不同土壤比阻下拖拉機耕深均勻性研究

馬 勇，李瑞川，李玉善，徐繼康,2，趙 鵬，劉延俊

(1.山東科技大學 交通學院，山東 青島 266590；2.日照海卓液壓有限公司，山東 日照 276800；3.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院，山東 日照 276800；4.山東大學 a.機械工程學院；b.海洋研究院，濟南250061)

0 引言

拖拉機是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不可或缺的動力平臺，它通過驅(qū)動電液懸掛系統(tǒng)實現(xiàn)犁耕作業(yè)的升降控制[1-3]。在拖拉機耕作時，土壤環(huán)境復雜多變、隨機因素較多，僅以單一參數(shù)為控制目標無法獲得良好的耕深均勻性，發(fā)動機負荷波動也較明顯[2]。為此，相關(guān)學者結(jié)合拖拉機工作特性、土壤情況，將加權(quán)系數(shù)引入到拖拉機耕深控制中，提出了力位綜合控制的思想[4-6]。通過調(diào)節(jié)權(quán)重大小，既可保證拖拉機在某一地塊的耕作均勻性，也能有效減小負荷的波動。

一般情況下，拖拉機耕作區(qū)域相對靈活，特別在土地規(guī)?；?jīng)營的趨勢下，跨區(qū)作業(yè)將成為未來耕作模式的新常態(tài)。但不同區(qū)域土壤情況千差萬別[7]，而加權(quán)系數(shù)則是駕駛員根據(jù)常耕地塊的經(jīng)驗設(shè)定，尚不能隨耕作環(huán)境變化實現(xiàn)柔性自動調(diào)節(jié)[1]，這將無法保證良好的耕深均勻性。在控制方法上，研究人員將模糊控制與PID控制相結(jié)合應用于耕深調(diào)節(jié)中[1,8]，雖在大擾動、時變、非線性等隨機土壤環(huán)境因素下可得到較好的耕深均勻性，但相關(guān)參數(shù)的設(shè)定受人為因素影響較大，其模糊論域不能隨土壤環(huán)境變化自動伸縮，致使不同土壤比阻時，系統(tǒng)響應時間和超調(diào)量均有很大差別。

為此，本文將變論域思想引入拖拉機力位綜合控制中，設(shè)計出變論域模糊PID控制器，探究不同土壤比阻下加權(quán)系數(shù)取值對系統(tǒng)響應特性及拖拉機耕深均勻性的影響，為拖拉機跨區(qū)作業(yè)時加權(quán)系數(shù)的合理選擇提供理論依據(jù)。

1 力位綜合控制原理與策略

1.1 力位綜合控制工作原理

拖拉機力位綜合控制是通過加權(quán)系數(shù)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)中位調(diào)節(jié)和力調(diào)節(jié)所占權(quán)重實現(xiàn)的，原理如圖1所示。

圖1 拖拉機耕作力位綜合控制原理圖

在拖拉機耕作前，駕駛員根據(jù)耕深要求、發(fā)動機負荷等因素，通過控制面板預先設(shè)定耕深、牽引力及加權(quán)系數(shù)。作業(yè)過程中，耕深信號由位置傳感器提供的反饋信號與力傳感器轉(zhuǎn)換的反饋信號根據(jù)加權(quán)系數(shù)大小計算獲得，并與設(shè)定耕深比較產(chǎn)生偏差信號。接著根據(jù)預先制定的控制方案輸出相應的控制電壓，驅(qū)動電液比例控制閥動作，調(diào)節(jié)懸掛機構(gòu)，進而改變犁體的入土深度。

1.2 系統(tǒng)控制策略

電液懸掛系統(tǒng)以耕深均勻性為主要目標，結(jié)合加權(quán)系數(shù)大小，選擇相應的控制模式調(diào)節(jié)耕深，其控制流程如圖2所示。

圖2 拖拉機耕作力位綜合控制流程圖

加權(quán)系數(shù)的取值是耕深調(diào)節(jié)的關(guān)鍵。拖拉機在某一區(qū)域作業(yè)前，系統(tǒng)首先做初始化處理，然后判斷加權(quán)系數(shù)是否在允許范圍內(nèi)取值，當其在設(shè)定區(qū)間時，再根據(jù)數(shù)值大小確定兩反饋信號所占比例。若加權(quán)系數(shù)改變，系統(tǒng)將再次執(zhí)行上述流程，最終獲得該區(qū)域較合理的加權(quán)系數(shù)。然而，在拖拉機跨區(qū)作業(yè)時，此控制流程較為繁瑣，如何根據(jù)系統(tǒng)閉環(huán)控制特點和土壤性質(zhì)合理確定不同土壤比阻下加權(quán)系數(shù)的取值范圍成為關(guān)鍵。

