基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走裝置設(shè)計(jì)

宿敬肖，張　賓，林海霞，余良俊

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊　050091;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢　430074)

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基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走裝置設(shè)計(jì)

宿敬肖1，張賓1，林海霞1，余良俊2

(1.河北工程技術(shù)學(xué)院，石家莊050091;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢430074)

摘要：為了提高聯(lián)合收割機(jī)行進(jìn)速度控制的響應(yīng)精度、縮短控制過程的響應(yīng)時(shí)間及提高收割機(jī)的作業(yè)效率，設(shè)計(jì)了一種新的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走裝置。該裝置利用新型液壓-機(jī)械控制方案，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，提高了行走裝置的響應(yīng)速度和精度，并解決了收割機(jī)原地轉(zhuǎn)向及特殊地塊通過性較差的問題。行走系統(tǒng)采用雙聯(lián)集成變量柱塞泵和2個(gè)定量擺線馬達(dá)的相互獨(dú)立閑式液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了收割機(jī)行走系統(tǒng)的無級(jí)調(diào)速。為了測(cè)試裝置的有效性和可靠性，對(duì)PID控制器的響應(yīng)精度和響應(yīng)時(shí)間等進(jìn)行了測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：PID控制器的調(diào)節(jié)時(shí)間僅為0.02s，響應(yīng)迅速，超調(diào)量低，響應(yīng)精度較高，為小麥?zhǔn)崭顧C(jī)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)提供了較有價(jià)值的參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；行走裝置；液壓控制；無級(jí)調(diào)速；PID控制

0引言

機(jī)械式行走系統(tǒng)是聯(lián)合收割機(jī)的關(guān)鍵部件之一，為了適應(yīng)不同地塊的需求，不僅要求該部件結(jié)構(gòu)緊湊、傳遞功率大、機(jī)械性能好，而且需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊，使裝置具有較好的調(diào)速、轉(zhuǎn)向和差速功能，其穩(wěn)定性和可靠性直接影響收割機(jī)的作業(yè)性能。液壓裝置在控制系統(tǒng)中可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速功能，其動(dòng)作響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、低速穩(wěn)定性較好，因此可以應(yīng)用在聯(lián)合收割機(jī)行走裝置的設(shè)計(jì)過程中。但是，普通的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)存在機(jī)械摩擦嚴(yán)重、泄露損失高、溢流和節(jié)流較難控制等問題，因此需要采用先進(jìn)液壓-機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)技術(shù)，重復(fù)發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)的傳動(dòng)性能達(dá)到最佳，滿足收割機(jī)設(shè)計(jì)的動(dòng)力性和節(jié)能性，提高收割機(jī)的高效性、操作性與駕駛舒適性。

1小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在實(shí)現(xiàn)機(jī)械自動(dòng)化控制過程中，PID是最常用的控制器之一，這是因?yàn)镻ID控制器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，控制效果好，因此被廣泛的采用。為了實(shí)現(xiàn)收割機(jī)行走系統(tǒng)的PID控制，在行走系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上使用閉式液壓系統(tǒng)。收割機(jī)行走機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)采用雙聯(lián)集成變量泵和雙定量馬達(dá)閉式液壓系統(tǒng)。雙聯(lián)軸向柱塞集成泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是對(duì)外界載荷具有自適應(yīng)能力，并且可以實(shí)現(xiàn)變扭矩、無極調(diào)速及連續(xù)改變傳動(dòng)比，從而縮小了收割機(jī)機(jī)械式行走裝置的安裝空間，減少了管路連接造成的漏油和振動(dòng)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的易操作性和可靠性。

圖1為星輪減速器與液壓馬達(dá)與履帶驅(qū)動(dòng)輪的連接示意圖。

1.履帶驅(qū)動(dòng)輪　2.螺栓　3.單級(jí)行星輪減速器

由圖1可以看出：減速器的星形輪和液壓馬達(dá)進(jìn)行連接(減速器由3部分組成，包括星形輪、大中心輪和小中心輪)，小中心輪和液壓馬達(dá)相連，大中心輪和驅(qū)動(dòng)履帶的輪相連接；機(jī)械行走系統(tǒng)通過驅(qū)動(dòng)輪帶動(dòng)收割機(jī)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，其總體設(shè)計(jì)示意圖如圖2所示。

