力位綜合系數(shù)調(diào)節(jié)方法研究

付曉 徐銳良 閆祥海 徐立友

摘要：針對力位綜合調(diào)節(jié)中綜合系數(shù)的取值問題，提出一種綜合系數(shù)自動調(diào)節(jié)方案。通過Matlab/simulink研究不同耕作條件下綜合系數(shù)與耕深的關(guān)系，依據(jù)結(jié)果建立以耕作阻力為開關(guān)的調(diào)節(jié)方法；并基于牽引阻力的計算公式設(shè)計模擬耕作阻力波動的隨機(jī)信號模塊。為驗證所設(shè)計綜合系數(shù)調(diào)節(jié)方法的控制效果，采用綜合系數(shù)取值0.5的耕深控制策略與其進(jìn)行仿真對比。結(jié)果表明：該方案能夠隨著耕作阻力的改變及時地對綜合系數(shù)進(jìn)行調(diào)整，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性，最大超調(diào)量相較于另一調(diào)節(jié)方案同比降低75.56%；保證耕深在合理范圍的同時兼顧發(fā)動機(jī)負(fù)荷穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：力位綜合調(diào)節(jié)；綜合系數(shù)；耕作阻力；牽引阻力；耕深均勻；自動控制

中圖分類號：S219.032.4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0037-05

收稿日期：2022年8月16日

修回日期：2022年10月17日

*基金項目：河南省科技攻關(guān)項目（212102210328）

第一作者：付曉，女，1998年生，河南洛陽人，碩士研究生；研究方向為拖拉機(jī)耕深控制。E-mail： 1286583906@qq.com

通訊作者：徐銳良，男，1966年生，河南洛陽人，副教授，碩導(dǎo)；研究方向為車輛設(shè)計與制造。E-mail： lyxrl@163.com

Study on adjustment method of force-position comprehensive coefficient

Fu Xiao， Xu Ruiliang， Yan Xianghai， Xu Liyou

（College of Vehicle and Traffic Engineering， Henan University of Science and Technology， Luoyang， 471000， China）

Abstract： Aiming at the problem of the value of comprehensive coefficient in comprehensive adjustment of force position， an automatic adjustment scheme of comprehensive coefficient was proposed. The relationship between comprehensive coefficient and tillage depth under different tillage conditions was studied by Matlab/simulink. According to the results， the regulation method with tillage resistance as switch was established. Based on the formula of traction resistance， a random signal module was designed to simulate the fluctuation of tillage resistance. In order to verify the control effect of the designed comprehensive coefficient adjustment method， the tillage depth control strategy with the comprehensive coefficient of 0.5 was used for simulation comparison. The results show that the scheme can adjust the comprehensive coefficient in time with the change of tillage resistance， and has good environmental adaptability. The maximum overshoot is reduced by 75.56% compared with the other scheme. The stability of engine load is also taken into account while the ploughing depth is in a reasonable range.

Keywords： comprehensive adjustment of force and position; comprehensive coefficient; tillage resistance; tractive resistance; even tillage depth; automatic control

0 引言

由于農(nóng)機(jī)作業(yè)環(huán)境的復(fù)雜多變性，傳統(tǒng)的機(jī)械式液壓懸掛系統(tǒng)已無法滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化需求，電液懸掛控制技術(shù)應(yīng)運而生。相比于傳統(tǒng)的懸掛系統(tǒng)，電液懸掛系統(tǒng)的耕深控制方式更加靈活，PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制算法也開始應(yīng)用于控制系統(tǒng)，耕深的控制精度和系統(tǒng)響應(yīng)速度都有了很大提升^{[1， 2]}。在針對力位綜合調(diào)節(jié)的研究中，綜合系數(shù)大多是由人工預(yù)先設(shè)定，探討不同綜合系數(shù)時系統(tǒng)的耕深控制性能^[3]。近些年，也有學(xué)者研究了綜合系數(shù)的自動控制算法，席鑫鑫等建立了力位綜合控制的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計了綜合度系數(shù)的自動選取系統(tǒng)；但是目前對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)期望值的預(yù)測及算法應(yīng)用都還不夠成熟。王素玉等^[4]研究了綜合系數(shù)與土壤比阻之間的關(guān)系，基于土壤比阻與綜合系數(shù)的關(guān)系取值算法，實現(xiàn)了綜合系數(shù)的自動控制，然而在耕深均勻性上表現(xiàn)欠佳，仍有提升的空間。

