王林生,馬　瑛，汪小志，劉志剛

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽　473000；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌　330031)

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基于模糊控制的播種機(jī)精密單體播深控制仿真研究

王林生1,馬瑛1，汪小志2,3，劉志剛2,3

(1.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，河南 南陽473000；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.南昌大學(xué) 資源環(huán)境與化工學(xué)院，南昌330031)

摘要：為了提高播種機(jī)單體播深控制的精度和速度及研究播種機(jī)作業(yè)過程中土壤的變化規(guī)律，設(shè)計了一種新的播種機(jī)單體控制系統(tǒng)，在播種自動化控制環(huán)節(jié)中引入了模糊算法和PID閉環(huán)控制，建立了播深模糊控制的數(shù)學(xué)模型，并通過多軟件聯(lián)合仿真的方式對控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真實驗，驗證了算法的有效性和可靠性。利用MatLab線性回歸算法得到播深和施加力的線性回歸方程，通過播深的反饋調(diào)節(jié)對施加力進(jìn)行模糊控制，使用MatLab模糊控制工具箱設(shè)置了控制參數(shù)，最終實現(xiàn)播種機(jī)精密PID閉環(huán)控制。應(yīng)用Pro/E軟件設(shè)計了精密播種機(jī)三維參數(shù)化模型，將模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中進(jìn)行了運(yùn)動仿真，將結(jié)果和MatLab計算得到的結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)：其誤差小于10%，說明仿真結(jié)果是可靠的。

關(guān)鍵詞：模糊控制；播種機(jī)；播深控制；PID控制

0引言

精密播種技術(shù)已成功應(yīng)用于多種作物的種植，是農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、增收和降低糧食生產(chǎn)成本的重要措施之一。精密播種技術(shù)要求播深精確，為作物生長發(fā)育創(chuàng)造最佳的條件。20世紀(jì)90年代國外三維CAD軟件已開始在農(nóng)機(jī)公司用于農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中，并且CAD三維設(shè)計軟件也不斷的趨向多元化，到目前為止，Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等三維設(shè)計軟件在農(nóng)業(yè)機(jī)械上進(jìn)行了普遍應(yīng)用。國內(nèi)在2000年后開始有人嘗試使用Pro/E、UG等三維設(shè)計軟件對農(nóng)業(yè)機(jī)械零部件建模與參數(shù)化設(shè)計并逐漸普及，為農(nóng)業(yè)機(jī)械研究和設(shè)計方法提高開辟了新思路。

隨著計算機(jī)硬件和軟件系統(tǒng)性能的提升，計算機(jī)仿真技術(shù)開始應(yīng)用在播種機(jī)的研究和設(shè)計過程中，包括零部件的參數(shù)化設(shè)計和樣機(jī)的虛擬仿真，從而大大提高了產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量和設(shè)計效率，降低了設(shè)計成本，為精密播種機(jī)的研究提供了更好的方向和思路。但是，到目前為止，對于精密播種機(jī)還缺乏深入系統(tǒng)的仿真模擬設(shè)計，本文基于計算機(jī)虛擬仿真技術(shù)對播種機(jī)的作業(yè)過程進(jìn)行了仿真模擬，主要從播深控制和土壤的變化上研究播種機(jī)的作業(yè)規(guī)律，為精密播種機(jī)的設(shè)計提供了技術(shù)參考。

1播種機(jī)播深控制仿真模擬總體設(shè)計

近年來，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械新材料、新技術(shù)與新工藝的廣泛應(yīng)用，國外農(nóng)機(jī)公司的研究和推廣精密播種機(jī)的技術(shù)水平越來越高，許多著名農(nóng)機(jī)公司已經(jīng)有許多成熟的精密播種機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，并且在播種質(zhì)量控制上達(dá)到了較高的技術(shù)水平。其性能主要表現(xiàn)在播深的控制上，與播種機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計關(guān)系密切，其主要的精密播種機(jī)結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。

圖1　精密播種機(jī)示意圖

目前，多數(shù)播種機(jī)都采用了平行四桿仿形機(jī)構(gòu)，在播種的單體上設(shè)計了精密的播深調(diào)整裝置，可以準(zhǔn)確地調(diào)整和指示播深，保證了播種深度的一致性。利用不同結(jié)構(gòu)和材料的覆土器和開溝器，使精密播種機(jī)滿足了很多不同作物土壤的播種需求，其適應(yīng)性比較好。本文利用仿真模擬的方法對精密播種機(jī)單體的控制裝置進(jìn)行設(shè)計，并利用仿真模擬的方法對裝置的控制性能進(jìn)行驗證，其設(shè)計過程如圖2所示。

