摘要:由于采棉機行走機構(gòu)的控制運行具有大延遲、大慣性等非線性特點，給采棉機高效快速采摘棉花帶來很大困難，影響采棉機行進速度的穩(wěn)定性與可靠性。為此，應(yīng)用灰色預(yù)測方法，基于模糊理論設(shè)計了能夠?qū)Σ擅迿C行走速度進行控制調(diào)節(jié)的灰色預(yù)測模糊PID控制器，建立了采棉機行走控制系統(tǒng)仿真模型。通過仿真試驗得出:灰色預(yù)測模糊PID控制器相比常規(guī)PID控制器具有良好的控制效果，且具有超調(diào)量小、響應(yīng)時間短及魯棒性好的特點。

　　關(guān)鍵詞:采棉機;體積流量;灰色預(yù)測;模糊PID控制

　　0引言

　　采棉機前進速度是影響收獲機作業(yè)質(zhì)量和收獲效率的主要參數(shù)，性能良好的采棉機在高采凈率和允許損失量的前提下應(yīng)具有較大的前進速度。研究表明:采棉機的工作環(huán)境是復(fù)雜開放、非結(jié)構(gòu)性地理環(huán)境，有較強的非線性、時變性等諸多不確定性擾動，部件的工作狀態(tài)、機構(gòu)性能隨棉花的物理特性及路況的變化而改變，控制參數(shù)及工作性能參數(shù)也會變化，工作性能參數(shù)與影響因素之間數(shù)學(xué)模型很難建立［1－2］。國產(chǎn)采棉機作業(yè)速度無法及時適應(yīng)外部作業(yè)條件，以及棉花密植程度、行駛阻力的變化等作業(yè)環(huán)境，導(dǎo)致棉花采凈率低、輸棉管道堵塞，無法保證棉花采收質(zhì)量。行走速度太快，極易造成輸棉管堵塞，導(dǎo)致采棉機發(fā)生故障，嚴(yán)重時甚至發(fā)生火災(zāi);行走速度過慢，會導(dǎo)致棉花采摘效率低下、含雜率較高，從而導(dǎo)致棉花品質(zhì)下降。針對以上問題，研究控制采棉機行進機構(gòu)更加穩(wěn)健的速度控制系統(tǒng)尤為重要。

　　1體積流量灰色預(yù)測模糊PID控制原理

　　采棉機體積流量選用的控制策略為模糊理論、PID控制等方法，是由已經(jīng)發(fā)生的行為動作對系統(tǒng)進行反饋控制。由于采棉機工作系統(tǒng)復(fù)雜多變，很難做到實時、準(zhǔn)確地對行走機構(gòu)做出及時調(diào)速。通過體積流量灰色預(yù)測模糊PID控制將灰色預(yù)測理論和模糊推理思想相結(jié)合［6］，使用一種新型的步長調(diào)節(jié)機制，不僅避免了通過建立模糊規(guī)則改變灰色預(yù)測步長的繁瑣，同時還避免了通過經(jīng)驗設(shè)定步長、變換閾值改變步長的偏差大和耗時性［7］。通過測到的棉花流量數(shù)值為采集的樣本信息，通過對體積流量數(shù)據(jù)的讀取，按照新陳代謝方法建立體積流量的灰色預(yù)測模型，同時使用模糊PID參數(shù)控制器對工作參數(shù)進行在線實時校正和調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對采棉機行走速度的實時控制［8］。

　　2體積流量灰色預(yù)測模糊PID控制器設(shè)計

　　2．1體積流量灰色預(yù)測模型

　　灰色預(yù)測是以預(yù)測對象的原始數(shù)據(jù)序列為基礎(chǔ)所進行的預(yù)測，對于原始數(shù)據(jù)非負(fù)、近似呈指數(shù)增長呈增長速度并不很快的數(shù)據(jù)序列，往往能夠取得較好的預(yù)測效果;對于數(shù)據(jù)序列本身規(guī)律性不強的數(shù)列，通常可以通過累加或累減等處理方法，弱化原始序列的隨機性，使生成的新序列具有更強的規(guī)律性，從而提高預(yù)測精度［11］。描述灰色預(yù)測過程的典型模型為GM模型。灰色模型的通用表達形式為GM(M，N)。其中，M為對原始序列的累加生成次數(shù);N為模型的變量個數(shù)。當(dāng)M=N=1時，即構(gòu)成了單變量一階灰色預(yù)測模型。通常計算量隨M和N的增大而呈指數(shù)性增大，結(jié)果并不一定理想。根據(jù)采棉機體積流量控制的要求，通過給出相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)并且建立數(shù)學(xué)模型。以GM(1，1)模型為基礎(chǔ)建立預(yù)測模型，即控制系統(tǒng)反饋信號是由體積流量Q為變量的一階模型［12－13］。

