基于AMESim-Simulink的新型采棉機(jī)采摘與行駛恒轉(zhuǎn)速協(xié)同控制

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

引言

在棉花采摘季節(jié)，為了降低勞動成本、提高生產(chǎn)率，通常使用采棉機(jī)進(jìn)行機(jī)械化采收[1]。采棉機(jī)作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械的重要組成部分，主要包括采摘系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和清選系統(tǒng)，各系統(tǒng)由液壓泵與液壓馬達(dá)等液壓元件提供動力，然而液壓泵與液壓馬達(dá)的純液壓傳動效率低、能量損失明顯、液壓油波動頻率大，極大增加了棉花采摘的生產(chǎn)成本。國內(nèi)外學(xué)者主要針對采棉機(jī)采摘系統(tǒng)中的液壓元件進(jìn)行優(yōu)化研究，對其行走系統(tǒng)與采摘系統(tǒng)的液壓元件的協(xié)同控制研究較少[2-3]。因此，提出一種裝有液壓機(jī)械無級變速器的新型采棉機(jī)行走系統(tǒng)，結(jié)合了液壓無級調(diào)速的良好性能和機(jī)械傳動的效率特性,有效結(jié)合純液壓與機(jī)械傳動的優(yōu)點(diǎn)，提高采棉機(jī)的采摘作業(yè)的生產(chǎn)效率。

為提高采棉機(jī)的采摘效率及動力性，不僅需要提高采摘系統(tǒng)中的單泵控雙馬達(dá)液壓系統(tǒng)控制精度，同時需要對行駛系統(tǒng)中的液壓機(jī)械復(fù)合傳動系統(tǒng)進(jìn)行更精確控制。許多學(xué)者對于轉(zhuǎn)速控制研究引入了多種控制策略，如自適應(yīng)控制、滑?？刂?、模糊控制等進(jìn)行相關(guān)研究[4-6]。高冬冬[7]通過對采棉機(jī)采摘系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，采用PID控制對采棉機(jī)的采摘性能進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，驗(yàn)證其模型的正確性，提高了采棉機(jī)采摘系統(tǒng)的穩(wěn)定性；李卉[8]通過搭建新型采棉機(jī)的采摘系統(tǒng)加入自適應(yīng)控制算法，驗(yàn)證在自適應(yīng)控制算法下的采棉機(jī)采摘性能的性能提升；曹付義[9]根據(jù)液壓機(jī)械無級變速器的泵控馬達(dá)系統(tǒng)，應(yīng)用直接控制、PID控制和雙前饋模糊算法控制對該系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明雙前饋模糊算法控制系統(tǒng)比直接控制與PID控制的穩(wěn)定性更好，響應(yīng)速度更快；張曉剛[10]對泵控馬達(dá)系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)，提出了最優(yōu)二次型理論的PID控制策略，提高了泵控馬達(dá)傳動的穩(wěn)定性。

以裝有液壓機(jī)械無級變速器的采棉機(jī)為研究對象，在建立采棉機(jī)采摘系統(tǒng)與行走系統(tǒng)的電液比例控制數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，提出一種基于采棉機(jī)采摘速率和行走速率的模糊PID自整定同步控制方法，通過對采摘系統(tǒng)的液壓油路流量控制及行駛系統(tǒng)的變量泵斜盤傾角的電液比例控制來解決采摘速率及行走效率輸出轉(zhuǎn)速的波動問題，以期為廣泛的工程實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 數(shù)學(xué)模型

采用如圖1所示的裝有液壓機(jī)械無級變速器的新型采棉機(jī)作為研究對象。采棉機(jī)通過發(fā)動機(jī)為采摘系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)提供動力，采摘系統(tǒng)中是由單泵控雙馬達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行采摘滾筒驅(qū)動變速；行駛系統(tǒng)采用變量泵控馬達(dá)的液壓機(jī)械無級變速器向后輸出動力，為采棉機(jī)提供行駛速度。

圖1 采棉機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 采摘系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

