楊張利

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院, 重慶 401331)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)機(jī)作業(yè)自動(dòng)化程度已取得了明顯的進(jìn)步，履帶行走裝置因其接地比壓低、轉(zhuǎn)彎半徑小、牽引力大與爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)在農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，特別是在大中型自行式機(jī)械中應(yīng)用比較普遍。履帶行走性能對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)效率有舉足輕重的影響。如履帶張緊裝置的預(yù)張緊力偏低或者太小，必然導(dǎo)致履帶松馳，履帶失去張緊作用，從而引起履帶上方的跳動(dòng)與振動(dòng)，使摩擦力增加，致使機(jī)件的磨損增大；如履帶張緊裝置的預(yù)張緊力過(guò)大，必然導(dǎo)致履帶剛性增加，過(guò)大的剛性使張緊裝置失去緩沖功能，增加履帶行走機(jī)械的內(nèi)摩擦力，因?yàn)閱适Ь彌_功能，輕則使履帶行走能耗增大并加速履帶磨損，重則會(huì)在行走過(guò)程中因受到外界沖擊而導(dǎo)致履帶斷裂，甚至在行走過(guò)程中產(chǎn)生履帶脫軌等重大事故。因此，合理的張緊力控制對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)有重大作用，被公認(rèn)為是履帶行走裝置的核心技術(shù)[1-4]。以履帶彈簧張緊為例，借助油壓機(jī)使彈簧獲得一定的預(yù)張緊力，如果履帶在行進(jìn)中遇到?jīng)_擊時(shí)，那么彈簧就可以起到緩沖作用，將外界沖擊力的變化直接轉(zhuǎn)換為彈簧的伸縮運(yùn)動(dòng)，從而避免履帶行走機(jī)構(gòu)受到外界沖擊力影響。針對(duì)上述存在的問(wèn)題，以下對(duì)履帶式農(nóng)機(jī)作業(yè)行走過(guò)程中如何保持最佳張緊狀態(tài)從控制論角度針對(duì)控制策略進(jìn)行探討。

1 張緊過(guò)程的控制論特性

農(nóng)機(jī)作業(yè)的工作環(huán)境是非常復(fù)雜的，野外作業(yè)有很多因素是不可控的，在不同行駛狀態(tài)和路況下行走具有很大的不確定性，而行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)是在參數(shù)確定的情況下完成的，因此張緊裝置中的控制系統(tǒng)顯得特別重要。只有張緊系統(tǒng)的控制策略與張緊過(guò)程的控制論特性匹配才能確保高效率的農(nóng)機(jī)作業(yè)，保證行走機(jī)構(gòu)一直保持在最佳張緊力狀態(tài)下運(yùn)行。張緊過(guò)程表現(xiàn)出如下控制論特性：農(nóng)機(jī)作業(yè)中履帶張緊過(guò)程受眾多不確定與難以預(yù)測(cè)因素的影響，過(guò)程參數(shù)具有時(shí)變性、隨機(jī)性和未知性；履帶張緊過(guò)程具有時(shí)滯與高度非線性特性，其時(shí)滯特性因受到不確定性因素影響，且時(shí)滯特性本身同樣具有時(shí)變性和未知性；履帶張緊過(guò)程具有慣性特性，過(guò)程復(fù)雜，變量眾多，并且變量之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)性；農(nóng)機(jī)野外作業(yè)環(huán)境存在各種干擾的不確定性、隨機(jī)性、多樣性和未知性。野外地質(zhì)情況相對(duì)變化較大，導(dǎo)致履帶張緊力難以達(dá)到均勻和穩(wěn)定，經(jīng)常引起張緊力波動(dòng)。上述特性表明，履帶張緊過(guò)程中充滿了不確定性和復(fù)雜性，因此對(duì)張緊過(guò)程采用數(shù)學(xué)方法實(shí)施建?？刂剖请y以取得期望控制效果的，有必要探討與其過(guò)程控制論特性相匹配的控制策略與控制算法[5-9]。

