CN111443736A - 一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，首先，计算设定值与反馈值的误差和误差变化率并将计算结果作为收割机割台高度逻辑控制器的输入。然后，经过收割机割台高度逻辑控制器后获得实时更新的参数并作用到动态控制器，实现对收割机割台高度的控制。本发明能够解决收割机在收割过程中经常由于地形起伏致使割台高度变化和因为作物高度的变化而不能高效收割，造成收割效率低、割台碰撞、粮食损失等问题，具有较强的系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。
Description
技术领域
本发明涉及农业自动化机械领域，特别是涉及一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法。
背景技术
中国是一个农业大国。主要以种植小麦和水稻为主，种植面积占中国耕地总面积的60％左右。小麦水稻的收割周期短，收割需要大量的劳动力。然而，中国城市化进程加快，农村劳动力日益减少，传统的耕作方式效率低下。收割机作为作物的收割工具，其工作效率高、人力需求少、收获损失小，正逐步替代人力成为农作物的主要收割手段。收割机的自动化和智能化是其发展的必然要求，同时对于提高农作物生产效率、减少收割机故障率具有重要意义。收割机割台高度自动控制技术作为智能化收割机研究的重要组成部分对实现收割机智能化和自动化有着重要的意义。收割机割台高度自动控制是指收割机在工作过程中割台能够根据农地起伏和割茬高度自动进行高度调整，从而可以保持收割机喂入量、割茬高度的稳定。这就要求收割机割台控制器需要具备准确控制，快速响应的能力，对收割机割台控制器的性能有着较高的要求。因此，将逻辑自适应动态控制方法应用到收割机割台高度的控制中，从而增强系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。
发明内容
发明目的：为了克服收割机在工作过程中经常由于地形起伏致使割台高度变化和因为作物高度的变化而不能高效收割，造成收割效率低、割台碰撞、粮食损失等问题。本发明提供一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，旨在提高收割效率，具有较强的系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其中，收割机割台高度设定值与收割机割台输出的收割机割台高度反馈值输入加法器，加法器输出收割机割台高度误差e，一方面割台高度误差e和割台高度误差e的变化率ec作为逻辑控制器输入，逻辑控制器输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd；另一方面割台高度误差e、比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd作为动态控制器的输入；动态控制器根据输入的割台高度误差e、比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd计算输出值，并用于控制收割机割台高度。逻辑控制器采用逻辑自适应算法实现对比例系数、微分系数和积分系数的更新，得到比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd。
本发明提供了一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，包括以下步骤：
(1)计算收割机割台高度设定值与收割机割台高度反馈值的割台高度误差e和割台高度误差e的变化率ec，并将误差e和误差e的变化率ec作为逻辑控制器的输入；
(2)逻辑控制器对割台高度误差e和割台高度误差变化率ec进行实时处理，根据整定规则，计算输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd；
(3)动态控制器根据割台高度误差e和逻辑控制器实时输出的比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd，计算输出值，实现对收割机割台高度的控制。
进一步的，步骤(1)中逻辑控制器设计时根据实际情况设置割台高度误差e的可行区间为[a,b]，割台高度误差变化率ec的可行区间为[c,d]。
进一步的，步骤(2)中逻辑控制器的隶属度函数的语言变量划分为七个等级，分别为“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”，并采用语言值“NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB”分别对这七个等级进行定义，语言变量的量化等级为[-3，-2，-1，0，1，2，3]；
一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法整定规则定义为：
R1：如果(e是NB、ec是NB)，则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是PS)；
R2：如果(e是NB、ec是NM)，则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是NS)；
R3：如果(e是NB、ec是NS)，则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NB)；
R4：如果(e是NB、ec是ZO)，则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NB)；
R5：如果(e是NB、ec是PS)，则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NB)；
R6：如果(e是NB、ec是PM)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NM)；
R7：如果(e是NB、ec是PB)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PS)；
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R11：如果(e是NM、ec是ZO)，则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NM)；
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R13：如果(e是NM、ec是PM)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
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R15：如果(e是NS、ec是NB)，则(Kp是PM)(Ki是NB)(Kd是ZO)；
R16：如果(e是NS、ec是NM)，则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NS)；
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R19：如果(e是NS、ec是PS)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
