全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械同步控制聯(lián)合仿真研究

魏圣坤　文勇

摘要：為提高農(nóng)用機械面對偏載啟動、負載突變和系統(tǒng)調(diào)速時的自適應(yīng)性，提出一種基于BP-PID控制的全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械同步控制系統(tǒng)。首先分析該系統(tǒng)液壓工作原理，并提出轉(zhuǎn)速控制原理和同步控制策略；其次分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理并設(shè)計BP-PID控制系統(tǒng)；最后運用AMESim和Matlab/Simulink進行建模和聯(lián)合仿真分析。仿真結(jié)果表明：采用BP-PID控制系統(tǒng)相對于PID控制系統(tǒng)，系統(tǒng)偏載啟動時，響應(yīng)速度提高36.4%，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快；負載突變時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化量減少32%，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高25%，系統(tǒng)具有更好的魯棒性；目標轉(zhuǎn)速變化時，系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

關(guān)鍵詞：農(nóng)用機械；全液壓驅(qū)動；BP-PID；同步控制；聯(lián)合仿真

中圖分類號：S22： TP273文獻標識碼：A文章編號：20955553 （2023） 11010207

Research on joint simulation of synchronous control of fully hydraulic driven agricultural machinery

Wei ShengkunWen Yong

（1. School of Intelligent Manufacturing and Automotive Engineering， Luzhou Vocational & Technical College，

Luzhou， 646000， China; 2. Sichuan Beijinda New Materials Co.， Ltd.， Shifang， 618400， China）

Abstract：In order to improve the adaptability of agricultural machinery in the face of eccentric load start， load mutation， and system speed regulation， an asynchronous control system of fully hydraulic driven agricultural machinery based on BP-PID control is proposed. Firstly， the hydraulic working principle of the system is analyzed， and the speed control principle and synchronous control strategy are analyzed. Secondly， the principle of the BP neural network is analyzed and the BP-PID control system is proposed. Finally， AMESim and Matlab/Simulink are used for modeling and joint simulation analysis. The simulation shows that compared with the PID control system， the response speed of the BP-PID control system is increased by 36.4% when the system is started under eccentric load， the system has no overshoot and the response speed is faster. When the load changes suddenly， the change of system speed is reduced by 32%， and the system response speed is increased by 25%. The system has better robustness. When the target speed changes， the system has better speed regulation performance.

Keywords：agricultural machinery; full hydraulic driven; BP-PID; synchronous control; joint simulation

0引言

隨著“精準農(nóng)業(yè)”的實施，農(nóng)用機械自動駕駛已經(jīng)成為實現(xiàn)現(xiàn)代化精準農(nóng)業(yè)的必然選擇［1］。農(nóng)用機械自動駕駛是根據(jù)系統(tǒng)提前設(shè)定的地圖進行作業(yè)的一種技術(shù)［2］，由于土壤環(huán)境復(fù)雜，容易出現(xiàn)偏載啟動、負載突變和系統(tǒng)調(diào)速工況，引起車輪轉(zhuǎn)速不同步，導(dǎo)致農(nóng)用機械偏離設(shè)定路線，影響自動駕駛工作效率。因此必須對農(nóng)用機械進行同步控制，使其具有較好的同步性、魯棒性和調(diào)速性。傳統(tǒng)農(nóng)用機械以機械傳動為主［3］，采用變速箱進行調(diào)速，無法實現(xiàn)無級調(diào)速，難以進行同步控制，因此無法滿足農(nóng)用機械自動駕駛需求，為此將液壓同步控制系統(tǒng)引入農(nóng)用機械行走驅(qū)動系統(tǒng)。液壓系統(tǒng)同步控制被廣泛應(yīng)用于對同步精度要求較高的場景，例如液壓支架、防纏導(dǎo)板、礦井無軌列車等［48］。為提高液壓系統(tǒng)的同步性，國內(nèi)外學(xué)者將多種算法引入液壓同步控制系統(tǒng)［915］，有效改善了液壓系統(tǒng)同步控制性能。周山旭等［16］研究了水田整平機驅(qū)動液壓缸模糊PID同步控制仿真系統(tǒng)，有效提高了水田整平機驅(qū)動液壓缸系統(tǒng)的魯棒性。陳靖等［17］使用AMESim和Simulink仿真軟件對農(nóng)用機械行走馬達液壓系統(tǒng)進行同步控制仿真研究，提高了農(nóng)用機械在行駛過程中轉(zhuǎn)速響應(yīng)特性和系統(tǒng)魯棒性。張靜等［18］研究了基于均值耦合的多液壓缸位置同步控制系統(tǒng)，通過AMESim/Simulink聯(lián)合仿真驗證了與相鄰交叉耦合控制策略相比，均值耦合控制策略能更好地解決液壓缸的耦合作用及偏載問題，而且同步誤差小，調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。

