CN102929146B - 联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置及控制方法，主要涉及农业机械领域。其特征是：由控制器、触摸屏、传感器***、手动/自动切换开关、执行***组成。传感器***用于采集联合收割机脱粒滚筒、割台绞龙、输送槽、喂入量以及损失量等信号；手动/自动切换开关用于手动状态和自动状态的切换；执行***由放大器、速度控制阀和电控手柄组成；工作时，控制器接收传感器***采集的信号，融合模型参考自适应控制算法对联合收割机的作业速度进行自适应控制。控制过程中通过触摸屏显示联合收割机的运行状态，若联合收割机发生故障可以通过触摸屏上的声光报警***进行声光报警。

Description

联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置及方法

技术领域    

本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置。

背景技术

随着农业机械化的快速发展，联合收割机在农业生产中的应用也越来越广泛，极大的推动了农村的经济发展，联合收割机作为主要收获机械，随着农民收入的提高，对其操纵的舒适性和智能化要求越来越高，联合收割机朝着智能化方向发展是必然趋势。联合收割机的作业速度由作物密度、湿度、田间土壤状况、割幅等因素决定，不同的田间环境对应着不同的最佳作业速度。传统的作业方式主要是依靠驾驶员的个人经验，对驾驶员的操作水平要求高，劳动强度大，并且很难在高作业效率与低故障率之间寻找到合适的平衡点。因此，研究联合收割机作业速度自动控制***的意义就在于能够减轻驾驶员的劳动强度，并且能够更准确的获取收割机的作业状态，在无故障的状态下获得更高的作业效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题：克服上述设备的技术缺点，提供一种基于多监测点状态参数的联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置。该装置能对联合收割机各作业点的状态进行实时显示，能独立设定控制模型参数，并进行作业速度以及加速度的自适应调节、控制参数的自适应优化、试验过程中能够进行数据的存储及复现，该装置能使联合收割机在无故障、低损失的前提下，获得最佳的作业速度，保持合理、均匀的喂入量。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置由硬件***和软件***组成。硬件***由控制器、触摸屏、传感器***、手动/自动切换开关、执行***组成。手动/自动切换开关用于联合收割机手动状态和自动状态的切换；控制器由可编程控制器PLC及其***电路组成；触摸屏能够显示联合收割机的运行状态，当联合收割机发生故障时，可以通过触摸屏上的声光报警***进行声光报警；执行***由放大器、速度控制阀和电控手柄组成；传感器***由测量作业速度、脱粒滚筒转速、输粮搅龙转速、输送槽转速、喂入量、损失量等传感器及其调理电路组成。通过传感器***对联合收割机各工作参数进行监测，通过控制器和放大器调节速度控制阀实现联合收割机作业速度的自动调整，同时通过触摸屏显示联合收割机的运行状态，软件***主要是由信号检测模块、模型参考自适应算法模块及作业速度控制模块等组成。

本发明技术方案包括如下步骤：

A.没有按下手动/自动切换开关，联合收割机处于手动工作状态；按下手动/自动切换开关，将放大器与速度控制阀连接，联合收割机处于自动控制状态。

B.传感器***采集联合收割机的各路信号，经过相关的调理电路处理后输入到控制器中建立模型参考自适应控制模型。

C．控制器根据建立的模型参考自适应控制模型，依据联合收割机不同的工作状态，选择不同的控制策略对放大器进行控制，放大器控制速度控制阀的开度，从而实现对联合收割机作业速度的自适应控制。

本发明的有益效果是，在联合收割机现有的液压无极变速器手动调速机构的基础上，附加了作业速度模型参考自适应控制装置，由传感器***采集联合收割机工作状态信号输入可编程控制器PLC进行模型参考自适应算法模块处理，选择相应的控制策略，驱动执行***工作，从而实现联合收割机作业速度自适应控制，同时实时显示联合收割机的工作状态，遇到故障时及时进行声光报警。

