劉瑞林，畢 武，付 瓊，王 石

(國家林業(yè)和草原局哈爾濱林業(yè)機(jī)械研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)最早應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1-2]，由于社會(huì)發(fā)展的需要，自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)已逐步應(yīng)用到農(nóng)業(yè)、林業(yè)等懸掛機(jī)具設(shè)備的相關(guān)領(lǐng)域中，傳感器性能的不斷提升大大提高了自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的適應(yīng)性[3-4]。當(dāng)前國內(nèi)市場大多數(shù)農(nóng)林懸掛機(jī)具設(shè)備仍是傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)平模式[5]，這種方式的懸掛機(jī)具設(shè)備不能做到隨作業(yè)情況的變化而自動(dòng)調(diào)平。農(nóng)林作業(yè)中的懸掛機(jī)具設(shè)備如農(nóng)用犁旋一體機(jī)、林業(yè)用葡萄冬剪機(jī)和旋耕機(jī)等常用懸掛機(jī)具設(shè)備作業(yè)時(shí)，拖拉機(jī)拖帶機(jī)具車輪的一邊在未耕作土地上而另一邊車輪處于耕過的土地上，或是拖拉機(jī)在有傾斜的坡地作業(yè)時(shí)，會(huì)造成拖拉機(jī)與連接的懸掛機(jī)具之間產(chǎn)生傾角，拖拉機(jī)與懸掛機(jī)具之間產(chǎn)生的傾斜會(huì)影響平整度及等耕深作業(yè)指標(biāo)和作業(yè)效率，這時(shí)為了保證作業(yè)效果，需要手動(dòng)對機(jī)具進(jìn)行調(diào)平，手動(dòng)調(diào)評精度差、效率低。采用PLC控制的林用懸掛機(jī)具液壓自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)，可以有效地提高林用懸掛機(jī)具的作業(yè)機(jī)動(dòng)性和作業(yè)效率。

1 調(diào)平系統(tǒng)工作原理

1.1 調(diào)平系統(tǒng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方式

通常情況下，農(nóng)林業(yè)懸掛機(jī)具設(shè)備的調(diào)平動(dòng)力驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，可以采用機(jī)電和液壓兩種不同的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式[6]。機(jī)電驅(qū)動(dòng)方式需要將電機(jī)作為控制執(zhí)行器件，直接將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，該驅(qū)動(dòng)方式成本低、穩(wěn)定性好，但承載能力不足，驅(qū)動(dòng)力較小，不適用于大型設(shè)備，一般用在小型懸掛機(jī)具設(shè)備上；液壓驅(qū)動(dòng)方式需要將電能轉(zhuǎn)化為液壓能，再由液壓能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，該驅(qū)動(dòng)方式有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、操作簡單便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等特點(diǎn)，是比較常用的驅(qū)動(dòng)方式，可用于大型設(shè)備中。

1.2 調(diào)平系統(tǒng)工作原理

懸掛機(jī)具調(diào)平系統(tǒng)可分為單邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)和雙邊邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)。單邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)方式如圖1所示，該方式調(diào)平結(jié)構(gòu)簡單，雙邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)方式如圖2所示，該方式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，可根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。拖拉機(jī)上的懸掛機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)與懸掛機(jī)具連接，懸掛機(jī)具由驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)繞轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)。除了懸掛機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)，懸掛機(jī)具轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和拖拉機(jī)的連接視為剛性連接。懸掛機(jī)具橫滾角傳感系統(tǒng)安裝在懸掛機(jī)具上實(shí)時(shí)測量拖拉機(jī)的橫滾角，拖拉機(jī)田間作業(yè)時(shí)，懸掛機(jī)具與拖拉機(jī)一同產(chǎn)生傾斜，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)根據(jù)橫滾角作出控制決策，驅(qū)動(dòng)調(diào)平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)懸掛機(jī)具與拖拉機(jī)的相對角度，使懸掛機(jī)具實(shí)時(shí)保持預(yù)期的作業(yè)角度[7]。

2 調(diào)平控制系統(tǒng)

2.1 電液調(diào)平系統(tǒng)組成

懸掛機(jī)具自動(dòng)電液控制調(diào)平系統(tǒng)由信號采集、自動(dòng)電液控制和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。裝有自動(dòng)電液控制調(diào)平系統(tǒng)的懸掛機(jī)具在作業(yè)時(shí)，安裝在懸掛機(jī)具架上的傾角傳感器實(shí)時(shí)測量懸掛機(jī)具的傾斜角度，控制系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的角度范圍對實(shí)時(shí)輸入的角度值進(jìn)行判斷，當(dāng)角度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，控制機(jī)電液壓系統(tǒng)進(jìn)行懸掛機(jī)具平衡位置的伸出與收縮，達(dá)到調(diào)平懸掛機(jī)具目的，直至角度調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)懸掛機(jī)具自動(dòng)調(diào)平閉環(huán)控制，保持機(jī)具處于期望的預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。

圖1 單邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)方式1.拖拉機(jī)；2.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3.傾角傳感器；4懸掛機(jī)構(gòu)；5.調(diào)平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2 雙邊調(diào)平驅(qū)動(dòng)方式1.拖拉機(jī)；2.左調(diào)平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；3.傾角傳感器；4.懸掛機(jī)構(gòu)；5.轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)；6.右調(diào)平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖3 懸掛機(jī)具電液調(diào)平控制系統(tǒng)框圖

