采棉機體積流量灰色預測模糊PID控制方法

　　摘要:由于采棉機行走機構(gòu)的控制運行具有大延遲、大慣性等非線性特點，給采棉機高效快速采摘棉花帶來很大困難，影響采棉機行進速度的穩(wěn)定性與可靠性。為此，應用灰色預測方法，基于模糊理論設計了能夠?qū)Σ擅迿C行走速度進行控制調(diào)節(jié)的灰色預測模糊PID控制器，建立了采棉機行走控制系統(tǒng)仿真模型。通過仿真試驗得出:灰色預測模糊PID控制器相比常規(guī)PID控制器具有良好的控制效果，且具有超調(diào)量小、響應時間短及魯棒性好的特點。

　　關鍵詞:采棉機;體積流量;灰色預測;模糊PID控制

　　0引言

　　采棉機前進速度是影響收獲機作業(yè)質(zhì)量和收獲效率的主要參數(shù)，性能良好的采棉機在高采凈率和允許損失量的前提下應具有較大的前進速度。研究表明:采棉機的工作環(huán)境是復雜開放、非結(jié)構(gòu)性地理環(huán)境，有較強的非線性、時變性等諸多不確定性擾動，部件的工作狀態(tài)、機構(gòu)性能隨棉花的物理特性及路況的變化而改變，控制參數(shù)及工作性能參數(shù)也會變化，工作性能參數(shù)與影響因素之間數(shù)學模型很難建立［1－2］。國產(chǎn)采棉機作業(yè)速度無法及時適應外部作業(yè)條件，以及棉花密植程度、行駛阻力的變化等作業(yè)環(huán)境，導致棉花采凈率低、輸棉管道堵塞，無法保證棉花采收質(zhì)量。行走速度太快，極易造成輸棉管堵塞，導致采棉機發(fā)生故障，嚴重時甚至發(fā)生火災;行走速度過慢，會導致棉花采摘效率低下、含雜率較高，從而導致棉花品質(zhì)下降。針對以上問題，研究控制采棉機行進機構(gòu)更加穩(wěn)健的速度控制系統(tǒng)尤為重要。

　　1體積流量灰色預測模糊PID控制原理

　　采棉機體積流量選用的控制策略為模糊理論、PID控制等方法，是由已經(jīng)發(fā)生的行為動作對系統(tǒng)進行反饋控制。由于采棉機工作系統(tǒng)復雜多變，很難做到實時、準確地對行走機構(gòu)做出及時調(diào)速。通過體積流量灰色預測模糊PID控制將灰色預測理論和模糊推理思想相結(jié)合［6］，使用一種新型的步長調(diào)節(jié)機制，不僅避免了通過建立模糊規(guī)則改變灰色預測步長的繁瑣，同時還避免了通過經(jīng)驗設定步長、變換閾值改變步長的偏差大和耗時性［7］。通過測到的棉花流量數(shù)值為采集的樣本信息，通過對體積流量數(shù)據(jù)的讀取，按照新陳代謝方法建立體積流量的灰色預測模型，同時使用模糊PID參數(shù)控制器對工作參數(shù)進行在線實時校正和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對采棉機行走速度的實時控制［8］。

　　2體積流量灰色預測模糊PID控制器設計

　　2．1體積流量灰色預測模型

　　灰色預測是以預測對象的原始數(shù)據(jù)序列為基礎所進行的預測，對于原始數(shù)據(jù)非負、近似呈指數(shù)增長呈增長速度并不很快的數(shù)據(jù)序列，往往能夠取得較好的預測效果;對于數(shù)據(jù)序列本身規(guī)律性不強的數(shù)列，通?？梢酝ㄟ^累加或累減等處理方法，弱化原始序列的隨機性，使生成的新序列具有更強的規(guī)律性，從而提高預測精度［11］。描述灰色預測過程的典型模型為GM模型?；疑Ｐ偷耐ㄓ帽磉_形式為GM(M，N)。其中，M為對原始序列的累加生成次數(shù);N為模型的變量個數(shù)。當M=N=1時，即構(gòu)成了單變量一階灰色預測模型。通常計算量隨M和N的增大而呈指數(shù)性增大，結(jié)果并不一定理想。根據(jù)采棉機體積流量控制的要求，通過給出相應的測試數(shù)據(jù)并且建立數(shù)學模型。以GM(1，1)模型為基礎建立預測模型，即控制系統(tǒng)反饋信號是由體積流量Q為變量的一階模型［12－13］。

