CN112825668A - 一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机‑减速器‑脱粒滚筒/清选风机‑控制器构成两路耦合PID闭环控制，工控机向控制器提供含杂率、喂入量和损失率参数作为参考输入。闭环控制根据参考输入和实际输出在线辨识系统模型参数，根据多变量解耦的自校正PID算法实时计算控制器输出，实现对脱粒滚筒和清选风机的转速闭环控制。本发明在线辨识油菜联合收割机工作状态数学模型，在此基础上用控制算法寻找控制效果最优参数，降低油菜籽的含杂率和损失率，解决滚筒及风机转速受干扰影响波动较大的问题。
Description
技术领域
本发明属于机电控制技术领域，涉及油菜收割机的的脱粒滚筒及清选风机的控制，为一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统。
背景技术
现代农业装备智能化，对油菜联合收割机的收获效率提出了更高的要求。其中，损失率是衡量收获效率的重要指标，也是农业装备检测验收的主要指标之一。清选风机的转速是损失率的主要影响因素之一，脱粒滚筒的转速对于油菜籽粒的损失也有一定影响。在发动机油门和负载两者干扰下，滚筒以及风机的转速会发生明显的波动，使得收获速度以及损失率不能达到预期目标。
现阶段收获装备控制滚筒、风机转速，多依赖于机械传动装置，缺乏独立、稳定、智能化的控制手段，损失率、含杂率高。并且关于损失率的多种影响因素耦合性较强，难以定量分析各因素耦合关系，因此需要添加一个控制系统，在线辨识油菜联合收割机工作状态数学模型，在此基础上用控制算法寻找控制效果最优参数，降低油菜籽的含杂率和损失率。
发明内容
本发明要解决的问题是：油菜联合收割机中，在发动机油门和负载两者干扰下，滚筒以及风机的转速会发生明显的波动，影响工作效率，油菜籽收获的含杂率和损失率不能达到预期。
本发明的技术方案为：一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物喂入量、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。
进一步的，收割机设有疏密度摄像头、含杂率摄像头和损失率检测模块，两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机连接，疏密度摄像头设置在收割机上部，用于采集收割机前方图像，工控机通过图像识别处理获得作物的疏密度，并计算得到喂入量；含杂率摄像头安装在收割机粮仓上方采集图像，工控机通过图像识别处理获得作物含杂率；损失率检测模块安装于收割机杂质出口处，用于检测作物损失率。
作为优选方式，减速器通过无级调速皮带盘连接脱粒滚筒/清选风机，步进电机安装在无级调速皮带盘外侧，由蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与工控机连接，减速器为蜗轮蜗杆减速器，减速器固定在步进电机端头，蜗轮蜗杆减速器与无级调速皮带盘通过链条连接，步进电机转动调节无级调速皮带盘的松紧，改变脱粒滚筒/清选风机的转速。
作为优选方式，转速传感器为磁性霍尔转速传感器，安装在滚筒及风机/清选风机转轴顶端，输出方式为NPN型集电极开路输出，通过信号输出线连接到控制器，经过上拉电路形成脉冲信号，通过计算一次采样周期内上升沿的数量来计算转速。
本发明还提供一种油菜联合收割机的转速闭环控制方法，基于上述油菜联合收割机的转速闭环控制系统，对联合收割机的脱粒滚筒和清选风机的转速进行耦合闭环控制，闭环控制的控制对象为脱粒滚筒转速和清选风机转速，输入为作物喂入量、作物含杂率和作物损失率，输出为脱粒滚筒及清选风机转速，转速转化为步进电机的PWM信号及方向信号反馈给步进电机，实现对脱粒滚筒和清选风机的联动转速闭环控制。
作为优选方式，根据多变量解耦的自校正PID方法进行PID闭环控制，得到对脱粒滚筒和清选风机转速的最优控制参数输出。
本发明提供一种油菜联合收割机滚筒及风机转速闭环控制系统及控制方法，根据参考输入和实际输出在线辨识系统模型参数，根据多变量解耦的自校正PID算法实时计算控制器的输出，调节滚筒及风机转速，实现转速的闭环控制，解决滚筒及风机转速受干扰影响波动较大的问题，减少作物收获过程的损失率。与现有技术相比，本发明具有如下改进成果：