基于此，本文針對農(nóng)用機械提出一種基于BP-PID的全液壓驅(qū)動農(nóng)用機型同步控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用耦合同步控制策略，運用AMESim和Matlab/Simulink建立聯(lián)合仿真模型，進行聯(lián)合研究，并分析系統(tǒng)同步性、魯棒性和調(diào)速性。

1全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械系統(tǒng)控制原理

1.1液壓系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，該系統(tǒng)為開式恒流量系統(tǒng)，動力源帶動定量泵轉(zhuǎn)動產(chǎn)生高壓油，高壓油分別通過電磁比例換向閥進入驅(qū)動馬達，驅(qū)動馬達分別帶動前輪和后輪轉(zhuǎn)動，從驅(qū)動馬達出來的低壓油分別通過電磁比例換向閥后進入過濾器，最后流回油箱。

當過濾器被堵塞時，低壓油通過單向閥流回油箱；當前輪和后輪被卡死時，高壓油通過溢流閥流回油箱；當電磁比例換向閥突然切換為中位制動時，分別通過單向閥補油，溢流閥具有緩沖減震作用。轉(zhuǎn)速傳感器實時分別采集驅(qū)動馬達實際轉(zhuǎn)速，并將信號傳給同步控制器，經(jīng)同步控制器處理后分別將控制信號傳給電磁比例換向閥，實時控制閥芯位移，從而控制閥芯開口大小，使驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速同步。

1.2轉(zhuǎn)速控制原理

如圖2所示，上位機首先發(fā)出給定信號給比例放大器，再通過比例放大器傳給比例電磁鐵，通過電信號的大小調(diào)節(jié)電磁比例換向閥的開口量，從而控制進入驅(qū)動馬達的流量，轉(zhuǎn)速傳感器將驅(qū)動器馬達的實際轉(zhuǎn)速反饋給上位機，通過與給定信號比較得出偏差信號，再由比例放大器放大后輸出給比例電磁鐵，通過控制電磁比例換向閥閥芯位移，控制液壓油的方向和流量，實現(xiàn)驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速的精確控制。

1.3同步控制策略分析

同步控制可分為等效同步控制、主從同步控制和耦合同步控制［19］，本文采用耦合同步控制。耦合同步控制是一種考慮自生與相鄰支路運行狀態(tài)的同步控制策略，由于運行時不同的子系統(tǒng)會出現(xiàn)同步誤差，因此可根據(jù)該誤差對相鄰支路的控制參數(shù)進行動態(tài)調(diào)節(jié)，實現(xiàn)同步控制。如圖3所示，系統(tǒng)設(shè)定目標值n，分別將該值傳給控制器，控制器根據(jù)目標值n和均值n1分別控制電磁比例換向閥，從而控制驅(qū)動馬達的轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速傳感器實時采集驅(qū)動馬達實際轉(zhuǎn)速，求均值n1，并分別傳給控制器，實現(xiàn)驅(qū)動馬達轉(zhuǎn)速同步。

2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制原理

2.1BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有非線性、映射性和容錯性的特點［20］，可以將該算法運用到農(nóng)用機械中，實現(xiàn)農(nóng)用機械同步控制。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層、輸出層，內(nèi)部信號可以在該三層之間進行雙向傳播。

