張學軍，李 茜，朱興亮，馬少騰

基于自抗擾-動態(tài)矩陣的油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速控制

張學軍，李 茜，朱興亮，馬少騰

（新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院，烏魯木齊 830052）

針對油葵聯(lián)合收獲機的脫粒滾筒控制方法的實時性、準確性和適應性問題，該文以油葵聯(lián)合收獲機行走速度為控制量，滾筒轉速為目標建立油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒速度動力學模型，并將模型變換為適于自抗擾控制的仿射系統(tǒng)，設計了基于自抗擾和動態(tài)矩陣模型的控制系統(tǒng)，并對聯(lián)合收獲機的時變干擾進行在線估計，對脫粒滾筒的控制延遲進行基于動態(tài)矩陣模型預測控制，實現(xiàn)對其控制延遲的抵消和滾筒轉速的實時控制。對所設計的脫粒滾筒控制器進行了仿真、臺架試驗和田間試驗。結果表明，在自抗擾-動態(tài)矩陣控制器作用下，當喂入量較小時，隨著收獲機行走速度慢慢增加滾筒轉速穩(wěn)定在最優(yōu)轉速430 r/min；當喂入量加大時，滾筒轉速降低；當喂入量有小幅度隨機干擾時，滾筒實時控制轉速與最優(yōu)轉速430 r/min的靜態(tài)誤差保持在5%之內，自抗擾-動態(tài)矩陣控制器能夠使脫粒滾筒獲得平穩(wěn)的速度控制效果。研究結果可為油葵作物聯(lián)合收獲機控制提供參考。

農(nóng)業(yè)機械；收獲機；控制；滾筒轉速；自抗擾控制器；動態(tài)矩陣；油葵

0 引 言

油葵是世界四大油料作物之一，中國東北、華北、西北等地約有300 萬km2的地區(qū)種植油葵。油葵聯(lián)合收獲機是一種大型聯(lián)合收獲機，隨著農(nóng)業(yè)自動化技術的發(fā)展，對其自動控制的要求也越來越高，脫粒滾筒轉速系統(tǒng)作為油葵聯(lián)合收獲機主要子系統(tǒng)之一呈現(xiàn)出強非線性、多干擾、控制時滯等特點[1-6]。

在實際生產(chǎn)中，聯(lián)合收獲機的控制模型參數(shù)往往存在不確定性，如復雜多變的地形和收割對象會給收獲機的行走速度和脫粒裝置的控制帶來干擾，這對控制器的魯棒性和自適應性提出了更高的要求[7]。目前，已有相關文獻對其他作物的聯(lián)合收割機脫粒滾筒的轉速控制進行了研究，如，陳進等[8]針對聯(lián)合收獲機工作過程中的非線性、時變、大滯后特性，提出了采用灰色預測模糊控制方法，對聯(lián)合收獲機的前進速度進行自動控制；并以切縱流聯(lián)合收獲機為研究對象[9]，設計了一種基于聯(lián)合收獲機前進速度的模糊自適應控制系統(tǒng)，建立了融合多個變量的自適應控制參考模型和模糊控制規(guī)則，但這2種方法針對不同地塊及收割對象需要首先建立輸入、輸出量的偏差、偏差變化量的量化表和模糊規(guī)則查詢表，工作量繁瑣。寧小波等[10]在文獻[9]基礎上建立了控制性能和收獲性能的優(yōu)化目標函數(shù)來衡量聯(lián)合收獲機的作業(yè)性能，并利用多目標遺傳算法對模糊控制系統(tǒng)的隸屬度函數(shù)和輸送槽、割臺螺旋輸送器和切流滾筒對前進速度的影響因子進行優(yōu)化；寧小波等[11]以XG610 型聯(lián)合收獲機為應用對象，在對運動機構動力學分析和脫粒分離試驗數(shù)據(jù)的基礎上，分析了其他工作部件運動對脫粒滾筒轉速變化的影響，建立了脫粒系統(tǒng)動力學模型，并與模糊邏輯控制器相結合構建了調速控制系統(tǒng)仿真模型；李鑫等[12]利用傳感器采集滾筒信息，形成了滾筒轉速的閉環(huán)反饋調節(jié)機制，并采用小波神經(jīng)網(wǎng)絡算法對轉速精度進行調節(jié)；宿敬肖[13]等利用新型液壓-機械控制方案，結合神經(jīng)網(wǎng)絡PID控制器，設計了一種新的小麥收割機械式行走裝置。但這幾種方法沒有考慮控制時滯問題，即收割對象被收割后需要在傳送槽內運送一定時間才能到達脫粒滾筒，使得脫粒滾筒不能達到實時控制。

