摘要:由于采棉機行走機構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定性與可靠性。為此，應用灰色預測方法，基于模糊理論設計了能夠對采棉機行走速度進行控制調節的灰色預測模糊PID控制器，建立了采棉機行走控制系統仿真模型。通過仿真試驗得出:灰色預測模糊PID控制器相比常規PID控制器具有良好的控制效果，且具有超調量小、響應時間短及魯棒性好的特點。

　　關鍵詞:采棉機;體積流量;灰色預測;模糊PID控制

　　0引言

　　采棉機前進速度是影響收獲機作業質量和收獲效率的主要參數，性能良好的采棉機在高采凈率和允許損失量的前提下應具有較大的前進速度。研究表明:采棉機的工作環境是復雜開放、非結構性地理環境，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、機構性能隨棉花的物理特性及路況的變化而改變，控制參數及工作性能參數也會變化，工作性能參數與影響因素之間數學模型很難建立［1－2］。國產采棉機作業速度無法及時適應外部作業條件，以及棉花密植程度、行駛阻力的變化等作業環境，導致棉花采凈率低、輸棉管道堵塞，無法保證棉花采收質量。行走速度太快，極易造成輸棉管堵塞，導致采棉機發生故障，嚴重時甚至發生火災;行走速度過慢，會導致棉花采摘效率低下、含雜率較高，從而導致棉花品質下降。針對以上問題，研究控制采棉機行進機構更加穩健的速度控制系統尤為重要。

　　1體積流量灰色預測模糊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，是由已經發生的行為動作對系統進行反饋控制。由于采棉機工作系統復雜多變，很難做到實時、準確地對行走機構做出及時調速。通過體積流量灰色預測模糊PID控制將灰色預測理論和模糊推理思想相結合［6］，使用一種新型的步長調節機制，不僅避免了通過建立模糊規則改變灰色預測步長的繁瑣，同時還避免了通過經驗設定步長、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值為采集的樣本信息，通過對體積流量數據的讀取，按照新陳代謝方法建立體積流量的灰色預測模型，同時使用模糊PID參數控制器對工作參數進行在線實時校正和調節，實現對采棉機行走速度的實時控制［8］。

　　2體積流量灰色預測模糊PID控制器設計

　　2．1體積流量灰色預測模型

　　灰色預測是以預測對象的原始數據序列為基礎所進行的預測，對于原始數據非負、近似呈指數增長呈增長速度并不很快的數據序列，往往能夠取得較好的預測效果;對于數據序列本身規律性不強的數列，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律性，從而提高預測精度［11］。描述灰色預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;N為模型的變量個數。當M=N=1時，即構成了單變量一階灰色預測模型。通常計算量隨M和N的增大而呈指數性增大，結果并不一定理想。根據采棉機體積流量控制的要求，通過給出相應的測試數據并且建立數學模型。以GM(1，1)模型為基礎建立預測模型，即控制系統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控制器的設計

　　圖1中，模糊控制系統與參數可調整PID共同組成了模糊PID控制器，控制系統對3個調節系數實現實時自動調節，系統的控制是由PID系數可調來完成。機組行走中，體積流量將被控制在一個范圍內不會是一個具體數值。若為一個數值，則控制系統會因為棉花的基本特性、路面狀況等因素的變化，使控制系統會處于不穩定的工作狀態中，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的設置為:當體積流量在閾值范圍之內時，控制系統會在當前運動狀態下保持不變;若預測值超出閾值范圍，則控制系統會對被控對象進行自動校正和調節。設體積流量最佳范圍是［Ｒ1，Ｒ2］，控制過程為:當Ｒ1≤q≤Ｒ2時，采棉機會保持當前的行進速度;q＜Ｒ1或q＞Ｒ2時，采棉機行進速度將會隨之增大或減小，通過控制系統的快速調節，體積流量將會再次被控制在［Ｒ1，Ｒ2］范圍之內。

　　3算法仿真與結果分析

　　3．1控制算法仿真

　　圖5為在Simulink環境下采棉機行進控制系統仿真模型，模型是由系統傳遞函數與系統仿真模型有機結合得到的。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PID控制超調量大，響應時間長，速度慢;當采用灰色預測模糊PID控制時，系統的超調量減小，響應時間短、速度快，系統的魯棒性良好。

　　3．2仿真與結果分析

　　根據具體控制需求，對采棉機行走控制系統設定的性能要求如下:行進速度調節的準確度達到1m/s，測試精度為0．5m/s，調節器對行走機構的控制和調節應在1～2s之內完成［17］。根據系統控制要求，控制結果的超調響應時間應控制在1～2s間，控制誤差應小于0．5m/s。

　　4結論

　　1)MatLab仿真結果表明:灰色模糊PID控制的采棉機行走系統效果較好，具有響應時間快、超調量小和控制精度高等優點，動態響應性和魯棒性明顯都要比常規PID效果顯著。

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

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

　　參考文獻:

　　［1］王磊，張宏文，劉巧．膠棒滾筒棉花采摘頭采收性能試驗［J］．農業工程學報，2016，32(18):35－41．

　　［2］張宏文，康敏，傅秀清，等．膠棒滾筒棉花采摘頭的設計與試驗［J］．農業工程學報，2011，27(2):109－113．

　　［3］陳進，寧小波，李耀明，等．聯合收獲機前進速度的模型參考模糊自適應控制系統［J］．農業機械學報，2014，45(10):87－91，86．

　　［4］姬江濤，王榮先，符麗君．聯合收獲機喂入量灰色預測模糊PID控制［J］．農業機械學報，2008(3):63－66．

　　［5］苗中華，李闖，韓科立，等．基于模糊PID的采棉機作業速度最優控制算法與試驗［J］．農業機械學報，2015，46(4):9－14，27．