一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法

1.本发明涉及拖拉机电液悬挂自适应控制领域，具体涉及一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法。


背景技术：

2.已知的，传统拖拉机液压悬挂系统需要驾驶员根据犁耕作业状况频繁的操纵操作手柄，以达到较好的犁耕作业情况，其弊端是在大范围犁耕作业时会使驾驶员操作疲劳。随着智能化的普及和可用耕地面积的减小，提高农用机械的作业效率就显得尤为重要，传统的液压控制系统因为其犁耕效果差，效率不高，而逐渐被电液悬挂系统所代替。
3.拖拉机电液悬挂系统在作业时有如下几种调节方式：阻力调节，位置调节，力-位综合调节，滑转率调节，力-位-滑转率综合调节，位-滑转率综合调节等。
4.阻力调节方式可以保证拖拉机的负荷稳定，但农具的耕深只与牵引阻力相关。当在田间作业时遇到土壤硬实的地块时，农具受到的阻力会增大，系统会减少农具的耕深，来降低拖拉机的牵引阻力，以此来保证拖拉机牵引力的稳定。
5.位置调节中，作业耕深只与设定目标深度有关。当工作在平整的地块时，可以保证犁耕深度的均匀性。当在复杂地形作业时，则会导致犁耕作业深度不均匀，会影响拖拉机的牵引力。
6.滑转率调节中，其保证拖拉机的滑转率在所设定的目标滑转率附近，当滑转率发生变化时，其系统会自动的来调节耕深，从而改变拖拉机的牵引阻力，进而使得拖拉机的滑转率始终在目标滑转率附近。在遇到复杂地块时，滑转率调节会造成犁耕作业深度不均匀。
7.力-位综合调节以及力-位-滑转率综合调节是结合各自控制的优点，是一种比较灵活的控制方式，对于大部分的土地都可以适用，但对于滑转率这方面的综合控制涉及的较少，拖拉机的滑转率会影响到拖拉机的牵引效率。因此，如何提供一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

8.为克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，本发明使得拖拉机电液悬挂系统在作业时能够根据犁耕作业条件变化自动调节犁耕深度。
9.为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：
10.一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述控制方法为安装在拖拉机上的滑转率传感器及位置传感器测出数据，通过位-滑综合系数得到实际犁耕深度值，将目标犁耕深度值与实际犁耕深度值进行比较，得到犁耕深度偏差值及深度变化量，将犁耕深度偏差值及深度变化量作为控制系统中模糊控制器的输入值，在模糊控制器中经模糊化，逆模糊化之后，输出值为pid的三个参数的修正量，再输入至控制系统中的pid控制器，处理之后进而对犁耕农具进行调节，拖拉机在犁耕作业时，犁耕作业情况发生变化，控制系
统根据滑转率传感器及位置传感器实测的数据，通过滑转率调节或者位置调节，实现在位置-滑转率综合系数中的占比情况，以适应不同的犁耕作业环境，进而引起位置-滑转率综合系数a的变化，使得拖拉机在作业时达到所需的犁耕深度。
11.所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述位置-滑转率综合系数a为滑转率调节和位置调节在整个电液悬架系统中所占权重的大小，让拖拉机在犁耕工作时保持深度的稳定性以及负荷的稳定性，若位置-滑转率综合系数不在规定范围之内，此时的调节方式为位置调节或滑转率调节，若位置-滑转率综合度系数处于0～1之间时，此时为位置-滑转率综合调节，即滑转率调节和位置调节同时参与调节过程。
12.所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述目标犁耕深度是在拖拉机控制面板上设定的。
13.所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述犁耕深度偏差值e(t)为设定的目标犁耕深度值r(t)与实际测量出耕深值c(t)两者之差，即e(t)＝r(t)-c(t)，深度变化量为ec＝de/dt，得到犁耕深度偏差值及深度变化量后经模糊化处理，建立犁耕深度偏差值及深度变化量的模糊集合，隶属度函数选取为三角形均匀分布型隶属度函数，将犁耕深度偏差值及深度变化量的模糊子集表示为：{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，其可以表示为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
