拖拉机多重模糊PID变论域耕深调节研究

李瑞川,丁馨铠,孙祺友,程 懿,刘 琦,刘继鲁

(齐鲁工业大学(山东省科学院) 机械工程学部,济南 250353)

0 引言

耕深均匀性是拖拉机田间工作质量的重要评价指标,直接影响到农田作物的生长发育[1-5];但在实际耕作过程中,由于拖拉机所处环境条件变化较大,使得耕深均匀性变差。目前,耕深均匀性调节方式主要有单参数调节和混合调节。其中,单参数调节分为力调节、位置调节以及滑转率调节3种[6-9]。将其中两种或者多种调节方式结合在一起就形成了混合调节[10-11],混合调节同时考虑了影响耕深均匀性的多重因素,效果较好,在农用机械领域应用较广[12-13]。混合调节方案主要有叠加式和切换式两种。以力-位置混合调节为例,叠加式调节是将力调节与位置调节按一定比例叠加,比例划分主要通过加权系数决定,调整加权系数即可调整力与位置调节所占比例。切换式调节则是通过优化算法确定最优单参数调节,即力调节与位置调节可柔性切换,使得耕深控制始终处于最优工作模式下。

为此,笔者基于现有的模糊PID控制,将力、位置及滑转率通过多个模糊控制器结合在一起,形成一个多重模糊PID变论域耕深控制系统,并根据三者对耕深的影响程度和对各参数的控制目标进行优化选择,可实现模糊控制器论域的实时调整、PID控制参数的一次及二次调整,从而实现耕深的粗调和细调,保证耕深的相对均匀。

1 拖拉机耕深调节基本原理

拖拉机耕深调节系统原理如图1所示。开始作业前,驾驶员通过操控面板确定理想耕深量,控制器基于车速传感器、转速传感器和力传感器采集得到的数据计算得到当前耕深、滑转率及牵引力,并根据这些参数完成对农具高度的控制,从而实现耕深的调整。

图1 拖拉机耕深调节系统原理图Fig.1 Schematic diagram of tractor tillage depth adjustment system

2 多重模糊PID变论域耕深控制系统原理

在此,提出一种多重模糊PID变论域耕深控制系统,工作原理如图2所示。控制系统由3个模糊控制器与1个PID控制器组成。第1级模糊控制器与PID控制器组成常规的模糊PID控制,第2级模糊控制器完成对第1级模糊控制器论域的调整,第3级模糊控制器实现PID控制参数的二次调整(即实现耕深的微调)。位置是影响耕深最显著的参数,将位置设定为耕深调整的主要控制参数。当土壤阻力发生较大变化时,耕深变化也较大,通常使得模糊PID系统的论域不再适合当前状态,需要对论域做出适时调整。因此,将力设定为模糊PID系统变论域的参数。滑转率相对力和位置对耕深均匀性影响相对较小,可作为耕深的细调量参数。简单而言,位置调节用以耕深的粗调,滑转率调节用以耕深的细调,力调节作为变论域的依据。多重模糊PID变论域耕深控制系统的控制流程如图3所示。

图2 控制系统原理图Fig.2 Schematic diagram of control system

图3 控制流程图Fig.3 Control flow chart

具体而言,第1级模糊控制器的输入变量为实际耕深与设定耕深的差值e及差值的变化率ec,输出变量为PID控制器控制参数的一次调整量Δkp1、Δki1及Δkd1,以实现对耕深的粗调。输入变量及输出变量的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隶属函数和重心法解模糊规则。第1级模糊控制器控制规则如表1所示。

第2级模糊控制器是基于土壤阻力实现对第1级模糊控制器论域的调整,其输入变量为实际土壤阻力与设定土壤阻力的差值f及差值的变化率fc,输出变量为第一级模糊控制器输入论域的伸缩因子α1、α2及输出论域的伸缩因子β。输入变量及输出变量的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隶属函数和重心法解模糊规则。第2级模糊控制器的控制规则如表2所示。

第3级模糊控制器基于滑转率实现对PID控制参数的二次调整,从而达到耕深的细调。其输入变量为实际滑转率与设定滑转率的差值q及差值的变化率qc,输出变量为PID控制参数的二次调整量Δkp2、Δki2及Δkd2。输入变量及输出变量的模糊集为{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB},采用三角形隶属函数和重心法解模糊规则。第3级模糊控制器的控制规则如表3所示。

表1 第1级模糊控制器控制规则

表2 第2级模糊控制器控制规则

表3 第3级模糊控制器控制规则

经多重模糊PID变论域耕深控制器综合调整后的耕深E可表示为

(1)

(2)

3 田间试验

为探究多重模糊PID变论域耕深控制器在实际耕深作业中表现的优越性能,以PH1404型拖拉机为载体,挂接1LF-435型四铧翻转犁进行田间试验,如图4所示。选用传统的模糊PID控制和多重模糊PID变论域耕深控制两种控制方式,基于实际耕种需要,设定耕深为26cm、车速为8km/h,试验所得数据如图5、图6所示。为保证试验数据的准确性,数据从耕作后15s开始提取。图5中,耕深为负值表示耕深为向下方向。

图4 试验图Fig.4 Experimental diagram

图5 耕深对比Fig.5 Comparison of tillage depth

图6 滑转率对比Fig.6 Comparison of slip rate

由图5可知:多重模糊PID变论域控制的耕深均匀性较好,实际耕深在-26cm上下波动,且波动幅度小于模糊PID控制。由图6可知:多重模糊PID变论域控制的实际滑转率在0.19上下波动,相对模糊PID控制波动范围较小,不存在滑转率大幅波动的情况。田间试验表明:多重模糊PID变论域控制具有较好的控制精度,耕深均匀性得到较大提高,且滑转率也得到了一定改善。

4 结论

基于现有的3种耕深控制方式,提出了一种多重模糊PID变论域耕深控制方法。该方法将3种耕深控制方式结合在一起,并根据每部分对耕深影响程度的不同对所控制的目标进行选择。在传统模糊PID控制器的基础上增加了两个模糊控制器,第1级模糊控制器根据位置信号对PID控制器参数进行一次调整,实现对耕深的粗调;第2级模糊控制器根据土壤阻力信号实时调整第1级模糊控制器的论域,实现变论域的目的;第3级模糊控制器根据滑转率信号对PID控制器参数进行二次调整,实现对耕深的微调。田间试验表明:多重模糊PID变论域控制相对传统的模糊PID控制可达到更好的耕深均匀性,且滑转率在一定程度上也得到了改善。