設(shè)計時，首先利用MatLab軟件仿真計算得到土壤力和播深的線性回歸模型，利用模糊控制原理控制力和播深的誤差，并利用PID閉環(huán)控制將播深反饋給控制模型，從而調(diào)整播種機(jī)單體的施加力，達(dá)到自動化控制播深的效果。為了驗證該系統(tǒng)的可靠性，本文使用PrO/E和ADMAS聯(lián)合仿真的形式對系統(tǒng)進(jìn)行了驗證，希望通過在ADMAS中輸入一致性的運(yùn)動仿真參數(shù)，得到一致的仿真模擬結(jié)果。

圖2　播種機(jī)播深精密控制過程示意圖

2播種機(jī)播深模糊控制數(shù)學(xué)模型和算法設(shè)計

為了提高播種機(jī)播深的控制精度，采用模糊算法對播種機(jī)施加給土壤的力進(jìn)行模糊控制，并通過定義位移誤差域和施加力的誤差域來實現(xiàn)PID閉環(huán)自動化控制。首先，定義播種機(jī)的播深和控制力的誤差范圍，有

-5mm≤x(k)=x(k)-x(k-1)≤5mm

-20N≤f(i)=f(i)-f(i-1)≤20N

(1)

播種機(jī)模糊控制的基本算法中播深和力的誤差域分別為S[-5,5]和F[-20,20]，首先利用代數(shù)式將智能控制系統(tǒng)的模糊控制算法進(jìn)行離散化，有

(2)

其中，x∈[u,v]，表示誤差域；n為離散度。通過離散化共得到n個子矩陣關(guān)系，其算法為

M=M1∪M2∪…∪Mn

(3)

通過播深誤差量的反饋調(diào)節(jié)，得到模糊控制輸出量為

Y=(S×F)·M

(4)

播深可以通過傳感器直接測量得到，利用播深的PID反饋調(diào)節(jié)，將播深帶入到播深和力的數(shù)學(xué)模型中，便可以得到施加力的大小。其中，播深和力的控制模型通過MatLab線性回歸計算可以得到。通過MatLab中的Curve Fitting Tool工具進(jìn)行擬合計算，得出不同試驗條件下的土壤的流變參數(shù)，從而得到在力一定條件下的播深數(shù)學(xué)模型為

(5)

圖3　模糊控制設(shè)置窗口

首先在MatLab的命令窗口的command window中輸入 fuzzy，回車就會出來這樣一個窗口；調(diào)用fuzzy工具箱，生成的是一個.fis的文件，如圖4所示。

圖4　MatLab添加土壤參數(shù)

播深和力的調(diào)節(jié)是利用MatLab變量的形式進(jìn)行添加，其誤差控制利用差分的方式進(jìn)行迭代，將結(jié)果離散化，輸入模糊控制的參數(shù)(包括模糊控制函數(shù)和隸屬度)，便可以得到計算結(jié)果。

3播種機(jī)單體模糊控制聯(lián)合仿真設(shè)計

本節(jié)中使用MatLab、PrO/E和ADAMS 3種軟件對播種機(jī)的單體模糊控制進(jìn)行聯(lián)合仿真，使用MatLab對播深的控制曲線進(jìn)行擬合，得到播深控制的變化規(guī)律;利用Pro/E建立播種機(jī)和單體的參數(shù)化模型，利用ADAMS軟件對模型進(jìn)行仿真。本文選取了一定含水率的土壤，對土壤進(jìn)行試驗測量得到了如表1所示的流變參數(shù)。

表1　流變參數(shù)表

本文使用表1所示的流變參數(shù)，結(jié)合式(5)對播深隨時間的變化規(guī)律進(jìn)行仿真，其施加鎮(zhèn)壓力為800N，通過MatLab仿真計算最終得到了如圖5所示的播深隨時間變化曲線。

