CN110007593B - 秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，所述的调节系统包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块、动力模块；其调节方法，悬挂升降液压控制模块根据载荷信息和主刀轴转速信息，采用模糊自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块。该装置将粉碎厚度设定在最佳范围内，同时通过模糊自适应控制器来实时调整秸秆还田机粉碎厚度保证秸秆粉碎质量的同时还能够保证万向节等连接部位的受力在应力范围内，从而减少维护。

Description

秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法

技术领域

本发明涉及农业机械智能控制领域，确切地说是秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法。

背景技术

拖拉机悬挂作业过程中，秸秆还田机理想作业状态为还田刀刀尖回转半径正好与地面相切，既能与秸秆彻底接触以达到最好的粉碎效果又能够避免与地面的接触造成负荷的增加、能量浪费甚至引起机具部件损坏。然而，秸秆还田机粉碎厚度一般都是人为调节，人为调节具有很大的不确定性，调节高度过高会造成秸秆粉碎不彻底，产生大量的长茎秆，无法继续作业，高度过低会造成刀片入土，严重增加作业负载，一定程度上会造成连接部件的损毁。由于作业地块普遍存在不平度，在拖拉机行进过程中，操作手很难在进行方向控制的时候实时调整秸秆还田机的高度来保证粉碎均匀。尤其是人为确定的粉碎厚度时，无法准确获得秸秆还田机负载扭矩，加上地块作业状况复杂，万向节等后驱动连接部件会时刻承受超出应力范围的扭矩，导致万向节连接部位发生损坏，严重影响作业安全和效率。

申请号为201480044132.2的中国专利公开了“作业机的姿势控制装置”，存在机械结构复杂，增加的各类液压阀使控制的实现较困难，由于液压控制本身的存在迟滞，机具在较高车速工作情况下，很难保证控制作业效果。其存在以下问题：一方面，其仅仅考虑作业深度控制，没有考虑其他因素影响，如：由于田间地面凹凸不平，会有强烈的震动，拖拉机作业时，各类工作部件一般都是处理高强度状态，稳定性方面较差，再加上机具作业的土壤的复杂情况，如土壤中杂物、湿度等的各类不确定性，这些都会对工作形成各类不确定性和扰动，影响控制效果；另一方面，没有考虑拖拉机输出动力与作业机具负载力的匹配问题，容易导致拖拉机与作业机具的动力连接部件损坏。

另外，上述方案也未考虑秸秆还田机作业的特殊性，需要时刻关注秸秆厚度以及时调整机具高度，关于秸秆还田机的自适应调节还未有专利及相关技术涉及到。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，该装置将粉碎厚度度设定在最佳范围内，同时通过模糊自适应控制器来实时调整秸秆还田机粉碎厚度保证秸秆粉碎质量的同时还能够保证万向节等连接部位的受力在应力范围内，从而减少维护时间，提高整个作业系统的作业安全和效率。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术手段：

秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，所述的调节系统包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块、动力模块，所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与秸秆还田机之间的扭矩传感器，扭矩传感器实时测量秸秆还田机的运行载荷；转速检测模块设有安装于秸秆还田机主轴上的转速传感器，转速传感器实时测量秸秆还田机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，加速度计实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据载荷信息和主刀轴转速信息，采用模糊自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有电磁阀、液压缸升降器以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作控制升降杆起降从而带动秸秆还田机的起降；动力模块设有发动机、液压泵，发动机带动液压泵持续产生液压压力；为保证合适的粉碎厚度，调节方法的扭矩控制可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为秸秆还田机主刀轴距离地面高度，h的理想值为还田刀尖端的回转半径R，为保证系统的稳定，取h＝R±λ·Δh，λ为灵敏度因子，Δh为地面以上秸秆的厚度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴转角速度。

与现有技术相比，其突出的特点是：

扭矩传感器、速度传感器、转速传感器等能够时刻感知此时作业机具的作业状况，将粉碎厚度度设定在最佳范围内，同时通过模糊自适应控制器来实时调整秸秆还田机粉碎厚度保证秸秆粉碎质量的同时还能够保证万向节等连接部位的受力在应力范围内，从而减少维护时间，提高整个作业系统的作业安全和效率。

进一步的优选技术方案如下：

所述的秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，所述的调节方法包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型：

其中，u＝K_aa为提升力，

/R为升降过程土壤阻力，mg为重力。a为液压阀的开度，K_a为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，

