聯(lián)合收獲機喂入量模糊控制系統(tǒng)研究

尤惠媛，盧文濤

(洛陽理工學院 機械工程系，河南 洛陽 471023)

聯(lián)合收獲機喂入量模糊控制系統(tǒng)研究

尤惠媛，盧文濤

(洛陽理工學院 機械工程系，河南 洛陽 471023)

【目的】 設(shè)計喂入量模糊控制系統(tǒng)，為提高聯(lián)合收獲機收獲效益提供支撐?！痉椒ā?采用油壓力傳感器檢測喂入量，根據(jù)滾筒扭矩與行走速度之間的關(guān)系，建立喂入量模型。設(shè)計模糊控制器并在MATLAB下進行仿真，利用PLC建立模糊控制系統(tǒng)，通過電控靜液壓系統(tǒng)控制行走速度來調(diào)整喂入量，并以新疆-3稻麥聯(lián)合收獲機為試驗機型，進行喂入量自動控制田間試驗?！窘Y(jié)果】 基于模糊控制系統(tǒng)調(diào)整后的聯(lián)合收獲機損失率小于1.2%，破碎率小于1.0%，損失率和破碎率均與經(jīng)驗豐富的駕駛員手動控制結(jié)果基本持平，符合國標要求。在作物密度不均勻的區(qū)域進行試驗，指令喂入量取2 kg/s時計算平均喂入量為2.04 kg/s；指令喂入量取3 kg/s時計算平均喂入量為3.08 kg/s，喂入量能穩(wěn)定控制在±10%的范圍以內(nèi)?！窘Y(jié)論】 聯(lián)合收獲機喂入量模糊控制系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，能提高收獲效益。

聯(lián)合收獲機；油壓力傳感器；喂入量；模糊控制；仿真分析；田間試驗

喂入量是聯(lián)合收獲機的主要設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù)。工作時喂入量小于額定喂入量，聯(lián)合收獲機負荷不足，效率低下；喂入量大于額定喂入量，系統(tǒng)超負荷工作，易發(fā)生堵塞甚至故障，可靠性降低，穩(wěn)定的喂入量是降低損失、發(fā)揮最大收獲效率的關(guān)鍵。目前我國聯(lián)合收獲機電子化和自動化水平普遍較低；作業(yè)過程中谷物損失率偏高，達不到國家對谷物損失率的要求，平均無故障時間也遠低于國外水平；對喂入量的控制主要靠駕駛員的經(jīng)驗和聽力來完成，但不同地塊的農(nóng)作物種類、成熟度、含水率的差異都會直接影響到收獲機的喂入量，使駕駛員判斷失誤。在聯(lián)合收獲機向大型化、自動化發(fā)展的今天，僅僅依靠駕駛員的聽覺、視覺和精力來調(diào)整喂入量變得越來越困難，也不現(xiàn)實，因而需要建立喂入量自動控制系統(tǒng)。喂入量自動控制可獲得穩(wěn)定的最大喂入量，降低谷物損失率及機械故障率，提高收獲效益，降低駕駛員勞動強度，并且對提高我國聯(lián)合收獲機電子化、自動化水平具有重要意義。

近年來，國內(nèi)外在聯(lián)合收獲機喂入量控制方面做了不少工作。國外專家Robert[1]研究了通過改變行走速度保持穩(wěn)定的滾筒負荷，按照一定的控制算法來調(diào)整收獲機的行走速度，從而獲得穩(wěn)定的喂入量；Deere公司生產(chǎn)的的聯(lián)合收獲機利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進行全面自動控制，使之適應不同的作業(yè)環(huán)境?？傮w而言，國外聯(lián)合收獲機已向智能化發(fā)展。國內(nèi)的農(nóng)機專家介戰(zhàn)等[2]在聯(lián)合收獲機傾斜輸送器上安裝壓力傳感器，根據(jù)谷物對傾斜輸送器底板壓力的大小來辨識喂入量，借此來決定收獲機的前進速度；張認成[3]利用滾筒負荷來調(diào)整聯(lián)合收獲機的行走速度和喂入量，取得一定的進展，但僅限于仿真或者試驗臺試驗，尚未進入實際應用。

