CN112650054A

CN112650054A - 一种拖拉机耕深变论域模糊pid控制方法与系统

Info

Publication number: CN112650054A
Application number: CN202011636869.7A
Authority: CN
Inventors: 于凡翔; 李瑞川; 谢玉东; 丁馨铠; 刘延俊; 徐继康; 黄传真; 卜月
Original assignee: Rizhao Haizhuo Hydraulic Co ltd; Shandong University
Current assignee: Rizhao Haizhuo Hydraulic Co ltd; Shandong University
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-04-13

Abstract

本公开提出了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法及系统，包括：确定PID控制器初始参数值，确定模糊控制器输入变量和输出变量；其中输入变量包括耕深误差即设定耕深与实际耕深的差值及耕深的变化率，输出变量为PID控制器参数的修正量；确定输入变量论域大小的伸缩因子以及调整输出变量论域大小的伸缩因子，进行论域调整，将输入和输出变量所对应的论域分别乘以伸缩因子，实现变论域，最终获得PID控制器参数的修正量；将得到的PID控制器参数修正量与原始PID参数相加，得到耕深变论域模糊PID控制器的最终控制参数。本公开技术方案模糊控制器的伸缩因子可以根据模糊输入量的大小进行自适应调整，实现在误差趋近于零时，增加模糊规则的数量，进而提高系统的控制精度。

Description

一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法与系统

技术领域

本公开属于控制技术领域，尤其涉及一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法与系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

拖拉机是现代农业生产不可或缺的动力平台，它通过驱动电液悬挂系统实现犁耕作业的升降控制。在拖拉机耕作时，土壤环境复杂多变、随机因素较多，仅以单一参数为控制目标无法获得良好的耕深均匀性，发动机负荷波动也较明显。

为此，结合拖拉机工作特性、土壤情况，将加权系数引入到拖拉机耕深控制中，提出了力位综合控制的思想。通过调节权重大小，既可保证拖拉机在某一地块的耕作均匀性，也能有效减小负荷的波动。

一般情况下，拖拉机耕作区域相对灵活，特别在土地规模化经营的趋势下，跨区作业将成为未来耕作模式的新常态。但不同区域土壤情况千差万别，而加权系数则是驾驶员根据常耕地块的经验设定，尚不能随耕作环境变化实现柔性自动调节，这将无法保证良好的耕深均匀性。

在控制方法上，研究人员将模糊控制与PID控制相结合应用于耕深调节中，虽在大扰动、时变、非线性等随机土壤环境因素下可得到较好的耕深均匀性，但相关参数的设定受人为因素影响较大，其模糊论域不能随土壤环境变化自动伸缩，致使不同土壤比阻时，系统响应时间和超调量均有很大差别，并且模糊规则也是在固定论域上设计的，当误差减小并趋近于零时，可用的模糊规则大量减少，原来的论域划分也将很难得到良好的控制效果。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，解决一般模糊控制方法应用于环境多变条件下自适应能力不强的问题，提高了拖拉机跨区作业时加权系数选择的合理性。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，包括：

确定PID控制器初始参数值，确定模糊控制器输入变量和输出变量；其中输入变量包括耕深误差即设定耕深与实际耕深的差值及耕深的变化率，输出变量为PID控制器参数的修正量；

确定输入变量论域大小的伸缩因子以及调整输出变量论域大小的伸缩因子，进行论域调整，将输入和输出变量所对应的论域分别乘以伸缩因子，实现变论域，最终获得PID控制器参数的修正量；

