吳偉斌，張成，洪添勝*，楊曉彬，張偉，馮灼峰

(1.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州 510642；2.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3.廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

基于模糊PID的山地果園運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

吳偉斌1,2,3,4，張成4，洪添勝1,2,3,4*，楊曉彬4，張偉4，馮灼峰4

(1.國(guó)家柑橘產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系機(jī)械研究室，廣東 廣州 510642；2.南方農(nóng)業(yè)機(jī)械與裝備關(guān)鍵技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510642；3.廣東省山地果園機(jī)械創(chuàng)新工程技術(shù)研究中心，廣東 廣州 510642；4.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

以提高華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的山地果園輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)作業(yè)動(dòng)力控制穩(wěn)定性為目標(biāo)，設(shè)計(jì)加裝了一種成本較低的動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)。系統(tǒng)由制動(dòng)手柄、電推桿、電磁閥、制動(dòng)油泵、制動(dòng)鉗組成。根據(jù)控制策略在Simulink中建立動(dòng)力獨(dú)立控制模型，經(jīng)過(guò)仿真分析，在穩(wěn)態(tài)之后非受控的動(dòng)力輪速度與受控動(dòng)力輪的速度相等，整車驅(qū)動(dòng)力增大，提高了運(yùn)輸機(jī)在路況參數(shù)多變路面的通過(guò)性，并在動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了自適應(yīng)模糊PID速度控制器，對(duì)其進(jìn)行了仿真分析。結(jié)果表明, 在3.5 s時(shí)，兩側(cè)動(dòng)力輪縱向速度之差進(jìn)入穩(wěn)定響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)絕對(duì)誤差絕對(duì)值最大值為0.422 2，最小值為0.004 7，響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%誤差內(nèi)所需的最短時(shí)間為3.0 s，穩(wěn)態(tài)條件下(t→∞)的誤差為 0，加快了系統(tǒng)響應(yīng)速度，提高了調(diào)節(jié)精度與穩(wěn)定性。對(duì)運(yùn)輸機(jī)實(shí)車測(cè)試，受控后穩(wěn)態(tài)車輪速度的絕對(duì)誤差為0.178 1～0.396 1 km/h，相對(duì)誤差為0.71%～5.27%，與仿真結(jié)果一致。

山地果園運(yùn)輸機(jī)；Matlab；動(dòng)力穩(wěn)定控制；模糊PID；仿真

山地果園運(yùn)輸機(jī)主要用于生產(chǎn)過(guò)程的運(yùn)輸[1]，對(duì)降低勞動(dòng)強(qiáng)度與生產(chǎn)成本，提升運(yùn)輸效率具有重要意義。山地果園大多路況復(fù)雜，路面不平整，附著系數(shù)與坡度不均一[2-3]，對(duì)果園運(yùn)輸機(jī)加裝多功能的動(dòng)力控制系統(tǒng)雖能提高安全系數(shù)，但令運(yùn)輸成本增加，因而有必要研制低成本的動(dòng)力控制系統(tǒng)，以提高作業(yè)的安全系數(shù)與運(yùn)輸效率。

DOUMIATI等[4]利用監(jiān)測(cè)車輛輪速、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、車速，分析車輛行駛軌跡偏差與驅(qū)動(dòng)力分配狀況，建立閉環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng)力分配控制，在干、濕路面上進(jìn)行車輛偏航試驗(yàn)，降低翻車幾率。顏娟娟等[5]在 Matlab/Simulink中建立了“魔術(shù)公式”輪胎模型和8自由度整車動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)ESP系統(tǒng)的非線性時(shí)變特性，設(shè)計(jì)了基于橫擺角速度和質(zhì)心側(cè)偏角的聯(lián)合模糊控制器, 提出了附加橫擺力矩的轉(zhuǎn)矩主動(dòng)分配策略,并在易于失穩(wěn)的濕滑路面上進(jìn)行了典型工況的仿真。趙方庚等[6]通過(guò)各類傳感器監(jiān)測(cè)各車輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向角度、制動(dòng)位置與發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度，制定車輛差速器鎖止機(jī)構(gòu)自動(dòng)控制系統(tǒng)(vehicle differential lock system，VDLS)的控制策略，提高越野車在復(fù)雜路況下的通過(guò)性，解決動(dòng)力輪陷坑、轉(zhuǎn)向側(cè)向不穩(wěn)定、附著力低等問(wèn)題，但專用于農(nóng)用運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力控制技術(shù)的研究鮮有報(bào)道。筆者針對(duì)現(xiàn)有果園運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力穩(wěn)定性較差，而加裝市面上多功能動(dòng)力控制裝置將增加運(yùn)輸成本的問(wèn)題，為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的山地果園輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)設(shè)計(jì)加裝了一種低成本的動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)，根據(jù)控制策略在Simulink中建立動(dòng)力獨(dú)立控制模型，在動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入了模糊PID速度控制器控制速度，以提高運(yùn)輸機(jī)的動(dòng)力穩(wěn)定性。