本发明采用两路步进电机的方式，单独控制脱离滚筒和清选风机的转速，避免了两者转速在运行过程中受油门控制，难以根据作业情况实时独立调节的问题。由转速传感器实时监测滚筒及风机的运行转速，结合喂入量、含杂率信息、损失数量信息作为闭环控制模型的输入，根据多变量解耦的自校正PID方法实时计算控制器的最优输出，在油门和负载的双重影响下保持转速的稳定，有效降低收获过程中的损失率。整个过程中智能化程度较高，结构简单、操作方便，具有实际的控制效果。
现有对联合收割机的闭环控制技术针对转速闭环或者转矩闭环，输入为当前的转速或转矩期望值，输出为转矩或转速。本发明是一种基于整个收获流程的系统闭环，以作物喂入量、含杂率和损失率为输入信息，滚筒转速和风机转速为输出信息的闭环控制系统，现有技术的转速闭环系统和转矩闭环系统可以提高转矩或者转速的稳定性，达到局部最优效果，而本发明整体收获流程的闭环控制系统直接以作物喂入量、含杂率和损失率三个最终目标作为输入信息，目的在于寻找全局最优结果。从优化的角度来看，本发明的控制系统优化目标是一个依据作物喂入量和含杂率动态变化的转速目标，而非单纯人工对收割机设置的转速或者转矩，具有更好的环境适应性，使得收割机的工作稳定且能自动适应实际作业情况。
现有闭环控制系统运用PID算法或者模糊算法，在不同的田间环境下需要经过实验来调整控制器的参数。油菜联合收割机控制系统中的变量在收获过程中耦合关系复杂并且具有较大非线性，实际情况中割台的高度、油菜高度、密度、收割机前进速度等均对喂入量有影响。本发明结合运用自校正PID算法可以在线辨识控制系统的数学模型，定量分析各变量之间的耦合关系。在不同地理环境下，为在线调节控制器的参数提供可靠依据。确定油菜从割台开始最终传送到粮仓的传送时间，可以调整自校正PID中的滞后算子确给定滞后信息。
本发明经由安装于驾驶室上方的和粮仓中的摄像头，通过图像识别算法得到疏密度和含杂率信息。疏密度信息结合油菜高度和割台高度信息及前进速度计算得到的喂入量信息，置信度更高。
本发明控制系统中，两路步进电机的旋转角度为滚筒及风机转速的主要影响因素，滚筒及风机转速在闭环控制模式下避免了发动机功率的影响。联合收割机的滚筒及风机系统中各变量的耦合性较强，从经验上可知：喂入量变化，需相应调整滚筒和风机转速，然而风机转速过大会增大损失率，转速过小会导致含杂率的上升，滚筒转速过小无法正常完成脱粒，转速过大造成作物损失或损坏，即以损失率与含杂率为综合优化目标时，减小损失率必然导致含杂率的上升，减小含杂率必然导致损失率的上升。滚筒转速及风机转速均影响含杂率、损失率，本发明以含杂率、损失率为控制系统的输入信息计算滚筒及风机的转速，因此本发明控制系统并不能简单割裂为滚筒及风机两套控制系统，而是一个联合闭环控制系统。
传统的PID算法是提取期望值与实际值的误差信息，以减小误差为目标进行控制。误差信息包含当前误差、误差的变化率、误差的累积，离线情况下控制器分别调节比例参数、微分参数、积分参数，达到稳态状态下实际值变化跟踪期望值变化的目的。联合收割机的滚筒及风机系统中，田间环境的变化、作物种类的变化都会影起系统数学模型的变化，液压、皮带等传动系统非线性环节严重，作物在整个收获周期的各环节间有一定时滞，传统的固定参数控制器不能满足控制系统性能要求，需引入可调参数PID控制器。本发明利用自校正的方式为可调PID控制器提供参数调整的依据，而自校正环节中最小二乘法需要保存大量数据信息，本发明采用递推最小二乘法可以有效减小控制器的计算量。本发明自校正PID算法在线辨识系统的数学模型，在系统数学模型变化的情况下能实时优化控制器的参数，提升系统的稳定性。
附图说明
图1为本发明的系统结构示意图
图2为自校正PID算法框图
图1中：1、蓄电池；2、滚筒步进电机；3、风机步进电机；4、滚筒蜗轮蜗杆减速器；5、风机蜗轮蜗杆减速器；6、滚筒无级调速皮带盘；7、风机无级调速皮带盘；8、脱粒滚筒；9、清选风机；10、滚筒霍尔转速传感器；11、风机霍尔转速传感器；12、控制器；13、工控机；14、显示器；15、电箱；16、疏密度摄像头；17、含杂率摄像头；18、损失率检测模块。
具体实施方式
本发明的转速闭环控制系统及控制方法实现对收割机脱粒滚筒和清选风机转速的耦合自适应控制，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物疏密度、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。
