拖拉機(jī)耕深控制方法分析與試驗(yàn)研究

楊俊茹,穆常蘋,李瑞川,馬 勇, 高 陽,2,劉長譽(yù),3

(1.山東科技大學(xué) a.機(jī)械電子工程學(xué)院;b.交通學(xué)院,山東 青島 266590;2.山東海卓電液控制工程技術(shù)研究院,山東 日照 276800;3.日照海卓液壓有限公司,山東 日照 276800)

0 引言

拖拉機(jī)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用,是田間犁耕作業(yè)的動力平臺[1-3]。犁耕作業(yè)的實(shí)現(xiàn)是通過電液懸掛閉環(huán)控制系統(tǒng)操控懸掛機(jī)組運(yùn)動完成的,可提高控制精度,實(shí)現(xiàn)閉環(huán)自動控制,從而簡化了駕駛員的操作,節(jié)省人力。在耕作過程中,受復(fù)雜土壤環(huán)境的影響容易造成驅(qū)動輪過度滑轉(zhuǎn)[1],尤其是濕軟地面致使車輪打滑而無法正常作業(yè),使拖拉機(jī)牽引效率降低,耕作質(zhì)量下降,達(dá)不到犁耕作業(yè)要求。

國外對于拖拉機(jī)犁耕閉環(huán)控制系統(tǒng)的研究已相當(dāng)成熟,實(shí)現(xiàn)了不同調(diào)節(jié)方式的智能判斷與柔性切換。我國對于拖拉機(jī)犁耕作業(yè)的研究主要以單參數(shù)研究為主,多參數(shù)研究主要以力位綜合調(diào)節(jié)為主,但此調(diào)節(jié)方式受加權(quán)系數(shù)的影響有很大的局限性,使耕深均勻性得不到良好的保證;而其他聯(lián)合調(diào)節(jié)方式的研究較少,目前仍處于探索階段[3-5]。

在控制方法上,研究者大多采用單一控制方法,不能較好地解決犁耕作業(yè)存在的時變和大擾動等非確定性因素的問題。

1 電液懸掛閉環(huán)控制系統(tǒng)

1.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)工作機(jī)理

根據(jù)拖拉機(jī)田間耕作特點(diǎn),建立由懸掛作業(yè)機(jī)組、電控單元、傳感器組成的閉環(huán)控制系統(tǒng),如圖1所示。

圖1 拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of tractor electro-hydraulic suspension system

拖拉機(jī)犁耕工作時,駕駛員基于農(nóng)耕要求和地面狀況,首先將設(shè)定的目標(biāo)耕深值及滑轉(zhuǎn)率門限值輸入到操作面板中;然后,控制器實(shí)時接收傳感器采集的信號,存儲并計(jì)算出目前拖拉機(jī)的耕作深度、滑轉(zhuǎn)率和牽引力的信號并與設(shè)定的目標(biāo)值比較得到相應(yīng)的偏差信號[13];接著,系統(tǒng)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的控制算法,輸出相應(yīng)的控制指令,通過控制電液比例閥,驅(qū)動懸掛機(jī)組動作實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)具的升降控制;在前進(jìn)過程中,傳感器實(shí)時檢測當(dāng)前狀態(tài)并反饋給控制器,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)自動控制。

1.2 位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合控制策略

拖拉機(jī)耕深調(diào)節(jié)采用位置調(diào)節(jié)和滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的聯(lián)合控制策略,為了得到良好的耕深效果,采用雙目標(biāo)調(diào)節(jié)(見圖2),即在以位置調(diào)節(jié)為主的狀況下加入了滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié),使其能在滑轉(zhuǎn)率的門限范圍內(nèi)調(diào)節(jié)耕深。采用位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合控制的方法可以使耕深值和滑轉(zhuǎn)率值都在設(shè)定的門限范圍內(nèi),從而提高犁耕的工作質(zhì)量。

圖2 位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合控制方案圖Fig.2 Flow chart of combination position-slip control strategy