　　2．2體積流量模糊PID控制器的設(shè)計

　　圖1中，模糊控制系統(tǒng)與參數(shù)可調(diào)整PID共同組成了模糊PID控制器，控制系統(tǒng)對3個調(diào)節(jié)系數(shù)實現(xiàn)實時自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的控制是由PID系數(shù)可調(diào)來完成。機組行走中，體積流量將被控制在一個范圍內(nèi)不會是一個具體數(shù)值。若為一個數(shù)值，則控制系統(tǒng)會因為棉花的基本特性、路面狀況等因素的變化，使控制系統(tǒng)會處于不穩(wěn)定的工作狀態(tài)中，自動控制的目的難以達到，還會使采棉機變得難以操控。因此，對采棉機體積流量的閾值指標(biāo)的設(shè)置為:當(dāng)體積流量在閾值范圍之內(nèi)時，控制系統(tǒng)會在當(dāng)前運動狀態(tài)下保持不變;若預(yù)測值超出閾值范圍，則控制系統(tǒng)會對被控對象進行自動校正和調(diào)節(jié)。設(shè)體積流量最佳范圍是［Ｒ1，Ｒ2］，控制過程為:當(dāng)Ｒ1≤q≤Ｒ2時，采棉機會保持當(dāng)前的行進速度;q＜Ｒ1或q＞Ｒ2時，采棉機行進速度將會隨之增大或減小，通過控制系統(tǒng)的快速調(diào)節(jié)，體積流量將會再次被控制在［Ｒ1，Ｒ2］范圍之內(nèi)。

　　3算法仿真與結(jié)果分析

　　3．1控制算法仿真

　　圖5為在Simulink環(huán)境下采棉機行進控制系統(tǒng)仿真模型，模型是由系統(tǒng)傳遞函數(shù)與系統(tǒng)仿真模型有機結(jié)合得到的。使用M語言對仿真模型進行編寫并通過控制算法對其進行仿真驗證。通過仿真驗證可以看出:常規(guī)PID控制超調(diào)量大，響應(yīng)時間長，速度慢;當(dāng)采用灰色預(yù)測模糊PID控制時，系統(tǒng)的超調(diào)量減小，響應(yīng)時間短、速度快，系統(tǒng)的魯棒性良好。

　　3．2仿真與結(jié)果分析

　　根據(jù)具體控制需求，對采棉機行走控制系統(tǒng)設(shè)定的性能要求如下:行進速度調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確度達到1m/s，測試精度為0．5m/s，調(diào)節(jié)器對行走機構(gòu)的控制和調(diào)節(jié)應(yīng)在1～2s之內(nèi)完成［17］。根據(jù)系統(tǒng)控制要求，控制結(jié)果的超調(diào)響應(yīng)時間應(yīng)控制在1～2s間，控制誤差應(yīng)小于0．5m/s。

　　4結(jié)論

　　1)MatLab仿真結(jié)果表明:灰色模糊PID控制的采棉機行走系統(tǒng)效果較好，具有響應(yīng)時間快、超調(diào)量小和控制精度高等優(yōu)點，動態(tài)響應(yīng)性和魯棒性明顯都要比常規(guī)PID效果顯著。

　　2)系統(tǒng)使用灰色模糊PID控制器控制，當(dāng)體積流量發(fā)生階躍變化時，在階躍信號下灰色模糊PID控制要比常規(guī)PID控制的相對誤差要小，其魯棒性比常規(guī)PID控制明顯增強。

　　3)由灰色預(yù)測方法、模糊理論和PID控制所構(gòu)成的灰色模糊PID控制器被應(yīng)用在采棉機行進速度控制系統(tǒng)中，可以使機組在行進過程中存在的響應(yīng)速度慢、超調(diào)量大等問題得到有效的改善，可以獲得較好的控制效果。

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