采棉机体积流量灰色预测模糊PID控制方法

　　摘要:由于采棉机行走机构的控制运行具有大延迟、大惯性等非线性特点，给采棉机高效快速采摘棉花带来很大困难，影响采棉机行进速度的稳定性与可靠性。为此，应用灰色预测方法，基于模糊理论设计了能够对采棉机行走速度进行控制调节的灰色预测模糊PID控制器，建立了采棉机行走控制系统仿真模型。通过仿真试验得出:灰色预测模糊PID控制器相比常规PID控制器具有良好的控制效果，且具有超调量小、响应时间短及鲁棒性好的特点。

　　关键词:采棉机;体积流量;灰色预测;模糊PID控制

　　0引言

　　采棉机前进速度是影响收获机作业质量和收获效率的主要参数，性能良好的采棉机在高采净率和允许损失量的前提下应具有较大的前进速度。研究表明:采棉机的工作环境是复杂开放、非结构性地理环境，有较强的非线性、时变性等诸多不确定性扰动，部件的工作状态、机构性能随棉花的物理特性及路况的变化而改变，控制参数及工作性能参数也会变化，工作性能参数与影响因素之间数学模型很难建立［1－2］。国产采棉机作业速度无法及时适应外部作业条件，以及棉花密植程度、行驶阻力的变化等作业环境，导致棉花采净率低、输棉管道堵塞，无法保证棉花采收质量。行走速度太快，极易造成输棉管堵塞，导致采棉机发生故障，严重时甚至发生火灾;行走速度过慢，会导致棉花采摘效率低下、含杂率较高，从而导致棉花品质下降。针对以上问题，研究控制采棉机行进机构更加稳健的速度控制系统尤为重要。

　　1体积流量灰色预测模糊PID控制原理

　　采棉机体积流量选用的控制策略为模糊理论、PID控制等方法，是由已经发生的行为动作对系统进行反馈控制。由于采棉机工作系统复杂多变，很难做到实时、准确地对行走机构做出及时调速。通过体积流量灰色预测模糊PID控制将灰色预测理论和模糊推理思想相结合［6］，使用一种新型的步长调节机制，不仅避免了通过建立模糊规则改变灰色预测步长的繁琐，同时还避免了通过经验设定步长、变换阈值改变步长的偏差大和耗时性［7］。通过测到的棉花流量数值为采集的样本信息，通过对体积流量数据的读取，按照新陈代谢方法建立体积流量的灰色预测模型，同时使用模糊PID参数控制器对工作参数进行在线实时校正和调节，实现对采棉机行走速度的实时控制［8］。

　　2体积流量灰色预测模糊PID控制器设计

　　2．1体积流量灰色预测模型

　　灰色预测是以预测对象的原始数据序列为基础所进行的预测，对于原始数据非负、近似呈指数增长呈增长速度并不很快的数据序列，往往能够取得较好的预测效果;对于数据序列本身规律性不强的数列，通常可以通过累加或累减等处理方法，弱化原始序列的随机性，使生成的新序列具有更强的规律性，从而提高预测精度［11］。描述灰色预测过程的典型模型为GM模型。灰色模型的通用表达形式为GM(M，N)。其中，M为对原始序列的累加生成次数;N为模型的变量个数。当M=N=1时，即构成了单变量一阶灰色预测模型。通常计算量随M和N的增大而呈指数性增大，结果并不一定理想。根据采棉机体积流量控制的要求，通过给出相应的测试数据并且建立数学模型。以GM(1，1)模型为基础建立预测模型，即控制系统反馈信号是由体积流量Q为变量的一阶模型［12－13］。

　　2．2体积流量模糊PID控制器的设计

　　图1中，模糊控制系统与参数可调整PID共同组成了模糊PID控制器，控制系统对3个调节系数实现实时自动调节，系统的控制是由PID系数可调来完成。机组行走中，体积流量将被控制在一个范围内不会是一个具体数值。若为一个数值，则控制系统会因为棉花的基本特性、路面状况等因素的变化，使控制系统会处于不稳定的工作状态中，自动控制的目的难以达到，还会使采棉机变得难以操控。因此，对采棉机体积流量的阈值指标的设置为:当体积流量在阈值范围之内时，控制系统会在当前运动状态下保持不变;若预测值超出阈值范围，则控制系统会对被控对象进行自动校正和调节。设体积流量最佳范围是［Ｒ1，Ｒ2］，控制过程为:当Ｒ1≤q≤Ｒ2时，采棉机会保持当前的行进速度;q＜Ｒ1或q＞Ｒ2时，采棉机行进速度将会随之增大或减小，通过控制系统的快速调节，体积流量将会再次被控制在［Ｒ1，Ｒ2］范围之内。

　　3算法仿真与结果分析

　　3．1控制算法仿真

　　图5为在Simulink环境下采棉机行进控制系统仿真模型，模型是由系统传递函数与系统仿真模型有机结合得到的。使用M语言对仿真模型进行编写并通过控制算法对其进行仿真验证。通过仿真验证可以看出:常规PID控制超调量大，响应时间长，速度慢;当采用灰色预测模糊PID控制时，系统的超调量减小，响应时间短、速度快，系统的鲁棒性良好。

　　3．2仿真与结果分析

　　根据具体控制需求，对采棉机行走控制系统设定的性能要求如下:行进速度调节的准确度达到1m/s，测试精度为0．5m/s，调节器对行走机构的控制和调节应在1～2s之内完成［17］。根据系统控制要求，控制结果的超调响应时间应控制在1～2s间，控制误差应小于0．5m/s。

　　4结论

　　1)MatLab仿真结果表明:灰色模糊PID控制的采棉机行走系统效果较好，具有响应时间快、超调量小和控制精度高等优点，动态响应性和鲁棒性明显都要比常规PID效果显著。

　　2)系统使用灰色模糊PID控制器控制，当体积流量发生阶跃变化时，在阶跃信号下灰色模糊PID控制要比常规PID控制的相对误差要小，其鲁棒性比常规PID控制明显增强。

　　3)由灰色预测方法、模糊理论和PID控制所构成的灰色模糊PID控制器被应用在采棉机行进速度控制系统中，可以使机组在行进过程中存在的响应速度慢、超调量大等问题得到有效的改善，可以获得较好的控制效果。

　　参考文献:

　　［1］王磊，张宏文，刘巧．胶棒滚筒棉花采摘头采收性能试验［J］．农业工程学报，2016，32(18):35－41．

　　［2］张宏文，康敏，傅秀清，等．胶棒滚筒棉花采摘头的设计与试验［J］．农业工程学报，2011，27(2):109－113．

　　［3］陈进，宁小波，李耀明，等．联合收获机前进速度的模型参考模糊自适应控制系统［J］．农业机械学报，2014，45(10):87－91，86．

　　［4］姬江涛，王荣先，符丽君．联合收获机喂入量灰色预测模糊PID控制［J］．农业机械学报，2008(3):63－66．

　　［5］苗中华，李闯，韩科立，等．基于模糊PID的采棉机作业速度最优控制算法与试验［J］．农业机械学报，2015，46(4):9－14，27．

《采棉机体积流量灰色预测模糊PID控制方法》

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