　　2．2體積流量模糊PID控制器的設計

　　圖1中，模糊控制系統(tǒng)與參數(shù)可調(diào)整PID共同組成了模糊PID控制器，控制系統(tǒng)對3個調(diào)節(jié)系數(shù)實現(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的控制是由PID系數(shù)可調(diào)來完成。機組行走中，體積流量將被控制在一個范圍內(nèi)不會是一個具體數(shù)值。若為一個數(shù)值，則控制系統(tǒng)會因為棉花的基本特性、路面狀況等因素的變化，使控制系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)中，自動控制的目的難以達到，還會使采棉機變得難以操控。因此，對采棉機體積流量的閾值指標的設置為:當體積流量在閾值范圍之內(nèi)時，控制系統(tǒng)會在當前運動狀態(tài)下保持不變;若預測值超出閾值范圍，則控制系統(tǒng)會對被控對象進行自動校正和調(diào)節(jié)。設體積流量最佳范圍是［Ｒ1，Ｒ2］，控制過程為:當Ｒ1≤q≤Ｒ2時，采棉機會保持當前的行進速度;q＜Ｒ1或q＞Ｒ2時，采棉機行進速度將會隨之增大或減小，通過控制系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，體積流量將會再次被控制在［Ｒ1，Ｒ2］范圍之內(nèi)。

　　3算法仿真與結(jié)果分析

　　3．1控制算法仿真

　　圖5為在Simulink環(huán)境下采棉機行進控制系統(tǒng)仿真模型，模型是由系統(tǒng)傳遞函數(shù)與系統(tǒng)仿真模型有機結(jié)合得到的。使用M語言對仿真模型進行編寫并通過控制算法對其進行仿真驗證。通過仿真驗證可以看出:常規(guī)PID控制超調(diào)量大，響應時間長，速度慢;當采用灰色預測模糊PID控制時，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，響應時間短、速度快，系統(tǒng)的魯棒性良好。

　　3．2仿真與結(jié)果分析

　　根據(jù)具體控制需求，對采棉機行走控制系統(tǒng)設定的性能要求如下:行進速度調(diào)節(jié)的準確度達到1m/s，測試精度為0．5m/s，調(diào)節(jié)器對行走機構(gòu)的控制和調(diào)節(jié)應在1～2s之內(nèi)完成［17］。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，控制結(jié)果的超調(diào)響應時間應控制在1～2s間，控制誤差應小于0．5m/s。

　　4結(jié)論

　　1)MatLab仿真結(jié)果表明:灰色模糊PID控制的采棉機行走系統(tǒng)效果較好，具有響應時間快、超調(diào)量小和控制精度高等優(yōu)點，動態(tài)響應性和魯棒性明顯都要比常規(guī)PID效果顯著。

　　2)系統(tǒng)使用灰色模糊PID控制器控制，當體積流量發(fā)生階躍變化時，在階躍信號下灰色模糊PID控制要比常規(guī)PID控制的相對誤差要小，其魯棒性比常規(guī)PID控制明顯增強。

　　3)由灰色預測方法、模糊理論和PID控制所構(gòu)成的灰色模糊PID控制器被應用在采棉機行進速度控制系統(tǒng)中，可以使機組在行進過程中存在的響應速度慢、超調(diào)量大等問題得到有效的改善，可以獲得較好的控制效果。

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《采棉機體積流量灰色預測模糊PID控制方法》

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