拖拉機自動轉(zhuǎn)向操縱控制器試驗與仿真研究

任　玲，張長龍,尤文寬，葛慶穩(wěn)

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子　832000)

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拖拉機自動轉(zhuǎn)向操縱控制器試驗與仿真研究

任玲，張長龍,尤文寬，葛慶穩(wěn)

(石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，新疆 石河子832000)

摘要：轉(zhuǎn)向操縱控制器執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導(dǎo)航車輛工作的準確性和穩(wěn)定性。為此，以開展試驗測試和仿真研究的方法，對現(xiàn)有的轉(zhuǎn)向控制平臺進行試驗測試，開發(fā)了雙通道系數(shù)測定試驗、比例系數(shù)測定試驗和微分系數(shù)測定試驗，目的是從軟件的角度提升整個控制器的性能。同時，針對系統(tǒng)的被控對象進行建模，建立步進電機非線性SIMULINK仿真模型，并在此基礎(chǔ)上提出了模糊PID控制器的構(gòu)建思路，實現(xiàn)了步進電機模糊PID仿真。該研究為提高導(dǎo)航操縱控制器精度提供了思路。

關(guān)鍵詞：拖拉機；自動轉(zhuǎn)向；控制器；仿真

0引言

自動轉(zhuǎn)向控制是實現(xiàn)農(nóng)用車輛自動導(dǎo)航的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。拖拉機導(dǎo)航系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)根據(jù)上位機控制指令，驅(qū)動轉(zhuǎn)向前輪轉(zhuǎn)到指定角度。轉(zhuǎn)向操縱控制系統(tǒng)執(zhí)行效果的優(yōu)劣決定了導(dǎo)航車輛工作的準確性和穩(wěn)定性[1]。

拖拉機本身是一個具有大延遲、高度非線性、時變性和不確定性的復(fù)雜系統(tǒng)，而且農(nóng)田地況較差，輪胎與地面作用過程復(fù)雜，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型[2]。當被控對象受到參數(shù)攝動和外部干擾等不確定因素影響時，會降低系統(tǒng)的控制品質(zhì)，出現(xiàn)諸如振蕩加劇、過渡時間過長等缺點[2]。因此，有必要充分挖掘車輛模型所蘊含的車輛狀態(tài)信息，選擇合適的控制算法，以改善導(dǎo)航系統(tǒng)性能。

自動駕駛轉(zhuǎn)向控制算法直接影響到拖拉機自動駕駛的行走精度，通過研究拖拉機轉(zhuǎn)向操縱控制的實現(xiàn)方法，并對常用算法對比分析、改進和融合，以仿真研究和試驗研究為主要研究手段，尋求提高操縱控制器動態(tài)響應(yīng)特性的方法，為提高農(nóng)用車輛導(dǎo)航控制系統(tǒng)的路徑跟蹤精度提供可靠保證。

1試驗研究

1.1雙通道系數(shù)測定

由于所用拖拉機的轉(zhuǎn)向油缸是單邊油缸，轉(zhuǎn)動方向盤速度相等時，左轉(zhuǎn)向速度和右轉(zhuǎn)向速度不同。當拖拉機右轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向油缸有桿腔進油，無桿腔回油，轉(zhuǎn)向速度快一些；拖拉機左轉(zhuǎn)向時，轉(zhuǎn)向油缸無桿腔進油，有桿腔回油，轉(zhuǎn)向速度慢一些。為解決左右轉(zhuǎn)向速度不同這一問題，設(shè)計了雙通道控制方法，通過添加一個控制系數(shù)，來實現(xiàn)左右轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ。

試驗方法是讓步進電機帶動加裝的全液壓轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向，設(shè)定不同的雙通道系數(shù)，通過電腦接收由CAN發(fā)送過來角度傳感器的值，并保存分析數(shù)據(jù)，找出左右轉(zhuǎn)向所用的時間相等所對應(yīng)的系數(shù)。

圖1分別是起始轉(zhuǎn)角為0°、目標轉(zhuǎn)角為30°～30°、設(shè)置步進電機速度為0.3r/s、全液壓轉(zhuǎn)向器左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)速度相同時的數(shù)據(jù)圖。由圖1可知：拖拉機左右轉(zhuǎn)向不對稱，設(shè)置不同的系數(shù)，多次試驗后，當右轉(zhuǎn)速度/左轉(zhuǎn)速度等于0.7時(雙通道系數(shù)為0.7)，左右轉(zhuǎn)向?qū)ΨQ，如圖2所示。