為了保證犁耕作業(yè)時的耕深均勻性,拖拉機(jī)在某一特定區(qū)域內(nèi)作業(yè)時,根據(jù)當(dāng)時的土壤質(zhì)量和作業(yè)條件,輸入耕深值和滑轉(zhuǎn)率值的門限范圍。在系統(tǒng)執(zhí)行中,若滑轉(zhuǎn)率處于設(shè)定的門限范圍內(nèi)時,則執(zhí)行位置調(diào)節(jié)控制;若滑轉(zhuǎn)率不在設(shè)定的門限范圍內(nèi)時,則跳出位置調(diào)節(jié)控制,執(zhí)行滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)控制?；D(zhuǎn)率調(diào)節(jié)控制執(zhí)行操作僅為開關(guān)控制調(diào)節(jié),當(dāng)系統(tǒng)實(shí)時接收傳感器信號并計(jì)算滑轉(zhuǎn)率,判別其是否超出設(shè)定門限。若滑轉(zhuǎn)率小于設(shè)定門限時,則控制下降閥使犁耕懸掛機(jī)構(gòu)下降,調(diào)節(jié)滑轉(zhuǎn)率升高至設(shè)定范圍內(nèi),返回位置調(diào)節(jié)控制;若滑轉(zhuǎn)率大于設(shè)定門限時,則控制提升閥使犁耕懸掛機(jī)構(gòu)提升,調(diào)節(jié)滑轉(zhuǎn)率下降至設(shè)定范圍內(nèi),返回位置調(diào)節(jié)控制。耕深的大小由位置傳感器反饋的信號計(jì)算得到,滑轉(zhuǎn)率的大小由輪速傳感器和雷達(dá)傳感器反饋的信號計(jì)算得到。通過得到的反饋信號與設(shè)定值相比,其差值反饋給電控單元,進(jìn)而根據(jù)其偏差值控制電液比例閥從而調(diào)節(jié)犁耕懸掛機(jī)構(gòu),改變了拖拉機(jī)的耕深。位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合控制框圖如圖3所示。

圖3 位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合控制框圖Fig.3 Combination control block diagram of position-slip ratio

2 模糊PID控制器設(shè)計(jì)

根據(jù)所選用的犁耕控制方法和控制需求,經(jīng)參考大量文獻(xiàn)[2-7],采用雙輸入三輸出形式的模糊PID控制器?？刂破鞯妮斎肓繛榭刂葡到y(tǒng)的偏差值e(t)和偏差變化率Δe(t)。兩輸入值分別輸送給模糊控制器和PID控制器并按照一定規(guī)則輸出參數(shù)修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd,控制原理圖如圖4所示。

圖4 模糊PID的控制原理框圖Fig.4 Control principle block diagram of fuzzy PID

三參數(shù)修正量可根據(jù)以下算式取值,即

其中,Kp、Ki、Kd為PID 控制器的參數(shù);Kp0、Ki0和Kd0分別表示比例、積分和微分的初始值,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。

為了提高控制精度并根據(jù)模糊PID的控制原理,結(jié)合多種因素考慮,按照系統(tǒng)的偏差值e(t)和電信號的偏差變化率Δe(t)的變化范圍其基本論域分別取[-20,20]和[-80,80],3個修正信號ΔKp、ΔKi、ΔKd的基本論域分別取[-9,9]、[-1.2,1.2]、[-0.05,0.05],則各變量的模糊論域區(qū)間取[-6,6]。經(jīng)參考相關(guān)文獻(xiàn)[7-10],采用優(yōu)勢明顯的三角形表示e(t)、Δe(t)、ΔKp、ΔKi和ΔKd的隸屬函數(shù),如圖5所示。

(a) 輸入變量

制定模糊PID控制規(guī)則時,根據(jù)犁耕作業(yè)要求和拖拉機(jī)的工作特性等因素制定了輸入量和輸出量的模糊集合{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},集合分為7個模糊化等級：負(fù)大(NB)、負(fù)中(NM)、負(fù)小(NS)、零(ZO)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PB)。其控制規(guī)則如表1所示。

為了獲得較好的運(yùn)算結(jié)果和控制效果,采用較為廣泛的解模糊方法—重心法,對輸出的結(jié)果進(jìn)行清晰化處理并在線校正PID控制器參數(shù),其表達(dá)式為

Kp,i,d=Kp0,d0,i0+ΔKp,i,d

3 田間試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

為了分析和驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的性能和控制方法的優(yōu)越性,以五征雷諾曼PH1454型拖拉機(jī)為基礎(chǔ)搭建田間實(shí)車?yán)绺囼?yàn)平臺。選擇五征集團(tuán)現(xiàn)有的典型試驗(yàn)田掛接保定雙鷹1LF-435型液壓翻轉(zhuǎn)犁開展犁耕試驗(yàn)。試驗(yàn)場景如圖6所示。