圖5　播深隨時間變化曲線

由圖5可以看出:該曲線的變化趨勢符合Burgers模型曲線的變化規(guī)律。在初始階段，播深的變化并不顯著;但隨著下壓時間的增加，下陷量的變化則越來越顯著，在一段時間后，播深的變化開始穩(wěn)定。

為了驗證MatLab計算仿真的可靠性，本章以 Pro/E 4.0 軟件為開發(fā)平臺，對精密播種機(jī)零部件進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計，如圖6所示。

模型的建立采用自下而上的方式完成。圖6表示設(shè)計的一個播種機(jī)開溝器的模型，將不同的零件利用Assembly模塊進(jìn)行裝配，并在零件之間建立一定的連接關(guān)系，從而確定零件的空間位置關(guān)系，將播種機(jī)單體和拖拉器械進(jìn)行組裝，最終得到總裝配體。

圖6　播種機(jī)開溝器設(shè)計

如圖7所示，將Pro/E得到的裝配體利用Mech/pro可從實現(xiàn)從Pro/E 到 ADAMS 的轉(zhuǎn)換，利用ADAMS導(dǎo)入的模型可以實現(xiàn)播種機(jī)單體的運(yùn)動學(xué)仿真。為了提高計算的精度，利用柔性體生成器模塊建立了地面模型，并使用MatLab仿真計算的參數(shù)進(jìn)行仿真計算，通過計算最終得到了如圖8所示的計算結(jié)果。

圖7　添加運(yùn)動副后的效果

圖8　ADMAS和MatLab結(jié)果對比

圖8表示利用ADMAS仿真計算得到的播深和MatLab得到結(jié)果的對比曲線。由曲線可以看出：利用兩種軟件仿真模擬得到的曲線變化趨勢相同，都符合Burgers模型曲線變化規(guī)律；利用ADMAS得到的仿真結(jié)果和MatLab得到的仿真結(jié)果誤差最大僅為10%，從而驗證了計算結(jié)果的有效性和可靠性，為精密播種機(jī)的設(shè)計提供了數(shù)據(jù)參考。

4結(jié)論

設(shè)計了一種新型播種機(jī)單體播深的閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用模糊控制和PID閉環(huán)控制作為系統(tǒng)的控制算法，有效地提高了播種機(jī)單體播深的控制精度和自動化程度。為了驗證該控制系統(tǒng)的有效性和可靠性，采用MatLab和ADMAS聯(lián)合仿真的形式對算法進(jìn)行驗證，通過MatLab得到了播深隨時間變化曲線，利用Pro/E建立了播種機(jī)單體的參數(shù)化模型，將模型導(dǎo)入到ADMAS中進(jìn)行了運(yùn)動仿真，通過得到了播深隨時間變化曲線。將ADAMS得到的計算結(jié)果和MatLab仿真結(jié)果進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，其誤差小于5%，說明仿真結(jié)果是可靠的。

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Simulation on Precision Single Sowing Depth Control of Seeder Based on Fuzzy Control

Wang Linsheng1, Ma Ying1, Wang Xiaozhi2,3， Liu Zhigang2,3

(1.Department of Electric Engineering, Henan Polytechnic Institute, Nanyang 473000, China; 2.Nanchang Institute of Technology, Nanchang 330108,China; 3.School of Resources Environment & Chemical Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031,China)

Abstract：In order to improve the sowing depth control precision and speed, change the rule of soil operations process, it designs a new control system of monomer sowing machine , automatic control links in seeding by introducing fuzzy algorithm and PID closed loop control. It has established the mathematical model of deep seeding based on fuzzy control, and it research on the control system of simulation experiments to verify the validity of the reliability of the algorithm. By using Matlab linear regression algorithm,it can obtain the sowing depth and force.By applying linear regression equation, it gets the feedback through the sowing depth regulation for the applied force and fuzzy control.By using the Matlab toolbox to set control parameters, it realizes the ultimate precision PID closed loop control of seeder. Three dimensional parameter precision seeding machine model was designed by using Pro/E software, the model is imported into ADAMS software in order to carry on the movement simulation.The calculated results and the Matlab results were compared, and it was found that the error is less than 10%, which shows the reliability of the simulation results.

Key words：fuzzy control; seeder; sowing depth control; PID control

文章編號：1003-188X(2016)01-0086-04

中圖分類號：S223.2+3；TP277

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：王林生(1981-)，男，河南南陽人，講師。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51305152)

收稿日期：2015-01-05