将得到的PID控制器参数修正量与原始PID参数相加，得到耕深变论域模糊PID控制器的最终控制参数。

进一步的技术方案，在确定PID控制器初始参数值之前还包括：

确定耕深及其加权系数、牵引力及其加权系数；

确定耕深信号，耕深信号由位置传感器提供的反馈信号与力传感器转换的反馈信号根据加权系数大小计算获得，并与设定耕深比较产生偏差信号。

进一步的技术方案，还包括：基于最终控制参数控制液压缸的动作以完成农具的升降、保持、浮动及动力大小，上述动作被传感器检测并反馈给控制单元，实现闭环自动控制。

进一步的技术方案，对于模糊控制器，基于模糊控制器中的隶属函数和模糊规则，利用模糊推理和重心法完成模糊推理和清晰化，得到PID控制器参数的修正量。

进一步的技术方案，模糊控制器的伸缩因子根据模糊输入量的大小进行自适应调整，实现在误差趋近于零时，增加模糊规则的数量，提高的控制精度。

进一步的技术方案，确定输入变量和输出变量论域的伸缩因子α(x)和β_p、β_i和β_d的具体过程为：

其中，ε、k为常数，根据系统性能确定；x为耕深误差e或误差变化率ec，在输出论域中，综合考虑PID控制器输入变量特点，使得ΔK_p、ΔK_d的伸缩因子β_p、β_d与耕深误差e变化方向保持一致，ΔK_i的伸缩因子β_i则与耕深误差e保持反向，具体可表示为β_p＝β_d＝|2e|，

进一步的技术方案，输入变量的初始论域为X＝[-E，E]，则变论域后的论域为X＝[-α(x)E，α(x)E]，设输出变量的初始论域为Y_p＝Y_i＝Y_d＝[-K,K],则变论域后的论域为Y_p＝[-β_pK,β_pK]、Y_i＝[-β_iK,β_iK]和Y_d＝[-β_dK,β_dK]。

进一步的技术方案，针对模糊控制器确定模糊规则，选取三角形隶属度函数，在建立模糊控制规则时，综合考虑拖拉机跨区作业控制系统工作特点和各控制参数之间的相互关系，制定出模糊控制规则。

第二方面，公开了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制系统，包括：

参数确定模块，用于确定PID控制器初始参数值，确定模糊控制器输入变量和输出变量；其中输入变量包括耕深误差即设定耕深与实际耕深的差值及耕深的变化率，输出变量为PID控制器参数的修正量；

PID控制器参数的修正量获取模块，用于确定输入变量论域大小的伸缩因子以及调整输出变量论域大小的伸缩因子，进行论域调整，将输入和输出变量所对应的论域分别乘以伸缩因子，实现变论域，最终获得PID控制器参数的修正量；

最终控制参数获取模块，用于将得到的PID控制器参数修正量与原始PID参数相加，得到耕深变论域模糊PID控制器的最终控制参数。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案将变论域思想引入拖拉机力位综合控制中，设计出变论域模糊PID控制器，解决一般模糊控制方法应用于环境多变条件下自适应能力不强的问题，提高了拖拉机跨区作业时加权系数选择的合理性。

本公开技术方案模糊控制器的伸缩因子可以根据模糊输入量的大小进行自适应调整，实现在误差趋近于零时，增加模糊规则的数量，进而提高系统的控制精度。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例拖拉机田间耕作原理图；

图2为本公开实施例变论域模糊PID控制原理框图；

图3为本公开实施例基本论域与伸缩因子的变化关系图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

本实施例公开了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，将变论域思想引入拖拉机力位综合控制中，即设计出输入变量和输出变量论域的伸缩因子，利用伸缩因子来实现变论域的目的。设计出变论域模糊PID控制器，解决一般模糊控制方法应用于环境多变条件下自适应能力不强的问题，提高了拖拉机跨区作业时加权系数选择的合理性。

拖拉机耕深作业工作原理：拖拉机犁耕工作前，驾驶员根据路面情况、耕作要求，通过操作面板将目标耕深相关参数输入到系统中，得到设定的目标信号；力传感器和位置传感器分别检测耕作阻力和耕深信号，两信号经整定后传到控制单元，控制单元经计算得出实际耕深信号，同时将它与设定值进行比较并输出相应的控制信号，控制液压缸的动作以完成农具的升降、保持、浮动及动力大小等。这些动作被传感器检测并反馈给控制单元，实现了系统的闭环自动控制，如图1所示。

实现本发明的技术方案为：一种拖拉机多参数耕深变论域模糊PID控制算法与系统，包括以下步骤：

步骤1，根据耕深要求、发动机负荷率等因素确定耕深及其加权系数，牵引力及其加权系数，上述两个加权系数是力、位调节的关键因子，控制单元可根据加权系数进行力、位调节。

步骤2，确定耕深信号，耕深信号由位置传感器提供的反馈信号与力传感器转换的反馈信号根据加权系数大小计算获得，并与设定耕深比较产生偏差信号，此偏差信号为控制器的输入量，形成力、位综合控制。

