基于PID参数整定的低碎籽率联合收获机设计

黄力刚，王　哲，余良俊

( 1. 河南工业职业技术学院，河南 南阳　473000；2.武汉工程科技学院，武汉　430200；3.中国地质大学 机械与电子信息学院，武汉　430074)



基于PID参数整定的低碎籽率联合收获机设计

黄力刚1，王哲1，余良俊2,3

( 1. 河南工业职业技术学院，河南 南阳473000；2.武汉工程科技学院，武汉430200；3.中国地质大学 机械与电子信息学院，武汉430074)

摘要：为了降低联合收获机收获籽粒的破碎率，对全喂入轴流滚筒型联合收获机进行了改进，利用PID调节器对割台的螺旋推进器的转速进行了调节，使用模糊控制原理对调节器进行了参数整定，从而提高了脱粒过程的控制精度。为了验证改进后的全喂入式联合收获机的可靠性，对其功能进行了测试，主要包括模糊控制的响应时间、超调量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的测试主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱来完成。通过测试发现：联合收获机的转速提升1rad/s，其控制时间为仅为1s，经过模糊控制之后超调量明显减小，响应曲线平滑，调节时间理想。最后，通过籽粒破碎率试验发现：使用本文设计的低籽粒破碎率联合收获机的在收获过程中的籽粒破碎率有了明显的降低，符合设计要求。

关键词：联合收获机；模糊控制；参数整定；PID调节器；SIMULINK工具箱

0引言

自动控制就是在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置，使机器、设备或生产过程的某个工作状态或参数自动地按照预定的规律运行。本次研究主要对联合收获机的螺旋推进器进行速度调节，其控制系统设计的总体框架如图1所示。

图1　联合收获机基本控制系统的结构

图1中，输入项目为螺旋推进器的速度，控制器使用模糊控制PID调节器，通过对速度的调节得到最佳的籽粒脱粒效果。对于控制系统的设计，首先需要建立系统的控制模型，包括系统的输入、输出和内部控制关系的数学表达式。常用的动态数学模型为微分方程、传递函数、动态结构图等。

1低碎籽率收获机结构设计

1.拨禾轮　2.割台螺旋推运器　3.输送链耙　4.轴流滚筒

通过割台螺旋推进器的改进，对联合收获机进行优化设计，主要包括3项：一是在不增加机器体积的情况下能较大幅度地增加生产率；二是提高收获机脱净率；三是降低籽粒的破碎率。割台螺旋推运器由螺旋和伸缩扒指两部分组成，如图3所示。

图3中，螺旋将割下的谷物推向伸缩扒指，扒指将谷物流转过90°纵向送入倾斜输送器，由输送链耙将谷物喂入滚筒。

1.主动链轮　2.左调节杆　3.螺旋筒　4.螺旋叶片　5.附加叶片

2低碎籽率收获机模糊PID参数整定

为了降低收获机的破碎率，可以通过PID调节器对推进器的转速进行调节。图4为联合收获机PID控制系统原理框图。它根据设定值r(t)和实际输出值y(t)构成控制偏差e(t)，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量u(t)，对被控对象进行控制，则有

(1)

其中，e(t)=r(t)-u(t)；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数；Td表示微分时间常数。这3个参数的取值优劣将影响到PID控制系统的效果。本文采用模糊控制的方法，对PID参数进行整定。模糊控制框图如图5所示。

图4　PID控制系统原理框图

图5　联合收获机模糊控制结构图

常规的PID控制对于联合收获机的控制效果并不好，因此在常规PID调节的基础上，本文设计了一种模糊控制PID参数整定方法。利用籽粒破碎率的实际反馈值与目标值的误差e和误差变化率ec作为输入，用模糊推理的方法对PID参数kp、ki、kd进行在线自整定，其过程如图6所示。

图6　PID模糊控制参数整定

图6中，模糊控制器的控制采用的是两输入(e,ec)三输出(Kp,Ki,Kd)的形式，籽粒破碎的模糊集均为{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}。其中，e,ec的论域为[-3,-2,-1,0,1,2,3]，Kp,Ki,Kd的论域为[-3,-2,-1,0,1,2,3]，其控制规则表如表1～表3所示。

表1　Kp的模糊规则表

表2　Ki的模糊规则表

表3　Kd的模糊规则

续表3

Kp、Ki、Kd的模糊规则表建立好后，可根据以下方法进行其自适应校正。通过参数的调节，可以实现螺旋推进器的模糊控制，利用破碎率的反馈调节，实现联合收获机的精确控制。

可是谁能说因为爱情这些不能被原谅呢，何况她追着他的那些天天那么冷，下着雪。田铭这么说服自己，心却不由得温暖起来，就像听到了春天走来的脚步。

3基于模糊控制的联合收获机测试

为了测试设计的低碎籽率联合收获机的性能，对其进行了田间测试，主要包括模糊控制的响应时间、超调量及籽粒的破碎率。其中，模糊控制的测试主要使用MatLab提供的SIMULINK工具箱来完成。使用SIMULINK工具箱建立PID控制模型，如图7所示。

