數(shù)學(xué)建模應(yīng)用的水稻插秧機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化分析

張靜文

(重慶科創(chuàng)職業(yè)學(xué)院,重慶 402160)

0 引言

水稻插秧機(jī)作業(yè)過程中,秧苗的插栽深度是成活率的重要影響因素,因此插秧機(jī)的插秧深度成為插秧作業(yè)過程的重要控制指標(biāo)[1-3]。插秧機(jī)液壓仿形系統(tǒng)是插秧過程的升降裝置,能夠有效控制秧苗的插入深度,同時(shí)是插秧機(jī)工作性能的重要決定環(huán)節(jié)[4-5]。為此,基于數(shù)學(xué)建模的方式,設(shè)計(jì)了一種水稻插秧機(jī)仿形機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。

1 插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作原理

按照不同的連接方式,可以將插秧機(jī)仿形系統(tǒng)分為鉸接式連接和整體式連接。其中,鉸接式連接仿形系統(tǒng)是一種位置控制系統(tǒng),整體式連接是一種力反饋控制系統(tǒng),兩種連接方式的工作原理相同,控制過程中的物理量不同[6-8]。

插秧機(jī)作業(yè)時(shí),仿形滑閥通過機(jī)械式傳感器進(jìn)行控制;插秧機(jī)行走在下坡水田中時(shí),插植部分與泥水表面的相對(duì)高度差較小,此時(shí)插秧機(jī)浮板受到的泥水浮力較大,壓力傳感器可將此時(shí)的力值反饋至仿形滑閥;閥芯在反饋指令下開始運(yùn)動(dòng),控制插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)上升,此時(shí)浮板開始動(dòng)作,壓力傳感器的監(jiān)測(cè)值恢復(fù)至初始值[9]。

2 插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制方法

插秧機(jī)仿形升降系統(tǒng)的控制方式主要包括位置反饋式調(diào)節(jié)控制、壓力反饋式調(diào)節(jié)控制及位置反饋和壓力反饋相結(jié)合的綜合調(diào)節(jié)控制[9]。本文設(shè)計(jì)的插秧機(jī)仿形升降控制系統(tǒng)采用力反饋與位置反饋相結(jié)合切換的控制方式,根據(jù)水田底部的起伏變化幅度對(duì)浮板位置進(jìn)行跟隨控制,在保持階段,仿形升降機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行壓力保持[10-11]。圖1所示為插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)控制原理圖。

圖1 插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)控制原理圖Fig.1 Control principle diagram of seedling copying transplanter

3 插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

插秧機(jī)作業(yè)過程中,控制器根據(jù)仿形升降機(jī)構(gòu)的位置或力反饋值,計(jì)算仿形機(jī)構(gòu)中滑閥閥芯的位移,從而控制仿形升降機(jī)構(gòu)的液壓缸的動(dòng)作[12-14]。仿形升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)升降階段的控制傳遞函數(shù)為

仿形升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)保持階段的控制傳遞函數(shù)為

對(duì)仿形升降機(jī)構(gòu)升降階段進(jìn)行仿真,升降階段開環(huán)伯德圖(幅值)如圖2所示,升降階段開環(huán)伯德圖(相位)如圖3所示。

圖2 升降階段開環(huán)伯德圖(幅值)Fig.2 Open loop Bode diagram of lifting stage (amplitude)

圖3 升降階段開環(huán)伯德圖(相位)Fig.3 Open loop Bode diagram of lifting stage (phase)

從圖2、圖3中可以看出:系統(tǒng)校正前的幅值裕量為Gm=18dB,相位裕量為Pm=88°,穿越頻率為ωc=2rad/s,表明升降階段控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定。升降階段控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖4所示。

圖4 升降階段控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig.4 Step response of control system in lifting stage

對(duì)仿形升降機(jī)構(gòu)保持階段進(jìn)行仿真,保持階段開環(huán)伯德圖(幅值)如圖5所示,保持階段開環(huán)伯德圖(相位)如圖6所示。從圖5、圖6中可以看出:系統(tǒng)校正前的幅值裕量為Gm=9.8dB,相位裕量為Pm=93°,穿越頻率為ωc=16rad/s,表明升降階段控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定。升降階段控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)如圖7所示。

圖5 保持階段開環(huán)伯德圖(幅值)Fig.5 Open loop Bode diagram of holding stage (amplitude)

圖6 保持階段開環(huán)伯德圖(相位)Fig.6 Open loop Bode diagram of holding stage (phase)

圖7 保持階段控制系統(tǒng)階躍響應(yīng)Fig.7 Step response of control system in holding stage

根據(jù)仿形升降系統(tǒng)參數(shù),確定控制系統(tǒng)在升降階段,位置反饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)保持階段系統(tǒng)參數(shù),確定控制系統(tǒng)在保持階段,力反饋的系統(tǒng)傳遞函數(shù)為

由此可以得出:在插秧機(jī)仿形機(jī)構(gòu)升降和保持階段,控制系統(tǒng)具有相同的傳遞函數(shù),可為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供便利[15]。

4 插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)仿真

在進(jìn)行插秧機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)仿真時(shí),采用自整定PID控制算法,對(duì)插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真,利用位置反饋與力反饋相結(jié)合的方式建立控制系統(tǒng),如圖8所示。

圖8 插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)模型Fig.8 Control system model of profiling lifting mechanism of transplanter

輸入?yún)?shù)為仿形升降機(jī)構(gòu)中液壓缸活塞的位移或力值的誤差和誤差變化率。設(shè)置控制系統(tǒng)仿真總時(shí)間為2s,給定輸入信號(hào)為階躍信號(hào),仿真參數(shù)分別為P=2、I=2.5、D=0.01,為插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)相應(yīng)性能指標(biāo)如表1所示。圖9所示為插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)升降階段階躍響應(yīng)對(duì)比曲線;圖10所示為插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)保持階段階躍響應(yīng)對(duì)比曲線。

表1 插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)相應(yīng)性能指標(biāo)Table 1 Corresponding performance indexes of profiling lifting mechanism of transplanter

圖9 升降階段階躍響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.9 Comparison curve of step response in lifting stage

圖10 保持階段階躍響應(yīng)對(duì)比曲線Fig.10 Comparison curve of step response in holding stage

實(shí)際插秧工作控制過程中,當(dāng)位置反饋信號(hào)在設(shè)定閾值范圍內(nèi)時(shí),控制系統(tǒng)采用力反饋的方式進(jìn)行調(diào)節(jié);當(dāng)位置反饋信號(hào)在超過設(shè)定閾值時(shí),控制系統(tǒng)切換至位置反饋的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)調(diào)節(jié)方式切換的主要依據(jù)是水田地形的起伏波動(dòng),要求插秧機(jī)具有較好的誤差跟隨性。

5 結(jié)論

插秧機(jī)仿形升降系統(tǒng)工作過程中,依據(jù)地形起伏對(duì)插秧升降過程進(jìn)行控制,依據(jù)升降機(jī)構(gòu)的壓力傳感器信號(hào)進(jìn)行保持階段控制,兩種控制反饋調(diào)節(jié)方式之間能夠根據(jù)設(shè)定閾值進(jìn)行切換。仿真結(jié)果表明:模糊PID控制能夠有效提高插秧機(jī)仿形升降機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)工作性能。