2 變論域模糊PID控制器設(shè)計

2.1 設(shè)計思想與控制器結(jié)構(gòu)

拖拉機在某一地域耕作時，模糊PID控制具有較好的響應特性，但當拖拉機跨區(qū)作業(yè)時，其控制誤差較大，響應時間不一。變論域控制思想是在不改變控制規(guī)則和比例、量化因子的前提下引入伸縮因子，使得基本論域?qū)崟r隨系統(tǒng)誤差變化而變化，解決了土壤比阻波動帶來的滯后及非線性問題，也可有效提高系統(tǒng)控制精度[9-10]。

根據(jù)變論域控制原理[11-12]，此控制器可根據(jù)系統(tǒng)耕深誤差信號利用伸縮因子改變模糊論域，實現(xiàn)耕深誤差的“細調(diào)”與“粗調(diào)”?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 變論域模糊PID控制器結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)首先計算反饋信號與設(shè)定耕深的差值并輸入控制器，然后根據(jù)誤差e和誤差變化率ec計算伸縮因子，并結(jié)合已有的比例、量化因子共同完成模糊論域的伸縮變換，實現(xiàn)誤差信號的實時在線調(diào)整。

2.2 伸縮因子的設(shè)計

如何合理選取伸縮因子是變論域模糊PID控制器設(shè)計的關(guān)鍵[12]。目前，關(guān)于伸縮因子的選取方法尚無統(tǒng)一標準，多數(shù)根據(jù)被控對象特點選用函數(shù)型和模糊推理型兩種[9-13]，但后者計算量較大，實時性稍差，故本文選用函數(shù)型伸縮因子。

設(shè)輸入變量的基本論域為X=[-α(x)E,α(x)E]，輸出變量的基本論域為Y=[-β(y)K,β(y)K]。其中，α(x)、β(y)分別為輸入、輸出伸縮因子。

在輸入論域中，伸縮因子由下式確定

α(x)=1-εe-kx2(0<ε<1,k>0)

其中，ε、k為常數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)性能確定；x為耕深誤差e或誤差變化率ec。

在輸出論域中，為了更合理地確定伸縮因子，綜合考慮PID控制器輸入變量特點，使得ΔKp、ΔKd的伸縮因子與耕深誤差e變化方向保持一致，ΔKi的伸縮因子則與耕深誤差e保持反向[10]，具體可表示為

βp,d=|2e|

2.3 模糊PID控制器設(shè)計

根據(jù)不同的功能需求，模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)形式多種多樣。在力位綜合控制中，采用兩輸入三輸出結(jié)構(gòu)。輸入量是耕深誤差e和誤差變化率ec，輸出量為PID參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。

鑒于拖拉機跨區(qū)作業(yè)土壤比阻波動明顯的情況，將耕深誤差e和誤差變化率ec的基本論域定為[-20，20]和[-6000，6000]，3個修正信號ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域選為[-7.32，7.32]、[-1.2，1.2]和[-0.03，0.03]。因此，輸入輸出變量的模糊論域均取[-6，6]，并用{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}等7個模糊子集劃分模糊論域。在隸屬函數(shù)形狀的選取中，優(yōu)勢突出的三角形隸屬函數(shù)是本文的首選[8]。

在建立模糊控制規(guī)則時，綜合考慮拖拉機跨區(qū)作業(yè)控制系統(tǒng)工作特點和各控制參數(shù)之間的相互關(guān)系，制定出如表1所示的模糊控制規(guī)則。

表1 ΔKp、ΔKi、ΔKd模糊控制規(guī)則表

為了較好地輸出模糊控制器的運算結(jié)果，獲得更為精確的控制效果，采用重心法對其輸出結(jié)果做清晰化處理后在線校正PID控制器參數(shù)。校正表達式為

Kp,i,d=Kp0,d0,i0+ΔKp,i,d

其中，Kp0,d0,i0分別表示比例、積分和微分的初始值，根據(jù)經(jīng)驗確定。

3 試驗驗證與結(jié)果分析

3.1 系統(tǒng)響應特性仿真試驗

為驗證文本所選控制策略的合理性及變論域模糊PID控制器的優(yōu)越性，減少拖拉機田間實車試驗時的相關(guān)投入，首先借助MatLab/Simulink軟件仿真平臺，搭建拖拉機電液懸掛系統(tǒng)力位綜合控制仿真模型，在典型土質(zhì)下研究不同加權(quán)系數(shù)時系統(tǒng)的響應特性。

為保證與實車試驗的一致性，系統(tǒng)仿真試驗時將耕深設(shè)定為25cm。對比觀察加權(quán)系數(shù)取0、0.5、1時響應曲線的變化趨勢并繪制在同一圖形中(見圖4)，分析響應時間、最大超調(diào)量和靜態(tài)誤差等控制效果。