2 控制策略與控制算法

2.1 控制策略選取

面對(duì)張緊過(guò)程的不確定性、參數(shù)時(shí)變性、高度非線性和時(shí)滯特性等控制論特性，從自動(dòng)控制理論角度考慮，可供選擇直接用于控制的策略并不多。如采用傳統(tǒng)與近代控制理論的控制策略，其控制器的分析與設(shè)計(jì)都是基于精確的數(shù)學(xué)模型，而張緊過(guò)程是難以數(shù)學(xué)建模的，因此對(duì)張緊過(guò)程采用數(shù)學(xué)手段描述的定量范式控制策略幾乎是不可能的，即使忽略一些難于處理的因素，勉強(qiáng)地建立了數(shù)學(xué)模型，其實(shí)施的控制效果也不可能令人滿意。隨著自動(dòng)控制理論和人工智能的發(fā)展，給控制策略選擇提供了全新的控制思路。如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，但因受張緊過(guò)程不確定性因素影響，很難從事先試驗(yàn)中獲得學(xué)習(xí)試驗(yàn)樣本。對(duì)張緊過(guò)程而言，因方法的局限性，該控制策略并非是有效的控制策略。專家控制系統(tǒng)可處理各種精確、定量、模糊與定性的信息，但很難建立完備的知識(shí)庫(kù)，此外，因張緊過(guò)程存在不確定性，在特征信息采集與表達(dá)等方面顯得更加難以實(shí)現(xiàn)，所以專家系統(tǒng)用于張緊過(guò)程控制并不現(xiàn)實(shí)。模糊控制基于模糊集合理論可以對(duì)張緊過(guò)程進(jìn)行描述并歸納出控制規(guī)則，但張緊過(guò)程的復(fù)雜不確定性特性可能導(dǎo)致其隸屬函數(shù)難于確定，可能導(dǎo)致難于歸納出適合于張緊過(guò)程控制的控制規(guī)則，從而難以實(shí)施優(yōu)化控制。值得關(guān)注的是智能控制策略，該策略無(wú)須人工干預(yù)，在過(guò)程動(dòng)態(tài)特性變化范圍內(nèi)，智能控制器可自主地驅(qū)動(dòng)被控制過(guò)程，使其自動(dòng)地達(dá)到期望的控制目標(biāo)。仿人智能控制HSIC ( human simulated intelligent controller)[10]就是模擬人類控制行為的控制器，誤差及誤差變化率是可借助物理手段檢測(cè)的，并且可采用產(chǎn)生式規(guī)則描述其控制行為與推理過(guò)程，能方便地基于廣義控制模型設(shè)計(jì)控制器，將控制專家的知識(shí)和過(guò)程操作者的控制經(jīng)驗(yàn)、智慧與技巧融入控制算法以改善控制品質(zhì)，從而增強(qiáng)控制器的魯棒性能，完美地協(xié)調(diào)張緊過(guò)程中相互矛盾的控制品質(zhì)要求，因此HSIC控制策略應(yīng)當(dāng)是一種較理智的選擇。

2.2 控制模型與控制模式

圖1為基于知識(shí)的負(fù)反饋廣義控制模型。

圖1 基于知識(shí)的廣義控制模型

圖2 張緊控制過(guò)程的系統(tǒng)誤差相平面

2.3 控制算法

由上述兩種基本控制模式，基于圖1所示的負(fù)反饋廣義控制模型[11-14]，可以構(gòu)造出基于仿人智能的HSIC基本控制算法:

各符號(hào)的物理意義如圖1所示：U為HSIC控制器的輸出；e為過(guò)程系統(tǒng)誤差。在基本算法中，em, j表示系統(tǒng)誤差最大值的第j次峰值，Kp為比例系數(shù)，k為抑制系數(shù)。

3 實(shí)驗(yàn)仿真及其結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)仿真

考察控制策略的自適應(yīng)性，實(shí)質(zhì)上就是考察該控制策略的魯棒性能。對(duì)過(guò)程跟蹤控制而言，魯棒性強(qiáng)的控制器有很強(qiáng)的自適應(yīng)性，其跟蹤性能很少受外部干擾和內(nèi)部控制參數(shù)變化的影響。對(duì)張緊過(guò)程恒值控制系統(tǒng)而言，外部干擾和內(nèi)部控制參數(shù)變化也同樣幾乎不影響其控制品質(zhì)。以下借助實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證基于仿人智能控制策略的強(qiáng)魯棒性能。鑒于張緊過(guò)程是一個(gè)具有慣性的時(shí)滯過(guò)程，因此可以用1階慣性加時(shí)滯環(huán)節(jié)對(duì)其過(guò)程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行描述?？疾鞆埦o過(guò)程對(duì)不同控制策略的過(guò)程響應(yīng)，就可比較不同控制策略的強(qiáng)魯棒性能，為了方便，選擇以PID控制策略(控制算法1)為參照與仿人智能控制策略HSIC(控制算法2)相比較，通過(guò)改變過(guò)程的結(jié)構(gòu)階次以及施加外部干擾模擬作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)工況的變化，如果其調(diào)節(jié)時(shí)間短、響應(yīng)時(shí)間快、運(yùn)行平穩(wěn)、不存在超調(diào)或者超調(diào)小和穩(wěn)態(tài)控制精確度高，那么該控制策略因其強(qiáng)魯棒性一定是可取的。