圖1　轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)圖

圖2　雙通道控制數(shù)據(jù)圖

1.2比例系數(shù)測定

在控制自動轉(zhuǎn)向時，為了提高控制的快速性、準確性和精度，希望當目標轉(zhuǎn)角與當前轉(zhuǎn)角的偏差較大時，具有較大的轉(zhuǎn)向速度，以提高自動轉(zhuǎn)向的響應(yīng)速度；當目標轉(zhuǎn)角與當前轉(zhuǎn)角的偏差較小時，具有較小的轉(zhuǎn)向速度，以避免自動轉(zhuǎn)向超調(diào)。為此，通過多次試驗，測試出最佳比例系數(shù)，以滿足轉(zhuǎn)向控制的快速性。

試驗方法是先設(shè)置好一固定的目標轉(zhuǎn)角，給定不同的比例系數(shù)，控制拖拉機自動轉(zhuǎn)向。通過電腦接收由CAN發(fā)送過來角度傳感器的值，并保存分析數(shù)據(jù)，觀察轉(zhuǎn)向的快慢和穩(wěn)定性，以找出最佳比例系數(shù)。

圖3為起始轉(zhuǎn)角為0°、目標轉(zhuǎn)角為30°、比例系數(shù)分別為20、50時的自動轉(zhuǎn)向角度曲線。設(shè)置不同的比例系數(shù)，通過分析實驗數(shù)據(jù)可知：比例系數(shù)越大，轉(zhuǎn)向速度越快，但超調(diào)量也越大，當比例系數(shù)過大時，系統(tǒng)穩(wěn)定性下降；通過多次多次試驗，當比例系數(shù)為50時，轉(zhuǎn)向效果最好。

1.3微分系數(shù)測定

單純的比例控制會出現(xiàn)一定的超調(diào)量，微分控制可以減小一定的超調(diào)量；但是，微分控制過大會放大噪聲，使控制系統(tǒng)穩(wěn)定性下降。為提高自動轉(zhuǎn)向的精度、減小超調(diào)量，需要確定最佳微分系數(shù)。

試驗方法是：先設(shè)置好一固定的目標轉(zhuǎn)角，在前面比例系數(shù)確定的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置不同的微分系數(shù)，控制拖拉機自動轉(zhuǎn)向。通過電腦接收由CAN發(fā)送過來角度傳感器的值，保存分析數(shù)據(jù)，觀察轉(zhuǎn)向的超調(diào)量大小和系統(tǒng)穩(wěn)定性，找出最佳微分系數(shù)。系統(tǒng)控制穩(wěn)定、超調(diào)量最小時所對應(yīng)的微分系數(shù)就是最佳微分系數(shù)。

設(shè)置起始轉(zhuǎn)角為0°，目標轉(zhuǎn)角為30°，通過數(shù)據(jù)分析可得：微分控制減少系統(tǒng)控制的超調(diào)量，但影響較??；通過多次試驗，當微分系數(shù)為20時，轉(zhuǎn)向效果較好，如圖4所示。

圖3　比例系數(shù)測定數(shù)據(jù)圖

圖4　微分系數(shù)為20數(shù)據(jù)圖

2仿真研究

通過對系統(tǒng)進行建模，然后針對控制對象的性能要求和影響因素，選定控制器，并對控制算法擾動因素進行分析，優(yōu)化模型。同時，對操縱控制器的響應(yīng)速度和精度及轉(zhuǎn)向控制方法的控制效果進行試驗分析，從而提高轉(zhuǎn)向操縱控制器的控制效果。

2.1步進電機SIMULINK建模

拖拉機轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的建模主要就是對步進電機的建模，轉(zhuǎn)向控制算法直接去控制步進電機，使之快速、準確地輸出需要偏移的角度。根據(jù)步進電機的特性，建立A相的電壓方程為

其中,ia為 A相的電流；L為繞組電感；Km為反電勢系數(shù)；R為繞組電阻；X為電機的轉(zhuǎn)速;Nr為轉(zhuǎn)子的齒數(shù)。

電機轉(zhuǎn)矩方程為

其中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；J為轉(zhuǎn)動慣量；B為粘滯摩擦系數(shù)；TL為負載轉(zhuǎn)矩[3]。

綜上建立步進電機的數(shù)學(xué)模型, 其微分方程形式為

其中，各參數(shù)的選取為：L=1.5mH，R=0.55，J=4.5×10-5kg·m2,Km=0.19N·m/A,Nr=50,B=80×10-4N·m·s/rad。

從以上模型可以看出：步進電機為高度非線性被控對象，對步進電機進行SIMULINK仿真，建立仿真模型如圖5所示。

圖5　步進電機SIMULINK仿真模型

此模型有2輸入4輸出，分別是：Ua、Ub為輸入量；ia、ib、H、X為輸出量。電磁轉(zhuǎn)矩模塊Te是子模塊，后接輸出電流的絕對值模塊。利用SIMULINK把這個模型進行封裝,從而得到了拖拉機自動轉(zhuǎn)向操縱控制器步進電機的仿真模塊。