R20：如果(e是NS、ec是PM)，则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是NS)；
R21：如果(e是NS、ec是PB)，则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是ZO)；
R22：如果(e是ZO、ec是NB)，则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是ZO)；
R23：如果(e是ZO、ec是NM)，则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd is NS)；
R24：如果(e是ZO、ec是NS)，则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NS)；
R25：如果(e是ZO、ec是ZO)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
R26：如果(e是ZO、ec是PS)，则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是NS)；
R27：如果(e是ZO、ec是PM)，则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是NM)；
R28：如果(e是ZO、ec是PB)，则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是ZO)；
R29：如果(e是PS、ec是NB)，则(Kp是PS)(Ki是NM)(Kd是ZO)；
R30：如果(e是PS、ec是NM)，则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是ZO)；
R31：如果(e是PS、ec是NS)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是ZO)；
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R42：如果(e是PM、ec是PB)，则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PB)；
R43：如果(e是PB、ec是NB)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PB)；
R44：如果(e是PB、ec是NM)，则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PM)；
R45：如果(e是PB、ec是NS)，则(Kp是NM)(Ki是PS)(Kd是PM)；
R46：如果(e是PB、ec是ZO)，则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是PM)；
R47：如果(e是PB、ec是PS)，则(Kp是NB)(Ki是PM)(Kd是PS)；
R48：如果(e是PB、ec是PM)，则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PS)；
R49：如果(e是PB、ec是PB)，则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PB)。
进一步的，步骤(2)中逻辑控制器根据整定规则采用重心法求得比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd的变化量分别为ΔKp、ΔKi和ΔKd，并带入动态控制器；重心法求得比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd，具体计算公式如下：
其中，z0为逻辑控制器输出值，即表示ΔKp或ΔKi或ΔKd，zi代表对应隶属度的横坐标，即可行区间内的值，μ(zi)为zi的隶属度值。
进一步的，步骤(2)中比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd，具体计算公式如下：
Kp＝Kp0+ΔKp；
Ki＝Ki0+ΔKi；
Kd＝Kd0+ΔKd；
其中，Kp0为比例系数的初始值，Ki0为是积分系数的初始值，Kd0为是微分系数的初始值，ΔKp为比例系数变化量、ΔKi为积分系数变化量，ΔKd为微分系数变化量。
进一步的，步骤(3)中将割台高度误差e，比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd输入到动态控制器，动态的调整动态控制器的输入参数，动态控制器输出参数方程为：
其中，u(t)为动态控制器的输出，e(t)为动态控制器的输入，即割台高度误差。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，该方法能够解决收割机在工作过程中经常由于地形起伏致使割台高度变化和因为作物高度的变化而不能高效收割，造成收割效率低、割台碰撞、粮食损失和问题。具有较强的系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明动态控制系统结构示意图；
图2为割台高度控制系统仿真模型图；其中(a)为割台高度控制系统仿真原理图，(b)为动态控制器系统仿真模型图，(c)为参数计算原理图；
图3为平坦地面仿形效果及误差图；其中(a)为平坦地面仿形图，(b)为平坦地面误差曲线图；
图4为起伏地面仿形效果及误差图；其中(a)为起伏地面仿形图，(b)为起伏地面误差曲线图；
图5为起伏地面局部放大图；其中(a)为地面仿形局部放大图，(b)为误差曲线局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做更进一步的说明。
如图1所示，一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，收割机割台高度设定值与收割机割台输出的收割机割台高度反馈值输入加法器，加法器输出收割机割台高度误差e，一方面割台高度误差e和割台高度误差e的变化率ec作为逻辑控制器输入，逻辑控制器输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd；另一方面割台高度误差e、比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd作为动态控制器的输入。动态控制器根据输入的割台高度误差e、比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd计算输出值，实时优化以达到较理想的控制效果，使得控制系统能够快速、准确、稳定的对收割机割台进行控制。
本发明的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法。首先，计算设定值与反馈值的误差和误差变化率并将计算结果作为收割机割台高度逻辑控制器的输入。然后，经过收割机割台高度逻辑控制器后获得实时更新的参数并作用到动态控制器，实现对收割机割台高度的控制。传统控制方法的控制器参数比较固定，不能满足地形变化较大情况下的控制要求。该方法能够解决收割机在收割过程中经常由于地形起伏致使割台高度变化和因为作物高度的变化而不能高效收割，造成收割效率低、割台碰撞、粮食损失等问题，具有较强的系统动态响应能力和对外界干扰的鲁棒性。
