基于PID调控的割台仿形高度控制系统的设计

为降低谷物联合收获机收获作业时因割台高度不当造成的粮食损失，减少割茬高度过高对后续播种环节的影响，利用传感器监测地面起伏变化，设计了一种基于PID调控的割台高度自适应控制系统；设计了基于角度传感器的地面仿形监测机构与割台高度反馈机构，标定并拟合出割台高度与传感器电压信号的线性关系；加装集成式电磁比例阀替换原有割台控制电控换向阀，并进行PWM控制试验。同时，分析了整套自适应控制系统的结构与电液控制原理，并进行了多组田间对照试验，结果表明：设计的基于地面仿形的割台高度自适应控制系统具有稳定的响应速度和理想的控制效果，在平原地区作业时相较于传统人工控制割台的方式有明显的优势，能适应平原地形环境下5～11km/h收获作业速度的要求。研究结果为后续无人驾驶谷物联合收获机的研发设计提供了割台装置控制策略的理论依据。     

大型喷杆喷雾机钟摆式主被动悬架自适应鲁棒控制研究

针对大型喷雾机喷杆钟摆式主被动悬架系统存在的参数不确定性和随机干扰导致控制精度低、稳定性差的问题，对基于模型补偿的自适应鲁棒控制算法进行研究。建立了钟摆式主被动悬架的非线性动力学模型和调节机构几何方程，基于模型设计了自适应鲁棒控制器，综合悬架系统和电液位置伺服系统模型中存在的参数不确定性，同时兼顾系统未补偿的摩擦力和外部扰动等不确定非线性因素，通过理论分析和试验证明，在同时存在模型参数不确定和不确定非线性的情况下，设计的控制器可以保证系统输出跟踪控制的暂态性能和稳态精度。以单出杆液压作动器驱动的28m大型喷杆主被动悬架为例，借助建立的大型喷杆悬架半实物仿真平台进行了控制算法的试验验证，并使用Stewart六自由度运动平台模拟底盘的运动干扰，与反馈线性化控制器、鲁棒反馈控制器、PID控制器进行了试验对比，结果表明，设计的基于模型补偿的自适应鲁棒控制器最大跟踪误差0.148°，而反馈线性化控制器最大跟踪误差0.201°，鲁棒反馈控制器最大跟踪误差0.51°，PID控制器最大跟踪误差0.48°。设计的控制器在同时存在参数不确定性和扰动的情况下，使用较小的反馈增益能够保证渐进跟踪性能和稳态跟踪精度。     

甘蔗收获机割台随动控制系统设计与试验

针对国内现有甘蔗收获机无法对割台高度实施自动控制的问题,设计了一种割台随动控制系统。系统由自重摆动式仿形机构、STM32控制器、位移传感器、上位机模组、按键模块、电磁阀及驱动模组组成。自重摆动式仿形机构与地面直接接触并保持贴附,实时检测收获作业时的地面起伏变化,同时可以依靠仿形机构外廓曲面减小收获机倒退时地面对自身关键部件的冲击。建立割台高度控制参数模型,运用PID控制算法,有效地实现收获机割台高度的精确控制,进一步提升了甘蔗收获机自动化水平和工作性能。田间试验结果表明,收获机在安装割台随动控制系统后,割台随地形起伏变化而变化,使破头率降低,平均破头率为21%,通过与人工控制收获试验对比,平均破头率下降18.5个百分点。     

非理想网络环境下永磁同步电机转速鲁棒控制

针对网络化控制中通信时滞条件下永磁同步电机转速控制问题,首先在网络环境下建立永磁同步电机时滞动力学模型;然后基于模型展开系统调速鲁棒控制器设计,并通过构造Lyapunov-Krasovskii函数得到系统转速控制稳定性条件,进一步利用LMI工具箱计算出相应的鲁棒控制器增益;最后为验证控制器性能,基于SimEvents搭建控制器局域网络(CAN)通信模块,引入干扰信号,以真实反映网络通信诱发的不确定性延迟,并通过MATLAB/Simulink建立基于控制器局域网络的永磁同步电机调速控制系统模型,监测电机转速、相电流及转矩,展开仿真对比分析.结果表明:在非理想网络环境下,采用所设计的调速鲁棒控制器的系统稳定性较传统PI控制器矢量控制方法有显著提高,可以满足永磁同步电机转速控制稳定性要求.     

