聯(lián)合收割機脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

翁仕鴻

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

在谷物收獲機械中，聯(lián)合收割機是一種能把切割，脫粒、分離和清選等多項工作集中在一臺機器上完成而直接獲得清潔谷粒的農(nóng)業(yè)機械，它的廣泛使用極大地減輕了農(nóng)民勞動強度，提高了勞動生產(chǎn)率。脫粒機中的脫粒裝置是聯(lián)合收割機的重要組成部分，對于脫粒性能一定的谷物聯(lián)合收割機,為保證脫粒質(zhì)量,其脫粒滾筒的角速度應(yīng)控制在預(yù)期的范圍內(nèi)，影響脫粒滾筒的脫粒性能因素有很多，既有作物密度、谷物濕度等不可控因素，也有滾筒角速度、喂入量等可控因素。各種因素又互相聯(lián)系，因此脫粒滾筒是一個復(fù)雜的非線性系統(tǒng)，滾筒角速度與各種性能影響因素之間難以建立一個精確的數(shù)學(xué)模型，這對傳統(tǒng)控制理論應(yīng)用帶來極大的不便[1,2]?；诮?jīng)驗、規(guī)則和自學(xué)習(xí)，根據(jù)被控量的變化量和變化率進行模糊推理的模糊控制技術(shù)不需要知道被控系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型，為非線性復(fù)雜系統(tǒng)的控制提供一種有效手段。對于脫粒裝置這樣一個非線性時變且有較大延時的復(fù)雜系統(tǒng)[3,4,5]，本文通過參考前人已研究的軸流脫粒滾筒數(shù)學(xué)模型以及實驗參數(shù)，建立了聯(lián)合收割機脫粒滾筒數(shù)學(xué)模型、模糊控制器以及整個控制系統(tǒng)的仿真，并且通過MATLAB語言編寫程序代碼生成控制表，為以后硬件實現(xiàn)的可行性打下一定的基礎(chǔ)。

1.粒滾筒子系統(tǒng)的建立與仿真

1.1.粒滾筒功耗數(shù)學(xué)模型

以軸流脫粒滾筒為研究對象，其功耗模型為[1]：

J，r—滾筒的轉(zhuǎn)動慣量和等效半徑

N—發(fā)動機提供給滾筒的功率

a，b—反映滾筒克服運動副摩擦力和空氣阻力的系數(shù)

f—搓擦系數(shù)γ—作物的谷草比

λ—莖稿出口速度和滾筒圓周速度之比

q—滾筒入口處的喂入量

H—割幅寬度ρ—作物密度υ—收獲機行進速度

式（1）反映了滾筒運行狀態(tài)的全部信息，其右邊3項分別表示滾筒的輸入功率、空轉(zhuǎn)功率和有用脫粒工作阻力。=0意味著滾筒的輸入功率與總的工作阻力相等，滾筒勻速轉(zhuǎn)動，聯(lián)合收割機處于穩(wěn)定工作狀態(tài)；<0表示由于喂入量增加或地表形貌惡化使總工作阻力大于發(fā)動機所能提供的最大功率，滾筒處于減速運行狀態(tài)；>0說明總工作阻力小于脫粒滾筒的額定負(fù)荷，機組沒有發(fā)揮最大生產(chǎn)能力，滾筒處于加速運行狀態(tài)。忽略谷物在割臺上的傳輸特性時，滾筒入口喂入量q可近似地表示為收割機割幅寬度H，考慮割茬高度的田間作物密度ρ以及機組行走速度υ之積，從而式（1）可轉(zhuǎn)化為：

當(dāng)聯(lián)合收割機的結(jié)構(gòu)和運動參數(shù)以及谷物的脫粒特性確定后，影響滾筒角速度的因素主要有ρ和υ，因而本研究的控制方案是:當(dāng)田間作物密度ρ突變引起滾筒角速度變化時，控制機組的行走速度υ使?jié)L筒角速度始終穩(wěn)定在設(shè)定值附近。模糊控制器的輸入量為滾筒角速度誤差和其誤差變化率(滾筒角加速度)，輸出量為聯(lián)合收割機行走速度。

1.2.粒滾筒子系統(tǒng)的仿真

代入表1中的各個仿真參數(shù)[1,4]，化簡得

表1.真參數(shù)

在MATLAB的Command Window中鍵入命令Simulink并回車,就會彈出Simulink庫瀏覽器，新建一個test.mdl文件,然后從Simulink模塊庫中找出需要的模塊,利用鼠標(biāo)將其拖到新窗口建立系統(tǒng)模型如圖1，測試脫粒滾筒功耗數(shù)學(xué)模型，

圖1.粒滾筒功耗模型

圖2.波器輸入輸出穩(wěn)定值

2.SIMULINK實現(xiàn)模糊控制器的可視化設(shè)計

取E、EC的論域為[-6,6] 以及U的論域[-7,7]，其模糊子集均為{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}。共有49條模糊控制規(guī)則。利用MATLAB/SIMULINK模糊邏輯工具箱建立隸屬函數(shù)。在 MATLAB的 Command Window中鍵入命令fuzzy，進入FIS(Fuzzy Inference System，模糊推理系統(tǒng))環(huán)境。