本研究以新疆-3稻麥聯(lián)合收獲機為試驗機型，采用脫粒滾筒無級變速液壓缸的油壓力表示喂入量[4-5]，根據(jù)滾筒扭矩與行走速度之間的關(guān)系，建立喂入量模型[6-10]。采用模糊控制方法，建立仿真系統(tǒng)，在仿真環(huán)境下初步得到模糊規(guī)則，采用電控靜液壓系統(tǒng)作為行走速度執(zhí)行器，利用可編程邏輯控制器(PLC)進行數(shù)據(jù)采集與編程，對行走速度進行控制進而調(diào)整喂入量，以實現(xiàn)聯(lián)合收獲機喂入量的自動控制，有效提高聯(lián)合收獲機的收獲效益。

1 喂入量的檢測

聯(lián)合收獲機割臺喂入短暫，喂入量不容易直接測量，目前常用工作狀態(tài)比較穩(wěn)定的脫粒滾筒負荷間接表示。脫粒滾筒負荷通常采用其轉(zhuǎn)速、軸的扭矩和功率來表示，其中扭矩可以與滾筒負荷一一對應，但其不易測量。當脫粒滾筒轉(zhuǎn)速由液壓系統(tǒng)來控制時，滾筒無級變速皮帶輪的動定盤間隙由液壓油缸來改變，脫粒滾筒軸的扭矩就可以直接由油壓來反映。因此將油壓力傳感器安裝在與脫粒滾筒軸連接的旋轉(zhuǎn)接頭外的油路中，采用臺架試驗標定油壓力傳感器并測試喂入量，經(jīng)數(shù)據(jù)處理可得到油壓力和喂入量之間的關(guān)系式，這樣檢測出油壓力就相當于檢測出喂入量。

2 喂入量模糊控制

聯(lián)合收獲機是一個非線性、隨機性和大延時的復雜系統(tǒng)，應用模糊控制理論進行實時控制是較好的方法。對聯(lián)合收獲機喂入量實施控制的方法有很多種，但以采取控制收獲機行走速度的方法最為便捷和可靠[10-12]。行走系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)采用電控靜液壓系統(tǒng)，通過改變電流信號及變量泵的斜盤角度，從而改變液壓馬達的轉(zhuǎn)速，調(diào)整行走速度。

2.1 模糊控制器的設(shè)計

模糊控制器的設(shè)計主要包括確定控制器的輸入與輸出變量及其論域、確定模糊控制器的參數(shù)、選擇隸屬函數(shù)、確定模糊化和非模糊化的方法、確定模糊器推理方法和設(shè)計控制規(guī)則。

選取二維模糊控制器，以油壓力傳感器的輸出信號反映喂入量，以指令油壓力與實測油壓力誤差值E反映喂入量偏差的大小，因此將油壓力誤差信號作為模糊控制器輸入之一。油壓力誤差變化信號反映油壓力誤差變化的速度，該信號反映喂入量偏差變化的快慢程度，因此將油壓力誤差變化率EC也作為模糊控制器的輸入量。聯(lián)合收獲機喂入量的調(diào)節(jié)通過改變行走速度來實現(xiàn)，因此將目標行走速度v作為模糊控制器的輸出量[13-14]。聯(lián)合收獲機喂入量控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

采用常用的7個模糊語言詞集描述輸入輸出變量，即負大、負中、負小、零、正小、正中和正大，用英文詞頭表示為NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB。將輸入量確定為15個量化等級，即-7，6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7。由于控制系統(tǒng)不涉及倒車，則行走速度不出現(xiàn)負值。輸入量反映的是油壓力的變化，不能由此確定具體的行走速度，但可以確定速度的變化量。所以采用初始目標行走速度v0的修正值U代替目標行走速度作為輸出量，則目標行走速度為v=v0+U。