對于油葵聯(lián)合收獲機而言，由于實際收割中油葵聯(lián)合收獲機的模型參數(shù)的不確定性和其他時變的隨機干擾，其脫粒滾筒轉速控制系統(tǒng)呈現(xiàn)出強非線性、多干擾、控制時滯等特點，大范圍調速時非線性表現(xiàn)更加嚴重，且油葵盤傳送帶也引入控制的延遲，使得收獲機行走速度改變不能很快調節(jié)脫粒滾筒的喂入量，難以達到真正的實時性、準確性和適應性，對滾筒控制器的魯棒性提出了更高要求[14-18]。

近年來，自抗擾控制器（active disturbance rejection controller，ADRC）[19-21]得到了眾多學者的重視，發(fā)展迅速，并在電機調速系統(tǒng)、傳動裝置的運動控制、精密控制領域以及機器人、兵器、航天等領域[22-26]獲得了廣泛應用。本文在分析油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速控制系統(tǒng)數(shù)學模型的基礎上，引入自抗擾控制器并將其與動態(tài)矩陣模型預測控制方法相結合，設計一個基于自抗擾控制器的脫粒滾筒轉速控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了“大誤差，小增益”、“小誤差，大增益”的非線性控制[27]，將系統(tǒng)的內擾、外擾以及速度張力之間的耦合影響等視為系統(tǒng)總擾動，由擴張狀態(tài)觀測器統(tǒng)一觀測并加以補償，并進一步利用動態(tài)矩陣預測控制方法（dynamic matrix predictive control，DMC）對控制延遲進行處理，以實現(xiàn)滾筒轉速和收獲機行走速度的解耦，并有效克服隨機擾動對轉速的影響。

1 脫粒滾筒轉速控制模型

當收獲機結構一定時，脫粒滾筒的轉速主要依賴于滾筒的輸入功率、收獲機的行進速度、作物密度以及地表地貌等。本文采用文獻[11-12]中基于滾筒角速度、作物密度、發(fā)動機功率和收獲機行走速度的脫粒滾筒轉速控制模型。

不同地塊作物種植密度具有時變性和不確定性，是隨機變量，不可控制，發(fā)生變化會導致喂入量的變化而使得脫粒滾筒工作狀態(tài)發(fā)生改變，此時可以通過調節(jié)收獲機行走速度實施對脫粒滾筒工作狀態(tài)的控制。

2 滾筒轉速ADRC控制策略

2.1 ADRC

ADRC是一種不依賴系統(tǒng)模型的新型控制技術，它能實時估計并補償系統(tǒng)運行時受到的各種“外擾”和“內擾”的總和作用，并結合特殊的非線性反饋結構實現(xiàn)良好的控制品質，具有超調小、響應快、精度高、抗干擾能力強、算法簡單等特點，可以非常有效地解決由式（1）描述的對象的控制問題[26-28]。

式中為狀態(tài)變量，()為外部擾動，為控制量，()為控制量放大系數(shù)，為輸出，(,(),)是對象“總擾動”。自抗擾控制器主要包括：非線性跟蹤微分器（tracking differentiator，TD）、擴張狀態(tài)觀測器（extended state observer，ESO）和非線性組合（nonlinear state error feedback law，NLC）。對于該二階對象，其ADRC控制器的標準結構參見文獻[20-21]。

