成。在工作過程中,模型參考自適應(yīng)控制系統(tǒng)依據(jù)系統(tǒng)初期建立的參考模型與自適應(yīng)機(jī)構(gòu)所應(yīng)遵循算法,不斷計算并優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),并在每個采樣周期更新一次,以使谷物收獲控制效果達(dá)到最優(yōu)。

圖2 模型參考自適應(yīng)控制單元結(jié)構(gòu)

2.3 自尋最優(yōu)控制方式

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自尋最優(yōu)控制是利用被控對象輸入與輸出特性中至少一個非線性特性處于最優(yōu)運行狀態(tài),即被控對象數(shù)學(xué)模型極值點,自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)自動搜索和保持系統(tǒng)輸出位于目標(biāo)極值的狀態(tài),以使谷物收獲系統(tǒng)達(dá)到期望控制目標(biāo)的自適應(yīng)控制方式,自尋最優(yōu)控制單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中,自尋最優(yōu)控制單元主要由反饋控制器、自適應(yīng)優(yōu)化控制器及被控對象等組成。在工作過程中,自尋最優(yōu)控制系統(tǒng)采用自尋最優(yōu)控制策略,結(jié)合實驗分析經(jīng)驗數(shù)據(jù)自動保持系統(tǒng)工作在極值位置的最優(yōu)控制量,并使運行狀態(tài)的梯度趨于零,以使谷物收獲控制效果達(dá)到最優(yōu)。

圖3 自尋最優(yōu)控制單元結(jié)構(gòu)

2.4 可變增益自適應(yīng)控制方式

谷物聯(lián)合收獲機(jī)的可變增益自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速,在各個領(lǐng)域應(yīng)用普遍,通過系統(tǒng)中的一組或多組可變增益放大器,能夠使谷物收獲系統(tǒng)達(dá)到期望控制目標(biāo),可變增益自適應(yīng)控制單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中,可變增益自適應(yīng)控制單元主要由可變增益機(jī)構(gòu)(可變增益放大器)、調(diào)節(jié)器及被控對象等組成。在工作過程中,可變增益自適應(yīng)控制系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)器依據(jù)被控過程的參數(shù)變化規(guī)律實時進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計,當(dāng)被控對象(或控制過程)的參數(shù)(狀態(tài))發(fā)生變化時,系統(tǒng)程序自動改變調(diào)節(jié)器的增益,以使系統(tǒng)保持良好的運行狀態(tài)和谷物收獲控制最優(yōu)效果。

圖4 可變增益自適應(yīng)控制單元結(jié)構(gòu)

3 谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制關(guān)鍵技術(shù)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制的關(guān)鍵一階系統(tǒng)的自適應(yīng)控制技術(shù)研究[7],分析重點是谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)一階微分方程

y=-apy+bpu

(1)

式中y—為系統(tǒng)的輸出函數(shù);

u—為系統(tǒng)輸入函數(shù);

ap與bp—為系統(tǒng)參數(shù)。

3.1 問題描述

在谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制過程中,系統(tǒng)參數(shù)ap與bp均是未知數(shù),期望控制目標(biāo)一階參考模型

yR=-aRyR+bRr(t)

(2)

式中aR與bR—為常數(shù);

r(t)—為外部參考信號;

R—為參考模型傳遞函數(shù)。

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制問題描述的關(guān)鍵是研究分析系統(tǒng)控制規(guī)律與自適應(yīng)規(guī)律,使系統(tǒng)模型與參考模型的跟蹤誤差近似趨近于零。

3.2 控制規(guī)律選擇

期望控制目標(biāo)一階參考模型基本控制規(guī)律

u=ar(t)r+ay(t)y

(3)

式中ar(t)與ay(t)—為系統(tǒng)反饋增益函數(shù)。

結(jié)合系統(tǒng)一階微分方程式(1)與(3)整理得到系統(tǒng)閉環(huán)控制方程

y=-(aq-aybp)y+arbpr(t)

(4)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制規(guī)律選擇的關(guān)鍵是實現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)控制模型精確匹配,保證閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與參考模型實時相同,從而,實現(xiàn)系統(tǒng)模型與參考模型的“零”跟蹤誤差。

3.3 自適應(yīng)規(guī)律選擇

系統(tǒng)模型參數(shù)誤差與跟蹤誤差之間存在如下關(guān)系

(5)

式中p—為拉普拉斯變量。

其中,系統(tǒng)自適應(yīng)控制規(guī)律表示

(6)

式中γ—為系統(tǒng)自適應(yīng)增益常數(shù);

sgn(bp)—正負(fù)決定控制器參數(shù)方向。

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)規(guī)律選擇的關(guān)鍵是依據(jù)經(jīng)典自適應(yīng)規(guī)律,求解系統(tǒng)的自適應(yīng)增益常數(shù),并確定適當(dāng)?shù)淖赃m應(yīng)控制器的方向。

3.4 跟蹤收斂性分析

李雅普諾夫理論是分析系統(tǒng)穩(wěn)定性與收斂性主要方法,自適應(yīng)控制系統(tǒng)李雅普諾夫函數(shù)

(7)

谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制跟蹤收斂性分析的關(guān)鍵是在系統(tǒng)模型求解過程中,保證跟蹤誤差全局近似收斂,并確保自適應(yīng)控制系統(tǒng)的李雅普諾夫函數(shù)始終為連續(xù)函數(shù)。

4 結(jié)論

通過谷物聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀的討論,深入地分析了谷物聯(lián)合收獲機(jī)中的自校正調(diào)節(jié)、模型參考自適應(yīng)、自尋最優(yōu)、可變增益自適應(yīng)等控制方式,詳細(xì)地討論了谷物聯(lián)合收獲機(jī)自適應(yīng)控制中問題描述、控制規(guī)律選擇、自適應(yīng)規(guī)律選擇與跟蹤收斂性分析等關(guān)鍵技術(shù),為谷物聯(lián)合收獲機(jī)的機(jī)械化與智能化應(yīng)用提供了借鑒參考。