下面通过具体实施例说明本发明的实施。
本发明实施例采用的转速传感器为磁性霍尔转速传感器，12V供电，输出方式为NPN型集电极开路输出，通过信号输出线连接到控制器电路板，经过上拉电路形成3.3V脉冲信号进入控制器，通过计算一次采样周期内上升沿的数量来计算转速，前后两个上升沿之间表示旋转一圈。
本发明的摄像头采用工业相机，用于采集田间油菜疏密度的信息与粮仓收获到的油菜籽含杂信息。经过图像处理，将疏密度信息与含杂率信息分档，与控制器通信。
如图1所示，本发明的油菜联合收割机滚筒及风机转速闭环控制系统包括蓄电池1、滚筒步进电机2、风机步进电机3、滚筒蜗轮蜗杆减速器4、风机蜗轮蜗杆减速器5、滚筒无级调速皮带盘6、风机无级调速皮带盘7、脱粒滚筒8、清选风机9、滚筒霍尔转速传感器10、风机霍尔转速传感器11、控制器12、工控机13、显示器14、电箱15、疏密度摄像头16、含杂率摄像头17和损失率检测模块18。滚筒步进电机2和风机步进电机3分别安装在脱粒滚筒8的滚筒无级调速皮带盘6和清选风机9的风机无级调速皮带盘7外侧，滚筒蜗轮蜗杆减速器4固定在滚筒步进电机2端头，风机蜗轮蜗杆减速器5固定在风机步进电机3端头，滚筒蜗轮蜗杆减速器4、风机蜗轮蜗杆减速器5与滚筒无级调速皮带盘6、风机无级调速皮带盘7分别通过链条连接，步进电机转动调节皮带盘的松紧，改变滚筒及风机的传动比进而改变滚筒及风机转速。两个步进电机由24V蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与控制器连接，PWM控制信号占空比为50％，方向信号为5V高低电平。滚筒霍尔转速传感器10、风机霍尔转速传感器11分别安装在脱粒滚筒8及清选风机9的转轴顶端。控制器12即为PID控制器，采用STM32为核心的控制电路，计算滚筒及风机转速，并实时输出滚筒及风机步进电机的控制信号。控制器12与工控机13连接，安装在15电箱内部，15电箱固定在副驾驶下方。显示器14实时显示滚筒及风机转速数据，安装在驾驶室。疏密度摄像头16安装在驾驶室前部上方，用以观测农作物的疏密度；含杂率摄像头17安装在粮仓上方，用以观测油菜籽含杂程度；损失率检测模块18安装于杂质出口处，损失率检测为现有技术，不再详述。两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机13连接。控制器、步进电机、霍尔传感器形成闭环控制回路。
控制器根据疏密度信息、含杂率信息、损失数量信息的输入，运用多变量解耦的自校正PID的算法计算滚筒及风机的转速，完成滚筒及风机的闭环转速控制，实现转速的稳定。
目前多变量解耦自校正PID算法多用于维数相等的系统中，但工程上普遍存在输入输出维数不相等的物理系统。输入输出维度不等的自校正PID算法现有针对飞行器、机械臂等系统的研究，此类系统目前机械结构稳定，有相对精确的动力学模型。油菜联合收割机目前仍处于机械化改造的研制过程中，机械结构尚未定型。且目前的损失率、含杂率检测方法仍为收获后人工称量，现有的检测数据没有结合运行工况信息，无法实时定量分析变量间耦合关系，建立相对可信的数学模型为控制器优化提供依据。综合以上特性，本发明构建以含杂率、喂入量、损失率为参考输入，滚筒转速、风机转速为输出的三输入两输出控制模型，结合输入输出维数不等的自校正PID控制算法进行优化控制。其中，本发明采集的疏密度信息结合油菜高度和割台高度信息及前进速度计算得到的喂入量信息，置信度更高，将采集疏密度信息，转换为喂入量信息输入控制器输入。
如图2所示为本发明基于多变量解耦的自校正PID算法的控制系统框图。图中的PID可调控制器与被控过程为常规控制方案，在线辨识与参数计算是自适应调整机构。在线辨识即根据被控系统的输入，输出在线辨识后被控系统的参数，之后利用极点配置的方法配置PID控制器的参数。
考虑一个三输入两输出二阶系统，忽略扰动描述为：
A(z-1)y(k)＝B(z-1)u(k) (1)
式(1)中y(k)为输出矩阵，u(k)为输入矩阵，A、B表示多项式矩阵，k表示k时刻，多项式矩阵为：
A(z-1)＝(Aij)，B(z-1)＝(z-kijBij) (2)
式(2)中z为Z变换算子，其上标为滞后因子。Z-1为单位滞后因子，
为矩阵i行j列项的滞后因子，即式(1)可以写成：
且
Aii＝1+aii1z-1+aii2z-2，Bj＝bj0+bj1z-1 (4)