一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，具体包括以下步骤：
(1)计算收割机割台高度设定值与收割机割台高度反馈值的割台高度误差e和割台高度误差e的变化率ec，并将误差e和误差e的变化率ec作为逻辑控制器的输入；
本实施例中，逻辑控制器设计时根据实际情况设置割台高度误差e的可行区间为[-50cm,50cm]，割台高度误差变化率ec的可行区间为[-10cm/s,10cm/s]。
(2)逻辑控制器对割台高度误差e和割台高度误差变化率ec进行实时处理，根据整定规则，计算输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd。
逻辑控制器采用逻辑自适应算法对割台高度误差e和割台高度误差变化率ec进行实时处理；具体为：
逻辑控制器的隶属度函数的语言变量划分为七个等级，分别为“负大、负中、负小、零、正小、正中、正大”，并采用语言值“NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB”分别对这七个等级进行定义，语言变量的量化等级为[-3，-2，-1，0，1，2，3]。
基于逻辑自适应算法的收割机割台高度动态控制整定规则定义为：
R1:如果(e是NB、ec是NB)则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是PS)；
R2:如果(e是NB、ec是NM)则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是NS)；
R3:如果(e是NB、ec是NS)则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NB)；
R4:如果(e是NB、ec是ZO)则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NB)；
R5:如果(e是NB、ec是PS)则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NB)；
R6:如果(e是NB、ec是PM)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NM)；
R7:如果(e是NB、ec是PB则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PS)；
R8:如果(e是NM、ec是NB)则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是PS)；
R9:如果(e是NM、ec是NM)则(Kp是PB)(Ki是NB)(Kd是NS)；
R10:如果(e是NM、ec是NS)则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NB)；
R11:如果(e是NM、ec是ZO)则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NM)；
R12:如果(e是NM、ec是PS)则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NM)；
R13:如果(e是NM、ec是PM)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
R14:如果(e是NM、ec是PB)则(Kp是NS)(Ki是ZO)(Kd是ZO)；
R15:如果(e是NS、ec是NB)则(Kp是PM)(Ki是NB)(Kd是ZO)；
R16:如果(e是NS、ec是NM)则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd是NS)；
R17:如果(e是NS、ec是NS)则(Kp是PM)(Ki是NS)(Kd是NM)；
R18:如果(e是NS、ec是ZO)则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是NM)；
R19:如果(e是NS、ec是PS)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
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R21:如果(e是NS、ec是PB)则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是ZO)；
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R23:如果(e是ZO、ec是NM)则(Kp是PM)(Ki是NM)(Kd is NS)；
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R30:如果(e是PS、ec是NM)则(Kp是PS)(Ki是NS)(Kd是ZO)；
R31:如果(e是PS、ec是NS)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是ZO)；
R32:如果(e是PS、ec是ZO)则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是ZO)；
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R34:如果(e是PS、ec是PM)则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是ZO)；
R35:如果(e是PS、ec是PB)则(Kp是NM)(Ki是PB)(Kd是ZO)；
R36:如果(e是PM、ec是NB)则(Kp是PS)(Ki是ZO)(Kd是PB)；
R37:如果(e是PM、ec是NM)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是NS)；
R38:如果(e是PM、ec是NS)则(Kp是NS)(Ki是PS)(Kd是PS)；
R39:如果(e是PM、ec是ZO)则(Kp是NM)(Ki是PS)(Kd是PS)；
R40:如果(e是PM、ec是PS)则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是PS)；
R41:如果(e是PM、ec是PM)则(Kp是NM)(Ki是PB)(Kd是PS)；
R42:如果(e是PM、ec是PB)则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PB)；
R43:如果(e是PB、ec是NB)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PB)；
R44:如果(e是PB、ec是NM)则(Kp是ZO)(Ki是ZO)(Kd是PM)；
R45:如果(e是PB、ec是NS)则(Kp是NM)(Ki是PS)(Kd是PM)；
R46:如果(e是PB、ec是ZO)则(Kp是NM)(Ki是PM)(Kd是PM)；
R47:如果(e是PB、ec是PS)则(Kp是NB)(Ki是PM)(Kd是PS)；