本文在已有研究的基礎(chǔ)上，搭建拖拉機(jī)電液懸掛系統(tǒng)的仿真模型，探索綜合系數(shù)取值與耕作阻力之間的關(guān)系，設(shè)計自調(diào)節(jié)綜合系數(shù)的力位綜合控制策略（以下簡稱阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法），并將其與綜合系數(shù)采用固定值的力位綜合調(diào)節(jié)進(jìn)行對比分析。

1 調(diào)節(jié)原理及控制策略

1.1 調(diào)節(jié)原理

懸掛系統(tǒng)力位綜合調(diào)節(jié)原理簡圖如圖1所示。目標(biāo)耕深由駕駛員輸入，K₁為常數(shù)項；力、位傳感器檢測信號進(jìn)行處理后得到對應(yīng)耕深H₂、H₁，結(jié)合綜合系數(shù)a計算得到實際耕深，將其與目標(biāo)耕深對比后產(chǎn)生耕深誤差，耕深誤差輸入控制器經(jīng)判斷后輸出控制信號，從而控制懸掛系統(tǒng)令農(nóng)具執(zhí)行升降動作。綜合系數(shù)定義為位調(diào)節(jié)占力位綜合調(diào)節(jié)的比重，可以通過設(shè)定處于0～1之間的任何位置，代表了位調(diào)節(jié)在綜合調(diào)節(jié)中分配的比例^[5]。位調(diào)節(jié)占比較大時可以獲得較好的耕深一致性，力調(diào)節(jié)占比較大時可以獲得較好的負(fù)荷穩(wěn)定性，因此合理的設(shè)定綜合系數(shù)值對力位綜合調(diào)節(jié)具有重要意義。

1.2 控制策略

拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)在耕作過程受耕作環(huán)境和系統(tǒng)本身的影響，具有時變、擾動大、非線性強(qiáng)的特點，基于此本文選用模糊-PID控制器對懸掛系統(tǒng)進(jìn)行耕深控制。模糊控制器采用雙輸入三輸出的模式，輸入為耕深誤差e及誤差變化率ec，輸出為PID的參數(shù)修正量K_p、K_i、K_d，輸入輸出的量化等級為7，離散論域均取為[-6，6]，對應(yīng)的模糊子集取為{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。

隸屬度函數(shù)曲線的形狀對模糊控制器的控制性能具有一定的影響。當(dāng)輸入偏差波動較大時高斯函數(shù)對應(yīng)的曲線調(diào)節(jié)較快效果較好，反之三角型曲線對應(yīng)的調(diào)節(jié)較快、效果好一些^[6]；非均勻分布的隸屬度函數(shù)可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力和輸出量的控制作用，達(dá)到快速控制系統(tǒng)偏差的目的^[7-10]，因此采用隸屬度函數(shù)如圖2和圖3所示。模糊控制規(guī)則是根據(jù)專家經(jīng)驗和知識生成的，結(jié)合自整定原則^{[11， 12]}，建立的模糊控制規(guī)則如表1所示。

2 綜合系數(shù)與耕作阻力關(guān)系分析

2.1 模型搭建

拖拉機(jī)耕作區(qū)域相對靈活，在土地規(guī)模化經(jīng)營的趨勢下，跨區(qū)作業(yè)將成為未來耕作模式的新常態(tài)?？鐓^(qū)作業(yè)就涉及耕作阻力的改變，為保證得到適合農(nóng)作物生長的耕深，綜合系數(shù)應(yīng)該能夠隨作業(yè)條件的改變進(jìn)行調(diào)整。考慮到耕作阻力主要與農(nóng)具參數(shù)、土壤、耕深有關(guān)；而農(nóng)具參數(shù)為定值，只與制造有關(guān)，耕深為目標(biāo)量，土壤的情況通常用土壤比阻來反映；因此基于研究土壤比阻與綜合系數(shù)間的關(guān)系設(shè)計阻力式自動調(diào)節(jié)綜合系數(shù)方法是可行的。為得到更為直觀的結(jié)果，假設(shè)在某一耕作環(huán)境時土壤比阻固定，懸掛模型采用傳遞函數(shù)的形式。前文已經(jīng)對力位綜合調(diào)節(jié)原理及控制策略進(jìn)行了闡述，結(jié)合建立的懸掛系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在Matlab/simulink中搭建的控制系統(tǒng)模型如圖4所示。圖中a、k分別代表綜合系數(shù)、土壤比阻。