圖2　收割機(jī)機(jī)械行走裝置基本結(jié)構(gòu)圖

收割機(jī)的行走裝置中，驅(qū)動(dòng)力來自于后置的前輪驅(qū)動(dòng)，行走機(jī)構(gòu)通過皮帶傳動(dòng)，把動(dòng)力傳遞給主軸，驅(qū)動(dòng)形式為柴油機(jī)后置的前輪驅(qū)動(dòng)。柴油機(jī)通過皮帶傳動(dòng)，把動(dòng)力傳動(dòng)到主軸上，主軸再分別帶動(dòng)行走部分和收割部分。行走部分即履帶驅(qū)動(dòng)輪通過連桿與變速箱連接，來實(shí)現(xiàn)行走、變速及轉(zhuǎn)向等功能。發(fā)動(dòng)機(jī)到變速箱之間采用單片摩擦式離合器傳動(dòng)動(dòng)力，變速箱是在拖拉機(jī)變速箱基礎(chǔ)上加大傳動(dòng)比而成的。

2行走系統(tǒng)PID控制器設(shè)計(jì)

PID控制器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制效果好，但存在一定的局限性，如控制對(duì)象在調(diào)整過程中，調(diào)整參數(shù)較難適應(yīng)外界環(huán)境的變化。為了調(diào)整PID控制器參數(shù)的自適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)化調(diào)節(jié)功能，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制方式，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)功能，結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論，構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制器，實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整。

圖3為采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)的PID控制結(jié)構(gòu)示意圖。其中，控制器包括兩部分：一部分是常規(guī)的PID控制，可以對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)的控制對(duì)象進(jìn)行直接控制；另一部分是NN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可以根據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)權(quán)值進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)PID的參數(shù)整定過程，使控制器的性能達(dá)到最優(yōu)。

圖3　基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制示意圖

圖4表示BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，輸出層激勵(lì)函數(shù)取非負(fù)的Sigmoid函數(shù)，隱層取正負(fù)對(duì)稱的Sigmoid函數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)速度的非線性條件， 可以將速度控制模型寫為

(1)

其中，y(k)表示輸出量，表示u(k)控制量。系數(shù)a(k)變動(dòng)過程是慢時(shí)的，其表達(dá)式為

a(k)=1.2(1-0.8e-0.1k)

(2)

為保證控制具有動(dòng)態(tài)自適應(yīng)調(diào)節(jié)能力，選定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層輸入為

Xin=[e(k),e(k-1),e(k-2),1]T

(3)

其中，e(k)表示調(diào)節(jié)誤差。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)學(xué)習(xí)過程為正向和反向兩部分，如果輸出層的數(shù)值達(dá)不到期望輸出，則通過反向傳播對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，修改各層神經(jīng)元權(quán)值，使輸出的誤差達(dá)到最低。其中，3參數(shù)的調(diào)節(jié)公式為

(4)

取性能指標(biāo)函數(shù)為

(5)

設(shè)

r(k)-y(k)=e(k)

(6)

若PID控制器采用采用增量式數(shù)字PID控制算法，則有

(7)

為了在聯(lián)合收割機(jī)行走裝置中實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)過程，對(duì)收割機(jī)的行走裝置進(jìn)行改進(jìn)，其實(shí)現(xiàn)過程的框架如圖5所示。

圖4　BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID調(diào)節(jié)過程

行走裝置采用PID閉環(huán)控制的形式，其參數(shù)的整定過程使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進(jìn)行計(jì)算，主要步驟如下：

1)首先設(shè)置裝置初始狀態(tài)值，使用隨機(jī)產(chǎn)生初始權(quán)值的方法確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)。初始輸出值為0，確定學(xué)習(xí)速度和初始慣性系數(shù)，計(jì)數(shù)器設(shè)置為初始值1，設(shè)定上限。

2)通過計(jì)算得到隱含層的輸入值，確定初始誤差值e(k)，然后計(jì)算并存儲(chǔ)e(k-1)、e(k-2)，前兩次先設(shè)置為0，然后加上1作為隱含層的輸入值。

3)前向傳播計(jì)算：

(1)對(duì)前向傳播的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行計(jì)算，得到PID的3個(gè)參數(shù)Kp、KI、KD；

(2)計(jì)算輸出控制器u(k)；

(3)被控制對(duì)象的輸出計(jì)算y(k)。

4)進(jìn)行反向傳播計(jì)算，調(diào)整輸出層的權(quán)值系數(shù)，調(diào)整隱含層的權(quán)值系數(shù)。

5)參數(shù)調(diào)整更新。

6)如果k達(dá)到設(shè)定的次數(shù)上限，則結(jié)束；否則，k=k+1，并返回步驟。

通過以上步驟，可以完成PID參數(shù)的整定過程，通過PID可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收割機(jī)速度的控制。