步骤3，设计相应的PID控制器，确定PID控制器初始参数值。

步骤4，设计相应的模糊PID控制器，确定模糊PID系统输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd；其中输入变量e表示耕深误差即设定耕深与实际耕深的差值，ec为耕深的变化率，通过对耕深误差e求导可得耕深变化率ec。ΔKp、ΔKi、ΔKd分别为PID参数的修正量。

步骤5，设计变论域控制思想，通过相应变论域公式确定输入变量论域大小的伸缩因子α(x)以及调整输出变量论域大小的伸缩因子β(y)。

步骤6，进行论域调整，将输入和输出变量所对应的论域分别乘以伸缩因子α(x)和β(y)，从而实现变论域的目的，其结构原理如图2所示。

步骤7，设计模糊控制器中的隶属函数和模糊规则，利用Mandani模糊推理和重心法完成模糊推理和清晰化，得到PID控制器参数的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。

步骤8，将得到的PID控制器参数修正量与原始PID参数Kp0、Ki0、Kd0相加，得到耕深变论域模糊PID控制器的最终控制参数Kp、Ki、Kd。

本发明的优点在于，通过调节伸缩因子公式中的参数，可实现模糊控制器的伸缩因子根据模糊输入量的大小自适应调整的目的，实现在误差趋近于零时，增加模糊规则的数量，进而提高系统的控制精度。

上述步骤中确定PID控制器参数的确定具体过程为：

首先建立起拖拉机耕深系统的数学模型，在该数学模型中引入PID控制器，PID控制器的输入为耕深误差即设定耕深与实际耕深的差值，从PID控制原理上可以看出，要使控制效果达到最佳必须寻找合适的kp，ki，kd参数。kp，ki，kd这三个参数是互相影响，相互作用的，调整参数的同时控制效果也会发生变化。本发明通过使用试凑法，观察改变PID参数变化后控制效果的变化来确定参数。在调整kp的大小的时候，通过将kp从很小增加到很大，再从很大逐步降低到很小的方法调整参数，并观察控制效果的变化。通过观察控制效果曲线的变化选取最优的kp值；积分系数ki的调整和比例系数kp的调整相似，同样将kp从小增加到大，观察控制效果的变化。在调整kp和ki参数时，如果控制效果不是很理想，这时就要考虑微分系数kd在控制策略中的影响。kd与kp，ki系数的调整策略相同，将kd从小增到大的同时微调比例系数kp与积分系数ki，反复调整三个参数的值最终得到理想的控制效果，最终确定PID控制器的三个初始参数kp，ki，kd的值。

进一步的，在PID控制的基础上建立起模糊PID控制，即引入模糊控制器与PID控制器共同构成模糊PID控制器，上述步骤中确定模糊系统输入变量e、ec和输出变量ΔKp、ΔKi、ΔKd的具体过程为：

模糊控制器的输入变量e表示设定耕深与实际耕深的误差，输入变量ec表示设定耕深与实际耕深误差的变化率，输入变量e变化范围为[-20，20]，输入变量ec变化范围为[-6000，6000]，三个PID控制参数的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd变化范围分别为[-7.32,7.32]、[-1.2,1.2]和[-0.03,0.03]，将输入变量和输出变量离散化并模糊化处理，输入变量和输出变量的模糊论域均取[-6,6]，并用{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}等7个模糊子集划分模糊论域。

具体实施例子中，合理的选取伸缩因子是变论域模糊PID控制的关键所在，目前关于伸缩因子的选取方法尚无统一标准，多数根据被控对象特点选用函数型和模糊推理型两种，但后者计算量较大，实时性较差，故本专利采用函数型伸缩因子，并考虑到伸缩因子还需满足对偶性、保零性、单调性、正规性的条件，则上述步骤中确定输入变量和输出变量论域的伸缩因子α(x)和β_i的具体过程为：

其中，ε、k为常数，根据系统性能确定；x为耕深误差e或误差变化率ec。

输出变量的伸缩因子在输出论域中，为了更合理地确定伸缩因子，综合考虑PID控制器输入变量特点，使得ΔK_p、ΔK_d的伸缩因子β_p、β_d与耕深误差e变化方向保持一致，ΔK_i的伸缩因子β_i则与耕深误差e保持反向，具体可表示为β_p＝β_d＝|2e|，