2.2 二階滾筒轉速ADRC控制策略

記

由此得到：

脫粒滾筒轉速的干擾是時變的，根據(jù)ADRC設計思想，將式（5）中的視為系統(tǒng)的未知擾動，通過設計擴張狀態(tài)觀測器（ESO）將其估計出來，并通過控制量對其進行補償，實現(xiàn)對滾筒轉速系統(tǒng)內外干擾的克服，提高控制器的魯棒性。

2.3 ADRC控制律設計

1）由跟蹤微分器（TD）安排過渡過程

參考輸入信號0（本文中參考輸入信號為最優(yōu)滾筒轉速0），經(jīng)TD后輸出為1和2，1為參考輸入0的跟蹤信號，2為跟蹤信號1的微分信號，1能很快跟蹤參考輸入0。

2）計算擴張狀態(tài)觀測器（ESO）的輸出

2.4 脫粒滾筒轉速控制延遲的處理

文獻[31-33]對動態(tài)矩陣模型預測控制（DMC, dynamic matrix predictive control）的基本原理已有敘述，本文根據(jù)油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒的特點和作業(yè)參數(shù)構建模型方程。

互聯(lián)網(wǎng)時代打破了傳統(tǒng)信息壁壘，形成了信息共享、結構重塑、透明開放、突破時空的互聯(lián)互通格局。在這樣的大環(huán)境下，客服人員招聘的弊端更易化解，人崗匹配度更為精準，總體而言互聯(lián)網(wǎng)時代招聘客服人員有以下幾個特點：

將其代入脫粒滾筒轉速控制模型，得到對應的個滾筒轉速：

若優(yōu)化性能指標為

式中c和r是加權系數(shù)，c表示對滾筒給定轉速的跟蹤誤差的抑制，r表示控制作用變化的抑制。

圖1 油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速自抗擾控制流程

3 軟硬件設計

基于上述控制算法設計了基于DSP的ADRC非線性控制器硬件系統(tǒng)，包括主系統(tǒng)模塊、電源模塊、基于A/D的轉換模塊和液晶顯示模塊，如圖2所示。

圖2 基于DSP的控制器主系統(tǒng)

為使系統(tǒng)運行速度快，硬件系統(tǒng)選用TI公司的浮點DSP芯片TMS320C6713作滾筒轉速控制算法處理器（將ADRC-DMC控制器程序通過編程下載到DSP中），TMS320C6713是32位高性能浮點數(shù)字信號處理器（DSP），貼片式封裝，集成度高，體積小且DSP的主頻很高，運算速度高達2 400 MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）、200 MIPS（每秒百萬次指令）。算法解算系統(tǒng)模塊電路由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復、微處理器I、微處理器II和DSP電路組成，微處理器I和微處理器II均選用C8051F120。TMS320C6713設置成微機工作模式，具有自主引導功能?？刂瞥绦蚬袒贔LASH ROM中，該器件提供了256 K的內部存儲器空間，整個運算全部是在器件內部進行，省去了DSP器件外擴RAM。各傳感器的信號由運放調理后輸入給ADS8364，經(jīng)ADS8364采集后送給微處理器I，并進行簡單的平滑濾波后送給微處理器II。微處理器II擴展了串口芯片TL16C554，外接數(shù)據(jù)存儲模塊存儲原始數(shù)據(jù)和最終數(shù)據(jù)，并預留2個接口，以便初始時獲取初始參數(shù)，并可將系統(tǒng)運行時的數(shù)據(jù)實時傳送給筆記本電腦進行實時曲線顯示。各傳感器信息通過微處理器II將數(shù)據(jù)傳輸給滾筒轉速控制處理器（DSP），經(jīng)解算后將轉速等信息送往顯示單元。

為使控制器能正常工作且保證脫粒滾筒的最佳喂入量和最佳轉速，設計了油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速控制系統(tǒng)軟件，包括系統(tǒng)軟件和功能軟件，主要由自檢模塊、初始化模塊、數(shù)據(jù)預處理模塊、算法解算模塊、中斷服務程序模塊和軟件看門狗模塊組成。在系統(tǒng)硬件配置的基礎上，以DSP為算法運行環(huán)境，對系統(tǒng)軟件進行檢測、信息傳輸、數(shù)據(jù)處理和算法解算。