2.2BP-PID神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3系統(tǒng)建模

3.1液壓系統(tǒng)建模

電磁比例換向閥可根據(jù)輸入電信號的大小與使其產(chǎn)生的電磁力成比例，從而調(diào)整電信號的數(shù)值來獲得對應(yīng)的電磁力，來實時控制電磁比例換向閥閥芯的位置，進而獲取相應(yīng)的壓力、方向和流量。由圖1全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械液壓系統(tǒng)原理圖，可在AMESim中運用HCD庫、2D機械庫和信號庫建立模型。本研究以某全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械為研究對象，在典型工況下進行仿真，即（1）偏載啟動；（2）行駛過程負載突變；（3）以不同轉(zhuǎn)速進行行駛。忽略系統(tǒng)的泄漏，設(shè)定液壓元件參數(shù)如表1所示。

3.2同步控制器建模

在AMESim中設(shè)置仿真時間為8s，步長為0.01s，設(shè)置完成后進入仿真模式，運行仿真進入Matlab/Simulink，根據(jù)圖5的BP-PID控制原理可建立分別如圖6～圖8所示模型，本研究采用解析法整定初始PID參數(shù)分別為Kp=0.1，Ki=5.5，Kd=0.3。

4仿真與分析

4.1系統(tǒng)啟動特性分析

設(shè)定驅(qū)動馬達目標值為200r/min，運行仿真，在AMESim中經(jīng)批處理后得到驅(qū)動馬達的同步轉(zhuǎn)速曲線，如圖9所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達最大轉(zhuǎn)速為225.6r/min，超調(diào)量為12.8%，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達沒有超調(diào)量。

如圖10所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達在2.2s達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達在1.4s達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了36.4%。系統(tǒng)偏載啟動時，BP-PID控制系統(tǒng)沒有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快。

4.2系統(tǒng)抗負載突變特性分析

如圖11所示，在4s時驅(qū)動馬達27減少50N·m， 驅(qū)動馬達28增加25N·m，驅(qū)動馬達29增加25N·m，驅(qū)動馬達30增加25N·m。

如圖12所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達最大轉(zhuǎn)速變化量為12.5r/min，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達最大轉(zhuǎn)速變化量為8.5r/min，轉(zhuǎn)速變化量減少了32%。

如圖13所示，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達在1.6s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達在1.2s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了25%。BP-PID控制系統(tǒng)具有更好的魯棒性。

4.3系統(tǒng)調(diào)速特性分析

如圖14所示，當設(shè)定目標值為150r/min時，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達最大轉(zhuǎn)速為168.5r/min，超調(diào)量為12.3%，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達沒有超調(diào)量。當設(shè)定目標值為250r/min時，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達最大轉(zhuǎn)速為285.6r/min，超調(diào)量為14.2%，系統(tǒng)采用BP-PID控制系統(tǒng)驅(qū)動馬達沒有超調(diào)量。

如圖15所示，目標值為150r/min時，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達在1.5s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達在1.1s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了26.7%。

如圖16所示，目標值為250r/min時，系統(tǒng)采用PID控制的驅(qū)動馬達在2.5s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)采用BP-PID控制的驅(qū)動馬達在1.5s后達到穩(wěn)定的目標轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了40%。BP-PID控制系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

5結(jié)論

1） 本文提出一種全液壓驅(qū)動農(nóng)用機械同步控制系統(tǒng)，并分析系統(tǒng)位置控制原理和同步控制策略，分析BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理，并設(shè)計BP-PID控制系統(tǒng)，對系統(tǒng)進行建模和仿真。

2）? 偏載啟動時，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對于PID控制系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了36.4%，系統(tǒng)沒有超調(diào)量，響應(yīng)速度更快；負載突變時，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對于PID控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速變化量減少了32%，系統(tǒng)響應(yīng)速度提高了25%，系統(tǒng)具有更好的魯棒性；目標轉(zhuǎn)速變化時，采用BP-PID控制系統(tǒng)相對于PID控制系統(tǒng)具有更好的調(diào)速性能。

3）? 該系統(tǒng)能夠有效提高農(nóng)用機械行走時的同步性、魯棒性和調(diào)速性，為農(nóng)用機械自動駕駛驅(qū)動底盤的驅(qū)動設(shè)計提供參考。

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