设输入变量的初始论域为X＝[-E，E]，即输入变量均可包含在初始论域X中，其中E为常数。则变论域后的论域为X＝[-α(x)E，α(x)E]，α(x)为输入变量论域的伸缩因子。设输出变量的初始论域均为Y_p＝Y_i＝Y_d＝[-K,K]，即输出变量均可包含在初始论域中，Y_p、Y_i和Y_d分别表示ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d的初始论域，K为常数。则变论域后的论域分别为Y_p＝[-β_pK,β_pK]、Y_i＝[-β_iK,β_iK]和Y_d＝[-β_dK,β_dK],其原理如图3所示。

进一步的，确定模糊规则，选取三角形隶属度函数。在建立模糊控制规则时，根据专家经验制定出如表1所示的模糊控制规则。

表1

由于PID控制器的输入是准确的数据，故需将变论域模糊控制器的输出量进行解模糊运算，为较好的输出隶属函数的运算结果，获得更加精准的控制效果，本专利采用重心法进行模糊判决，得到PID参数修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd。其表达式可表示为:

具体实施例子中，将上述步骤中的PID参数的修正量ΔKp、ΔKi、ΔKd与原始参数

相加得到PID控制器的最终控制参数Kp、Ki、Kd。

即

具体实施例子中，PID控制器根据最终控制参数控制输出相应电压，驱动电液比例控制阀动作，调节悬挂机构，进而改变犁体的入土深度。

实施例二

本实施例的目的是提供一种计算装置,包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例子一中的方法的步骤。

实施例三

本实施例的目的是提供一种计算机可读存储介质。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行上述实施例子一中的方法的步骤。

实施例四

本实施例的目的是提供了一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制系统，包括：

以上实施例二、三和四的装置中涉及的各步骤与方法实施例一相对应，具体实施方式可参见实施例一的相关说明部分。术语“计算机可读存储介质”应该理解为包括一个或多个指令集的单个介质或多个介质；还应当被理解为包括任何介质，所述任何介质能够存储、编码或承载用于由处理器执行的指令集并使处理器执行本公开中的任一方法。

本领域技术人员应该明白，上述本公开的各模块或各步骤可以用通用的计算机装置来实现，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。本公开不限制于任何特定的硬件和软件的结合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，包括：

确定输入变量论域大小的伸缩因子以及调整输出变量论域大小的伸缩因子，进行论域调整，将输入和输出变量所对应的论域分别乘以伸缩因子，实现变论域，获得PID控制器参数的修正量；

2.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，在确定PID控制器初始参数值之前还包括：

确定耕深及其加权系数、牵引力及其加权系数；

3.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，还包括：基于最终控制参数控制液压缸的动作以完成农具的升降、保持、浮动及动力大小，上述动作被传感器检测并反馈给控制单元，实现闭环自动控制。

4.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，对于模糊控制器，基于模糊控制器中的隶属函数和模糊规则，利用模糊推理和重心法完成模糊推理和清晰化，得到PID控制器参数的修正量。

5.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，模糊控制器的伸缩因子根据模糊输入量的大小进行自适应调整，实现在误差趋近于零时，增加模糊规则的数量，提高的控制精度。

6.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，确定输入变量和输出变量论域的伸缩因子α(x)和β_p、β_i和β_d的具体过程为：

在输出论域中，综合考虑PID控制器输入变量特点，使得ΔK_p、ΔK_d的伸缩因子β_p、β_d与耕深误差e变化方向保持一致，ΔK_i的伸缩因子β_i则与耕深误差e保持反向，具体可表示为β_p＝β_d＝|2e|，

7.如权利要求1所述的一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制方法，其特征是，输入变量的初始论域为X＝[-E，E]，则变论域后的论域为X＝[-α(x)E，α(x)E]，设输出变量的初始论域为Y_p＝Y_i＝Y_d＝[-K，K]，则变论域后的论域为Y_p＝[-β_pK，β_pK]、Y_i＝[-β_iK，β_iK]和Y_d＝[-β_dK，β_dK]；

优选的，针对模糊控制器确定模糊规则，选取三角形隶属度函数，在建立模糊控制规则时，综合考虑拖拉机跨区作业控制系统工作特点和各控制参数之间的相互关系，制定出模糊控制规则。

8.一种拖拉机耕深变论域模糊PID控制系统，其特征是，包括：

9.一种计算装置，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征是，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1-7任一所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征是，该程序被处理器执行时执行权利要求1-7任一所述方法的步骤。