2.2模糊PID控制器構(gòu)建

2.2.1構(gòu)建思路

模糊控制不依賴于被控對象的數(shù)學(xué)模型，具有設(shè)計算法簡單、易于實現(xiàn)、適應(yīng)能力好、抗干擾能力強等優(yōu)點，但存在控制精度不高和靜態(tài)余差等缺點。步進電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與其他類型的電機不同，內(nèi)部各控制變量不僅高度非線性，而且相互耦合，所以很難用簡單的數(shù)學(xué)模型去表達。由于步進電機構(gòu)成的控制系統(tǒng)存在著非線性、時變、干擾等特性，當外界環(huán)境發(fā)生變化時，被控對象的參數(shù)也會隨之變化，采用固定的PID參數(shù)難以達到理想的控制效果。因此，結(jié)合PID 控制方法與模糊控制技術(shù)兩者的優(yōu)點，組成模糊 PID 控制技術(shù)，并將其運用于電機控制中，使系統(tǒng)具有較高的控制性能。

在步進電機控制系統(tǒng)中采用模糊PID控制可以充發(fā)揮模糊控制與PID控制各自的優(yōu)勢，用模糊控制去整定PID參數(shù)，建立模糊規(guī)則，通過推理對PID參數(shù)進行在線調(diào)整，從而提高轉(zhuǎn)向操縱控制器的控制效果?？刂圃砣鐖D6所示。

圖6　模糊PID控制原理圖

2.2.2模糊PID控制算法的建立與仿真

通過確定模糊語言變量，對各變量隸屬函數(shù)進行確定，再通過控制規(guī)則的建立，進行模糊推理，可以得到模型中各個參數(shù)的取值。確定各變量kp、kI、kD隸屬函數(shù)如圖7所示。

圖7　各參數(shù)的隸屬函數(shù)

采用Mamdani推理所得的推理結(jié)果,如圖8所示。當e=0.5、ec=0.5,即給定值與測量值c(t)之差及較上一次失步數(shù)之差模糊化所形成值，它所對應(yīng)的PID各參數(shù)需取值kp=0.469,ki=0.565,kd=0.45。

圖8　推理結(jié)果圖

在 MatLab/SIMULINK 中，將建立的模糊控制器仿真模型封裝在 Fuzzy Logic Controller中，再將模糊控制模塊與 PID 模塊結(jié)合起來，建立的模糊 PID 仿真模型如圖9所示。

所構(gòu)建的模糊PID控制器可以使得系統(tǒng)具有反應(yīng)時間短及超調(diào)量小的控制效果，可以有效地減少轉(zhuǎn)向過程中的振蕩現(xiàn)象，過渡時間過長等問題也得到了進一步改善。從波形分析可以看出：模糊PID控制通過對參數(shù)的在線調(diào)整，對提高控制精度起到了關(guān)鍵的作用。

圖9　步進電機模糊PID控制器SIMULINK仿真圖

3結(jié)論

從試驗和仿真的角度對拖拉機自動轉(zhuǎn)向操縱控制器進行了研究，從軟件角度入手，開發(fā)設(shè)計了控制算法參數(shù)測試試驗。同時，針對步進電機進行建模，利用SIMULINK得到了步進電機的仿真模型；并根據(jù)步進電機的特點，結(jié)合模糊控制的優(yōu)勢，提出了模糊PID控制器構(gòu)建的思想，實現(xiàn)了步進電機模糊PID控制器仿真圖。下一步主要從軟件和算法的角度對控制效果進行精度分析試驗測定，并通過仿真分析的方法對算法進行優(yōu)化，尋求更合理的算法。

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Abstract ID:1003-188X(2016)04-0243EA

Test and Simulation Study of Tractor Automatic Steering Controller

Ren Ling, Zhang Changlong, You Wenkuan, Ge Qingwen

(Mechanical and Electrical Engineering College of Shihezi University， Shihezi 832000, China)

Abstract：The pros and cons of steering controller performs effect determines the navigation accuracy and stability of the vehicle work. In this paper, the existing steering control platform is tested with the method of experiments and simulation study. We developed a dual channel coefficient determination test, as well as the proportional coefficient of determination test and differential coefficient of determination test. The purpose is to enhance the performance of the controller from the angle of the software. Model of the controlled object is built, Stepper motor nonlinear SIMULINK simulation model is established, fuzzy PID controller is proposed, step motor fuzzy PID simulation is Realized .Providing new ideas of improving the navigation precision of manipulation controller .

Key words：tractor; automatic steering； controller； simulation

文章編號：1003-188X(2016)04-0243-04

中圖分類號：S219.032.3

文獻標識碼：A

作者簡介：任玲(1978-),女，江蘇連云港人，副教授，碩士，(E-mail) 2542958572@qq.com。

基金項目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃項目(2013AA102307)；石河子大學(xué)優(yōu)秀青年項目(2013ZRKXYQ05)

收稿日期：2015-03-24