14.所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述模糊化方法为mamdani直接推理法，逆模糊化方法综合考虑采用重心法。
15.所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述重心法的具体公式为：
[0016][0017]
其中：m为vk中论域元素的个数；vo为输出的精确值；vk为论域中的元素；uv(vk)为论域元素所对应的隶属度。
[0018]
所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述pid三个参数的计算公式如下：
[0019][0020][0021][0022]
其中k
p
，ki及kd分别为pid的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数；及分别为初始时pid控制器的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数；δki为积分调节系数的修正量；δkd为微分调节系数的修正量；δk
p
为比例调节系数的修正量。
[0023]
所述的基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述犁耕深度偏差值e(t)经过微分、比例及积分处理后，再经过线性组合得到控制量，其控制信号用如下的公式来表示：
[0024]
[0025]
其中；ti为积分时间常数；m(t)为所述控制信号；e(t)为犁耕深度偏差值；k
p
为pid控制器比例调节系数；为犁耕深度偏差值对时间的导数；td为微分时间常数。
[0026]
采用如上所述的技术方案，本发明具有如下所述的优越性：
[0027]
本发明采用模糊pid控制方法，对拖拉机的犁耕作业机组进行调节，传感器收集的数据经过整定转换后得出实际数据，实际数据与设定目标值进行比较，得到目标值与实际值之间的偏差以及偏差变化量，将偏差以及偏差变化量作为模糊控制器的输入值，模糊控制器对pid三个控制参数进行动态调节，经过模糊控制器的处理，输出值为pid控制器的三个参数的修正量，输出值再经过pid控制器的处理，输出控制量，使得系统能够适应复杂的工作，以达到拖拉机在作业时达到较好的效果，本发明具有在拖拉机电液悬挂控制系统中具有动态响应快，调整速度迅速，稳态性能高，抗干扰能力强，超调量小等优势，适合于犁耕作业工况变化的工作系统，能够有效控制拖拉机电液悬挂系统的耕犁深度，并具有较高的可靠性。
附图说明
[0028]
图1为本发明中模糊控制流程示意图；
[0029]
图2为本发明中模糊自适应pid控制原理的控制框图；
[0030]
图3为本发明中位置-滑转率综合控制原理图。
具体实施方式
[0031]
通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；
[0032]
本发明所述的一种基于位置-滑转率调节的电液悬挂系统控制方法，所述控制方法为安装在拖拉机上的滑转率传感器及位置传感器测出数据，通过位-滑综合系数得到实际犁耕深度值，将目标犁耕深度值与实际犁耕深度值进行比较，得到犁耕深度偏差值及深度变化量，将犁耕深度偏差值及深度变化量作为控制系统中模糊控制器的输入值，在模糊控制器中经模糊化，逆模糊化之后，输出值为pid的三个参数的修正量，再输入至控制系统中的pid控制器，处理之后进而对犁耕农具进行调节，拖拉机在犁耕作业时，犁耕作业情况发生变化，控制系统根据滑转率传感器及位置传感器实测的数据，通过滑转率调节或者位置调节，实现在位置-滑转率综合系数中的占比情况，以适应不同的犁耕作业环境，进而引起位置-滑转率综合系数a的变化，使得拖拉机在作业时达到所需的犁耕深度。
[0033]
实施时，所述位置-滑转率综合系数a为滑转率调节和位置调节在整个电液悬架系统中所占权重的大小，让拖拉机在犁耕工作时保持深度的稳定性以及负荷的稳定性，若位置-滑转率综合系数不在规定范围之内，此时的调节方式为位置调节或滑转率调节，若位置-滑转率综合度系数处于0～1之间时，此时为位置-滑转率综合调节，即滑转率调节和位置调节同时参与调节过程。
[0034]