图7　联合收获机温度控制PID模型

图7中,通过PID控制器对螺旋推进器的转速进行调节条件，通过计算得到了如图8所示的调节曲线。

图8　联合收获机转速PID调节曲线

由图8可以看出:通过一定时间的调节，联合收获机的转速可以有效地提升1rad/s；但是系统超调量较大，调节时间较长，不符合设计要求。

SIMULINK可以与模糊逻辑工具箱结合，在MatLab软件中输入fuzzy01=readfis (‘fuzzy01.fis’)，就完成了模糊逻辑组件和SIMULINK相关模块的连接。以dkd.fis的导入为例，当成功导入时，会出现如下提示：

>> dkd=readfis('dkd')

dkd = name: 'dkd'

type: 'mamdani'

andMethod: 'min'

orMethod: 'max'

defuzzMethod: 'bisector'

impMethod: 'min'

aggMethod: 'max'

input: [1x2 struct]

output: [1x1 struct]

rule: [1x42 struct]

在MatLab 建立一个新的SIMULINK仿真模型，并在模型库中选择使用“Fuzzy Logic Toolbox”项，利用鼠标拖动的方法将“Fuzzy Logic Controller”放到仿真系统中，并对系统模型进行封装，得到了如图9所示的转速模糊控制PID仿真模型。

图9　联合收获机转速模糊控制PID模型

图9中，通过模糊PID控制器对转速进行调节调节，通过计算得到了如图10所示的调节曲线。

图10　联合收获机转速模糊控制PID调节曲线

由图10可以看出：通过一定时间的调节，联合收获机的转速可以有效地提升1rad/s，其控制时间为仅为1s；经过模糊控制之后超调量明显减小，响应曲线平滑，调节时间理想，较符合设计要求。如11图所示，为了验证设计的低碎籽粒联合收获机的有效性与可靠性，在对籽粒进行测试时，选用了饱满籽粒和非饱满籽粒两种籽粒对其破碎率进行测试，通过测试得到了如表4所示的测试结果。

图11　测试籽粒样品

测试编号未滤波籽粒清选误差Kalman滤波籽粒清选误差13.251.2123.321.2833.211.3243.281.4553.371.2763.061.3673.581.2583.691.22

最后，对模糊控制PID参数整定的联合收获机进行了8次测试，得到了8组籽粒破碎率测试结果。由表4可以看出：使用本文设计的低籽粒破碎率联合收获机的在收获过程中的籽粒破碎率有了明显的降低。这是由于使用模糊控制后可以对螺旋推进器的速度进行有效的控制，使籽粒脱粒过程的控制更加精确，从而提高了脱粒的效果。

4结论

本文利用PID调节器和模糊控制原理对全喂入轴流滚筒型联合收获机进行了改进，对割台的螺旋推进器的转速进行了调节。通过改进，有效地降低了联合收获机的脱粒过程的籽粒破碎率。

对低籽粒破碎率的联合收获机进行了测试，结果表明：联合收获机的转速提升1rad/s，其控制时间为仅为1s，响应时间短，超调量低，系统反应迅速；常规的联合收获机相比，籽粒破碎率有了明显的降低。

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Design for Combine of Low Seed Broken Rate Based on PID Parameter Setting

Huang Ligang1, Wang Zhe1,Yu Liangjun2,3

(1.Henan Polytechnic Institute,Nanyang 473000, China; 2.Wuhan University of Engineering Science,Wuhan 430200, China; 3.Faculty of Mechanical & Electronic Information ,China University of Geosciences,Wuhan 430074, China)

Abstract：In order to reduce the seed broken rate of combine, kernels on the feeding drum of axial flow type united harvest machine is improved, the use of the PID regulator to adjust the screw propeller speed, using the fuzzy control principle on the regulator parameter setting, so as to improve the control precision of the threshing process. In order to verify the improved the reliability of the whole feeding type combine, its function was tested, the test project mainly includes the response time and overshoot of fuzzy control, the broken rate of corn seed kernels under the test of fuzzy control is mainly use MATLAB SIMULINK toolbox to complete offers. By testing found that combine the speed of increase 1 rad/s, its control time is only 1 s, after fuzzy control overshoot volume reduced obviously, the response curve smoothing, adjust the time ideal, at last, it was found that the grain crushing rate using this article designed a low rate of grain crushing the united harvest machine in the process of harvesting grain crushing rate were significantly lower, comply with the design requirements.

Key words：combine; fuzzy control; parameters setting; PID controller; SIMULINK toolbox

文章编号：1003-188X(2016)06-0050-05

中图分类号：S225；TP273+.4

文献标识码：A

作者简介：黄力刚(1980-)，男，河南邓州人，讲师，硕士。通讯作者：余良俊(1984-)，女，武汉人，副教授，博士研究生，(E-mail)yuliangjun1984@126.com。

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2014CFC1079)；湖北省自然科学基金计划面上项目(2013CFB418)

收稿日期：2015-05-30