1 山地輪式運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)

華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)主要由發(fā)動(dòng)機(jī)總成、變速器、減速器、差速器和車輪組成，如圖1所示。運(yùn)輸機(jī)最大爬坡角度為15°，最小轉(zhuǎn)彎半徑為2.74 m，空載質(zhì)量為330 kg，平地最大裝載質(zhì)量能達(dá)到250 kg，最高車速為13.5 km/h，整車尺寸為1 690 mm×1 170 mm×300 mm，前輪輪距為870 mm，后輪輪距為955 mm，車輪半徑為300 mm。

圖1 山地果園輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of simple wheeled transporter in hill orchard

2 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

運(yùn)輸機(jī)的后橋采用沒(méi)有限滑裝置的圓錐齒輪式差速器，若運(yùn)輸機(jī)一側(cè)動(dòng)力輪陷入泥坑，則另一側(cè)動(dòng)力輪所受行駛阻力將加大，差速器將分配更多的扭矩到陷入坑中的動(dòng)力輪，造成行駛通過(guò)性下降。該運(yùn)輸機(jī)原動(dòng)力系統(tǒng)中的兩側(cè)動(dòng)力輪由一個(gè)制動(dòng)手柄壓縮制動(dòng)油泵進(jìn)行制動(dòng)，使兩側(cè)制動(dòng)鉗在制動(dòng)液的壓力加大情況下，同時(shí)壓緊兩側(cè)制動(dòng)盤，使兩側(cè)動(dòng)力輪同時(shí)制動(dòng)。

如圖2所示，動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)由制動(dòng)手柄、電推桿、電磁閥、制動(dòng)油泵、制動(dòng)鉗組成。在其原動(dòng)力系統(tǒng)上，每側(cè)制動(dòng)控制增加了電推桿控制制動(dòng)油泵，利用電磁閥實(shí)現(xiàn)制動(dòng)手柄與電推桿的控制分離，檢測(cè)數(shù)據(jù)由單片機(jī)分析、處理后，再對(duì)電磁閥與電推桿實(shí)施控制。

圖2 動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)的組成Fig.2 Composition of dynamic stabilization system

動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)先通過(guò)輪速傳感器與轉(zhuǎn)向角度傳感器采集運(yùn)輸機(jī)行駛工況參數(shù)，并由微控制器分析數(shù)據(jù)，計(jì)算動(dòng)力輪滑移率，判斷運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力輪滑移率是否超過(guò)極限滑移率，即是否處于陷入泥坑狀態(tài)，若判斷結(jié)果為是，則對(duì)陷入泥坑的動(dòng)力輪提供相應(yīng)阻力，即施加獨(dú)立制動(dòng)力，令其滑移率達(dá)到目標(biāo)值，而阻力由絲桿步進(jìn)電機(jī)控制制動(dòng)器的制動(dòng)油泵產(chǎn)生，絲桿步進(jìn)電機(jī)受微控制器控制。

3 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)研究目標(biāo)，構(gòu)建自由度數(shù)適中的7自由度運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)模型和Magic Formula輪胎模型。7自由度模型，包括了運(yùn)輸機(jī)縱向、側(cè)向、橫擺運(yùn)動(dòng)以及4個(gè)車輪的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的7個(gè)自由度[7-9]。模型中，忽略運(yùn)輸機(jī)的垂直方向運(yùn)動(dòng)以及運(yùn)輸機(jī)的俯仰及側(cè)傾運(yùn)動(dòng)，并假設(shè)左右車輪轉(zhuǎn)向角一致，各輪胎的特性相同。