根據(jù)仿真曲線可得：無論加權(quán)系數(shù)如何取值，系統(tǒng)的響應速度均較快，達到穩(wěn)定耕深的時間均小于1s，且沒有超調(diào)現(xiàn)象，也不存在靜態(tài)誤差。這說明，本控制方案能較好地滿足拖拉機快速升降的工況需求。

圖4 典型土質(zhì)下系統(tǒng)響應仿真曲線

3.2 田間實車試驗

3.2.1 試驗條件

為了測算與分析拖拉機跨區(qū)耕作時的實際土壤情況，驗證本控制器的適應性，以五征雷諾曼PH1454型拖拉機為載體，選用本團隊自主研發(fā)的電液比例閥為耕深控制閥，搭建田間試驗平臺。選擇五征集團現(xiàn)有試驗田進行拖拉機跨區(qū)耕作試驗，其田間實車試驗場景及主要部件安裝位置如圖5、圖6所示。

圖5 拖拉機田間實車試驗場景圖

圖6 傳感器和控制閥安裝位置

3.2.2 試驗方案

為能全面反映拖拉機跨區(qū)耕作土壤比阻的變化情況，充分體現(xiàn)各種土質(zhì)性能，在試驗前查閱相關(guān)文獻[1,7]并結(jié)合五征集團現(xiàn)有試驗田的土壤統(tǒng)計數(shù)據(jù)，選擇地面平整、土壤比阻均值約為3、4、6N/cm2的3塊典型試驗田，并分別定義為小比阻、適中比阻、大比阻。每塊試驗田分別檢測不同加權(quán)系數(shù)時耕深的變化情況，真實反映拖拉機跨區(qū)作業(yè)時加權(quán)系數(shù)在耕深調(diào)節(jié)中的作用。

試驗開始時，以適中比阻為基準，進行梨架調(diào)平和傳感器標定等工作。同時，將耕深設(shè)定為25cm，牽引力設(shè)定為7kN，拖拉機檔位設(shè)定為B2擋，以7.5km/h的車速勻速直線行駛，記錄典型土質(zhì)下不同加權(quán)系數(shù)時的試驗數(shù)據(jù)。

3.2.3 試驗數(shù)據(jù)處理與分析

將拖拉機在3塊試驗田耕作的試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析后導入MatLab軟件平臺，得到典型土質(zhì)下拖拉機耕深變化曲線，如圖7所示。

圖7 典型土質(zhì)下拖拉機耕深試驗曲線

對比圖7的耕深試驗曲線可得：拖拉機在相同土壤比阻下耕作時，隨著加權(quán)系數(shù)的增加，耕深波動幅度趨于平緩，耕深均勻性逐漸變好。在不同土壤比阻下耕作時，系統(tǒng)的響應均較快，但耕深的調(diào)節(jié)區(qū)間不同：小比阻時，在大于設(shè)定耕深的區(qū)段變化，但力調(diào)節(jié)所占權(quán)重越大，耕深波動越大，適合發(fā)揮位調(diào)節(jié)優(yōu)勢,加權(quán)系數(shù)取值應偏大；適中比阻時，在設(shè)定耕深附近波動，此時加權(quán)系數(shù)取中值，既可保證良好的耕深均勻性，也可避免發(fā)動機負荷過大的危險；大比阻時，在小于設(shè)定耕深的區(qū)段波動，雖然較大加權(quán)系數(shù)可獲得良好的耕深均勻性，但發(fā)動機將長期處于過負荷工況，影響其壽命，在保證合理耕深區(qū)間的前提下，充分施展力調(diào)節(jié)的優(yōu)勢，加權(quán)系數(shù)取值應偏小。

4 結(jié)論

鑒于我國農(nóng)業(yè)耕作模式的新常態(tài)，提出了拖拉機跨區(qū)耕作變論域模糊PID控制方法，同時開展了系統(tǒng)響應特性仿真試驗和典型土質(zhì)田間耕深試驗。結(jié)果表明：無論加權(quán)系數(shù)和土壤比阻如何取值，系統(tǒng)的響應速度均較快，達到穩(wěn)定耕深的響應時間較短，體現(xiàn)了本文所選控制方案的優(yōu)越性；加權(quán)系數(shù)對拖拉機耕深調(diào)節(jié)區(qū)間和耕深均勻性都有較大影響，但無論其如何取值，耕深基本保持在合理耕深范圍，可以為作物生長提供良好的土壤環(huán)境。另外，不同土壤比阻的耕深試驗曲線，可為加權(quán)系數(shù)的合理選擇提供一定的參考依據(jù)，也為其自動調(diào)節(jié)的研究奠定了理論基礎(chǔ)。