联合收割机双闭环负荷控制范文

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《黑龙江科技信息杂志》2014年第十七期

1控制系统设计

1.1系统结构。收割机分为行走系统和作业系统两部分，分别利用车速闭环和负荷闭环进行控制。系统外环以脱粒滚筒转速为反馈，与给定最佳转速的偏差输入负荷控制器，负荷控制器输出收割机最佳行驶速度给定与实际行驶速度的偏差输入车速控制器，获得步进电动机的控制信号施加在收割机行走系统上。行驶速度和田间作物密度共同作用在收割系统上得到滚筒的喂入量输入滚筒，产生滚筒转速。

1.2车速控制器的设计。车速控制器是一个随动控制器，其控制目标是抑制行走系统的外界扰动和内部参数变化，使行走速度尽可能跟随给定速度。车速闭环内存在多种扰动，包括地面坡度引起HST负荷力矩变化，收粮、卸粮引起HST负荷转动惯量起伏，液压油泄漏与补油引起HST液压起伏，温度变化引起HST油液粘度变化等。为获得更高的控制响应速度，车速控制器采用较高采样率，控制算法的运算量须尽可能少。车速控制采用单神经元PID控制器。单神经元具有自学习、自调节能力，结构简单、计算简便、调整方便，PID算法与之结合可解决参数不易在线调节的缺陷，适合参数时变缓慢的控制。

1.3负荷控制器的设计。负荷控制器响应作业系统的各种扰动，包括割台高度和传送系统延迟时间的波动，作物植株密度、含水率的变化等，不断调整给定车速，保持滚筒转速恒定。作业过程本身具有较大的滞后，负荷控制器须具备一定的预测控制能力。负荷控制器采用直接广义预测控制(DGPC)技术。DGPC是基于广义预测控制的新型控制技术，对被控对象的不确定性有较强的鲁棒性，能克服纯滞后对系统闭环特性的影响，同时计算量大大减少，提高了实时性。对于非线性对象，可将对象近似为时变线性系统，利用三次样条函数逼近时变参数，然后应用线性DGPC实现预测控制。该方法可使广义误差收敛到原点的一个小邻域内。收割机作业系统进行简化近似，描述为二阶受控自回归积分滑动平均模型。

2仿真与试验

2.1仿真。根据上述联合收割机数学模型和控制器，利用系统仿真模型，并进行了仿真试验。保持作物密度等不变，行走系统加入扰动，验证控制器的有效性。通过相关的数据统计，我们发现：在幅值约为10N•m的负载力矩正弦扰动作用下，控制器能很好地保持给定车速，车速误差小于0.03m/s，滚筒转速误差小于0.5r/min。在20N•m负载力矩阶跃扰动作用下，车辆行驶阻力增大，车速下降，而后在控制系统作用下逐渐恢复。车速最大下降0.02m/s，滚筒转速最大上升0.7r/min。系统的响应时间约为5s，基本无静差。保持行走系统无扰动，作物密度加入扰动，验证控制器的有效性。在幅值为0.2kg/m2的作物密度正弦扰动作用下，控制器能较好地保持滚筒转速，误差小于5r/min。

2.2田间试验。根据上述算法设计了智能控制器，并安装在4LZ-2.0型收割机上进行了田间试验。试验控制器采用Magi-cARM2410构建，在嵌入式Linux环境下利用C语言设计了控制算法，操纵杆采用带50倍减速的MP057NA型步进电动机控制，利用霍尔传感器检测滚筒驱动齿轮和行走驱动轮上的磁钢得到滚筒转速和车速。试验田种植镇稻10号水稻，种植密度均匀。行走系统扰动试验中，在待收割田块中人为放置一高约20cm，宽约30cm的障碍。收割机在作业过程中遇到障碍，首先会感到行驶阻力增大，跨过障碍时阻力会减小，之后阻力恢复正常。收割机遇到障碍时行驶速度下降，在车速闭环的控制作用下，滚筒转速发生变化之前车速控制器就发出了控制信号，有效抑制了车速的波动，车速下降幅度0.046m/s。跨过障碍后车速突然上升，幅度0.044m/s。

车速扰动引起滚筒转动角速度最大波动1.4rad/min。作物密度扰动试验前，人工收割部分田内作物，使作物宽度形成一个台阶。收割机作业初期割幅宽度约1.5m，收割机稳定行驶一段时间后，割幅突变为满幅2.0m，以此模拟作物密度突变。试验中，起始作物密度小，收割机车速较高。作物密度发生突变时，滚筒转速迅速降低，最低降至884r/min。车速随之降低，喂入量减小，滚筒转速逐渐恢复。系统响应时间约为13s。结束语由此可见，在当前我国农业经济发展的过程中，联合收割机已经得到了人们的广泛应用，而且为了使其工作性能得到进一步的提高，人们也将许多先进的科学技术应用到其中。而双闭环负荷控制系统的应用，不仅使得整个联合收割机的工作质量和效率得到提升，还有利于人们对联合收割机的控制，满足了现代化农业经济发展的相关要求。

作者：王惠宇孙明明单位：约翰迪尔(天津)有限公司