3.1 運(yùn)輸機(jī)整車運(yùn)動(dòng)模型方程

1) 對(duì)縱向方向運(yùn)動(dòng)，有

2) 對(duì)橫向方向運(yùn)動(dòng)，有

3) 對(duì)橫擺運(yùn)動(dòng)，有

式中：Iz為橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；lf為質(zhì)心到前車軸的距離；lr為質(zhì)心到后車軸的距離；lw為左右兩側(cè)車輪的距離。

車輪動(dòng)力學(xué)模型

式中：Jw為車輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Tbij為各車輪的制動(dòng)力矩；uxij為車輪中心沿輪胎運(yùn)動(dòng)平面的縱向速度；ωij為車輪繞其中心軸的回旋角速度。

依據(jù)文獻(xiàn)[10]，各個(gè)車輪中心沿輪胎運(yùn)動(dòng)平面的縱向速度與功率的關(guān)系為

4 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建與分析

4.1 仿真工況參數(shù)設(shè)置

仿真中運(yùn)輸機(jī)的相關(guān)參數(shù)設(shè)置：整車滿載質(zhì)量m為510 kg，車輪滾動(dòng)半徑R為 0.3 m，固定功率Pe為10 kW，單個(gè)動(dòng)力輪的垂直載荷Fz為1 400 N，單個(gè)從動(dòng)輪的垂直載荷Fzf為1 150 N。

仿真中路面附著系數(shù)的設(shè)置：在干燥的土路附著系數(shù)為 0.5～0.6，濕土路面為 0.2～0.4[10]，假定左側(cè)與右側(cè)的路面附著系數(shù)分別為0.1與0.7，則假運(yùn)輸機(jī)左動(dòng)力輪陷入泥濘土坑中，泥濘土路的車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)為 0.10～0.25，泥濘土路濕度越高，車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)越大[11-12]，因此仿真中左側(cè)與右側(cè)的車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)分別為0.25與0.10。

4.2 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真模型的建立與分析

對(duì)運(yùn)輸機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)到車輪的動(dòng)力傳動(dòng)進(jìn)行建模，以運(yùn)輸機(jī)兩側(cè)路面附著系數(shù)為自變量，在發(fā)動(dòng)機(jī)提供額定功率以及差速器作用下計(jì)算出實(shí)際車速與目標(biāo)車速，最后以滑移率作為因變量輸出結(jié)果，觀察滑移率的變化。

1) 車輪縱向驅(qū)動(dòng)力的計(jì)算。運(yùn)輸機(jī)在仿真中被假定為只沿直線運(yùn)動(dòng)，根據(jù)公式(11)，同時(shí)在Simulink中建立模型。

式中：x1為縱向滑移率，即x1=λ；B1為剛度因子，；C1為曲線形狀因子，縱向力計(jì)算，即令；D1為峰值因子，表示曲線的最大值，即為縱向力零點(diǎn)處的縱向剛度，即E1為曲率因子，表示曲線最大值附近曲線形狀，即

2) 車輪行駛阻力的計(jì)算。直線行駛中，從動(dòng)輪與地面的摩擦力以及各車輪的滾動(dòng)阻力構(gòu)成了運(yùn)輸機(jī)的行駛阻力∑fF(行駛坡度約等于 0，忽略空氣阻力)[12-14]。利用公式(12)計(jì)算可得出行駛阻力，其中2個(gè)從動(dòng)輪的摩擦阻力相等，車輪滾動(dòng)阻力系數(shù)相等。在Simulink中建立相應(yīng)的計(jì)算模型。

3) 滑移率計(jì)算模塊?；坡适窃谲囕嗊\(yùn)動(dòng)中滑動(dòng)成分所占的比例，取值范圍為0～100%，計(jì)算公式(13)如下，同時(shí)在Simulink中建立模型。