3小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的機(jī)械式行走裝置的有效性和可靠性，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的行走速度控制性能進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試項(xiàng)目包括系統(tǒng)速度輸出量、調(diào)整誤差、響應(yīng)時(shí)間。首先，對(duì)系統(tǒng)的輸出量進(jìn)行測(cè)試，得到了如圖6所示的調(diào)節(jié)曲線。

圖6　機(jī)械行走機(jī)構(gòu)輸出量調(diào)整曲線

由圖6可以看出：系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短，超調(diào)量較低，并且最終可以達(dá)到穩(wěn)定的控制狀態(tài)，輸出平穩(wěn)的控制曲線。

圖7為聯(lián)合收割機(jī)行走機(jī)構(gòu)的誤差調(diào)整曲線。由圖7可以看出：系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間較短，最終調(diào)整誤差接近于0，并且經(jīng)過調(diào)整后，行走機(jī)構(gòu)的誤差控制穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)的要求。

圖7　機(jī)械行走機(jī)構(gòu)的誤差調(diào)整曲線

圖8為聯(lián)合收割機(jī)PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定的計(jì)算結(jié)果圖。由圖8可以看出：通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)參數(shù)整定，Kp、Ki、Kd的最終結(jié)果為Kp=0.170 5，Ki=0.171 4，Kd=0.029 4，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法參數(shù)整定算法用時(shí)僅為0.02s，響應(yīng)時(shí)間快，調(diào)整精度高。

為了縮短聯(lián)合收割機(jī)的行進(jìn)速度的響應(yīng)時(shí)間，降低響應(yīng)的超調(diào)量，采用PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定后的參數(shù)對(duì)速度進(jìn)行控制，通過計(jì)算得到了如圖9所示的行走速度響應(yīng)曲線。由圖9可以看出：在速度調(diào)整為0.4m/s時(shí)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)速度較快、超調(diào)量較低，因此裝置控制精度較高，滿足收割機(jī)機(jī)械式行走裝置的設(shè)計(jì)需求。

圖8　機(jī)械行走機(jī)構(gòu)PID參數(shù)整定圖

圖9　行走機(jī)構(gòu)速度響應(yīng)曲線

4結(jié)論

依據(jù)液壓-機(jī)械控制原理，結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器，設(shè)計(jì)了一種新的小麥?zhǔn)崭顧C(jī)械式行走裝置，有效地提高了行走裝置的響應(yīng)速度和響應(yīng)精度，解決了特殊地塊行走困難問題，提高了收割機(jī)行走的精度。

為了測(cè)試設(shè)計(jì)的機(jī)械行走裝置的有效性和可靠性，對(duì)裝置的響應(yīng)性能進(jìn)行了測(cè)試。通過測(cè)試發(fā)現(xiàn)：該裝置PID控制器響應(yīng)快、誤差低、超調(diào)量低，可滿足收割機(jī)速度調(diào)整的需求。該控制裝置的適應(yīng)性較強(qiáng)，可以在大多數(shù)收割機(jī)中進(jìn)行推廣，對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的設(shè)計(jì)具有較高的參考價(jià)值。

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Design for Mechanical Walking Device in Wheat Harvester Based on Neural Network and PID Control

Su Jingxiao1, Zhang Bin1, Lin Haixia1, Yu Liangjun2

(1.Hebei Polytechnic Institute, Shijiazhuang 050091,China; 2.Faculty of Mechanical & Electronic Information,China University of Geosciences,Wuhan 430074,China)

Abstract：In order to improve the accuracy of the combine harvester and the traveling speed control response, shorten the response time of the process control, improve the working efficiency of the harvester,it designed a kind of new wheat harvesting machinery type walking device.The device used the novel hydro mechanical control scheme, combined with a neural network PID controller and improve the response speed and accuracy of the walking device, and solved the harvester in situ steering and special plots by poor.The walking system adopt the double integrated variable piston pump and two quantitative cycloid motor independent leisure type hydraulic transmission system with the harvester walking stepless speed regulation system. For the validity and reliability of the testing device, the PID controller response accuracy and response time were tested and it was found that PID controller adjusting time only to 0.02s, quick response,with low overshoot and higher response accuracy, which provides a more valuable reference for the modernization of the wheat harvester design.

Key words：combine harvester; neural network; walking device; hydraulic control; stepless speed regulation; PID control

文章編號(hào)：1003-188X(2016)07-0055-05

中圖分類號(hào)：S225.3;TP273

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：宿敬肖(1979-)，女，河北晉州人，講師，碩士。通訊作者：余良俊(1984-)，女，武漢人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金項(xiàng)目：湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(2014CFC1079);湖北省自然科學(xué)基金計(jì)劃面上項(xiàng)目(2013CFB418)

收稿日期：2015-06-28