2.2 仿真分析

已知綜合系數(shù)的取值范圍為0～1，為了分析綜合系數(shù)與土壤比阻的關(guān)系，應(yīng)對土壤比阻的取值范圍進(jìn)行限定。文獻(xiàn)[13]對不同的土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并得到了相應(yīng)的土壤比阻值，據(jù)此本文選取土壤比阻分別為25kN/m²、35kN/m²、45kN/m²、55kN/m²、65kN/m²、75kN/m²。在模型中設(shè)定綜合系數(shù)后對土壤比阻進(jìn)行調(diào)整，得到了耕深響應(yīng)曲線，選擇較有代表性的綜合系數(shù)分別為0.9與0.5時的曲線如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知所設(shè)計模糊-PID控制策略的響應(yīng)速度較好，均在1s內(nèi)達(dá)到了穩(wěn)定耕深，基本無超調(diào)。當(dāng)土壤比阻較大時，若綜合系數(shù)選取不合適則耕深無法滿足作業(yè)要求，但綜合系數(shù)偏大可能會導(dǎo)致耕作阻力波動大，發(fā)動機(jī)負(fù)荷不穩(wěn)定，甚至損傷發(fā)動機(jī)；因此在設(shè)計阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法時應(yīng)在符合發(fā)動機(jī)負(fù)荷的情況下盡量選用較大的綜合系數(shù)以保證耕深。

2.3 調(diào)整方案的設(shè)計

綜合系數(shù)的取值與耕作阻力之間的對應(yīng)關(guān)系越精細(xì)，相應(yīng)的耕深的控制效果越好，但是會提高系統(tǒng)響應(yīng)時間；當(dāng)耕作阻力較小時，綜合系數(shù)的取值在較大范圍都可以符合耕深要求，所以可以適當(dāng)減少綜合系數(shù)的劃分等級，以考慮響應(yīng)速度；當(dāng)耕作阻力處于波動較大的區(qū)間時增加一個綜合系數(shù)取值，可以避免耕深產(chǎn)生較大波動。結(jié)合仿真結(jié)果以及文獻(xiàn)[4]對土壤比阻與綜合系數(shù)范圍關(guān)系的研究，制訂出綜合系數(shù)與耕作阻力之間的關(guān)系如表2所示。

依據(jù)綜合系數(shù)與阻力之間的關(guān)系在Matlab里設(shè)計出阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法模塊后，為確保能根據(jù)耕作阻力輸出相應(yīng)的綜合系數(shù)，對其進(jìn)行了簡單的驗證。采用如圖7（a）所示的隨機(jī)信號模擬耕作阻力的改變，仿真6s后得到如圖7（b）所示的輸出信號。

3 試驗驗證

通過固定土壤比阻k的取值對綜合系數(shù)與阻力的關(guān)系進(jìn)行了研究，然而在農(nóng)耕作業(yè)過程中不同地區(qū)的土壤是存在差異的，因此設(shè)計了隨機(jī)信號以對土壤情況的變化進(jìn)行模擬。拖拉機(jī)作業(yè)時農(nóng)具受到的平均牽引阻力可以按照式（1）計算^{[14， 15]}，其中b與Z之積為拖拉機(jī)的作業(yè)幅寬，取為2m；不同的耕地土壤比阻k的波動范圍一般在25～75kN/m²。

P_T=k·b·H·Z（1）

式中： b——單個鏵犁體寬度，cm；

H——耕深，cm；

Z——鏵犁數(shù)。

若直接以隨機(jī)信號的輸出模擬耕作阻力波動，就無法較好地反映耕作阻力與當(dāng)前耕深之間存在的關(guān)系；因此假定作業(yè)幅寬與土壤比阻的乘積為系數(shù)K，結(jié)合對作業(yè)幅寬與土壤比阻的分析，可以得到K數(shù)值變化范圍為50～150；由于土壤比阻只與土壤有關(guān)，則牽引阻力與耕深之間就可以近似為線性的關(guān)系。采用隨機(jī)信號對系數(shù)K進(jìn)行輸出，牽引阻力就表示為當(dāng)前耕深與系數(shù)K的乘積，既可以用隨機(jī)數(shù)表達(dá)土壤的不規(guī)則變化，也兼顧了耕作阻力與當(dāng)前耕深之間的關(guān)系。