4) 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果。圖 3-a為 10 s內(nèi)滑移率的變化，由于左側(cè)路面附著系數(shù)小于右側(cè)路面附著系數(shù)，使得左側(cè)動(dòng)力輪在額定功率下轉(zhuǎn)速高于右側(cè)動(dòng)力輪，所以左側(cè)滑移率大于右側(cè)滑移率，當(dāng)滑移率高于0.14時(shí)，運(yùn)輸機(jī)車輪的地面附著力將相應(yīng)地下降。

圖3 山地果園輪式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of dynamic system of wheeled transporter in hill orchard

圖3-b為左側(cè)與右側(cè)動(dòng)力輪縱向力的仿真結(jié)果，從圖中可以看出, 左側(cè)動(dòng)力輪縱向驅(qū)動(dòng)力Fx0l遠(yuǎn)大于右側(cè)動(dòng)力輪縱向驅(qū)動(dòng)力Fx0r，且右側(cè)動(dòng)力輪縱向力為0，則右側(cè)動(dòng)力輪沒(méi)有受到前進(jìn)的推力。

圖3-c為運(yùn)輸機(jī)整車行駛阻力仿真結(jié)果。

從以上仿真結(jié)果得出，在假定運(yùn)輸機(jī)左側(cè)動(dòng)力輪陷入泥濘土坑時(shí)，由于差速器的作用，在發(fā)動(dòng)機(jī)功率固定的條件下，右側(cè)動(dòng)力輪速度為 0、滑移率為0、驅(qū)動(dòng)力為0，左側(cè)動(dòng)力輪速度大于0、滑移率為100%、驅(qū)動(dòng)力大于0。盡管車輪總驅(qū)動(dòng)力大于0，但由從動(dòng)輪引起的摩擦阻力與各車輪的滾動(dòng)阻力組成的車體行駛阻力大于車輪總驅(qū)動(dòng)力，使得左側(cè)動(dòng)力輪空轉(zhuǎn)于泥濘土坑中，而車體速度為 0，運(yùn)輸機(jī)穩(wěn)定性與通過(guò)性降低，無(wú)法按照駕駛員意愿直線前進(jìn)。

4.3 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)仿真模型的建立與分析

在運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)基礎(chǔ)上，加入制動(dòng)扭矩，以控制動(dòng)力輪縱向方向的速度，建立運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)仿真模型。對(duì)失穩(wěn)的動(dòng)力輪加以控制，以保證運(yùn)輸機(jī)行駛的穩(wěn)定性與通過(guò)性，對(duì)失穩(wěn)的動(dòng)力輪控制主要體現(xiàn)在控制動(dòng)力輪的滑移率達(dá)到目標(biāo)值。

1) 動(dòng)力穩(wěn)定控制模塊。設(shè)定目標(biāo)滑移率=14%，極限滑移率=20%。在運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的仿真結(jié)果中，若令大于20%的滑移率降至14%，需要向滑移率大于20%的動(dòng)力輪施加制動(dòng)力Fbki。所施加的制動(dòng)力Fbki等于非陷坑動(dòng)力輪摩擦阻力與陷坑動(dòng)力輪摩擦阻力的差值，可由公式(14)計(jì)算得到，式中假定動(dòng)力輪處于陷坑狀態(tài)。在Simulink中建立的仿真模型如圖4所示，系統(tǒng)中獨(dú)立施加的制動(dòng)力由電推桿控制油泵產(chǎn)生液壓力擠壓制動(dòng)鉗與制動(dòng)盤而產(chǎn)生，每0.5 s能產(chǎn)生100 N的制動(dòng)力。

圖4 受控動(dòng)力輪速度制動(dòng)模型Fig.4 Speed brake model of managed power wheel

2) 車體縱向速度計(jì)算模塊。利用所建立的驅(qū)動(dòng)力模型與行駛阻力模型，得出ΣFX0與ΣFf，導(dǎo)入公式(15)，可得到車體縱向瞬時(shí)速度uTt。將uTt作為理論車速帶入滑移率的計(jì)算模塊中，得出2動(dòng)力輪的滑移率，再由輪胎模型重新計(jì)算，形成閉環(huán)系統(tǒng)仿真。同時(shí)在Simulink中建立仿真模型。