附图说明   

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置工作原理框图。

图2为联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置硬件电路框图。

图3为联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置控制模块原理图。

图4为联合收割机作业速度模型参考自适应控制方法流程图。

图5为模型参考控制子程序流程图。

图6为联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置模型参考规则表。

具体实施方式   

如图1和图2所示，联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置的硬件***由控制器2、触摸屏1、传感器***3、手动/自动切换开关6、执行***组成，其中执行***包括电控手柄5、速度控制阀7和放大器4。

所述传感器***3是由安装于联合收割机8上的各个监测点的传感器组成，包括安装于脱粒滚筒、输粮搅龙和前进轮转轴上的霍尔转速传感器，安装于割台搅龙转轴上的喂入量传感器和安装于联合收割机8筛子尾部的损失量传感器。传感器***3的输出端接控制器2的输入端。

所述触摸屏1与控制器2输出端连接，用于显示联合收割机8的运行状态，当联合收割机8发生故障时，通过触摸屏上的声光报警***可以进行声光报警。

所述控制器2由可编程控制器及其调理电路组成，控制器2的输入端与传感器***3的输出端连接，输出端与触摸屏1连接，控制器2的输出端接放大器4的输入端。放大器4的输出端接入手动/自动切换开关6的自由端，手动/自动切换开关6的公共端与联合收割机8的速度控制阀7相连，手动/自动切换开关6的另一个自由端接电控手柄5，通过手动/自动切换开关6实现联合收割机8手动与自动状态的切换。手动控制由电控手柄5直接控制速度控制阀7，自动控制由控制器2输出电压驱动放大器4控制速度控制阀7。速度控制阀7为比例双向阀，根据电流的方向与大小控制阀的流通方向与流量大小。手动控制时，手动/自动切换开关6将速度控制阀7与电控手柄5连通。电控手柄5为电比例输出，手柄置于中位时无电压输出，当手柄前推按比例输出正向电压，当手柄后拉按比例输出反向电压，通过手柄的输出电压控制速度控制阀7。自动控制时，手动/自动切换开关6将速度控制线圈两端与放大器4连通。此时手柄失效，联合收割机8的作业速度完全由控制器2控制。放大器4的功能是将控制器2输出的电压线性的转化为电流驱动速度控制阀7，在使用前必须对其进行标定。通过MIN旋钮调节输出电流，使控制器2对放大器4输入最小电压值时，放大器4输出电流为0；通过MAX旋钮调节输出电流，使控制器2对放大器4输入最大电压值时，放大器4输出电流正好能使联合收割机8的作业速度最大。放大器4调整完成后，只需改变输入端VI的电压值即可控制联合收割机8的作业速度。

联合收割机作业速度模型参考自适应控制原理及流程如图3所示，模型参考自适应控制主要由四部分组成：被控对象、参考模型、自适应控制器和自适应规律。其中，r为***的输入，u为模糊控制器输出的控制信号，y为被控对象的实际输出，y_m为输出的参考值，e为实际输出与参考值的偏差，                                                为参数调整。

联合收割机自适应控制如图4、5所示，控制***首先调用自适应控制程序，根据自适应控制程序对联合收割机进行自适应速度调节，然后通过触摸屏采集监测数据，通过图5所示的参考流程判断联合收割机的前进速度是否符合参考模型，若前进速度符合参考模型则进行数据的优化，若不符合参考模型则重新进行数据的判断。

本发明的联合收割机自适应控制方法，其具体步骤为：

步骤1、设定控制器2中的模块参数。设N₁ 、N₂、N₃、N₄、N₅分别为割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、前进速度、输送槽正常作业状态下的转速参考值，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅分别为割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、前进速度、输送槽的实际转速测量值，M₁、M₂分别为喂入量和损失量的上限值，m₁、m₂分别为喂入量和损失量的实际测量值。根据水稻和小麦的收获状况不同，分别设定了正常工作状态下的初始参考模型。

步骤2、控制器2通过传感***采集喂入量、行驶速度、脱粒滚筒转速、输粮搅龙转速、损失量的信息。对信息进行处理，得到各监测点的状态值，通过触摸屏显示各监测点状态。

步骤3、控制器2通过模型参考自适应控制模块对各监测点的状态值进行处理与融合。如图3所示，各监测点状态值先经参考模型处理后通过自适应控制模块进行融合。自适应控制器的设计过程如下。