进一步，所述目标犁耕深度是在拖拉机控制面板上设定的。通过所安装的相关传感器进行数据采集，采集的数据经整定转化之后，得到实际的犁耕深度，将设定目标犁耕深度与实际犁耕深度进行比较，得到犁耕深度偏差以及偏差变化量。
[0035]
拖拉机在犁耕作业时，犁耕作业情况发生变化，控制系统会根据传感器实测的数
据，通过滑转率调节或者位置调节，实现在位-滑综合系数中的占比情况，可以适应不同的犁耕作业环境。进而引起位-滑综合控制系数的变化，使得在拖拉机在作业时有较好的犁耕效果。
[0036]
进一步，所述犁耕深度偏差值e(t)为设定的目标犁耕深度值r(t)与实际测量出耕深值c(t)两者之差，即e(t)＝r(t)-c(t)，深度变化量为ec＝de/dt，得到犁耕深度偏差值及深度变化量后经模糊化处理，建立犁耕深度偏差值及深度变化量的模糊集合，隶属度函数选取为三角形均匀分布型隶属度函数，将犁耕深度偏差值及深度变化量的模糊子集表示为：{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，其可以表示为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
[0037]
本发明在具体实施时，将耕深的变化范围控制为0～40cm，其耕深的基本论域为[-40，40]。
[0038]
对物理论域进行量化处理，构成离散论域，其耕深的离散论域为[-6，6]，量化因子为
[0039]
其耕深误差变化量物理论域为取[-100，100]，对物理论域进行量化处理，构成离散论域，其耕深的离散论域为[-6，6]，量化因子为
[0040]
进一步，所述模糊化方法为mamdani直接推理法，逆模糊化方法综合考虑采用重心法，所述重心法的具体公式为：
[0041][0042]
其中：
[0043]
m为vk中论域元素的个数；
[0044]
vo为输出的精确值；
[0045]
vk为论域中的元素；
[0046]
uv(vk)为论域元素所对应的隶属度。
[0047]
进一步，所述pid三个参数的计算公式如下：
[0048][0049][0050][0051]
其中k
p
，ki及kd分别为pid的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数；及分别为初始时pid控制器的比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数；δki为积分调节系数的修正量；δkd为微分调节系数的修正量；δk
p
为比例调节系数的修正量。
[0052]
进一步，所述犁耕深度偏差值e(t)经过微分、比例及积分处理后，再经过线性组合得到控制量，其控制信号用如下的公式来表示：
[0053][0054]
其中：ti为积分时间常数；m(t)为所述控制信号；e(t)为犁耕深度偏差值；k
p
为pid
控制器比例调节系数；为犁耕深度偏差值对时间的导数；td为微分时间常数；
[0055]
使得该模糊控制器能够符合作业要求，即ki，k
p
，和kd与不同的e，ec在整定时应该符合以下的规则要求。
[0056]
当拖拉机耕犁作业组刚开始工作时，这时耕深设定值与实际值之间的误差较大，而这时候为了尽快使得系统响应速度加快，可以将k
p
的值设置大些，这样也可以防止因为刚开始时误差的瞬时变大，会引起的微分过饱和从而使得控制作用超出设定范围。
[0057]
当耕深的设定值与实际值之间的误差取中间值时，这时候为了防止出现超调以及超调量过大，这时k
p
可以取小一些，而此时ki的取值应该适中，从而使得系统有较好的稳定性。而此时kd的取值变化会对系统的调节特性影响，即kd应该取适中或者小一些。
[0058]
当误差较小时，此时对于k
p
的取值，k
p
应该取大一些，为了使得系统稳定，以提高系统控制精度，在这阶段ki的取值与k
p
的取值相同，ki应该取大一些，增强积分作用，使得系统的动态误差能够减小。而此时的kd应该减小一些。
[0059]
位-滑综合系数在给定的范围之内，若拖拉机犁耕作业条件良好，如在平缓的，土壤地势起伏不大的作业场地时，此时在位-滑综合系数中，滑转率调节在综合系数占比会变大，即此时为滑转率调节为主，位置调节占比会小一些，这样可以使拖拉机的滑转率保持稳定的同时保证犁耕作业深度，使拖拉机具有较高的牵引效率，而且使发动机负荷较为稳定，有利于进一步提高拖拉机生产率和拖拉机的经济性。
[0060]