4 仿真試驗

為驗證本文所建立的油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速控制器的正確性，選取約翰迪爾W210油葵聯(lián)合收割機的脫粒滾筒為對象進行仿真驗證試驗，仿真參數(shù)設置見表1[7,11-12]。在MATLAB環(huán)境下設計了ADRC-DMC控制器，為了驗證其速度響應效果，根據(jù)前期試驗結果，分別作如下仿真：1）假設喂入量為2.45 kg/s，最佳轉速為430 r/min，采用階躍輸入信號對脫粒滾筒轉速控制系統(tǒng)進行啟動速度控制仿真；2）假設某時刻喂入量由2.45增加到3.01 kg/s，脫粒滾筒轉速由430突變?yōu)?90.2 r/min。速度響應曲線如圖3所示。

表1 仿真參數(shù)

圖3 基于ADRC的脫粒滾筒啟動轉速和變化轉速仿真曲線

從圖3a中可以看出，在沒有隨機干擾的情況下，系統(tǒng)的速度響應曲線比較光滑，且沒有超調量，響應時間為4.078 s，響應速度比較快。從圖3b可以看出，當喂入量突然加大時，系統(tǒng)進行自我調整，滾筒轉速開始下降，經(jīng)過約1.2 s穩(wěn)定在390.2 r/min，速度響應曲線比較光滑，系統(tǒng)能及時對滾筒轉速做出有效調節(jié)，避免出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象。

5 臺架試驗與結果分析

為了在田間試驗前驗證所設計的軟硬件的正確性，本文進行了臺架試驗，試驗地點新疆農(nóng)業(yè)大學機電工程學院機庫，試驗樣機為油葵聯(lián)合收獲機脫粒裝置，其結構圖如圖4a所示。試驗物料為“油葵5號”，摘盤時油葵盤含水率為18%～23%。試驗參照GB/T5982-2017《脫粒機試驗方法》。在電動機和電源之間安裝變頻器，通過調整變頻器頻率改變電動機的轉速，在脫粒滾筒輸入軸一端安裝扭矩傳感器，測定滾筒轉速、扭矩、功率，將所設計的硬件系統(tǒng)通過ATV38HD12N4型號變頻器連接到YE2-112M-4型號三相異步電機，然后通過聯(lián)軸器連接到LKN-205型號扭矩傳感器，再將扭矩傳感器連接到脫粒滾筒，喂入量為2.45 kg/s左右（為保證喂入量，事先計算并稱量好放入多個容器，試驗時平均每2秒快速倒入1次），在第15 s之后隨機多投入0.15 kg左右的油葵盤改變喂入量，驗證干擾信號下滾筒速度控制效果。臺架試驗現(xiàn)場如圖4b所示。速度響應曲線如圖5所示。

圖4 脫粒裝置及臺架試驗

從圖5可以看出，基于ADRC的滾筒轉速控制方法能使脫粒滾筒的轉速穩(wěn)定在最佳轉速430 r/min附近，當有隨機干擾（喂入量變化）時可小范圍（0.5 r/min）調節(jié)脫粒滾筒的轉速，對于農(nóng)作物不確定性或隨機干擾有較好抑制效果，能及時對滾筒轉速做出有效調節(jié)。

圖5 有干擾信號的滾筒轉速控制曲線

6 田間試驗與結果分析

將所設計的硬件系統(tǒng)安裝在約翰迪爾W210油葵聯(lián)合收獲機上于2018年9月進行田間試驗，試驗地點選在新疆生產(chǎn)建設兵團農(nóng)六師103團油葵試驗田，如圖6所示。將霍爾傳感器安裝在約翰迪爾W210油葵聯(lián)合收獲機相應部件上獲取滾筒轉速和收獲機行走速度，通過采用MP057NB213型步進電機連接減速器對操縱桿進行控制，收獲機機手只需控制割臺和收獲機的行走方向，設置壓力傳感器采樣周期0.25 s。

