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.中國地質(zhì)大學(xué) 機械與電子信息學(xué)院，武漢　430074)

?

基于PID參數(shù)整定的低碎籽率聯(lián)合收獲機設(shè)計

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.中國地質(zhì)大學(xué) 機械與電子信息學(xué)院，武漢430074)

摘要：為了降低聯(lián)合收獲機收獲籽粒的破碎率，對全喂入軸流滾筒型聯(lián)合收獲機進行了改進，利用PID調(diào)節(jié)器對割臺的螺旋推進器的轉(zhuǎn)速進行了調(diào)節(jié)，使用模糊控制原理對調(diào)節(jié)器進行了參數(shù)整定，從而提高了脫粒過程的控制精度。為了驗證改進后的全喂入式聯(lián)合收獲機的可靠性，對其功能進行了測試，主要包括模糊控制的響應(yīng)時間、超調(diào)量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測試主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱來完成。通過測試發(fā)現(xiàn)：聯(lián)合收獲機的轉(zhuǎn)速提升1rad/s，其控制時間為僅為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)時間理想。最后，通過籽粒破碎率試驗發(fā)現(xiàn)：使用本文設(shè)計的低籽粒破碎率聯(lián)合收獲機的在收獲過程中的籽粒破碎率有了明顯的降低，符合設(shè)計要求。

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

0引言

自動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，使機器、設(shè)備或生產(chǎn)過程的某個工作狀態(tài)或參數(shù)自動地按照預(yù)定的規(guī)律運行。本次研究主要對聯(lián)合收獲機的螺旋推進器進行速度調(diào)節(jié)，其控制系統(tǒng)設(shè)計的總體框架如圖1所示。

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

圖1中，輸入項目為螺旋推進器的速度，控制器使用模糊控制PID調(diào)節(jié)器，通過對速度的調(diào)節(jié)得到最佳的籽粒脫粒效果。對于控制系統(tǒng)的設(shè)計，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)表達式。常用的動態(tài)數(shù)學(xué)模型為微分方程、傳遞函數(shù)、動態(tài)結(jié)構(gòu)圖等。

1低碎籽率收獲機結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.撥禾輪　2.割臺螺旋推運器　3.輸送鏈耙　4.軸流滾筒

通過割臺螺旋推進器的改進，對聯(lián)合收獲機進行優(yōu)化設(shè)計，主要包括3項：一是在不增加機器體積的情況下能較大幅度地增加生產(chǎn)率；二是提高收獲機脫凈率；三是降低籽粒的破碎率。割臺螺旋推運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低碎籽率收獲機模糊PID參數(shù)整定

為了降低收獲機的破碎率，可以通過PID調(diào)節(jié)器對推進器的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)。圖4為聯(lián)合收獲機PID控制系統(tǒng)原理框圖。它根據(jù)設(shè)定值r(t)和實際輸出值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)，對被控對象進行控制，則有

(1)

其中，e(t)=r(t)-u(t)；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)；Td表示微分時間常數(shù)。這3個參數(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PID參數(shù)進行整定。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)合收獲機模糊控制結(jié)構(gòu)圖

常規(guī)的PID控制對于聯(lián)合收獲機的控制效果并不好，因此在常規(guī)PID調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種模糊控制PID參數(shù)整定方法。利用籽粒破碎率的實際反饋值與目標值的誤差e和誤差變化率ec作為輸入，用模糊推理的方法對PID參數(shù)kp、ki、kd進行在線自整定，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的論域為[-3,-2,-1,0,1,2,3]，Kp,Ki,Kd的論域為[-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)以下方法進行其自適應(yīng)校正。通過參數(shù)的調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)螺旋推進器的模糊控制，利用破碎率的反饋調(diào)節(jié)，實現(xiàn)聯(lián)合收獲機的精確控制。

可是誰能說因為愛情這些不能被原諒呢，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)合收獲機測試

為了測試設(shè)計的低碎籽率聯(lián)合收獲機的性能，對其進行了田間測試，主要包括模糊控制的響應(yīng)時間、超調(diào)量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的測試主要使用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)合收獲機溫度控制PID模型

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

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

由圖8可以看出:通過一定時間的調(diào)節(jié)，聯(lián)合收獲機的轉(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)時間較長，不符合設(shè)計要求。

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，當成功導(dǎo)入時，會出現(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 建立一個新的SIMULINK仿真模型，并在模型庫中選擇使用“Fuzzy Logic Toolbox”項，利用鼠標拖動的方法將“Fuzzy Logic Controller”放到仿真系統(tǒng)中，并對系統(tǒng)模型進行封裝，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)合收獲機轉(zhuǎn)速模糊控制PID模型

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

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

由圖10可以看出：通過一定時間的調(diào)節(jié)，聯(lián)合收獲機的轉(zhuǎn)速可以有效地提升1rad/s，其控制時間為僅為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)時間理想，較符合設(shè)計要求。如11圖所示，為了驗證設(shè)計的低碎籽粒聯(lián)合收獲機的有效性與可靠性，在對籽粒進行測試時，選用了飽滿籽粒和非飽滿籽粒兩種籽粒對其破碎率進行測試，通過測試得到了如表4所示的測試結(jié)果。

