基于模糊PID 算法的播種機(jī)播量自動(dòng)化控制方法

甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 李寧 王雷 陳炳羽

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，播種機(jī)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。播種機(jī)的播量是影響作物生長和產(chǎn)量的重要因素之一，因此，實(shí)現(xiàn)播種機(jī)播量的自動(dòng)化控制對于提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和品質(zhì)具有重要意義。傳統(tǒng)的播種機(jī)播量控制方法主要依賴于人工操作，存在著操作不準(zhǔn)確、控制精度低等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)播量的精確控制。因此，本研究提出了一種基于模糊PID 算法的播種機(jī)播量自動(dòng)化控制方法，旨在提高播種機(jī)播量控制的精度和自動(dòng)化程度，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。

1 播種機(jī)播量自動(dòng)化測量

通常情況下，播種機(jī)的播種箱采用懸掛式安裝方式，在播種箱的下方是通過氮?dú)鈴椈商峁┢渲瘟?，在播種箱的外側(cè)安裝拉力傳感器，拉力傳感器與播種箱的重力的合力為氮?dú)鈴椈芍瘟?，其用公式表示為?/p>

式中，d 表示氮?dú)鈴椈芍瘟?，即氮?dú)鈴椈蓮椓?；e表示拉力傳感器上緊固螺栓對播種箱側(cè)板的拉力；G表示播種箱體和物料的總重力[1]。根據(jù)以上公式可知，根據(jù)拉力傳感器測量的拉力與氮?dú)鈴椈芍瘟Φ淖兓梢苑从吵霾シN箱內(nèi)物料重量的變化，從而可以測量到播種機(jī)的播量變化[2]。在氮?dú)鈴椈缮习惭b壓力傳感器，利用壓力傳感器與拉力傳感器采集到播種機(jī)播量信號(hào)，通過USB 接口將采集的信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)上，用于后續(xù)數(shù)據(jù)預(yù)處理和分析。

2 測量信號(hào)加權(quán)濾波

在對播種機(jī)播量測量過程中，拉力傳感器與壓力傳感器測量到的力信號(hào)的變化量存在方向相反，并且當(dāng)無線傳感器受到外界因素干擾時(shí)，壓力傳感器與拉力傳感器對干擾信號(hào)的響應(yīng)存在幅值成正比的特征，并且將壓力傳感器與拉力傳感器測量信號(hào)相加后整體的信號(hào)振動(dòng)幅度將減弱。根據(jù)以上測量信號(hào)的特征，采用加權(quán)濾波算法對播種機(jī)播量測量信號(hào)進(jìn)行濾波處理[3]。首先利用分配系數(shù)對測量到的播種箱拉力信號(hào)與壓力信號(hào)進(jìn)行加權(quán)和處理，得到兩種信號(hào)的加權(quán)和信號(hào)，其用公式表示為：

式中，R(S)表示壓力信號(hào)與拉力信號(hào)的加權(quán)和信號(hào)；S表示播種機(jī)播種面積；n 表示分配系數(shù)；e(F)表示拉力傳感器隨作業(yè)面積變化時(shí)測量到的播種箱拉力；d(F)表示壓力傳感器隨作業(yè)面積變化時(shí)測量到的氮?dú)鈴椈蓧毫4]。將加權(quán)和信號(hào)與播種機(jī)播量方程進(jìn)行線性組合，其用公式表示為：

式中，e (F)'表示加權(quán)濾波后的播種箱壓力信號(hào)；A(S)表示播種機(jī)播量方程；d(F)' 表示加權(quán)濾波后的氮?dú)鈴椈蓧毫π盘?hào)[5]。通過以上對加權(quán)和信號(hào)與播量方程線性組合，實(shí)現(xiàn)對測量信號(hào)的加權(quán)濾波處理。

3 基于模糊PID 算法的播量誤差調(diào)控

在上述基礎(chǔ)上，利用模糊PID 算法對播種機(jī)播量信號(hào)綜合分析，將播量誤差進(jìn)行模糊化、清晰化，確定控制向量，最終利用模糊PID 控制器對播種機(jī)播量誤差進(jìn)行調(diào)控。首先利用加權(quán)濾波后的測量信號(hào)計(jì)算出播種機(jī)播量偏差，其用同時(shí)表示為：

式中，x 表示播種機(jī)播量偏差；k 表示播量偏差斜率。再根據(jù)壓力信號(hào)與拉力信號(hào)的變化情況，計(jì)算出播種機(jī)播量偏差變化率，其計(jì)算公式為：

式中，ε 表示播種機(jī)播量偏差變化率；e(F)0表示最初播種機(jī)播箱拉力值；d(F)0表示最初氮?dú)鈴椈蓧毫χ礫6]。通過對播量偏差和偏差變化率進(jìn)行模糊化處理，得到偏差模糊量和偏差變化率模糊量，根據(jù)需求設(shè)定模糊集為：

式中，D 表示模糊集合；NB表示負(fù)大；NM表示負(fù)中；N 表示負(fù)小；Z0表示零；PS表示正??；PM表示正中；PB表示正大[7]。模糊集中所有模糊元素均采用隸屬度函數(shù)，將模糊量變化分為七個(gè)等級，因此得到其對應(yīng)的模糊論域?yàn)椋?/p>