3) 運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)仿真結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出動(dòng)力輪滑移率高于20%時(shí)，便對(duì)該動(dòng)力輪持續(xù)施加制動(dòng)力，令2動(dòng)力輪縱向速度趨于相等，如圖5-a所示。圖5-b為左側(cè)與右側(cè)動(dòng)力輪受動(dòng)力穩(wěn)定模塊控制后，仿真所得的滑移率變化情況。計(jì)算滑移率的目標(biāo)車速由車體縱向速度來(lái)決定，在2.5 s前右側(cè)動(dòng)力輪的滑移率為0。從1 s開(kāi)始，左側(cè)動(dòng)力輪受到系統(tǒng)對(duì)其施加的制動(dòng)力，在差速器的作用下，右側(cè)動(dòng)力輪車輪縱向速度逐漸增大，當(dāng)2動(dòng)力輪速度相等時(shí)，系統(tǒng)的制動(dòng)力不再增加并維持在固定值。2動(dòng)力輪的滑移率在4.5 s后趨于相等，在5.5 s后兩側(cè)動(dòng)力輪的滑移率逐漸趨于 0。另外，在圖中可以看出，電推桿控制從響應(yīng)到車輪速度達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間約為3.5 s。

如圖5-c所示，在動(dòng)力穩(wěn)定模塊控制下，2.5 s后車體縱向驅(qū)動(dòng)力逐漸上升，在各車輪的路面附著系數(shù)與行駛阻力系數(shù)不變的條件下，兩側(cè)動(dòng)力輪縱向速度與車體縱向速度逐漸趨于相等，在5.5 s后接近相等，同時(shí)車體縱向驅(qū)動(dòng)力大小在一定范圍內(nèi)往復(fù)變化，從而維持速度不變，達(dá)到運(yùn)輸機(jī)按駕駛者意愿直線行駛的控制目標(biāo)。

圖5 山地果園輪式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of dy namic stabilization of w heeled transporter in hill orchard

4.4 模糊PID速度控制器的應(yīng)用

在動(dòng)力穩(wěn)定模塊施加制動(dòng)力至受控動(dòng)力輪，在使其縱向速度與另一側(cè)動(dòng)力輪的縱向速度達(dá)到相等的過(guò)程中，電推桿壓縮制動(dòng)泵對(duì)受控動(dòng)力輪施加制動(dòng)力，由于電推桿均勻壓縮制動(dòng)泵產(chǎn)生非線性油壓，因此施加的制動(dòng)力呈非線性增大，加之制動(dòng)盤和制動(dòng)鉗表面摩擦系數(shù)不均、制動(dòng)過(guò)程中溫度上升等因素的變化都可能改變制動(dòng)力，使受控動(dòng)力輪速度不穩(wěn)。這些因素共同作用使得動(dòng)力穩(wěn)定控制過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜。從控制理論上講，動(dòng)力穩(wěn)定控制的工作過(guò)程具有明顯的非線性、時(shí)變性和不確定性[12-15]，因此，很難建立精確的數(shù)學(xué)模型。為解決此問(wèn)題，在該動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)中加入模糊PID速度控制器模塊。

利用試湊法[16-19]對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定，整定過(guò)程中，比例系數(shù)kp以超調(diào)量最大為選取標(biāo)準(zhǔn)，選取kp0=1.5；積分作用系數(shù)ki以穩(wěn)態(tài)時(shí)間最短為選取標(biāo)準(zhǔn)，選取ki0=0.1；微分作用系數(shù)kd以穩(wěn)態(tài)時(shí)間最短與穩(wěn)態(tài)誤差最小為選取標(biāo)準(zhǔn)，選取kd0=0.015。依據(jù)模糊PID控制器的控制規(guī)律以及經(jīng)典PID的控制方法[20-21]，將模糊控制與傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的模糊自適應(yīng)PID，使得系統(tǒng)具有模糊控制的靈活性和適應(yīng)性強(qiáng)，又有PID精度高的優(yōu)點(diǎn)。將輸入的誤差(e)和誤差微分(ec)分為7個(gè)模糊集：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，即模糊子集為 e，ec={NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。將輸出的 Δkp、Δki、Δkd也分為 7個(gè)模糊集：NB(負(fù)大)，NM(負(fù)中)，NS(負(fù)小)，ZO(零)，PS(正小)，PM(正中)，PB(正大)，即模糊子集為 Δkp，Δki，Δkd=｛NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB｝。根據(jù)控制要求，確定誤差e、誤差微分ec及控制量Δkp、Δki、Δkd的模糊集和論域，對(duì)模糊變量選定隸屬函數(shù)，建立模糊規(guī)則。