为土壤阻力调节可变系数，随着施加扭矩的增大，刀轴转速的提高，其系数减小，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，v_m为机组前进工作速度；K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，

δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为

建立控制系统的状态空间为:

(2)模糊系统uD的实现过程如下：

1)对变量x_i(i＝1，2，…，n)，定义m_i个模糊集合A_i ^li(l_i＝1，2，…，m_i)

2)用IF-THEN模糊规则表来构造模糊系统

u＝u_D(x|θ)，即：

IF x₁ is A₁ ^l1 and…and x_n is A_n ^ln，

THEN u_D is s^{l1，l2，…，ln}；

采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器来设计模糊控制器.单值模糊器表达式为

乘积推理机表达式为

将式(1)代入式(2)可得

对于给定的输入x_i ^*，式(3)中第l_i个模糊集的中心是B^li的中心.因此，第l_i个模糊集的高度为

式中，y^li为自由参数.

中心平均解模糊器表达式为

将式(2)代入式(5)可得

式中，

为自由参数，分别放在向量

中，其中，R为模糊关系矩阵，则模糊控制器可写成：

u＝u_D(x|θ)＝θ^T|ξ(x) (7)

其中，ξ(x)为

维向量，第l₁，l₂，…，l_n个元素为

(3)自适应律设计：

将u＝u_D(x|θ)和

代入

整理得：

e⁽ⁿ⁾＝-K^Te+b(u^*-u_D(x|θ)) (8)

取

其中，q_i为设计自适应律时取的实常数，则表达式(8)可以写成：

取最优参数θ^*＝arg min[sup|u_D(x|θ)-u^*]，则最小逼近误差为ω＝u_D(x|θ)-u^*，

式子可表示为：

可以证明在李雅谱诺夫的标量函数下，存在正定矩阵Q＞0，通过设计足够多规则的模糊自适应系统u_D(x|θ)，可使误差充分减小，并满足系统稳定的条件，从而求解出模糊自适应控制器，利用该控制器，可以实时调整秸秆还田机粉碎厚度保证秸秆粉碎质量的同时还能够保证万向节等连接部位的受力在应力范围内，从而减少维护时间，提高整个作业系统的作业安全和效率。

附图说明

图1是本发明的扭矩传感器安装位置示意图。

图2是秸秆还田机总体安装结构示意图。

图3是秸秆还田机及拖拉机后悬挂驱动部件动力学分析图。

图4是本发明粉碎厚度模糊自适应控制原理结构框图。

图5是本发明电磁比例换向阀控制原理框图。

附图标记说明：1－易损部位；2－扭矩传感器；3－液压缸升降器；4－动力输出轴；5－万向节；6－秸秆还田机主刀轴；7－转速传感器。

具体实施方式

下面结合实施例，进一步说明本发明。

参见图1、图2、图4可知，本发明的秸秆还田机粉碎厚度度模糊自适应调节系统，由扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块、动力模块组成；所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴4与秸秆还田机之间的扭矩传感器2，扭矩传感器2实时测量秸秆还田机的运行载荷；转速检测模块设有安装于秸秆还田机主轴上的转速传感器7，转速传感器7实时测量秸秆还田机主刀轴6的转速；车速测量模块设有加速度计，加速度计实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据载荷信息和主刀轴转速信息，采用模糊自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有电磁阀、液压缸升降器3以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作控制升降杆起降从而带动秸秆还田机的起降；动力模块设有发动机、液压泵，发动机带动液压泵持续产生液压压力；为保证合适的粉碎厚度，调节方法的扭矩控制可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节5的应力强度系数，h为秸秆还田机主刀轴6距离地面高度，h的理想值为还田刀尖端的回转半径R，为保证系统的稳定，取h＝R±λ·Δh，λ为灵敏度因子，Δh为地面以上秸秆的厚度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴转角速度。

结合图1所示扭矩传感器2安装于万向节5与秸秆还田机动力输入轴之间，在不进行扭矩检测控制情况下，万向节5的十字轴部分为易损部位1，其最容易发生损坏，因此加装一扭矩传感器2直接测量秸秆还田机的实时负载大小，传感器选择留有10％-30％的冗余量，扭矩传感器2量程可由下式获得

扭矩传感器2测量值并通过串口将实时数据采集给悬挂升降液压控制模块，信号输出频率一般为10kHz，其实时大小用M_h表示，其中ξ为安全系数，P为拖拉机发动机功率，n为输出轴的转速。