圖6 拖拉機(jī)田間犁耕試驗(yàn)場景圖Fig.6 Scene map of tractor field plowing test

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)開始前,為增大試驗(yàn)方案的可行性,查閱大量文獻(xiàn)資料[3,11-13],并結(jié)合五征集團(tuán)現(xiàn)有試驗(yàn)田的土壤統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),選擇某一地面較為平整、土質(zhì)均勻且適中的地塊進(jìn)行拖拉機(jī)犁耕試驗(yàn),對比3種調(diào)節(jié)方式的優(yōu)越性。

為減少試驗(yàn)投入,在田間試驗(yàn)前,首先進(jìn)行犁架調(diào)平與傳感器標(biāo)定等相關(guān)準(zhǔn)備工作;同時,考慮作物生長需要,設(shè)定理想耕深在25cm,滑轉(zhuǎn)率門限值為0.205,拖拉機(jī)檔位為B2檔,以7.5km/h的車速勻速直線行駛。試驗(yàn)過程中,待拖拉機(jī)處于穩(wěn)定工作狀態(tài)后記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與結(jié)果分析

試驗(yàn)完成后,首先需統(tǒng)計(jì)并分析3種調(diào)節(jié)方式下拖拉機(jī)犁耕試驗(yàn)數(shù)據(jù),然后將其導(dǎo)入MatLab軟件平臺,繪制出典型地塊下拖拉機(jī)犁耕過程中耕深、滑轉(zhuǎn)率和牽引力的變化曲線如圖7所示。

(a.) 耕深對比曲線

由圖7(a)可知：滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的耕深曲線波動起伏較大,耕深變化較為明顯,耕作不均勻,達(dá)不到農(nóng)耕要求;位置調(diào)節(jié)的耕深曲線值在25cm附近波動,耕深均勻,使農(nóng)耕的效果較好;位置-滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)與之相比,其耕深曲線起伏稍大,使得農(nóng)耕效果稍差一些,但也滿足精耕細(xì)作的農(nóng)耕要求。

由圖7(b)可知：位置調(diào)節(jié)的滑轉(zhuǎn)率曲線波動幅度較大,波差較大,波動峰值明顯,其波動值遠(yuǎn)大于滑轉(zhuǎn)率門限值0.205,牽引效率較差;滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的曲線在門限值附近波動,滿足對滑轉(zhuǎn)率的誤差要求;位置-滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的曲線波動范圍小,也在門限值上下波動,滿足對滑轉(zhuǎn)率的要求。

由圖7(c)可知：位置調(diào)節(jié)的牽引力曲線波動起伏較大且峰差值大,影響發(fā)動機(jī)負(fù)荷的穩(wěn)定性;滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的曲線波動范圍小但其牽引力數(shù)值整體較大,也會對發(fā)動機(jī)造成不良影響;位置-滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)曲線波動起伏小且牽引力數(shù)值小,發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定性較好。

綜上所述：位置-滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)的耕深曲線波動小,耕深均勻性和耕作質(zhì)量的優(yōu)勢明顯,滿足農(nóng)耕要求;滑轉(zhuǎn)率曲線分布在門限值附近,獲得較高牽引效率,避免燃油浪費(fèi);牽引力曲線波動小且數(shù)值小,發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定、能耗小、壽命長。該調(diào)節(jié)方式同時滿足耕深、滑轉(zhuǎn)率、牽引力的要求,驗(yàn)證了該調(diào)節(jié)方式的優(yōu)越性。

4 結(jié)論

針對耕深的調(diào)節(jié)方式提出了適應(yīng)田間犁耕作業(yè)工況的位置-滑轉(zhuǎn)率聯(lián)合調(diào)節(jié)控制策略。首先,結(jié)合拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖分析了閉環(huán)控制系統(tǒng)工作機(jī)理;然后,為證明該聯(lián)合調(diào)節(jié)控制策略的可行性在典型試驗(yàn)田間進(jìn)行了犁耕試驗(yàn),并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)利用MatLab軟件平臺得出對比曲線,從而驗(yàn)證了此聯(lián)合調(diào)節(jié)方法的優(yōu)越性。同時,對采取的試驗(yàn)數(shù)據(jù)算法進(jìn)行了模糊PID控制算法設(shè)計(jì),使數(shù)據(jù)更具可靠性。最后,得出位置-滑轉(zhuǎn)率調(diào)節(jié)可獲得良好的耕深均勻性、較高的耕作質(zhì)量、發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定性好的優(yōu)勢。