在Simulink中建立的模糊PID控制器仿真模型如圖6所示。

圖6 模糊PID控制器仿真模型Fig.6 Fuzzy PID controller of simulation model

將模糊PID速度控制器模塊加入到所建立的動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)模塊中進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。結(jié)合Matlab/Worksapce中的仿真數(shù)據(jù)，在3.5 s時(shí)，兩側(cè)動(dòng)力輪縱向速度之差進(jìn)入穩(wěn)定響應(yīng)，穩(wěn)態(tài)絕對(duì)誤差絕對(duì)值最大值為0.422 2，最小值為0.004 7。對(duì)比圖5-a中的仿真結(jié)果，表明響應(yīng)到達(dá)并保持在終值±5%誤差內(nèi)所需的最短時(shí)間為3.0 s，穩(wěn)態(tài)條件下(t→∞)的誤差為 0，模糊 PID控制器令系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。

圖7 基于模糊PID控制器的兩側(cè)動(dòng)力輪速度變化仿真結(jié)果Fig 7 Simulation results of the speed variation of the dynamic wheel on both sides controlled by fuzzy PID controller

5 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)的效果，進(jìn)行了運(yùn)輸機(jī)實(shí)車試驗(yàn)。

試驗(yàn)采用Arduino公司的Mega2560單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與I / O輸出控制，通過(guò)USB接口與筆記本電腦連接，采用Arduino IDE軟件中的Serial Monitor采集數(shù)據(jù)并記錄。試驗(yàn)前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門開(kāi)度、車輪轉(zhuǎn)向角度、制動(dòng)油泵活塞行程進(jìn)行標(biāo)定，將山地果園輪式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力輪懸架于試驗(yàn)臺(tái)架的滾輪上進(jìn)行試驗(yàn)。

以2個(gè)動(dòng)力輪速度中的最小值為目標(biāo)速度，控制非陷坑的動(dòng)力輪達(dá)到目標(biāo)速度，陷坑的動(dòng)力輪出坑后系統(tǒng)不再加以控制，2動(dòng)力輪速度達(dá)到相等值為最終控制目標(biāo)，驗(yàn)證系統(tǒng)可行性。試驗(yàn)中節(jié)氣門開(kāi)度為怠速至40%之間，轉(zhuǎn)向角度為0°，車輪速度穩(wěn)定后開(kāi)始對(duì)車輪速度進(jìn)行控制。受控后車輪速度誤差列于表 1，按照控制策略，以兩側(cè)動(dòng)力輪中速度最小的作為系統(tǒng)控制下速度的標(biāo)定值，另一側(cè)為測(cè)量值。

表1 車輪速度誤差分析結(jié)果Table 1 Error analysis of wheel speed

試驗(yàn)結(jié)果表明：所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能有效地降低陷坑后兩側(cè)動(dòng)力輪之間的速度差，并使兩側(cè)動(dòng)力輪的速度逐漸趨于相等。電推桿控制制動(dòng)泵產(chǎn)生獨(dú)立制動(dòng)力來(lái)使兩側(cè)動(dòng)力輪所受到的行駛阻力相等，控制時(shí)間只需1～2 s。受控后穩(wěn)態(tài)車輪速度的絕對(duì)誤差為 0.178 1～0.396 1 km/h，相對(duì)誤差范圍為0.71%～5.27%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