式中，P 表示模糊論域。根據(jù)論域確定播種機(jī)播量誤差和誤差變化率的模糊元素。采用Mamdani 模糊邏輯對播種機(jī)播量模糊PID 控制量進(jìn)行推理，其用公式表示為：

式中，U 表示播種機(jī)播量誤差模糊控制量；0 表示運(yùn)算關(guān)系；k 表示模糊關(guān)系合成運(yùn)算。由于以上計(jì)算得到的控制量為模糊量，無法被模糊PID 控制器直接執(zhí)行，因此采用面積重心法將得到的模糊控制量進(jìn)行清晰化轉(zhuǎn)換，得到具體的控制清晰量，其用公式表示為：

式中，Uert表示播種機(jī)播量精確控制量；ψ 表示隸屬度函數(shù)。將計(jì)算的精確控制量輸入到模糊PID 控制器中，模糊PID 控制器控制輸出采用微分方程，將精確控制量分解為播種機(jī)播量比例系數(shù)、微分系數(shù)和積分系數(shù)修正量，其用公式表示為：

式中，uet(kp,ki,kd)表示模糊PID 控制器輸出；kp、kpo、△kp分別表示播種機(jī)播量比例系數(shù)修正值、初始值和比例因子；ki、kio、△ki分別表示播種機(jī)播量微分系數(shù)修正值、初始值和微分因子；kd、kdo、△kd分別表示播種機(jī)播量積分系數(shù)修正值、初始值和積分因子。通過USB 接口將模糊PID 控制器與播種機(jī)連接，通過對播種機(jī)播量比例、積分和微分因子調(diào)控，將播量偏差修正，以此實(shí)現(xiàn)基于模糊PID 算法的播種機(jī)播量自動(dòng)化控制。

4 實(shí)驗(yàn)論證

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備與設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)在某農(nóng)場環(huán)境中進(jìn)行，該農(nóng)場播種機(jī)型號(hào)為IOFA-FGA77，播種機(jī)配套動(dòng)力為1120Kw/hp，作業(yè)效率為9.45km2/h，尺寸為2450mm×2300mm×2900mm，配套形式為三點(diǎn)懸掛，壟數(shù)為4 壟。該播種機(jī)播種作物為小麥、水稻、紅薯、玉米、高粱、甜菜以及油菜，利用本文設(shè)計(jì)方法對該播種機(jī)播量進(jìn)行自動(dòng)化控制，控制效果如表1 所示。

表1 播種機(jī)播量自動(dòng)化控制結(jié)果

記錄所有作物播種時(shí)播種機(jī)播量自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)信息，用于以下對方法性能的檢驗(yàn)。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)以超調(diào)率作為播種機(jī)播量自動(dòng)化控制方法性能評價(jià)指標(biāo)，超調(diào)率是指超出目標(biāo)量與目標(biāo)量的比值，其計(jì)算公式為：

式中，K 表示播種機(jī)播量超調(diào)率；Y 表示控制后播種機(jī)播量；M表示播種機(jī)目標(biāo)播量。超調(diào)率越高，則表示播種機(jī)播量自動(dòng)化控制精度越低。將設(shè)計(jì)方法與基于可編輯邏輯控制器的控制方法和基于PLC 的控制方法超調(diào)率對比，隨機(jī)選擇四個(gè)作物，統(tǒng)計(jì)四種作物播種中播種機(jī)播量超調(diào)率，如圖1 所示。

圖1 播種機(jī)播量自動(dòng)化控制超調(diào)率

從圖1 可以看出，在本次實(shí)驗(yàn)中不同方法在實(shí)踐中超調(diào)率不同，并且對于不同作物播種時(shí)超調(diào)率也有所不同。本文方法在紅薯播種時(shí)對播種機(jī)播量的超調(diào)率最低，為1.24%，在小麥播種時(shí)超調(diào)率最高，為2.41%，本文方法可以將播種機(jī)播量超調(diào)率控制在3%以內(nèi)，說明本文方法對于播種機(jī)播量的控制與目標(biāo)值基本接近。而基于PLC 的控制方法超調(diào)率最高，為15.47%，其次為基于可編輯邏輯控制器的控制方法，其超調(diào)率最高為14.75%，兩種現(xiàn)行方法超調(diào)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)方法。因此，通過以上實(shí)驗(yàn)證明，本文方法播種機(jī)播量自動(dòng)化控制效果最佳，可以實(shí)現(xiàn)對播種機(jī)播量的高精度自動(dòng)化控制。

5 結(jié)語

在本次研究中，提出了一種基于模糊PID 算法的播種機(jī)播量自動(dòng)化控制方法。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)該方法能夠有效地提高播種機(jī)播量控制的精度和自動(dòng)化程度，同時(shí)降低人工操作的難度和成本。這對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義，可以幫助農(nóng)民更好地滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，提高農(nóng)作物的生長和產(chǎn)量。在未來的工作中，筆者將繼續(xù)深入研究播種機(jī)播量控制的相關(guān)技術(shù)，進(jìn)一步提高播種機(jī)播量控制的精度和自動(dòng)化程度。同時(shí)，也希望能夠?qū)⒃摷夹g(shù)應(yīng)用到更多的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中，為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供更全面的技術(shù)支持。