馬 勇，李瑞川，李玉善，徐繼康,2，趙 鵬，劉延俊

(1.山東科技大學(xué) 交通學(xué)院，山東 青島 266590；2.日照海卓液壓有限公司，山東 日照 276800；3.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院，山東 日照 276800；4.山東大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.海洋研究院，濟(jì)南250061)

0 引言

拖拉機(jī)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的動(dòng)力平臺(tái)，它通過(guò)驅(qū)動(dòng)電液懸掛系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)犁耕作業(yè)的升降控制[1-3]。在拖拉機(jī)耕作時(shí)，土壤環(huán)境復(fù)雜多變、隨機(jī)因素較多，僅以單一參數(shù)為控制目標(biāo)無(wú)法獲得良好的耕深均勻性，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷波動(dòng)也較明顯[2]。為此，相關(guān)學(xué)者結(jié)合拖拉機(jī)工作特性、土壤情況，將加權(quán)系數(shù)引入到拖拉機(jī)耕深控制中，提出了力位綜合控制的思想[4-6]。通過(guò)調(diào)節(jié)權(quán)重大小，既可保證拖拉機(jī)在某一地塊的耕作均勻性，也能有效減小負(fù)荷的波動(dòng)。

一般情況下，拖拉機(jī)耕作區(qū)域相對(duì)靈活，特別在土地規(guī)?；?jīng)營(yíng)的趨勢(shì)下，跨區(qū)作業(yè)將成為未來(lái)耕作模式的新常態(tài)。但不同區(qū)域土壤情況千差萬(wàn)別[7]，而加權(quán)系數(shù)則是駕駛員根據(jù)常耕地塊的經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，尚不能隨耕作環(huán)境變化實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)調(diào)節(jié)[1]，這將無(wú)法保證良好的耕深均勻性。在控制方法上，研究人員將模糊控制與PID控制相結(jié)合應(yīng)用于耕深調(diào)節(jié)中[1,8]，雖在大擾動(dòng)、時(shí)變、非線性等隨機(jī)土壤環(huán)境因素下可得到較好的耕深均勻性，但相關(guān)參數(shù)的設(shè)定受人為因素影響較大，其模糊論域不能隨土壤環(huán)境變化自動(dòng)伸縮，致使不同土壤比阻時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間和超調(diào)量均有很大差別。

為此，本文將變論域思想引入拖拉機(jī)力位綜合控制中，設(shè)計(jì)出變論域模糊PID控制器，探究不同土壤比阻下加權(quán)系數(shù)取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)特性及拖拉機(jī)耕深均勻性的影響，為拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)時(shí)加權(quán)系數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 力位綜合控制原理與策略

1.1 力位綜合控制工作原理

拖拉機(jī)力位綜合控制是通過(guò)加權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中位調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)所占權(quán)重實(shí)現(xiàn)的，原理如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)耕作力位綜合控制原理圖

在拖拉機(jī)耕作前，駕駛員根據(jù)耕深要求、發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷等因素，通過(guò)控制面板預(yù)先設(shè)定耕深、牽引力及加權(quán)系數(shù)。作業(yè)過(guò)程中，耕深信號(hào)由位置傳感器提供的反饋信號(hào)與力傳感器轉(zhuǎn)換的反饋信號(hào)根據(jù)加權(quán)系數(shù)大小計(jì)算獲得，并與設(shè)定耕深比較產(chǎn)生偏差信號(hào)。接著根據(jù)預(yù)先制定的控制方案輸出相應(yīng)的控制電壓，驅(qū)動(dòng)電液比例控制閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)懸掛機(jī)構(gòu)，進(jìn)而改變犁體的入土深度。

1.2 系統(tǒng)控制策略

電液懸掛系統(tǒng)以耕深均勻性為主要目標(biāo)，結(jié)合加權(quán)系數(shù)大小，選擇相應(yīng)的控制模式調(diào)節(jié)耕深，其控制流程如圖2所示。

圖2 拖拉機(jī)耕作力位綜合控制流程圖

加權(quán)系數(shù)的取值是耕深調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。拖拉機(jī)在某一區(qū)域作業(yè)前，系統(tǒng)首先做初始化處理，然后判斷加權(quán)系數(shù)是否在允許范圍內(nèi)取值，當(dāng)其在設(shè)定區(qū)間時(shí)，再根據(jù)數(shù)值大小確定兩反饋信號(hào)所占比例。若加權(quán)系數(shù)改變，系統(tǒng)將再次執(zhí)行上述流程，最終獲得該區(qū)域較合理的加權(quán)系數(shù)。然而，在拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)時(shí)，此控制流程較為繁瑣，如何根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)控制特點(diǎn)和土壤性質(zhì)合理確定不同土壤比阻下加權(quán)系數(shù)的取值范圍成為關(guān)鍵。

2 變論域模糊PID控制器設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思想與控制器結(jié)構(gòu)