電液調(diào)平系統(tǒng)采用手自結(jié)合的控制模式，并設(shè)定最小調(diào)平角。懸掛機(jī)具正常作業(yè)時(shí)，傾角傳感器采集懸掛機(jī)具傾斜數(shù)據(jù)送至PLC 控制器，控制器將信號與最小調(diào)平角相比較；當(dāng)懸掛機(jī)具發(fā)生傾斜時(shí)，PLC控制器采用模糊PID自動(dòng)調(diào)平閉環(huán)策略，控制驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件調(diào)整懸掛機(jī)具工作狀態(tài)，使其減少傾斜度，直至角度調(diào)節(jié)到預(yù)設(shè)范圍內(nèi)，恢復(fù)水平作業(yè)狀態(tài)，保持機(jī)具處于期望的預(yù)設(shè)角度范圍內(nèi)。

2.2 模糊PID控制器的工作原理

模糊自整定PID參數(shù)控制系統(tǒng)，能在控制過程中對不確定的條件、參數(shù)、延遲和干擾等因素進(jìn)行檢測分析[8]，以常規(guī)PID控制器為基礎(chǔ)，將采樣的偏差值和偏差變化率作為模糊控制器的輸入變量，利用模糊控制規(guī)則實(shí)時(shí)調(diào)整PID參數(shù)。懸掛機(jī)具調(diào)平模糊PID控制框圖如圖4所示。

圖4 懸掛機(jī)具調(diào)平模糊PID控制框圖

2.3 模糊控制輸入、輸出變量及語言描述

一般可采用以誤差e和誤差變化率ec為輸人語言變量、以Kp、Ki和Kd為輸出語言變量的二輸入三輸出PID模糊控制器，以實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)知識為模糊控制核心，建立模糊規(guī)則控制表，從而得到PID參數(shù)整定的模糊控制規(guī)則。

各變量的模糊論域?yàn)椋簕-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}；

各變量的語言值為：{NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB}。

考慮到對論域的覆蓋程度和靈敏度、穩(wěn)定性與魯棒性原則，各模糊子集采用三角形隸屬函數(shù)[9]，利用三角形隸屬函數(shù)即可方便地求出輸入語言變量的賦值。輸入、輸出變量隸屬三角型對稱分布形式如圖5所示。

圖5 輸入、輸出變量隸屬三角型對稱分布形式

考慮到PID控制的特點(diǎn)并通過合成推理，可得到一個(gè)模糊控制查詢表，即模糊控制規(guī)則和輸入語言變量賦值表。模糊控制規(guī)則表是模糊控制規(guī)則簡化的表現(xiàn)形式，其實(shí)質(zhì)是將控制經(jīng)驗(yàn)加以總結(jié)后得到的一些模糊條件語句。這些模糊控制規(guī)則要能夠保證控制器輸出的動(dòng)靜態(tài)響應(yīng)特性達(dá)到最佳的控制效果。模糊控制查詢表見表1。

表1 模糊控制查詢表

2.4 PLC的模糊PID程序設(shè)計(jì)

調(diào)平懸掛機(jī)具控制系統(tǒng)的模糊PID控制是一個(gè)兩輸入三輸出的曼達(dá)尼系統(tǒng)，可視為兩維輸入、單個(gè)輸出的三個(gè)子系統(tǒng)，分別求出PID的比例、微分、積分三個(gè)參數(shù)的模糊規(guī)則數(shù)值查詢表，采用加權(quán)平均的方法得到Kp、Ki、Kd三個(gè)模糊控制變量查詢表，用離散化的方式處理，將這三個(gè)參數(shù)查詢表存放在PLC的共享數(shù)據(jù)塊DB中。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，查表即可得到PID三個(gè)參數(shù)變化的模糊值，最后將模糊控制策略通過離線計(jì)算和在線查詢的方式實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)動(dòng)態(tài)整定[10-13]。通過上述方法可實(shí)現(xiàn)調(diào)平懸掛機(jī)具控制系統(tǒng)的PLC模糊PID三個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)整定。PLC模糊PID控制流程框圖如圖6所示。

圖6 PLC模糊PID控制流程框圖

3 結(jié)束語

設(shè)計(jì)的農(nóng)林業(yè)常用懸掛機(jī)具調(diào)平控制系統(tǒng)，根據(jù)懸掛機(jī)具自動(dòng)調(diào)平控制的作業(yè)要求，確定了一種以PLC為控制器的PID模糊調(diào)平控制策略，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)林業(yè)常用懸掛機(jī)具自動(dòng)調(diào)平控制。該控制方案可廣泛應(yīng)用于各種調(diào)平系統(tǒng)中，確保懸掛機(jī)具在預(yù)設(shè)的角度范圍內(nèi)作業(yè)，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證達(dá)到了預(yù)期控制指標(biāo)。此外，由于本系統(tǒng)采用了以PLC為控制器的策略，不僅比采用單片機(jī)控制的方法具有更好的可靠性，而且還有開發(fā)周期短、控制性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，推廣使用可收到較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。