圖11　測試籽粒樣品

測試編號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，對模糊控制PID參數(shù)整定的聯(lián)合收獲機進行了8次測試，得到了8組籽粒破碎率測試結(jié)果。由表4可以看出：使用本文設(shè)計的低籽粒破碎率聯(lián)合收獲機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螺旋推進器的速度進行有效的控制，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全喂入軸流滾筒型聯(lián)合收獲機進行了改進，對割臺的螺旋推進器的轉(zhuǎn)速進行了調(diào)節(jié)。通過改進，有效地降低了聯(lián)合收獲機的脫粒過程的籽粒破碎率。

對低籽粒破碎率的聯(lián)合收獲機進行了測試，結(jié)果表明：聯(lián)合收獲機的轉(zhuǎn)速提升1rad/s，其控制時間為僅為1s，響應(yīng)時間短，超調(diào)量低，系統(tǒng)反應(yīng)迅速；常規(guī)的聯(lián)合收獲機相比，籽粒破碎率有了明顯的降低。

參考文獻：

[1]介戰(zhàn).我國谷物隨機損失率測試展望[J].農(nóng)機化研究,2009,31(7):5-9.

[2]周利明,張小超,劉陽春,等.聯(lián)合收獲機谷物損失測量 PVDF 陣列傳感器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(6):167-171.

[3]李俊峰,介戰(zhàn).聯(lián)合收割機谷物損失測試研究探討[J].農(nóng)機化研究,2007(12):248-250.

[4]梁振偉,李耀明,趙湛,等.切縱流聯(lián)合收獲機夾帶損失監(jiān)測方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(S2):179-183.

[5]李耀明,梁振偉,趙湛,等. 聯(lián)合收獲機谷物損失實時監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(S1):99-102.

[6]徐立章,李耀明,李洪昌,等. 縱軸流脫粒分離-清選試驗臺設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(12):76-79.

[7]唐忠,李耀明,趙湛,等. 夾帶損失傳感器不同安裝位置對籽粒檢測精度的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(10):46-52.

[8]解福祥,區(qū)穎剛,劉慶庭.甘蔗收獲機組合式扶起裝置設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(2): 94-97.

[9]賴曉,李尚平,秦志文,等.新型甘蔗收割裝置的仿真分析與試驗研究[J].農(nóng)機化研究,2011,33(2): 102-105.

[10]王健康, 吳明亮, 任述光, 等. 往復(fù)式切割器傳動機構(gòu)運動動力學(xué)分析[J].中國農(nóng)學(xué)通報, 2011, 27(1): 90-194.

[11]李婉, 李尚平, 劉東美. 小型整稈甘蔗收獲機械喂入機構(gòu)仿真分析與試驗研究[J]. 農(nóng)機化研究, 2010, 32(7):152-154.

[12]Takuyuki Y, Katsuaki S, Koki I, et al. Application of a Sugarcane Harvester for Harvesting of Willow Trees Aimed at Short Rotation Forestry: an Experimental CaseStudy in Japan[J]. Croatian Journal of Forest Engineering, 2012, 33(1):5-14.

[13]宋春華, 區(qū)穎剛,劉慶庭,等.兩段式螺旋扶起機構(gòu)理論的研究[J].農(nóng)機化研究,2010,32(11): 34- 36.

[14]顧峰瑋,胡志超,王海鷗,等.鴨嘴滾輪式花生播種器設(shè)計與運動軌跡[J].中國農(nóng)機化,2010(4):60-63．

[15]劉仕昌,陳鵬,徐平.小型畜力花生播種機的設(shè)計[J].中國農(nóng)機化,2013,34(2):70-72．

[16]呂小蓮,劉敏基,王海鷗,等．花生膜上播種技術(shù)及其設(shè)備研發(fā)進展[J].中國農(nóng)機化,2012(1):89-92．

[17]李國林,宋煒,毛俐,等.國內(nèi)外幾種主要排種器的特點[J].農(nóng)業(yè)科技與裝備,2011(8):70-73．

[18]王麗艷,郭樹國,邱立春.免耕技術(shù)及免耕播種機的發(fā)展[J].農(nóng)機化研究,2006(2): 34-35.

[19]馬淑英,陳立東,馮利臻,等.2BMFS-3型穴灌半精量玉米播種機的設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2008(1):116.

[20]羅昕,胡斌,黃力爍.氣吸式穴盤育苗精量播種機的設(shè)計與試驗[J].農(nóng)機化研究,2010，32(11):130- 132,140.

[21]夏紅梅,李志偉,甄文斌. 氣力板式蔬菜排種器設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2010,41(6):56-60.

[22]胡斌,董春旺. 氣吸式穴盤精量播種機吸嘴吸附性能的試驗研究[J].石河子大學(xué)學(xué)報,2009,27 (1):100-103.

[23]何菊,吳建民.畦作溝灌小麥起壟播種機的研究與設(shè)計[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:17-19.

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：1003-188X(2016)06-0050-05

中圖分類號：S225；TP273+.4

文獻標識碼：A

作者簡介：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。

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

收稿日期：2015-05-30