非对称液压缸位置伺服系统鲁棒控制

针对阀控非对称液压缸位置伺服系统存在参数摄动和不确定外负载的问题,提出了一种鲁棒H∞自适应反步控制器的设计方法。在设计控制器时,通过对子系统选择合适的Lyapunov函数,避免了高阶系统中对虚拟控制量重复求导的问题;使系统的跟踪误差满足鲁棒H∞性能指标,增强了系统的鲁棒性;考虑到控制输入前的不确定参数会导致所设计控制律和自适应律互相嵌套,把系统模型中的时变参数进行变量置换,并对整个系统构造了一个合适的Lyapunov函数,从而解决了该问题;最后对闭环系统的稳定性进行了证明。仿真结果表明,与PID控制器相比,所设计的控制器使系统的输出对给定信号的跟踪速度更快,具有更小的跟踪误差,且对参数变化有较强的鲁棒性。     

扰动下农用运输车辆路径跟踪控制器设计与试验

为提高农用运输车辆路径跟踪的鲁棒稳定性,基于线性模型预测控制结合农用运输车辆特点设计了路径跟踪控制器。该方法首先将农用运输车辆的运动学模型进行离散化求解,推出误差模型作为控制器预测方程,为使农用运输车能够克服在田间行驶时的各种干扰,通过构建李雅普诺夫函数重点分析了该模型的鲁棒稳定性,得到控制周期约束条件,然后建立目标函数并引入松弛因子,最后把预测模型代入目标函数进行优化求解,重复以上过程,实现优化控制。Matlab仿真表明：当前轮转角扰动不大于15°及横向扰动不大于1.5m时,控制器可以迅速起到调节作用,使车辆快速回到参考轨迹上行驶。对应的场地试验结果表明：试验小车以2m/s的速度跟踪参考路径时,直线路段跟踪效果良好,最大横向偏差为10.57cm,均值为8.49cm;添加扰动路段的跟踪偏差较大,最大横向偏差为23.89cm,最大纵向偏差为62.53cm,但在控制器的控制作用下可以实现对路径的有效跟踪。由此可见,该控制器在速度小于等于2m/s的情况下,可以满足农用运输车辆对路径跟踪的精度与鲁棒稳定性要求。     

基于鲁棒镇定控制的静止无功发生器在农网中的应用

研究了包含静止无功发生器(STATCOM)的单机-无穷大电力系统的鲁棒镇定控制.在农网中装设STATCOM可以改善系统的暂态稳定性、动态性能、维持系统电压,以及提高传输能力.从系统级的角度讨论了系统动态数学模型.采用直接线性化和H∞控制理论研究静止无功发生器的控制器设计,并建立了模型和参数不确定的非线性鲁棒控制模型,同时利用MATLAB软件得出其控制律.通过仿真表明,这种控制方法提高了电力系统的稳定性及鲁棒性,并能满足电压精度的要求.     

发动机调速史密斯预估定量反馈控制

对于电机后置式及地面耦合式混合动力系统,在其换挡过程中,可以通过电机补偿动力中断,因此调节发动机转速与AMT变速箱转速匹配可以实现平顺的换挡过程。针对发动机调速特性引入基于定量反馈理论与史密斯预估器结合的控制方法。首先,在AMESim中搭建自然进气发动机高保真模型,并通过速度特性验证保证模型的合理性;其次,基于机理建立发动机线性模型,并且分段辨识得到参数的不确定范围,从而将非线性系统用具有参数不确定性的线性模型表示;然后,通过频域分析优化得到一组最佳的史密斯预估器模型,用以补偿发动机进气-扭矩过程不确定延迟;最后,结合史密斯预估器与定量反馈理论设计得到发动机调速SP-QFT鲁棒控制器,从而保证系统在参数不确定情况下的鲁棒稳定性及跟踪性能要求。仿真结果表明:所设计的SP-QFT控制器满足设计要求,相比于基本QFT控制器及PID控制器,有效提高了发动机速度调节的控制精度及响应速度。     

拖拉机定速巡航系统的纵向加速度跟踪控制

拖拉机定速巡航系统通过对拖拉机加速度的精确控制实现系统功能,由于纵向动力学系统的非线性、道路坡度、拖拉机悬挂农机具导致的整车质量变动及风阻等外部干扰因素存在,使得控制系统鲁棒性成为控制器设计时的重点。本文基于模块化机理建模及实验数据的方法,建立了拖拉机的纵向动力学模型,并在Simulink上建立了该模型,与实车平台进行对比,验证了该模型符合需求。针对拖拉机纵向动力传动系统非线性特点,采用逆模型方法线性化拖拉机纵向动力学模型,基于线性化模型,获取下层控制对象各工作点及各工况下频率响应特性数据,通过频率响应实验和最小二乘法辨识下层对象系统的传递函数。根据传递函数和纵向加速度响应的非线性特性,设计了滑模变结构控制器,与传统的PID控制相比,通过仿真,结果表明该控制器有效改善了系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能。     