圖6 田間試驗

初始試驗選擇油葵種植密度較為均勻且地面較為干燥的地塊，油葵品種為“油葵5號”，初始時收割寬度為6行（根據(jù)收獲機行走速度和種植密度，對應喂入量為2.36~2.53 kg/s），行距37～40 cm，株距20～25 cm，株高約130 cm，盤高約112 cm，留茬高度約85 cm，籽粒含水率16.2%～17.8%，通過調整收獲機行走速度調節(jié)喂入量，通過采用變割幅（收割寬度由6行增加到7行）的收割方法增加收獲機相同行走速度下的喂入量，驗證控制器的控制效果；選用種植情況相同的地塊進行7次驗證試驗。其中1次的試驗結果如圖7所示。圖7a為啟動時滾筒轉速跟蹤曲線，圖7b為喂入量為6行作業(yè)時滾筒轉速和收獲機行走速度控制曲線，圖7c為喂入量由6行增加到7行時的滾筒轉速和收獲機行走速度控制曲線（穩(wěn)定狀態(tài)的喂入量在2.39~2.51 kg/s之間）。

圖7 田間試驗的速度響應曲線

從圖7a可以看出，在ADRC控制器作用下，由于隨機干擾的存在，在油葵聯(lián)合收獲機啟動時，滾筒轉速有一定的超調，但超調量和超調時間很小，滾筒轉速很快達到最優(yōu)轉速430 r/min左右，總體誤差在5%（20 r/min）內，滿足實際作業(yè)要求。

從圖7b可以看出，收獲機開始自動控制收割油葵后，由于喂入量較小，收獲機行走速度慢慢加快而滾筒轉速穩(wěn)定在430 r/min；隨著收獲機行走速度繼續(xù)加快，喂入量逐漸增加，達到設置的最優(yōu)喂入量左右，控制器開始調節(jié)，滾筒轉速降低同時調節(jié)收獲機行走速度，經(jīng)過小幅調節(jié)后，由于所選地塊種植密度較均勻，滾筒轉速和收獲機行走速度均保持穩(wěn)定，大約在5.1 s開始種植密度稍微增加，喂入量有小幅度的隨機干擾，但經(jīng)過調節(jié)后滾筒轉速控制與最優(yōu)轉速430 r/min保持在5%的靜態(tài)誤差之內，運行穩(wěn)定。

從圖7c可以看出，當收割寬度增大到7行后，喂入量增加（約3.93 kg/s），已超出設置的最佳喂入量，如果收獲機仍以當前速度行走，有可能使得脫粒滾筒堵塞，但經(jīng)控制器調整后，收獲機行走速度開始減小，滾筒轉速也開始減小，控制器能實時的對收獲機行走速度和滾筒轉速進行調節(jié)，響應時間約為0.5 s，能很好處理控制延遲問題，實現(xiàn)滾筒轉速的實時控制果。

7 結 論

本文針對油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒系統(tǒng)的強非線性和控制延遲的特性，設計了基于自抗擾和動態(tài)矩陣控制預測控制方法的脫粒滾筒轉速ADRC-DMC控制器。對于控制延遲現(xiàn)象，本文在ADRC控制器的反饋回路中添加一個以喂入量為參數(shù)的動態(tài)矩陣控制預測控制器，以消除控制延遲的影響，并設計了相關軟硬件。通過仿真、臺架試驗和田間試驗驗證了所設計控制器的有效性。試驗結果表明，收獲機開始自動控制收割油葵后，收獲機自動調整行走速度改變喂入量并最終穩(wěn)定在2.45 kg/s左右，滾筒轉速穩(wěn)定在430 r/min左右，當收割行數(shù)有6行突變?yōu)?行時，經(jīng)過約0.5 s，控制器開始對收獲機行走速度和滾筒轉速進行調節(jié)，響應速度較快，說明本文所設計的控制器能很好的對油葵聯(lián)合收獲機的脫粒滾筒轉速進行實時有效的控制。