R48:如果(e是PB、ec是PM)则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PS)；
R49:如果(e是PB、ec是PB)则(Kp是NB)(Ki是PB)(Kd是PB)。
参数分别为比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd。逻辑控制器根据整定规则采用重心法求得Kp，Ki，Kd的变化量，更新Kp，Ki，Kd并带入动态控制器。重心法求得比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd，具体计算公式如下：
其中：z0为逻辑控制器输出值，即表示ΔKp或ΔKi或ΔKd，zi代表对应隶属度的横坐标(可行区间内的值)，μ(zi)为zi的隶属度值。
本实施例中，比例系数变化量ΔKp的可行区间为[-0.5,0.5]，积分系数变化量ΔKi的可行区间为[-0.15,0.15]，微分系数变化量ΔKd的可行区间为[-0.2,0.2]。
更新后的比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd，具体计算公式如下：
Kp＝Kp0+ΔKp；
Ki＝Ki0+ΔKi；
Kd＝Kd0+ΔKd；
其中，Kp0为比例系数的初始值，Ki0为是积分系数的初始值，Kd0为是微分系数的初始值。
(3)动态控制器根据割台高度误差e和逻辑控制器实时输出的比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd，计算输出值，实现对收割机割台高度的控制；
将割台高度误差e、比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd输入到动态控制器，动态的调整输入参数，实时优化以达到较理想的控制效果，使得控制系统能够快速、准确、稳定的对收割机割台进行控制。动态控制器输出参数方程为：
其中，u(t)为动态控制器的输出，e(t)为动态控制器的输入，即割台高度误差。
动态控制器输出作为收割机割台的输入，用以控制收割机割台高度。
为验证上述基于逻辑自适应算法的收割机割台高度动态控制方法的有效性，利用MATLAB和Simulink进行系统仿真分析并和普通控制器进行控制效果对比。
图2是在Simulink中建立的割台高度控制系统仿真模型。其中逻辑自适应控制、动态控制分别封装为子模块供系统模型调用，用不同频率的正弦波模拟地面轮廓。Matlab软件中有专门的工具箱，为仿真逻辑自适应动态控制系统提供了方便。图2(a)为割台高度控制系统仿真原理图。输入不同频率的正弦波信号，用以模拟地面地形。通过逻辑控制器、动态控制器，可根据不同时刻的地形实时的调整收割机割台高度。图2(b)为动态控制器系统仿真模型图，动态控制器根据比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd等输入参数实时的调整输出参数。图2(c)为参数计算原理图，逻辑控制器根据输入参数和整定规则，实时计算输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量ΔKi、微分系数变化量ΔKd，以实现动态控制。
考虑地面相对平坦和地面较为起伏两种情况。如图3(a)所示为地面相对平坦情况下普通控制和逻辑自适应控制的地面仿形效果，图3(b)为地面相对平坦情况下普通控制和逻辑自适应控制的误差曲线图。地面函数为：g(x)＝10sin(0.2πx)。从图3(a)和(b)中可以看到，两种控制方法超调量较小且都能很快的到达稳态，稳定时误差几乎为零。所以在较为平坦地面上普通控制和逻辑自适应控制的控制效果相当。
图4(a)和(b)分别为地面较为起伏时的普通控制和逻辑自适应控制的仿形效果及误差图，其中地面函数为g(x)＝10sin(0.02πx)。从误差曲线可以看出逻辑自适应的仿形误差可以稳定在±0.5cm以内，而普通控制的仿形精度保持在±1.5cm左右。为了更清楚地比较两种控制方法的特性，图5将开始100个采样点局部放大，其中图5(a)为地面仿形局部放大图，图5(b)为误差曲线局部放大图。从图5(a)和(b)中可以清晰的看出，无论是超调量、上升时间，还是稳态误差和稳态时间，逻辑自适应控制方法均优于普通控制方法。
Claims (5)
1.一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)计算收割机割台高度设定值与收割机割台高度反馈值的割台高度误差e和割台高度误差e的变化率ec，并将误差e和误差e的变化率ec作为逻辑控制器的输入；
(2)逻辑控制器对割台高度误差e和割台高度误差变化率ec进行实时处理，根据整定规则，计算输出比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量△Ki和微分系数变化量ΔKd；
(3)动态控制器根据割台高度误差e和逻辑控制器实时输出的比例系数变化量△Kp、积分系数变化量ΔKi和微分系数变化量ΔKd，计算输出值，实现对收割机割台高度的控制。
2.根据权利要求1所述的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其特征在于，步骤(1)中逻辑控制器设计时根据实际情况设置割台高度误差e的可行区间为[a,b]，割台高度误差变化率ec的可行区间为[c,d]。
3.根据权利要求1所述的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其特征在于，步骤(2)中逻辑控制器根据整定规则采用重心法求得比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd的变化量分别为ΔKp、ΔKi和ΔKd，并带入动态控制器；重心法求得比例系数变化量ΔKp、积分系数变化量△Ki、微分系数变化量△Kd，具体计算公式如下：
其中，z0为逻辑控制器输出值，即表示△Kp或△Ki或△Kd，zi代表对应隶属度的横坐标，即可行区间内的值，μ(zi)为zi的隶属度值。
4.根据权利要求1所述的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其特征在于，步骤(2)中比例系数Kp、微分系数Ki和积分系数Kd，具体计算公式如下：
Kp＝Kp0+△Kp；
Ki＝Ki0+△Ki；
Kd＝Kd0+△Kd；
其中，Kp0为比例系数的初始值，Ki0为是积分系数的初始值，Kd0为是微分系数的初始值，△Kp为比例系数变化量、△Ki为积分系数变化量，△Kd为微分系数变化量。
5.根据权利要求1所述的一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法，其特征在于，步骤(3)中将割台高度误差e，比例系数变化量△Kp、积分系数变化量△Ki、微分系数变化量△Kd输入到动态控制器，动态的调整动态控制器的输入参数，动态控制器输出参数方程为：
其中，u(t)为动态控制器的输出，e(t)为动态控制器的输入，即割台高度误差。
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| CN202010240636.9A CN111443736A (zh) | 2020-03-31 | 2020-03-31 | 一种用于割台高度动态调节的逻辑自适应控制方法 |
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