在Matlab/Simulink中搭建新的仿真模型，同時設(shè)計相應(yīng)的綜合系數(shù)取值為0.5的模型作為對比，運行仿真50s，得到如圖8所示的耕深變化曲線。

由圖8可知，無論是阻力式自調(diào)節(jié)還是綜合系數(shù)取固定值0.5的耕深控制方案所達(dá)到的耕深主要在20～25cm范圍浮動；阻力式自調(diào)節(jié)的最大、最小耕深分別為26.3cm、16.8cm，a=0.5的調(diào)節(jié)方案的最大、最小耕深分別為30.3cm、18.2cm，由于仿真時針對土壤環(huán)境變化采用隨機(jī)信號輸出，其輸出值在大幅度波動時產(chǎn)生了耕深的超調(diào)；阻力式自調(diào)節(jié)、a=0.5調(diào)節(jié)方案的平均耕深分別為22.4cm、23.1cm，總體符合翻耕的耕深要求，且控制系統(tǒng)能較快地做出響應(yīng)。

當(dāng)耕作阻力較小，a=0.5的調(diào)節(jié)由于無法調(diào)整力、位調(diào)節(jié)所占的比例，產(chǎn)生了較大的耕深誤差，而阻力式自調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過輸出較大的綜合系數(shù)將耕深穩(wěn)定在25cm附近，最大超調(diào)量相較于a=0.5的調(diào)節(jié)方案同比降低75.56%；當(dāng)耕作阻力適中時，由于阻力式自調(diào)節(jié)的本質(zhì)也是對綜合系數(shù)的調(diào)整，此時控制系統(tǒng)輸出的綜合系數(shù)值也趨近于0.5，故兩種方案的耕深控制效果接近一致；當(dāng)耕作阻力較大時，阻力式自調(diào)節(jié)方法的耕深下降量較a=0.5的調(diào)節(jié)更大一些，但是考慮到發(fā)動機(jī)的負(fù)荷工況，在耕深允許范圍內(nèi)犧牲部分耕深，以保證阻力不會過大而損傷發(fā)動機(jī)也是可以接受的。

4 結(jié)論

1） 根據(jù)拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)的工作特點設(shè)計耕深誤差大時快速響應(yīng)、誤差小時控制精度高的模糊-PID控制策略，在Simulink里建立模型并進(jìn)行仿真后得到不同的耕作阻力時力調(diào)節(jié)、位調(diào)節(jié)占比與土壤阻力的關(guān)系，提出阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法。

2） 分析耕作阻力與土壤比阻之間的關(guān)系，采用隨機(jī)信號設(shè)計耕作環(huán)境模擬模塊；將阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法與綜合系數(shù)取值0.5的控制方式進(jìn)行仿真對比，二者均在1s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定耕深，所設(shè)計方案在土壤阻力波動范圍大時耕深可以滿足作物的生長要求，耕深均勻性較好。

3） 阻力式自調(diào)節(jié)系數(shù)法將綜合系數(shù)的取值與實時耕作環(huán)境建立聯(lián)系，提高拖拉機(jī)耕作時的環(huán)境適應(yīng)能力，對綜合系數(shù)的取值方法提供一種新思路，為實現(xiàn)真正意義上的力位綜合控制提供參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]Shafaei S. M， Loghavi M， Kamgar S. A practical effort to equip tractor-implement with fuzzy depth and draft control system [J]. Engineering in Agriculture， Environment and Food， 2019， 12（2）： 191-203.

[2]Timene A， Ngasop N， Djalo H. Tractor-implement tillage depth control using adaptive neuro-fuzzy inference system （ANFIS）[J]. Proceedings of Engineering and Technology Innovation， 2021（19）： 53-61.

[3]Zhang W， Liu M， Xu L， et al. Simulation of hydraulic suspension system of electric tractor based on Matlab-AMESim [C]. Journal of Physics： Conference Series. IOP Publishing， 2021， 1903（1）： 012003.

[4]王素玉， 劉站， 李瑞川， 等. 基于土壤比阻的大功率拖拉機(jī)變權(quán)重力位綜合控制研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報， 2018， 49（2）： 351-357.