采摘系統(tǒng)中單個采摘頭是由單個定量泵和2個定量馬達(dá)組成，通過控制流量控制閥的電流大小改變定量馬達(dá)流量，從而實(shí)現(xiàn)采摘滾筒的轉(zhuǎn)速改變，結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。根據(jù)采摘系統(tǒng)中的三位四通流量控制閥經(jīng)比例電磁鐵驅(qū)動，通過電機(jī)械和液壓放大器把輸入信號轉(zhuǎn)換成控制閥芯的移動，最終實(shí)現(xiàn)流量的變化。其中，比例電磁鐵電流與電壓關(guān)系為：

(1)

式中，uo為比例電磁鐵輸出電壓；Ls為電磁鐵電感；i為電磁鐵電流；Ro為電磁鐵內(nèi)阻。

圖2 采摘系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖

三位四通流量控制閥中閥芯位移與比例電磁鐵輸出力的關(guān)系：

(2)

式中，K1為比例電磁鐵的增益系數(shù)；m為閥芯組件的質(zhì)量；Xf為閥芯的位移；c為動態(tài)阻尼系數(shù)；kf為彈簧剛度。

根據(jù)式(1)和式(2)可得出閥芯位移與誤差電壓的傳遞函數(shù)為：

式中，U(s)為誤差電壓；Km為閥芯的增益；K2為比例電磁鐵總增益。

采摘系統(tǒng)通過三位四通流量控制閥和定量馬達(dá)組成采摘系統(tǒng)的速度變化機(jī)構(gòu)，通過控制閥流量實(shí)現(xiàn)馬達(dá)轉(zhuǎn)速變化，該速度變化機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性取決于液壓油路的流量及負(fù)載狀況，其控制閥控馬達(dá)流量方程為:

式中，DCM為采摘系統(tǒng)馬達(dá)排量；θ為馬達(dá)轉(zhuǎn)角；Ci，Ce為定量馬達(dá)的內(nèi)外泄漏系數(shù)；V1，V2為定量馬達(dá)油腔體積；p1,p2為馬達(dá)進(jìn)出口壓力；β為體積彈性模量。

假設(shè)定量馬達(dá)不發(fā)生泄漏，兩定量馬達(dá)的流量控制閥匹配對稱，流量相等則q1=q2；V1=V2；Vt=V2+V1；pL=p1-p2。故可簡化為：

(6)

式中，qL為比例電磁閥負(fù)載流量；Ct為馬達(dá)總泄漏系數(shù)；pL為負(fù)載壓力；q1，q2為馬達(dá)進(jìn)出口流量；Vt為總壓縮體積。

1.2 行駛系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

行駛系統(tǒng)中液壓機(jī)械無級變速器通過電液比例控制閥控制變量泵的排量達(dá)到控制定量馬達(dá)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)行變速器的調(diào)速功能[11]。液壓機(jī)械無級變速器主要由液壓部分和機(jī)械部分組成，通過液壓部分的變量泵控馬達(dá)和機(jī)械部分的離合器動作通過行星排的匯流實(shí)現(xiàn)整車的車速變化，如圖3所示，針對于變量泵控馬達(dá)系統(tǒng)采用電液比例控制閥控制液壓缸的位移實(shí)現(xiàn)變量泵的變化，最終實(shí)現(xiàn)對變速器的整體控制。

為合理匹配采棉機(jī)采摘系統(tǒng)效率，要求采棉機(jī)具有一定的行駛速度，其采棉機(jī)在采摘過程中的行駛速度一般為5.6 km/h,本研究的液壓機(jī)械無級變速器通過變量泵排量變化和離合器的切換，變速范圍為0～25 km/h，如圖4所示，分別為純液壓區(qū)段、液壓機(jī)械低速段和液壓機(jī)械高速段。

圖3 行駛系統(tǒng)液壓部分原理圖

圖4 行駛系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

純液壓段的液壓傳動效率低，對液壓元件要求精度高，不能合理匹配采棉機(jī)行駛速度要求，因此，采棉機(jī)行駛速度在液壓機(jī)械低速段，該區(qū)段的動力性模型為:

(7)

式中，noHM1為液壓機(jī)械低速段輸出轉(zhuǎn)速；DXM為行駛系統(tǒng)中定量馬達(dá)排量；εp為變量泵變排量系數(shù)；Dp為變量泵排量；i為定軸齒輪傳動比；K1為行星排特征常數(shù)；ni為發(fā)動機(jī)輸入轉(zhuǎn)速。

通過對電液比例控制閥與伺服液壓缸的位置控制實(shí)現(xiàn)對變量泵排量變化[12]，其電液比例控制閥的比例電磁鐵控制與采摘系統(tǒng)中的流量控制閥相似，對于伺服液壓缸的流量連續(xù)性方程為：

(8)

(9)

式中，Qj,Qh為伺服缸進(jìn)回油口流量；Ci，Ce為內(nèi)外泄漏系數(shù)；A為缸內(nèi)活塞有效面積；Vj為進(jìn)油腔體積；Vh為回油腔體積。

變量泵控馬達(dá)中，變量泵流量方程為：

QP=DPωP-CiP(p1-p2)-CePp1

(10)

式中，QP為變量泵流量；CiP,CeP為變量泵的內(nèi)泄漏系數(shù)；DP為變量泵排量。

定量馬達(dá)流量方程：

(11)

式中，QXM為行駛系統(tǒng)馬達(dá)排量；pg，pd為馬達(dá)進(jìn)出口壓力；Ce為馬達(dá)的泄漏系數(shù)；θXM為馬達(dá)轉(zhuǎn)角。

2 協(xié)同控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)采棉機(jī)采摘系統(tǒng)單泵控雙馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)拉式變化，以兩馬達(dá)轉(zhuǎn)速作為輸出，其系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(12)

式中，Ka為比例放大器增益；Kuxv為閥芯位移增益；Kq為流量增益；Kf為閥的增益；ωh為液壓固有頻率；ξh為液壓系統(tǒng)阻尼比。

根據(jù)行駛系統(tǒng)中變量泵控馬達(dá)和電液比例控制閥控伺服液壓缸的流量方程[10]，得到電液比例控制閥與變量泵控馬達(dá)的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為：

(13)

式中，uo為電液比例閥電壓；K為系統(tǒng)增益。

根據(jù)采摘系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)的傳遞函數(shù)分析，實(shí)現(xiàn)對采摘速度和行駛速度的轉(zhuǎn)速控制可知，影響采摘與行駛的同步平穩(wěn)性的關(guān)鍵在于液壓元件的動態(tài)特性變化和外部復(fù)雜變化。本研究針對采棉機(jī)采摘與行駛的速度匹配穩(wěn)定性問題，提出一種基于單泵控雙馬達(dá)系統(tǒng)和變量泵控馬達(dá)系統(tǒng)的前饋補(bǔ)償模糊PID自適應(yīng)協(xié)同控制方法，控制原理如5所示。

由其控制原理分析搭建其控制器，采棉機(jī)采摘系統(tǒng)與行駛系統(tǒng)恒轉(zhuǎn)速協(xié)同控制器由兩部分組成，第一部分是采摘與行駛轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)，第二部分為前饋補(bǔ)償控制。采摘與行駛協(xié)同控制采用模糊PID自適應(yīng)控制算法，參數(shù)值調(diào)節(jié)器為PID控制器中對KP,KI,KD進(jìn)行參數(shù)修改及在線整定，然后把PID的3個控制參數(shù)、偏差以及偏差變化率進(jìn)行模糊化，模糊化是將輸入的參數(shù)值轉(zhuǎn)化為模糊量，根據(jù)解模糊中模糊量進(jìn)行精確值的轉(zhuǎn)化機(jī)制，建立基于模糊論域及隸屬度函數(shù)的規(guī)則表，最終根據(jù)模糊規(guī)則對原參數(shù)進(jìn)行修改。在實(shí)際工作中，根據(jù)采棉機(jī)的采摘速度與行駛速度的期望轉(zhuǎn)速，求解出其補(bǔ)償基準(zhǔn)值，使整個系統(tǒng)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度更快速，穩(wěn)態(tài)性能更良好。