設(shè)1階慣性時(shí)滯過(guò)程模型為W(S)=Ke-τs/(Ts+1)，基于 Matlab環(huán)境，借助Simulink搭建仿真模型，在階躍輸入為2的信號(hào)作用下，取K=7.8，T=74,τ=20,分別采用PID和HSIC控制同一過(guò)程，其過(guò)程響應(yīng)如圖3所示。

圖3 PID和HSIC控制下的過(guò)程響應(yīng)

從過(guò)程控制參數(shù)變化角度考察控制算法的魯棒性能。如果在原一階慣性時(shí)滯過(guò)程模型中增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)，即過(guò)程模型變?yōu)閃1(S)=Ke-τs/(Ts+1)(5s+1)時(shí)，當(dāng)原模型參數(shù)仍然保持不變，即K=7.8，T=74,τ= 20，顯然其過(guò)程模型已經(jīng)由1階慣性時(shí)滯過(guò)程變?yōu)?階慣性時(shí)滯過(guò)程，過(guò)程階次也已經(jīng)由原來(lái)的1階變?yōu)楝F(xiàn)在的2階過(guò)程，當(dāng)然，過(guò)程參數(shù)也相應(yīng)地產(chǎn)生了變化，在保持上述實(shí)驗(yàn)仿真條件不變的情況下，兩種控制算法的過(guò)程響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 增加慣性環(huán)節(jié)后的過(guò)程響應(yīng)

從抗外部干擾性能角度考察控制算法的魯棒性能。在保持上述實(shí)驗(yàn)仿真條件不變的情況下，在t=100 s施加一個(gè)寬度為10 s、幅度為0.5的定值擾動(dòng)信號(hào)，兩種控制算法在外部干擾下的過(guò)程響應(yīng)如圖5所示。

圖5 外部干擾下的過(guò)程響應(yīng)

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

從圖3的過(guò)程階躍響應(yīng)曲線可知，PID控制算法1出現(xiàn)振蕩與超調(diào)量，HSIC控制算法2的過(guò)程平穩(wěn)，不存在振蕩與超調(diào)量，顯然HSIC 控制更適應(yīng)于張緊過(guò)程的控制。對(duì)比分析圖4可知，即使原1階慣性時(shí)滯過(guò)程增加一個(gè)慣性環(huán)節(jié)后，HSIC控制算法仍能對(duì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)的控制，既不產(chǎn)生振蕩也不產(chǎn)生超調(diào)，其控制過(guò)程的響應(yīng)速度與調(diào)節(jié)時(shí)間也是令人滿意的。對(duì)比分析圖5可知：HSIC控制產(chǎn)生的超調(diào)量是非常小的，而且沒(méi)有產(chǎn)生任何蕩頻；對(duì)PID控制而言，不僅僅產(chǎn)生大幅度的超調(diào)，而且還產(chǎn)生振蕩，并且其產(chǎn)生的振蕩頻率和幅度均比較大。由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可見(jiàn)，與PID控制相比，基于仿人智能的HSIC控制策略魯棒性能強(qiáng)，具有很好的適應(yīng)過(guò)程參數(shù)變化與抗外部干擾的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)機(jī)作業(yè)履帶式行走張緊控制系統(tǒng)因其張緊過(guò)程具有不確定性、參數(shù)時(shí)變性、高度非線性和時(shí)滯特性等過(guò)程控制論特性，從自動(dòng)控制理論角度考慮，可供直接選擇應(yīng)用的張緊控制策略并不多。本文探討的張緊過(guò)程自適應(yīng)控制策略的強(qiáng)魯棒性能表明：基于仿人智能的HSIC控制策略對(duì)農(nóng)機(jī)作業(yè)履帶式行走張緊控制跟蹤具有自適應(yīng)性，是一種比較好的可供張緊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考的控制策略。