拖拉机定速巡航系统纵向加速度跟踪控制

拖拉机定速巡航系统通过对拖拉机加速度的精确控制实现定速巡航功能,由于纵向动力学系统的非线性、道路坡度、拖拉机悬挂农机具导致的整车质量变动及风阻等外部干扰因素的存在,使得控制系统鲁棒性成为控制器设计的重点。本文基于模块化机理建模及实验数据的方法,建立了拖拉机纵向动力学模型,并在Simulink上建立了该模型,与实车平台进行对比,验证了该模型符合需求。针对拖拉机纵向动力传动系统非线性特点,采用逆模型方法线性化拖拉机纵向动力学模型,基于线性化模型,获取下层控制对象各工作点及各工况下频率响应特性数据,通过频率响应实验和最小二乘法辨识下层对象系统的传递函数。根据传递函数和纵向加速度响应的非线性特性,设计了滑模变结构控制器,仿真结果表明,与传统的PID控制相比,该控制器有效改善了系统对非线性特性及外界干扰的鲁棒性能。     

农用电动车辆预换挡过程转速鲁棒控制方法

提出了一种农用电动车辆换挡过程中永磁同步电机速度同步的鲁棒控制方法。针对电动车辆电驱动总成系统,分析了换挡过程及其中的预换挡速度同步问题,根据系统的结构和工作条件,完成了动力学建模。利用一种非线性控制算法完成了永磁同步电机换挡速度同步鲁棒控制,该算法继承了传统PID控制和鲁棒控制的特点,基于误差和模型两方面进行控制,将农用车辆作业工况下的模型不确定性和外部干扰集中到一个具有假定上限的函数。基于Lyapunov方法从理论上证明了本文设计的鲁棒控制器具有一致有界性和最终一致有界性。通过数值仿真与传统PD控制进行对比,在相同PD控制参数条件下,鲁棒控制器的转速同步误差平均值与标准差均具有明显优势。通过台架试验进一步验证了该鲁棒控制方法对永磁同步电机速度同步控制的有效性,结果表明,该方法转速同步误差平均值与标准差优于传统PD控制30%以上。     

水稻收割机的割茬高度控制系统设计与应用

随着水稻种植规模的扩大,水稻收割机在农业生产中的应用逐渐广泛,但传统水稻收割机故障率高、智能化程度低,存在割茬高度不均、割茬机构调整不便等诸多问题,导致水稻收割效率低、产能不足。为此,将PLC技术应用在传统水稻收割机上,通过研究分析水稻收割机的结构原理,完成了水稻收割机控制系统的优化设计,并针对控制系统的硬件进行了模块设计,同时完成了控制系统的I/O地址分配,对控制系统的软件流程进行优化。进行了割茬高度试验,结果表明:优化后的水稻收割机控制系统工作稳定性强,作业效率高,能够快速有效地调整割茬机构,实现对割茬高度的精确控制,从而大大提高了劳动生产效率、降低了农民的劳动生产强度。     

联合收割机割台地面仿形控制系统设计及试验

为了提高联合收割机自动化水平、降低劳动强度,研发了割台地面仿形控制系统,设计了割台地面仿形机构,采用角度传感器获取其随地面的浮动情况,并结合位移传感器检测割台油缸伸缩量,来推算得到割台高度信息,并进行了田间试验研究。试验结果表明:该系统结构简单,性能稳定,割台高度控制误差不大于12mm,满足联合收割机田间作业要求。     

一种与行驶速度无关的农机路径跟踪方法

针对智能农机自主作业中的路径跟踪控制问题,提出了一种与行驶速度无关的农机路径跟踪方法,该方法对农机行驶速度的变化具有鲁棒性。首先建立了空间参数驱动的非线性相对运动学模型,并证明了基于该模型进行控制方法设计的合理性和可行性。然后对此模型进行反馈线性化和最优控制设计,得到了一种与速度无关的农机路径跟踪控制律。最后进行了实车的路径跟踪实验,实验结果表明该方法的直线路径跟踪精度为4 cm,曲线路径跟踪精度为7 cm,且跟踪精度不受速度变化的影响,验证了该方法的有效性和对速度变化的鲁棒性。     