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Rotational speed control of threshing cylinder of oil sunflower combine harvester based on active disturbance rejection controller-dynamic matrix predictive

Zhang Xuejun, Li Xi, Zhu Xingliang, Ma Shaoteng

(,,830052,)

Aiming at the real-time, accuracy and adaptability requirements of threshing cylinder control method of oil sunflower combine harvester, the mathematical model ofrotational speed control of threshing cylinder for oil sunflower harvesting is given in this paper. The walking speed of oil sunflower combine harvest was selected as the control variable and the rotational speed of threshing cylinder wasselected as controlled variable. The rotational speed dynamic model of the threshing cylinder was converted to a affine system which is suitable for ADRC (active disturbance rejection controller), and then the control system based on the ADRC. The internal disturbance, external disturbance and the coupling effect between velocity tension of the system are considered as the total disturbance of the system, the extended state observer is used to observe and compensate the control delay, and the dynamic matrix predictive (DMC) control method is further used to process the control delay. The DMC predictor continuously collects feeding quantity at the current time to predict the feeding quantity at the time according to the predictor. When the predicted value exceeded the setting range, the control system would adjust the walking speed of harvester and the rotational speed of threshing cylinder in time, i.e. to increase the walking speed of the harvester, to increase the feeding quantity, to improve the efficiency or to reduce the walking speed of the harvester, to reduce the feeding quantity and to avoid the blockage of the threshing cylinder, thus the feeding quantity is always kept within the setted optimum range, so that the speed of threshing cylinder can be controlled in advance. The hardware and software system of DSP based on ADRC-DMC nonlinear controller was designed, the simulations, laboratory test and field test were carried out for the designed threshing cylinder controller. Simulation results showed that in the absence of random disturbance, system response curve was smooth, and no overshoot, faster response and system could adjust itself when feeding quantity increased suddenly, the rotational speed of threshing cylinder began to decrease and stabilized at 390.2 r/min after about 1.2 s, and the system response curve was smooth. In the bench test,when the threshingcylinder ran at the optimum speed of 430 r/min, the optimum feeding quantity was 2.45 kg/s, after 15 s, randomly invested about 0.15 kg oil sunflower tray and stem to change the feeding quantity, the test results showed that the rotational speed control method based on ADRC-DMC could adjust the speed in a small range and had a good inhibitory effect on crop uncertainty or random interference, the rotation speed of the threshing cylinder could be adjusted in a small range (0.5 r/min). In order to further verify the effect of the controller, field tests were carried out. The feeding quantity was adjusted by adjusting the traveling speed of the harvester by changing the cutting width, i.e. the cutting width was increased from 6 rows to 7 rows. The results showed that the overall change trend of the record data curve of the rotational speed of threshing cylinder and walking speed of the combine harvester was in good agreement with the simulation results, and the speed response time was about 0.5 s, which can deal with the control delay problem well and realize the real-time control of the rotational speed of the threshing cylinder, ADRC-DMC controller could make the threshing cylinder achieve stable effect.

agricultural machinery; harvester; control; rotational speed of threshing cylinder; active disturbance rejection controller; dynamic matrix; oil sunflower

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.002

S225.31

A

1002-6819(2019)-15-0009-08

2019-02-16

2019-05-06

國家重點研發(fā)計劃（2016YFD0702104-3）

張學軍，博士，教授，主要研究方向為農(nóng)業(yè)裝備工程技術。Email：tuec@163.com

張學軍，李 茜，朱興亮，馬少騰. 基于自抗擾-動態(tài)矩陣的油葵聯(lián)合收獲機脫粒滾筒轉速控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學報，2019，35(15)：9－16. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.002 http://www.tcsae.org

Zhang Xuejun, Li Xi, Zhu Xingliang, Ma Shaoteng. Rotational speed control of threshing cylinder of oil sunflower combine harvester based on active disturbance rejection controller-dynamic matrix predictive[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(15): 9－16. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.15.002 http://www.tcsae.org