采用三角函數(shù)作為輸入輸出變量的隸屬函數(shù)，初步確定模糊控制器輸入輸出變量的基本論域與量化等級。其中油壓力誤差E、油壓力誤差變化率EC的具體數(shù)值由喂入量試驗確定，v由收獲機本身參數(shù)和穩(wěn)定性的要求確定。E的基本論域為[-0.5，0.5]，EC的基本論域為[-2，2]，目標行走速度修正值U的基本論域為[-0.3，0.3]，其量化論域均取 -7，-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6，7等15個元素，模糊語言變量均取NB、NM、NS、Z0、PS、PM、PB。

2.2 模糊控制規(guī)則的建立

根據(jù)油壓力誤差和誤差變化率用模糊語言變量歸納手動控制策略建立控制規(guī)則，其基本思想是：當誤差大或較大時控制量的選擇以消除誤差為主，當誤差小時以保證穩(wěn)定為主。通過分析并結(jié)合駕駛員的經(jīng)驗，歸納出模糊控制規(guī)則如表1所示。

3 喂入量仿真分析

利用MATLAB中的Simulink模糊邏輯工具箱，建立聯(lián)合收獲機喂入量模糊推理系統(tǒng)[15]。利用FIS Editor編輯器，建立雙輸入單輸出系統(tǒng)，對輸入量和輸出量特性參數(shù)進行設(shè)定。設(shè)定輸入量E、EC和輸出量v的論域、隸屬度函數(shù)，在規(guī)則編輯器中編寫控制規(guī)則，并生成模糊規(guī)則曲面。由滾筒扭矩與油壓力的傳遞函數(shù)、滾筒扭矩與行走速度的傳遞函數(shù)、電控靜液壓系統(tǒng)的馬達角速度和液壓泵斜盤傾角關(guān)系的二階模型，可得油壓力與行走速度之間的傳遞函數(shù)，結(jié)合模糊控制器和PID控制建立喂入量仿真系統(tǒng)。仿真參數(shù)根據(jù)試驗樣機新疆-3稻麥聯(lián)合收獲機確定，結(jié)果見表2，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，若作物密度在5 s時發(fā)生變化，使喂入量產(chǎn)生階躍，即由3.2 kg/s增加到4.2 kg/s，經(jīng)過約2 s的調(diào)整，油壓力、喂入量均恢復到原來的數(shù)值，達到穩(wěn)定狀態(tài)。行走速度的調(diào)節(jié)比較平穩(wěn)，易實現(xiàn)，且動態(tài)誤差較小，無穩(wěn)態(tài)誤差和超調(diào)與振蕩。

4 基于PLC的喂入量模糊控制

喂入量模糊控制系統(tǒng)采用PLC控制器進行數(shù)據(jù)采集與編程，該系統(tǒng)包括電源模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制器、油壓力傳感器和行走速度傳感器。油壓力信號經(jīng)信號調(diào)理后接入控制器的模擬輸入口，行走速度信號經(jīng)信號調(diào)理后接入控制器的數(shù)字輸入口，控制器輸出PWM信號控制行走速度來調(diào)節(jié)喂入量,控制系統(tǒng)硬件組成如圖3所示，主程序流程如圖4所示。

5 田間試驗

為測試喂入量模糊控制系統(tǒng)的控制效果，將裝有喂入量模糊控制系統(tǒng)的新疆-3稻麥聯(lián)合收獲機在河南洛陽某地塊進行小麥收割田間試驗。在試驗樣機原有液壓系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加可進行無級變速調(diào)節(jié)的液壓裝置，采用電控靜液壓系統(tǒng)驅(qū)動底盤。聯(lián)合收獲機在工作時需要發(fā)動機油門固定，通常采用手油門來固定油門檔位，以保證脫粒滾筒等工作部件轉(zhuǎn)速恒定。