结合图2所示转速检测模块主要由安装于秸秆还田机主刀轴上，转速传感器能够实时测量主刀轴的转速，由于田间作业工况复杂，因此，采用激光式传感器，由于传感器外壳采用不锈钢材料制做，传感器坚固耐用，主要应用于测试环境较差、振动剧烈，响应频率为10kHz，使用湿度：<95％RH，通过串口将实时数据采集给悬挂升降液压控制模块，其值用ω表示。

速度测量模块主要由加速度计组成，安装于拖拉机的质心处，用于实时测量拖拉机作业的行驶速度，加速度计选择压阻式，具有功耗低、响应快的特点。响应频率为50Hz，并通过串口将数值实时采集给到悬挂升降液压控制模块，大小用v_m表示。

悬挂升降液压控制模块根据秸秆还田机扭矩大小、主刀轴转速以及行驶速度等的信号输入，根据粉碎厚度度需要，计算一合适秸秆还田机扭矩工作范围，此为理想的扭矩控制范围。在保证合适的粉碎厚度情况下，理想扭矩可表示为

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为秸秆还田机主刀轴距离地面高度，h的理想值为还田刀尖端的回转半径R，为保证系统的稳定，取h＝R±λ·Δh，λ为灵敏度因子，Δh为地面以上秸秆的厚度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴转角速度。

结合图4为模糊自适应控制原理框图，悬挂升降液压控制模块在接受秸秆还田机负载信号、秸秆还田机转速信号、车速信号以及计算的秸秆还田机扭矩工作范围，进行模糊自适应控制调整，主要包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型，如下所示：

其中，u＝K_aa为提升力，

/R为升降过程土壤阻力，mg为重力。a为液压阀的开度，K_a为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，

为土壤阻力调节可变系数，随着施加扭矩的增大，刀轴转速的提高，其系数减小，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，v_m为机组前进工作速度；K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，

δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为

建立控制系统的状态空间为:

(2)模糊系统u_D的实现过程如下：

1)对变量x_i(i＝1，2，…，n)，定义m_i个模糊集合A_i ^li(l_i＝1，2，…，m_i)

2)用IF-THEN模糊规则表来构造模糊系统

u＝u_D(x|θ)，即

IF x₁ is A₁ ^l1 and…and x_n is A_n ^ln，

THEN u_D is s^{l1，l2，…，ln}；

采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器来设计模糊控制器.单值模糊器表达式为：

乘积推理机表达式为：

将式(1)代入式(2)可得：

对于给定的输入x_i ^*，式(3)中第l_i个模糊集的中心是B^li的中心.因此，第l_i个模糊集的高度为：

式中，y^li为自由参数；

中心平均解模糊器表达式为：

将式(2)代入式(5)可得：

式中，

为自由参数，分别放在向量

中，其中，R为模糊关系矩阵，则模糊控制器可写成：

u＝u_D(x|θ)＝θ^T|ξ(x) (7)

其中，

维向量，第l₁，l₂，…，l_n个元素为

(3)自适应律设计

将u＝u_D(x|θ)和

代入

整理得：

e⁽ⁿ⁾＝-K^Te+b(u^*-u_D(x|θ)) (8)

取

其中，q_i为设计自适应律时取的实常数，则表达式(8)可以写成：

取最优参数θ^*＝arg min[sup|u_D(x|θ)-u^*]，则最小逼近误差为ω＝u_D(x|θ)-u^*；

式子可表示为：

可以证明在李雅谱诺夫的标量函数下，存在正定矩阵Q＞0，通过设计足够多规则的模糊自适应系统u_D(x|θ)，可使误差充分减小，并满足系统稳定的条件，从而求解出模糊自适应控制器。

(4)控制器产生实时控制信号给到液压执行模块

如图5所示，液压执行模块主要由液压电磁阀、液压缸升降器以及后悬挂连杆机构组成，利用80C196KC微控制器的HSO(高速输出口)产生PWM波形，输出控制电压，经过缓冲器和光耦以后，再经功率管驱动以控制电液比例换向阀的电磁铁，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作，用于实时控制升降杆起降从而带动秸秆还田机的起降。

如图4所示，动力模块主要由发动机以及液压泵、溢流阀、节流阀组成，发动机带动液压泵持续产生液压压力，为液压升降机构能够随时起降提供动力。

以上所述仅为本发明较佳可行的实施例而已，并非因此局限本发明的权利范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变化，均包含于本发明的权利范围之内。