假设被控对象的状态方程为

 ( )   （1）

假设参考模型是线性***，并由式（4.2）确定：

        （2）

又假设A的所有特征值都有负实部，则该模型参考***具有一个渐近稳定的平衡状态。令误差向量e为：

通过一个合适的控制向量u，使得误差向量减小到零。由式（1）和（2）可得

              （3）

设计一个控制器，使得在稳态时，

 和 

                           或  

因此，模型参考自适应控制的重点就是设计出一个自适应控制器，通过自适应控制器输出的控制变量u，使得被控对象的输出与参考模型之间的偏差e为零。

步骤4、控制器3选择相应的参考模型。自适应***中的反馈控制是根据实际各监测点的状态与所设定的最佳参数的误差，经自适应控制器得出相应的参考模型，通过自适应控制策略使得各监测点的状态趋近于所设定的模型。本***的自适应控制器中共设定了三种参考模型，分别命名为为正常、异常、故障。正常工作状态的参考模型为步骤1中的设定值，其中割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、输送槽的转速参考值可根据收割环境的不同进行修改，喂入量与损失量为联合收割机固定的性能指标；异常工作状态参考模型中作业速度为正常工作状态下的50%；故障状态参考模型中作业速度为0。模型参考规则如图6所示，5路转速值的上限分别为联合收割机最大油门且空载状态下的转速值，参考模型选取的优先级为：故障>异常>正常，即有故障时进入故障状态模型，无故障有异常时进入异常状态模型，无故障无异常时才进入正常状态模型。

步骤5、判断是否进行手动控制，若进入手动控制，则联合收割机前进速度自适应控制结束，触摸屏依旧显示其工作状态。若不进入手动控制，则返回步骤2，继续进行自适应控制。

Claims (1)

1.一种联合收割机作业速度模型参考自适应控制装置的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

A.没有按下手动/自动切换开关（6），联合收割机（8）处于手动工作状态；按下手动/自动切换开关（6），将放大器（4）与速度控制阀（7）连接，联合收割机（8）处于自动控制状态；

B.传感器***（3）采集联合收割机（8）的各路信号，经过相关的调理电路处理后输入到控制器（2）中建立模型参考自适应控制模型；

C．控制器（2）根据建立的模型参考自适应控制模型，依据联合收割机（8）的工作状态，选择控制策略对放大器（4）进行控制，放大器（4）控制速度控制阀（7）的开度，从而实现对联合收割机（8）作业速度的自适应控制；建立模型参考自适应控制模型的步骤为：先利用手动控制下的经验数据建立参考模型，将传感器***（3）采集到的各路信号与参考模型中的设定值进行比较，当联合收割机（8）的实际参数与参考模型中的参数出现偏差时，根据自适应规律进行调整，从而及时调整联合收割机（8）的作业速度；控制器（2）中共设定了三种参考模型，分别命名为正常、异常、故障；正常工作状态的参考模型为根据水稻和小麦的收获状况不同分别设定：设N₁ 、N₂、N₃、N₄、N₅分别为割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、前进速度、输送槽正常作业状态下的转速参考值，n₁、n₂、n₃、n₄、n₅分别为割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、前进速度、输送槽的实际转速测量值，M₁、M₂分别为喂入量和损失量的上限值，m₁、m₂分别为喂入量和损失量的实际测量值；其中割台搅龙、脱粒滚筒、输粮搅龙、输送槽的转速参考值可根据收割环境的不同进行修改，喂入量与损失量为联合收割机固定的性能指标；异常工作状态参考模型中作业速度为正常工作状态下的50%；故障状态参考模型中作业速度为0；模型参考规则为：

；

n₁、n₂、n₃、n₄、n₅的转速值的上限分别为联合收割机最大油门且空载状态下的转速值，参考模型选取的优先级为：故障>异常>正常，即有故障时进入故障状态模型，无故障有异常时进入异常状态模型，无故障无异常时才进入正常状态模型。