aii1、aii2、bj0、bj1为多项式系数，用于描述系统数学模型。对于三输入两输出二阶系统，i的范围为1～2，j的范围为1～3。
式(1)可以写成如下分量形式：
根据离散差分形式的PID公式得到可调控制器：
Hi(z-1)ui(k)＝Gi(z-1)wi(k)-Gi(z-1)yi(k) (6)
对于三输入两输出二阶系统，在第i个子系统中，ui(k)为系统输入，yi(k)为系统输出，wi(k)为参考输入，Hi(z-1)与Gi(z-1)为PID控制器参数，Hi(z-1)＝(1-z-1)(1+h1z-1)，Gi(z-1)＝g0+g1z-1+g2z-2，h1、g0、g1、g2为对应的控制器参数函数系数。
将式(6)带入式(5)中，消去中间变量ui(k)得到滚筒及风机转速闭环系统传递函数：
[Aii(z-1)Hi(z-1)+z-1Bii(z-1)Gi(z-1)]yi(k)＝Gi(z-1)Bii(z-1)wi(k-1)+z-1Hi(z-1)Bj(z-1)uj(k) (7)
Hi()含有滞后算子(1-z-1)，在稳态的情况下，可以将式(7)右边含有因子Hi()的项变为零，实现静态的解耦控制。
令闭环特征多项式式(7)为期望传递函数分母多项式，：
Aii(z-1)Hi(z-1)+z-1Bii(z-1)Gi(z-1)＝Ti(z-1) (8)
由此得到三输入两输出系统的参数在线辨识部分。
结合上述系统分析，油菜联合收割机的滚筒及风机转速闭环控制系统可视为两个单输出三输入的二阶子系统组成的三输入两输出系统，第i个子系统可以表示为：
式中
将式(9)写成
的形式，代入递推最小二乘法公式进行在线参数辨识。
θ＝[a1，a2，θ1，θ2]T (11)
且ai＝[aii1，aii2]，θ1＝[b110，b111，b120，b121，b130，b131]，θ2＝[b210，b211，b220，b221，b230，b231]。
式(12)中
y1＝[-y1(k-1) -y1(k-2)]，y2＝[-y2(k-1) -y2(k-2)]
u1(k)、u2(k)、u3(k)对应含杂率、喂入量、损失率三个参考输入，y1(k)、y1(k)对应滚筒转速、风机转速两个输出。
在PID控制过程中，用递推最小二乘法避免联合收割机工作期间测量数据不断增加，计算量不断增大的问题；通过在线辨识解决联合收割机实际运行过程中滚筒及风机系统参数时变性较强的问题。
对于控制器设计部分：
将参数辨识过程中辨识得到的参数带入式(8)，计算丢番图方程(DiophantineEquation)得到H(z-1)和G(z-1)。
再将H(z-1)与G(z-1)代入式(6)计算得到当前时刻控制器的输出。根据当前控制器的输出与被控对象的输出进行下一个控制周期。
本发明的控制器中，整理多变量解耦的自校正PID伪代码如下：
初始化uk，yk
初始化thetae_1为各元素为相同常量的矩阵
初始化P为主对角阵
while 1 do
1、phie←uk，yk；
2、K←P*phie/(1+phie′*P*phie)；
thetae←thetae_1+K*(y-phie′*thetae_1)；
P←(eye(8)-K*phie′)*P；//递推最小二乘法参数辨识
3、[H，G]←diophantine(thetae，T)；//计算控制器参数
4、u←output(H，G，yr，y)；//计算控制器输出
5、thetae_1←thetae；//更新系统辨识参数
uk(2)←uk(1)；
yk(2)←yk(1)；//移位操作
uk1(1)←u1；
uk2(1)←u2；//首位更新为当前被控对象输入输出
yk(1)←y；//记录输出
end
根据上述伪代码：
首先初始化uk、yk、thetae_1、P。
步骤1，将式(12)写成矩阵的形式，记录观测到的滚筒及风机输入输出数据uk、yk，赋值给phie。
步骤2，对滚筒及风机两个双输入单输出子系统分别用递推最小二乘法进行参数辨识。thetae对应式(11)中的θ表示滚筒及风机系统模型待辨识的参数。K、P、thetae_1是参与递推最小二乘法的中间变量。y为滚筒及风机两个子系统当前时刻的输出。
步骤3，对应式(8)，将步骤2中递推最小二乘法计算得到的模型参数thetae对应系统的期望闭环系统特征多项式系数矩阵T代入diophantine函数计算得到系统对应的PID控制器参数H、G。