Claims (2)

1.秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，所述的调节系统包括扭矩检测模块、转速检测模块、车速测量模块、液压执行模块、液压压力检测模块、悬挂升降液压控制模块、动力模块，其特征在于：所述的扭矩检测模块设有安装于动力输出轴与秸秆还田机之间的扭矩传感器，扭矩传感器实时测量秸秆还田机的运行载荷；转速检测模块设有安装于秸秆还田机主轴上的转速传感器，转速传感器实时测量秸秆还田机主刀轴的转速；车速测量模块设有加速度计，加速度计实时测量拖拉机作业行驶速度；悬挂升降液压控制模块根据载荷信息和主刀轴转速信息，采用模糊自适应控制算法，计算控制信号，输出给到液压执行模块；液压执行模块设有电磁阀、液压缸升降器以及后悬挂连杆机构，电磁阀在收到悬架升降液压控制模块的控制信号进行相应的开闭动作控制升降杆起降从而带动秸秆还田机的起降；动力模块设有发动机、液压泵，发动机带动液压泵持续产生液压压力；为保证合适的粉碎厚度，调节方法的扭矩控制可表示为：

其中，K₀为比例系数，η为万向节的应力强度系数，h为秸秆还田机主刀轴距离地面高度，h的理想值为还田刀尖端的回转半径R，为保证系统的稳定，取h＝R±λ·Δh，λ为灵敏度因子，Δh为地面以上秸秆的厚度，v_m为作业前进速度，ω为刀轴转角速度。

2.根据权利要求1所述的秸秆还田机粉碎厚度模糊自适应调节系统的调节方法，其特征在于：所述的调节方法包含以下步骤：

(1)建立自适应控制算法的动力学模型：

其中，u＝K_aa为提升力，

为升降过程土壤阻力，mg为重力；a为液压阀的开度，K_a为比例系数，R为旋耕刀端点的回转半径，M_h为扭矩传感器测量值，m为旋耕机机组的质量，

为土壤阻力调节可变系数，随着施加扭矩的增大，刀轴转速的提高，其系数减小，M_r为旋耕机所受负载的扭矩，k_r为土壤的比阻，B为旋耕机幅宽，h为旋耕机旋耕深度，v_m为机组前进工作速度；K_s为扭矩传感器扭转刚度系数，δ₁为万向节旋转角度，

δ₂为旋耕机输入轴旋转角度，J₁为等效到旋耕机输入轴的转动惯量，P为发动机功率，N为发动机功率分配给后驱动轴效率；

选取系统的状态变量为

建立控制系统的状态空间为:

(2)模糊系统uD的实现过程如下：

1)对变量x_i(i＝1，2，…，n)，定义m_i个模糊集合A_i ^li(l_i＝1，2，…，m_i)

2)用IF-THEN模糊规则表来构造模糊系统

u＝u_D(x|θ)，即：

IF x₁ is A₁ ^l1 and…and x_n is A_n ^ln，

THEN u_D is s^{l1，l2，…，ln}；

采用乘积推理机、单值模糊器和中心平均解模糊器来设计模糊控制器.单值模糊器表达式为

乘积推理机表达式为

将式(1)代入式(2)可得

对于给定的输入x_i ^*，式(3)中第l_i个模糊集的中心是B^li的中心.因此，第l_i个模糊集的高度为

式中，y^li为自由参数.

中心平均解模糊器表达式为

将式(2)代入式(5)可得

式中，

为自由参数，分别放在向量

中，其中，R为模糊关系矩阵，则模糊控制器可写成：

u＝u_D(x|θ)＝θ^T|ξ(x) (7)

其中，ξ(x)为

维向量，第l₁，l₂，…，l_n个元素为

(3)自适应律设计：

将u＝u_D(x|θ)和

代入

整理得：

e⁽ⁿ⁾＝-K^Te+b(u^*-u_D(x|θ)) (8)

取

其中，q_i为设计自适应律时取的实常数，则表达式(8)可以写成：

取最优参数θ^*＝arg min[sup|u_D(x|θ)-u^*]，则最小逼近误差为ω＝u_D(x|θ)-u^*，

式子可表示为：

可以证明在李雅谱诺夫的标量函数下，存在正定矩阵Q＞0，通过设计足够多规则的模糊自适应系统u_D(x|θ)，可使误差充分减小，并满足系统稳定的条件，从而求解出模糊自适应控制器。

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