拖拉機(jī)在某一地域耕作時(shí)，模糊PID控制具有較好的響應(yīng)特性，但當(dāng)拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)時(shí)，其控制誤差較大，響應(yīng)時(shí)間不一。變論域控制思想是在不改變控制規(guī)則和比例、量化因子的前提下引入伸縮因子，使得基本論域?qū)崟r(shí)隨系統(tǒng)誤差變化而變化，解決了土壤比阻波動(dòng)帶來(lái)的滯后及非線性問(wèn)題，也可有效提高系統(tǒng)控制精度[9-10]。

根據(jù)變論域控制原理[11-12]，此控制器可根據(jù)系統(tǒng)耕深誤差信號(hào)利用伸縮因子改變模糊論域，實(shí)現(xiàn)耕深誤差的“細(xì)調(diào)”與“粗調(diào)”。控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變論域模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)首先計(jì)算反饋信號(hào)與設(shè)定耕深的差值并輸入控制器，然后根據(jù)誤差e和誤差變化率ec計(jì)算伸縮因子，并結(jié)合已有的比例、量化因子共同完成模糊論域的伸縮變換，實(shí)現(xiàn)誤差信號(hào)的實(shí)時(shí)在線調(diào)整。

2.2 伸縮因子的設(shè)計(jì)

如何合理選取伸縮因子是變論域模糊PID控制器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵[12]。目前，關(guān)于伸縮因子的選取方法尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)根據(jù)被控對(duì)象特點(diǎn)選用函數(shù)型和模糊推理型兩種[9-13]，但后者計(jì)算量較大，實(shí)時(shí)性稍差，故本文選用函數(shù)型伸縮因子。

設(shè)輸入變量的基本論域?yàn)閄=[-α(x)E,α(x)E]，輸出變量的基本論域?yàn)閅=[-β(y)K,β(y)K]。其中，α(x)、β(y)分別為輸入、輸出伸縮因子。

在輸入論域中，伸縮因子由下式確定

α(x)=1-εe-kx2(0<ε<1,k>0)

其中，ε、k為常數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)性能確定；x為耕深誤差e或誤差變化率ec。

在輸出論域中，為了更合理地確定伸縮因子，綜合考慮PID控制器輸入變量特點(diǎn)，使得ΔKp、ΔKd的伸縮因子與耕深誤差e變化方向保持一致，ΔKi的伸縮因子則與耕深誤差e保持反向[10]，具體可表示為

βp,d=|2e|

2.3 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)不同的功能需求，模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。在力位綜合控制中，采用兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)。輸入量是耕深誤差e和誤差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。

鑒于拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)土壤比阻波動(dòng)明顯的情況，將耕深誤差e和誤差變化率ec的基本論域定為[-20，20]和[-6000，6000]，3個(gè)修正信號(hào)ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域選為[-7.32，7.32]、[-1.2，1.2]和[-0.03，0.03]。因此，輸入輸出變量的模糊論域均取[-6，6]，并用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}等7個(gè)模糊子集劃分模糊論域。在隸屬函數(shù)形狀的選取中，優(yōu)勢(shì)突出的三角形隸屬函數(shù)是本文的首選[8]。

在建立模糊控制規(guī)則時(shí)，綜合考慮拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)控制系統(tǒng)工作特點(diǎn)和各控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，制定出如表1所示的模糊控制規(guī)則。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)則表

為了較好地輸出模糊控制器的運(yùn)算結(jié)果，獲得更為精確的控制效果，采用重心法對(duì)其輸出結(jié)果做清晰化處理后在線校正PID控制器參數(shù)。校正表達(dá)式為

Kp,i,d=Kp0,d0,i0+ΔKp,i,d

其中，Kp0,d0,i0分別表示比例、積分和微分的初始值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)響應(yīng)特性仿真試驗(yàn)

為驗(yàn)證文本所選控制策略的合理性及變論域模糊PID控制器的優(yōu)越性，減少拖拉機(jī)田間實(shí)車試驗(yàn)時(shí)的相關(guān)投入，首先借助MatLab/Simulink軟件仿真平臺(tái)，搭建拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)力位綜合控制仿真模型，在典型土質(zhì)下研究不同加權(quán)系數(shù)時(shí)系統(tǒng)的響應(yīng)特性。

為保證與實(shí)車試驗(yàn)的一致性，系統(tǒng)仿真試驗(yàn)時(shí)將耕深設(shè)定為25cm。對(duì)比觀察加權(quán)系數(shù)取0、0.5、1時(shí)響應(yīng)曲線的變化趨勢(shì)并繪制在同一圖形中(見(jiàn)圖4)，分析響應(yīng)時(shí)間、最大超調(diào)量和靜態(tài)誤差等控制效果。

根據(jù)仿真曲線可得：無(wú)論加權(quán)系數(shù)如何取值，系統(tǒng)的響應(yīng)速度均較快，達(dá)到穩(wěn)定耕深的時(shí)間均小于1s，且沒(méi)有超調(diào)現(xiàn)象，也不存在靜態(tài)誤差。這說(shuō)明，本控制方案能較好地滿足拖拉機(jī)快速升降的工況需求。