基于模糊免疫PID算法的变量施肥技术研究

提出了针对多种肥料自动配比变量施肥的技术方案。机械结构方面设计了多个独立的料箱,每个料箱均能够独立被微控制器控制;肥料流量控制则是根据肥料流量以及施肥机械的行走速度,采用了基于模糊免疫PID算法对伺服电机进行控制;在算法性能方面,采用Mat Lab软件对模糊免疫PID算法和传统PID算法做了比较,证明了算法的鲁棒性和稳定性;最后,设计田间作业实验方案,通过实验数据证明了该变量施肥系统施肥精度高、可重复性好。     

自走式表型平台及在线自整定PID速度控制研究

为了适应现代化育种、植保及栽培管理的需求,高通量作物表型信息获取成为了当前的研究热点。为了提高作物表型信息获取平台的可扩展性、泛用性和使用灵活性,设计了一种自走式作物表型信息获取平台。平台车体采用框架结构,利用4台直流电机实现4轮独立驱动,并采用1个主控芯片和4个分控芯片的模式构建了控制系统;基于继电反馈法设计了在线自整定PID调控方法,实现了PID参数在线自整定和平台的运行速度控制,并进行了空载和地面负载对比试验。结果表明:在系统空载和地面负载条件下,针对设定的不同速度,系统均可在0.169~0.468s达到稳定状态,具有较高的调节速度与精度;地面负载条件下,直接利用空载时整定得到的参数与负载后重新整定得到的参数进行速度的调节,不同速度要求条件下两者之间的误差均小于0.08s,证明空载时一次整定后的参数可直接应用于表型平台的实际速度控制。     

高地隙四轮独立驱动喷雾机路径跟踪模型预测控制

针对传统燃油驱动、前轮转向的高地隙喷雾机传动效率低、碳排放高、环境污染、智能化水平低、灵活性差等问题,本研究提出了一种适用于无人驾驶的高地隙四轮独立驱动（Four Wheel Independent Drive,4WID）喷雾机。其采用混合动力、前后双转向桥的4WID,转向半径小,前后轮的运行轨迹高度一致,能够减少田间植保作业时的压苗现象。考虑水田极端作业环境下驱动轮的滑移、陷坑等问题,基于喷雾机线性时变的运动学模型（LTV）,构建了考虑驱动轮滑移的分层路径跟踪控制。上层模型预测控制（Model Predictive Control,MPC）器根据预期路径、车辆当前位置,获得喷雾机的转向角和运动速度,实现路径跟踪。下层以模糊控制和积分分离PID控制构建驱动轮滑移控制器,从而实现路径跟踪、运动速度、驱动轮滑移的有效控制,提高了喷雾机在复杂作业环境中的稳定性和路径跟踪精度。采用Adams/Matlab的联合仿真结果表明,在复杂的工况条件下,喷雾机驱动轮的滑移率依然控制在±20%之内,防止驱动轮发生过度滑移对车速和转向角产生不良影响,有利于喷雾机稳定性的提升。本喷雾机能够快速准确地跟踪期望路径,与未考虑驱动轮滑移的控制相比,能够适应更加复杂的工作环境,跟踪精度有明显提升。     

玉米免耕播种自动调偏系统设计与试验

为适应新疆滴灌区宽窄行免耕种植模式,解决传统大型玉米免耕播种机播种过程中触碰根茬、无法精确约束路径、玉米粒距合格率低等问题,结合免耕播种农艺要求,在采用导航定位技术获取播种机当前位置与目标路径间偏差的基础上,设计一种玉米免耕播种自动调偏系统。该系统主要包括避茬装置、液压执行系统和控制系统,通过建立整机力学模型,对避茬装置和液压执行系统进行运动和受力分析,确定避茬装置和液压执行系统关键结构参数,获取避茬装置最佳挂接长度和液压执行系统最大驱动力。进一步优化控制系统,实现避茬装置自动调偏及接收反馈信息功能。对免耕播种避茬装置自动调偏系统进行性能试验,试验结果表明,神经网络PID的期望调偏角最大稳态误差为0.932°,超调量全部小于1%,平均响应稳态误差小于0.9°,满足预期。田间试验结果表明,当拖拉机作业速度不大于1.0m/s、行间秸秆覆盖量不大于1.0kg/m2时,避茬率不小于85%,纵向调整距离不大于8.6m,玉米粒距变异系数不大于21.63%。此时播种机调偏避茬效果最佳,满足玉米免耕播种机农艺指标要求。