6 結(jié)論

本研究以華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)其原有的動(dòng)力控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在 7自由度模型和輪胎模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出車輛縱向方向上的動(dòng)力學(xué)模型，以滑移率控制為目標(biāo)，設(shè)計(jì)運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力獨(dú)立控制的控制策略，并在Simulink建模，進(jìn)行了仿真分析。從仿真結(jié)果可以看出，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的山地果園輕簡(jiǎn)化輪式運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力控制系統(tǒng)效果較差，在運(yùn)輸機(jī)動(dòng)力輪遇到特殊情況如陷入泥濘土坑時(shí)，穩(wěn)定性與通過(guò)性降低，運(yùn)輸機(jī)無(wú)法正常行駛，而在改進(jìn)設(shè)計(jì)后的動(dòng)力穩(wěn)定控制系統(tǒng)中，由于每側(cè)制動(dòng)控制增加了電推桿控制制動(dòng)油泵，對(duì)動(dòng)力輪進(jìn)行制動(dòng)二次控制，運(yùn)輸機(jī)的穩(wěn)定性與通過(guò)性大大增強(qiáng)；在動(dòng)力穩(wěn)定系統(tǒng)中加入模糊PID速度控制器后，兩側(cè)動(dòng)力輪縱向速度之差進(jìn)入穩(wěn)定響應(yīng)所需時(shí)間提高14.3%，從而提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度與穩(wěn)定性。實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)能有效地降低陷坑后兩側(cè)動(dòng)力輪之間的速度差，并使兩側(cè)動(dòng)力輪的速度逐漸趨于相等，控制時(shí)間僅需 1～2 s。受控后穩(wěn)態(tài)車輪速度的絕對(duì)誤差范圍為0.178 1～0.396 1 km/h，相對(duì)誤差范圍為0.71%～5.27%，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

由于模型的仿真采用Matlab/Simulink軟件，在仿真過(guò)程中設(shè)定的路面屬性參數(shù)單一，不能對(duì)運(yùn)輸機(jī)在不同路面同時(shí)進(jìn)行綜合分析，因此，為提升仿真結(jié)果的精確性，可考慮用Adams軟件建立路譜，將路面屬性的仿真參數(shù)輸入到Matlab/Simulnk中，再對(duì)動(dòng)力獨(dú)立控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，從而使仿真結(jié)果更加全面可靠。

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責(zé)任編輯：羅慧敏

英文編輯：吳志立

Design and experimental of dynamic stability system for mountain orchard transporter based on the self-tuning fuzzy PID controller

WU Weibin1,2,3,4, ZHANG Cheng4, HONG Tiansheng1,2,3,4*, YANG Xiaobin4, ZHANG Wei4, FENG Zhuofeng4
(1.Division of Citrus Machinery, China Agriculture Research System, Guangzhou 510642,China; 2. Key Laboratory of Key Technology on Agricultural Machine and Equipment, Ministry of Education, Guangzhou 510642, China;3.Guangdong E & T Research Center for Mountainous Orchard Machinery, Guangzhou 510642, China; 4.College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)

To improve the control stability of mountain orchard transporter designed by South China Agricultural University, a power stabilization system with low cost was designed and installed. The system consists mainly of brake handle, electric push rod, electromagnetic valve, brake oil pump, and brake clamp etc. According to the control strategy,power independently control model is established in Simulink. Through the simulation analysis, the speed of uncontrolled power wheel equals the speed of controlled power wheel and vehicle driving force increases under steady state, to improve passing ability of the transporter under the changeable road condition. Furthermore, the adaptive fuzzy PID speed controller is joined to the system. The simulation results show that the stable response was started at 3.5 s for the difference between the longitudinal velocity of momentum wheel on both sides with the maximum absolute error of 0.422 2 and the minimum value of 0.004 7. Response to reach and maintain the final value error of plus or minus 5%within the shortest time of 3.0 s. Under the condition of the steady state (t→∞), the error is 0, increasing the systemresponse speed and improving the accuracy and stability. The results of test in vehicle showed that the absolute error of controlled post-steady wheel speed range of 0.178 1-0.396 1 km/h and the relative error range of 0.71%-5.27%, which was consistent with the simulation results.

mountain orchard wheeled transporter; Matlab; dynamic stability control; PID; simulation

S237；TP274.2

A

1007-1032(2017)04-0443-08

2016-12-29

2017-03-10

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)(201203016，201403036)；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)(CARS-27)；“十二·五”農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題(2014BAD16B0103)；廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014A070713032)

吳偉斌(1978—)，男，廣東中山人，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究，wuweibin@scau.edu.cn；*通信作者，洪添勝，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)工程、機(jī)電一體化和信息技術(shù)應(yīng)用研究，tshong@scau.edu.cn