圖5 控制原理圖

3 AMESim-Simulink聯(lián)合仿真

3.1 模型的建立

采棉機(jī)采摘作業(yè)轉(zhuǎn)速最高可達(dá)1500 r/min,其行走速度為5.6 km/h,運(yùn)用AMESim軟件建立其物理模型，根據(jù)采棉機(jī)行駛系統(tǒng)試驗(yàn)臺架進(jìn)行參數(shù)修改與選取，如表1所示。

通過軟件設(shè)置添加Simulink Standard Interface接口，實(shí)現(xiàn)AMESim與Simulink的聯(lián)合仿真。建立的模型如圖6所示。

3.2 仿真結(jié)果分析

通過對采棉機(jī)實(shí)際采摘過程進(jìn)行分析，其采摘系統(tǒng)中定量馬達(dá)最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min,在5.6 km/h時，行走系統(tǒng)中行星架輸出轉(zhuǎn)速1115 r/min，對采摘系統(tǒng)及行駛系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)典PID及前饋補(bǔ)償模糊PID自適應(yīng)協(xié)同控制算法進(jìn)行仿真。

表1 采棉機(jī)采摘與行駛系統(tǒng)參數(shù)

圖6 液壓機(jī)械變速器采棉機(jī)采摘與行走系統(tǒng)AMESim模型

采用經(jīng)典PID協(xié)同控制時，如圖7所示，相對于直接控制，PID協(xié)同控制在采摘系統(tǒng)中，超調(diào)量較小，且縮小了系統(tǒng)的調(diào)整時間，增強(qiáng)了采摘系統(tǒng)的穩(wěn)定性；如圖8在行走系統(tǒng)中經(jīng)典PID協(xié)同控制的系統(tǒng)穩(wěn)定時間增加，但響應(yīng)速度加快，總體增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，對于采棉機(jī)的行走速度波動影響較大。

圖7 采摘系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

圖8 行走系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速

采棉機(jī)采摘及行駛采用模糊PID協(xié)同控制，如圖7所示。采摘系統(tǒng)在1500 r/min時，相對于PID控制，模糊PID協(xié)同控制使采摘系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的超調(diào)量減少3.95%，且提高了系統(tǒng)響應(yīng)速度，其系統(tǒng)達(dá)到1500 r/min的穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)整時間減少0.124 s。如圖8行駛系統(tǒng)中行星排輸出轉(zhuǎn)速1120 r/min時，通過減速齒輪后，其車輛行駛速度為5.6 km/h，該系統(tǒng)采用雙前饋模糊PID協(xié)同控制，相對于PID控制，系統(tǒng)超調(diào)量減少0.1%，其系統(tǒng)達(dá)到1120 r/min的系統(tǒng)穩(wěn)定輸出轉(zhuǎn)速的調(diào)整時間減少3.67 s。雙前饋模糊PID協(xié)同控制提高了采棉機(jī)采摘與行駛的同步穩(wěn)定性，增強(qiáng)了系統(tǒng)控制性能。

4 結(jié)論

通過采棉機(jī)采摘系統(tǒng)的單泵控雙馬達(dá)和行駛系統(tǒng)中的變量泵控馬達(dá)的數(shù)學(xué)模型的建立與分析，進(jìn)行采摘與行駛的協(xié)同控制，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)，主要有以下結(jié)論：

(1) 通過分析建立了采摘系統(tǒng)中單泵控雙馬達(dá)和行駛系統(tǒng)中變量泵控馬達(dá)的協(xié)同控制傳遞函數(shù)，運(yùn)用AMESim和Simulink搭建了該系統(tǒng)的物理模型，驗(yàn)證了模型的正確性；

(2) 基于采摘與行駛的數(shù)學(xué)模型，提出一種基于采摘與行駛同步控制的前饋補(bǔ)償模糊自適應(yīng)PID控制方法，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速能快速響應(yīng)達(dá)到速度穩(wěn)態(tài)值。