步骤4，根据式(6)计算控制器的的输出u，控制器输出u对应输入参数为控制器的参数H、G、系统参考输出yr、实际输出y。
步骤5，对各变量参数进行更新。将计算得到的thetae赋值给thetae_1。
对uk、yk分别进行移位操作，并且分别将首位更新为当前时刻滚筒控制器输出、风机控制器输出、滚筒实际输出和风机实际输出。
步骤6，一次控制周期完成，进入下一个控制周期循环执行。
本发明的转速闭环控制首先给定滚筒及风机闭环调速系统目标性能参数，定时采集系统当前时刻的含杂率、喂入量、损失数量作为期望输出；当前时刻的滚筒及风机转速作为实际输出。根据期望输出和实际输出，通过递推最小二乘法在线辨识滚筒及风机闭环调速系统的数学模型，Bij中即记录了辨识模型中各变量间的耦合关系。运用极点配置的方法在线调节PID控制器参数，调节输出的脉冲数量，改变步进电机的转速位置，调整皮带盘的传动比进而改变滚筒及风机转速。
本发明利用多变量解耦的自校正PID算法，可以针对油菜联合收割机各执行部件之间耦合关系较强、参数时变性非线性强的系统的问题，实时控制滚筒及风机转速，减少滚筒及风机转速受干扰影响产生的波动和收获过程的损失率、含杂率。
Claims (7)
1.一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物喂入量、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。
2.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是收割机设有疏密度摄像头、含杂率摄像头和损失率检测模块，两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机连接，疏密度摄像头设置在收割机上部，用于采集收割机前方图像，工控机通过图像识别处理获得作物的疏密度，并计算得到喂入量；含杂率摄像头安装在收割机粮仓上方采集图像，工控机通过图像识别处理获得作物含杂率；损失率检测模块安装于收割机杂质出口处，用于检测作物损失率。
3.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是减速器通过无级调速皮带盘连接脱粒滚筒/清选风机，步进电机安装在无级调速皮带盘外侧，由蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与工控机连接，减速器为蜗轮蜗杆减速器，减速器固定在步进电机端头，蜗轮蜗杆减速器与无级调速皮带盘通过链条连接，步进电机转动调节无级调速皮带盘的松紧，改变脱粒滚筒/清选风机的转速。
4.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是转速传感器为磁性霍尔转速传感器，安装在滚筒及风机/清选风机转轴顶端，输出方式为NPN型集电极开路输出，通过信号输出线连接到控制器，经过上拉电路形成脉冲信号，通过计算一次采样周期内上升沿的数量来计算转速。
5.根据权利要求1所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统，其特征是控制器采用STM32为核心的控制电路。
6.一种油菜联合收割机的转速闭环控制方法，其特征是基于权利要求1-5任一项所述的油菜联合收割机的转速闭环控制系统，对联合收割机的脱粒滚筒和清选风机的转速进行耦合闭环控制，闭环控制的控制对象为脱粒滚筒转速和清选风机转速，输入为作物喂入量、作物含杂率和作物损失率，输出为脱粒滚筒及清选风机转速，转速转化为步进电机的PWM信号及方向信号反馈给步进电机，实现对脱粒滚筒和清选风机的联动转速闭环控制。
7.根据权利要求6所述的一种油菜联合收割机的转速闭环控制方法，其特征是根据多变量解耦的自校正PID方法进行PID闭环控制，得到对脱粒滚筒和清选风机转速的最优控制参数输出。
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| CN202110158142.0A CN112825668A (zh) | 2021-02-04 | 2021-02-04 | 一种油菜联合收割机的转速闭环控制系统及控制方法 |
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