圖4 典型土質(zhì)下系統(tǒng)響應(yīng)仿真曲線

3.2 田間實(shí)車試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)條件

為了測(cè)算與分析拖拉機(jī)跨區(qū)耕作時(shí)的實(shí)際土壤情況，驗(yàn)證本控制器的適應(yīng)性，以五征雷諾曼PH1454型拖拉機(jī)為載體，選用本團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的電液比例閥為耕深控制閥，搭建田間試驗(yàn)平臺(tái)。選擇五征集團(tuán)現(xiàn)有試驗(yàn)田進(jìn)行拖拉機(jī)跨區(qū)耕作試驗(yàn)，其田間實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景及主要部件安裝位置如圖5、圖6所示。

圖5 拖拉機(jī)田間實(shí)車試驗(yàn)場(chǎng)景圖

圖6 傳感器和控制閥安裝位置

3.2.2 試驗(yàn)方案

為能全面反映拖拉機(jī)跨區(qū)耕作土壤比阻的變化情況，充分體現(xiàn)各種土質(zhì)性能，在試驗(yàn)前查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1,7]并結(jié)合五征集團(tuán)現(xiàn)有試驗(yàn)田的土壤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，選擇地面平整、土壤比阻均值約為3、4、6N/cm2的3塊典型試驗(yàn)田，并分別定義為小比阻、適中比阻、大比阻。每塊試驗(yàn)田分別檢測(cè)不同加權(quán)系數(shù)時(shí)耕深的變化情況，真實(shí)反映拖拉機(jī)跨區(qū)作業(yè)時(shí)加權(quán)系數(shù)在耕深調(diào)節(jié)中的作用。

試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，以適中比阻為基準(zhǔn)，進(jìn)行梨架調(diào)平和傳感器標(biāo)定等工作。同時(shí)，將耕深設(shè)定為25cm，牽引力設(shè)定為7kN，拖拉機(jī)檔位設(shè)定為B2擋，以7.5km/h的車速勻速直線行駛，記錄典型土質(zhì)下不同加權(quán)系數(shù)時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

將拖拉機(jī)在3塊試驗(yàn)田耕作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后導(dǎo)入MatLab軟件平臺(tái)，得到典型土質(zhì)下拖拉機(jī)耕深變化曲線，如圖7所示。

圖7 典型土質(zhì)下拖拉機(jī)耕深試驗(yàn)曲線

對(duì)比圖7的耕深試驗(yàn)曲線可得：拖拉機(jī)在相同土壤比阻下耕作時(shí)，隨著加權(quán)系數(shù)的增加，耕深波動(dòng)幅度趨于平緩，耕深均勻性逐漸變好。在不同土壤比阻下耕作時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)均較快，但耕深的調(diào)節(jié)區(qū)間不同：小比阻時(shí)，在大于設(shè)定耕深的區(qū)段變化，但力調(diào)節(jié)所占權(quán)重越大，耕深波動(dòng)越大，適合發(fā)揮位調(diào)節(jié)優(yōu)勢(shì),加權(quán)系數(shù)取值應(yīng)偏大；適中比阻時(shí)，在設(shè)定耕深附近波動(dòng)，此時(shí)加權(quán)系數(shù)取中值，既可保證良好的耕深均勻性，也可避免發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷過(guò)大的危險(xiǎn)；大比阻時(shí)，在小于設(shè)定耕深的區(qū)段波動(dòng)，雖然較大加權(quán)系數(shù)可獲得良好的耕深均勻性，但發(fā)動(dòng)機(jī)將長(zhǎng)期處于過(guò)負(fù)荷工況，影響其壽命，在保證合理耕深區(qū)間的前提下，充分施展力調(diào)節(jié)的優(yōu)勢(shì)，加權(quán)系數(shù)取值應(yīng)偏小。

4 結(jié)論

鑒于我國(guó)農(nóng)業(yè)耕作模式的新常態(tài)，提出了拖拉機(jī)跨區(qū)耕作變論域模糊PID控制方法，同時(shí)開(kāi)展了系統(tǒng)響應(yīng)特性仿真試驗(yàn)和典型土質(zhì)田間耕深試驗(yàn)。結(jié)果表明：無(wú)論加權(quán)系數(shù)和土壤比阻如何取值，系統(tǒng)的響應(yīng)速度均較快，達(dá)到穩(wěn)定耕深的響應(yīng)時(shí)間較短，體現(xiàn)了本文所選控制方案的優(yōu)越性；加權(quán)系數(shù)對(duì)拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)區(qū)間和耕深均勻性都有較大影響，但無(wú)論其如何取值，耕深基本保持在合理耕深范圍，可以為作物生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境。另外，不同土壤比阻的耕深試驗(yàn)曲線，可為加權(quán)系數(shù)的合理選擇提供一定的參考依據(jù)，也為其自動(dòng)調(diào)節(jié)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。