Wang Suyu， Liu Zhan， Li Ruichuan， et al. Variable weight force position mixed control of high-power tractor based on soil specific resistance [J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2018， 49（2）： 351-357.

[5]魯植雄， 郭兵， 高強(qiáng). 拖拉機(jī)耕深模糊自動控制方法與試驗研究[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2013， 29（23）： 23-29.

Lu Zhixiong， Guo Bing， Gao Qiang. Study on auto control method and experiment for tractor depth based on fuzzy control [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2013， 29（23）： 23-29.

[6]江玲玲， 張俊俊. 基于AMESim與Matlab/Simulink聯(lián)合仿真技術(shù)的接口與應(yīng)用研究[J]. 機(jī)床與液壓， 2008（1）： 148-149.

Jiang Lingling， Zhang Junjun. Interface and application research united simulation technique based on AMESim and Matlab/Simulink [J]. Machine Tool & Hydraulics， 2008， 36（1）： 148-149.

[7]Soylu S， arman K. Fuzzy logic based automatic slip control system for agricultural tractors [J]. Journal of Terramechanics， 2021， 95： 25-32.

[8]江翠翠， 王佐勛. 模糊-PID控制在氣密性檢測壓力控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 齊魯工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2021， 35（3）： 52-58.

Jiang Cuicui， Wang Zuoxun. Application of fuzzy-PID control in air tightness detection pressure control system [J]. Journal of Qilu University of Technology， 2021， 35（3）： 52-58.

[9]賈玉文， 段曉， 張厚明， 等. 研究堆Mamdani型模糊控制器設(shè)計優(yōu)化方法[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)， 2021， 55（6）： 1091-1097.

Jia Yuwen， Duan Xiao， Zhang Houming， et al. Design optimization method of Mamdani type fuzzy controller applied to research reactor [J]. Atomic Energy Science and Technology， 2021， 55（6）： 1091-1097.

[10]商高高， 謝凌云， 季順靜. 拖拉機(jī)懸掛系統(tǒng)耕深自動控制策略的研究[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2016， 37（7）： 136-140.

Shang Gaogao， Xie Lingyun， Ji Shunjing. Research on plowing depth automatic control for tractor hitch system [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2016， 37（7）： 136-140.

[11]王述彥， 師宇， 馮忠緒. 基于模糊PID控制器的控制方法研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2011， 30（1）： 166-172.

Wang Shuyan， Shi Yu， Feng Zhongxu. A method for controlling a loading system based on a fuzzy PID controller [J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering， 2011， 30（1）： 166-172．

[12]譚彧. 拖拉機(jī)液壓懸掛和加載系統(tǒng)性能研究[D]. 北京： 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2004.

Tan Yu. The study of characteristics for hydraulichitch & loading system in tractor [D]. Beijing： China Agricultural University， 2004.

[13]劉站. 基于土壤比阻的大功率拖拉機(jī)電液懸掛控制系統(tǒng)設(shè)計與分析[D]. 青島： 山東科技大學(xué)， 2018.

Liu Zhan. Design and analysis of electro-hydraulic suspension control system for high power tractor based on soil specific resistivity [D]. Qingdao： Shandong University of Science and Technology， 2018.

[14]翟力欣. 犁體結(jié)構(gòu)與工作參數(shù)對流變型土壤耕作阻力的影響研究[D]. 南京： 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2011.

Zhai Lixin. Study on the effects of ploughs working and structure parameters on its resistance under rheological soil conditions [D]. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2011.

[15]呂杰. 農(nóng)用拖拉機(jī)后懸掛液壓系統(tǒng)的控制研究[D]. 秦皇島： 燕山大學(xué)， 2016.

Lü Jie. Analysis of agricultural tractors rear hitch hydraulic control system [D].Qinhuangdao： Yanshan University， 2016.

DOI： 10.13733/j.jcam.issn.2095-5553.2024.06.008

單海勇， 嚴(yán)旖旎， 張晉， 等. 大豆—玉米帶狀復(fù)合種植耕種機(jī)械化研究進(jìn)展[J]. 中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報， 2024， 45（6）： 42-52

Shan Haiyong， Yan Yini， Zhang Jin， et al. Research progress on mechanization of soybean-corn belt composite planting [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2024， 45（6）： 42-52