默認(rèn)建立的是一個單輸入單輸出的Mamdani型推理系統(tǒng)(常用Mamdani型推理和Sugeno型推理，Mamdani型推理使用最多，具有廣泛的接受性，而Sugeno型推理在于計算效率高，適用于線性化技術(shù)以及數(shù)學(xué)分析)[6,7]。

添加一個輸入變量，建立一個雙輸入單輸出的Mamdani型推理系統(tǒng)，如圖3所示。分別設(shè)置輸入變量E、EC以及輸出變量 U的 MF數(shù)目為 7個，對應(yīng)模糊子集{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}，并確定各變量的隸屬函數(shù)類型，其中zmf為左開非對稱函數(shù)，smf為右開的鏡像函數(shù)，trimf為三角隸屬函數(shù)，設(shè)置變量NB、PB分別為zmf型函數(shù)、smf型函數(shù)，其他為trimf型函數(shù)。如變量E得隸屬函數(shù)如圖4。

圖3.輸入單輸出Mamdani型推理

編輯模糊控制規(guī)則及決策方法?？刂埔?guī)則是對專家的理論知識與實踐經(jīng)驗的總結(jié)。由于有兩個輸入變量各有 7個語言值，以if語句按照模糊控制規(guī)則表2，編輯49條模糊規(guī)則，一般按模糊規(guī)則表從左到右，從上到下的順序輸入模糊規(guī)則，如ifE is NB and EC is NB then U is PB.按照同樣的方法和步驟，輸入第2條到第49條規(guī)則。

圖4.立變量E隸屬函數(shù)

表2.糊控制規(guī)則表

觀察模糊規(guī)則以及模糊推理的輸出曲面如圖5所示，至此，就完成了整個模糊推理系統(tǒng)的建立，Export to file導(dǎo)出保存，將設(shè)計好的模糊控制器保存在一個名為fuzzy1.fis的數(shù)據(jù)文件中,以供仿真運行時調(diào)用。

圖5.糊規(guī)則的顯示及曲面圖

3.個脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計與仿真

在MATLAB的Command Window中鍵入Simulink回車,就會彈出Simulink庫瀏覽器，新建一個fuzzy1.mdl文件,然后從Simulink庫中找出需要的模塊,利用鼠標(biāo)將其拖到新窗口建立系統(tǒng)模型如圖6，建立整個系統(tǒng)，其中調(diào)整比例參數(shù)K1=1、調(diào)整微分參數(shù)K2=1。

在fuzzy1.mdl建立好整個模型，然后調(diào)用模糊控制器FIS文件，在MATLAB的Command Window中鍵入fuzzy1=readfis('fuzzy1')，將前面生成的FIS文件加載到模糊控制器模塊(Fuzzy Logic Controller )中,雙擊Fuzzy Logic Controller模塊，在Parameters行中的FIS file or structure中輸入fuzzy1，點擊OK。利用模擬示波器來觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)情況?？梢酝ㄟ^適當(dāng)調(diào)整參數(shù)K1、K2進行仿真，結(jié)果如圖7。

由示波器仿真結(jié)果可見：控制系統(tǒng)經(jīng)過1.08 s調(diào)整后使?jié)L筒角速度穩(wěn)定在43.8 r ad? s?1，偏差34.7r ad? s?1，兩者的和剛好為=78.5rad? s?1，而行進速度在3.8 m ? s?1與4 m ? s?1中波動。因而通過脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)，滾筒的角速度能夠穩(wěn)定在額定值附近，能起到恒速控制，也就是說，通過控制行進速度一定的范圍值從而對滾筒轉(zhuǎn)速調(diào)控在額定值。另外，當(dāng)負(fù)荷突變時，滾筒角速度的回調(diào)時間很短，因此可以預(yù)防滾筒過載堵塞現(xiàn)象[3]。

圖7 滾筒角速度ω及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

圖8.筒角速度誤差0ω-ω及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

圖9.整后的行走速度0uυ+及其穩(wěn)定值的仿真曲線圖

4.論

模糊控制基于模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理,不要求給被控對象建立精確的數(shù)學(xué)模型，具有一定的魯棒性，運用專家的控制規(guī)則表，在本文的仿真曲線圖表明，聯(lián)合收割機行進速度在一定范圍中波動，通過脫粒滾筒模糊控制系統(tǒng)，滾筒的角速度能夠穩(wěn)定在額定值附近，另外，利用 MATLAB語言編寫的程序代碼生成的控制規(guī)則表可導(dǎo)入存儲器，執(zhí)行查表程序以控制被控對象，對以后的硬件控制板卡的恒速控制實現(xiàn)具有一定的可行性。

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