在作物密度不均勻的區(qū)域，取指令喂入量為2 kg/s，駕駛員進行方向控制，發(fā)動機油門不變，收獲距離50 m后取樣，稱籽粒與莖桿質(zhì)量計算平均喂入量，重復3次以上操作，再取指令喂入量為3 kg/s，重復上述步驟進行測定。喂入量模糊控制系統(tǒng)試驗數(shù)據(jù)見圖5；喂入量控制效果如表3所示；模糊控制與手動控制效果對比情況如表4所示，其中平均喂入量為人工實際測量值，總損失由人工隨機在試驗田測出。

由圖5可以看出，當作物密度發(fā)生變化時，喂入量基本穩(wěn)定在指令喂入量附近。指令喂入量為2 kg/s時，最大誤差為0.56 kg/s，最小誤差0.01 kg/s，平均喂入量為2.04 kg/s；指令喂入量為3 kg/s時，最大誤差為0.58 kg/s，最小誤差0.01 kg/s，平均喂入量為3.08 kg/s，與人工測量平均喂入量3.1 kg/s持平。在作物密度發(fā)生突變時，只有11.6%的數(shù)據(jù)誤差超過10%，滿足喂入量控制精度±10%的要求。

由表3可以看出，本次試驗破碎率、總損失率雖符合國家標準(總損失≤1.2%，破碎率≤1.0%)，但總體偏高，這與試驗小麥處于枯熟期有關(guān)。表4的數(shù)據(jù)說明，采用模糊控制系統(tǒng)時的總損失和破碎率與經(jīng)驗豐富的駕駛員控制時基本持平，遠小于新手控制時的損失率。

6 結(jié) 論

仿真及田間試驗表明,用脫粒滾筒液壓無級變速系統(tǒng)油壓力表示喂入量，用電控靜液壓系統(tǒng)作為行走速度執(zhí)行器建立的聯(lián)合收獲機喂入量模糊控制系統(tǒng)，方便可行且控制效果穩(wěn)定可靠，可以有效降低駕駛員勞動強度，減小收獲損失率，提高收獲效益。

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Fuzzy control system for feed quantity of combine harvester

YOU Hui-yuan，LU Wen-tao

(DepartmentofMechanicalEngineering,LuoyangInstituteofScienceandTechnology,Luoyang,Henan471023,China)

【Objective】 A fuzzy control system for feed quantity of combine harvester was designed to improve harvest efficiency.【Method】 Using oil pressure sensor to detect feed quantity,the feed quantity model was established according to the relationship between walking speed and torque of cylinder.The fuzzy controller was designed and simulated with MATLAB.The fuzzy control system was established based on PLC.Feed quantity was adjusted by using electronic control hydrostatic system to control the walking speed.Feed quantity automatic control test in the field was carried out using Xinjiang-3 combine harvester as experimental prototype.【Result】 The total loss rate and broken rate of adjusted combine harvester based on fuzzy control system were less than 1.2% and 1.0%,which were basically the same as that of harvester controlled by experienced driver and within the national standards.Tested in region with uneven crop density,the computing average feed quantity was 2.04 kg/s when taking 2 kg/s as instructed feed quantity and it was 3.08 kg/s when instructed feed quantity was 3 kg/s.The feed quantity was stably controlled in the range of ±10%.【Conclusion】 The established control system is stable,reliable and effective to improve harvest efficiency.

combine harvester;oil pressure sensor;feed quantity;fuzzy control;simulate analysis;field test

2013-12-09

國家自然科學基金項目(61004085)；河南省科技攻關(guān)項目(122102210545)

尤惠媛(1971-)，女，河南洛陽人，講師，碩士，主要從事機電一體化系統(tǒng)研究。E-mail：youhhyy@tom.com

盧文濤(1978-)，女，河北平山人，講師，博士，主要從事農(nóng)業(yè)機械化研究。E-mail：13653885909@163.com

時間:2015-04-13 12:59

10.13207/j.cnki.jnwafu.2015.05.018

S225.3

A

1671-9387(2015)05-0229-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1390.S.20150413.1259.018.html