位-滑综合系数在给定的范围之内，若拖拉机在犁耕作业时条件较为恶劣，如在地势起伏较大的作业场地，或者是土壤的比阻发生变化，此时在位-滑综合系数中，位置调节在综合系数占比会变大，即此时为位置调节为主，滑转率调节占比会小一些，这样在保证犁耕深度的基础上同时兼顾拖拉机在作业时的滑转率，保证犁耕深度的同时，可以降低油耗。
[0061]
结合图2来说明本例中pid控制原理，为本发明中模糊自适应pid控制原理的控制框图。图2中的自适应模糊控制pid主要由模糊控制器和pid控制器以及传感器，控制阀，液压缸，农具结合而成。位置传感器以及轮速，车速传感器收集的数据通过转化得到实际犁耕深度，与设定的犁耕深度相比较，得到误差以及误差变化量。以测量误差和误差变化量作为模糊控制器的输入，通过控制规则得出pid控制器的输入参数，从而实现pid控制器自适应整定，作业参数保持稳定状态，以达到较好的犁耕效果。
[0062]
本发明在具体实施时，结合图1，图2来具体阐述本例的实施过程，如图1所示，基于模糊自适应pid控制方法流程图，主要包括以下步骤：
[0063]
在s1阶段，安装在拖拉机上的位置传感器，以及轮速，车速传感器会实时收集数据，以便后续得出拖拉机在犁耕作业时实际耕深数据。
[0064]
pid控制器的控制偏差值e(t)，是由设定的目标值r(t)与实际测量值c(t)两者之差。
[0065]
e(t)＝r(t)c(t)
[0066]
将控制偏差值e(t)经过微分，比例以及积分处理后，在经过线性组合可以得到控制量，其表达式可以写成如下的形式
[0067]
[0068]
ti为积分时间常数，m(t)为所述控制信号，e(t)为犁耕深度偏差值
[0069]kp
为pid控制器比例调节系数，为犁耕深度偏差值对时间的导数，td为微分时间常数
[0070]
pid的三个控制参数k
p
，ki，kd的具体大小对系统的稳定性，响应速度，稳态误差等均有较好的调节作用。
[0071]
比例系数k
p
的作用在于可以使系统开环放大系数增大，继而可以较小系统的稳态误差，提高系统的控制精度。在提高比例系数之后，可以使得系统的响应速度得到提高。但是单独调整比例控制系数，可能会导致系统的稳定性降低，造成系统的不稳定。
[0072]
积分系数ki主要用于消除系统的稳态误差，提高系统的无差度。
[0073]
微分系数kd可以阻碍系统的输出信号变化，增加系统阻尼，从而减小系统的震荡以及超调量。
[0074]
在s2阶段，传感器所收集的数据，经过位置-滑转率系数整合转换后，可以得到犁耕作业时实际的犁耕深度，将目标设定犁耕深度与实际犁耕深度进行比较，可以得到犁耕深度偏差以及犁耕深度变化量，将偏差以及偏差变化量作为模糊控制器的输入。
[0075]
本发明可以引入位置-滑转率综合度系数概念，即滑转率调节和位置调节在整个电液悬架系统中所占权重的大小，可以让拖拉机在工作时较好的保持犁耕深度以及拖拉机负荷的稳定性。
[0076]
当所安装的传感器检测到信号后，信号整定之后传递至控制单元，只要能够获知此时的综合度系数a，就可以计算得到系统所需的控制量，从而控制农具的升降程度，进而控制犁耕深度。
[0077]
当综合度系数a＝1时，即此时为滑转率调节，位置传感器测到出数据不参与计算过程。
[0078]
而当综合度系数a＝0时，此时为位置调节，滑转率传感器测出的数据不参与计算过程。
[0079]
当综合度系数处于0～1之间时，此时为位-滑综合调节，即滑转率调节和位置调节同时参与调节过程。
[0080]
此控制过程可以结合图3进行具体阐述说明。
[0081]
当位置-滑转率综合系数不在a∈(0，1)范围之内时，此时调整滑转率调节以及位置调节在整个电液悬架系统中所占权重，使得综合系数在此范围之内。
[0082]
当位置-滑转率综合系数在范围之内且数值不发生变化，则说明拖拉机在犁耕作业时，工作状态稳定，不需要额外的施加控制。
[0083]
在位-滑综合系数在给定的范围之内，若拖拉机犁耕作业条件良好，如在平缓的，土壤地势起伏不大的作业场地时，此时在位-滑综合系数中，滑转率调节在综合系数占比会变大，即此时为滑转率调节为主，位置调节占比会小一些，这样可以使拖拉机滑转率保持稳定的同时，保证犁耕作业深度，使拖拉机具有较高的牵引效率，而且使发动机负荷较为稳定，有利于进一步提高拖拉机生产率和拖拉机的经济性。
[0084]
在位-滑综合系数在给定的范围之内，若拖拉机在犁耕作业时条件较为恶劣，如在地势起伏较大的作业场地，或者是土壤的比阻发生变化，此时在位-滑综合系数中，位置调
节在综合系数占比会变大，即此时为位置调节为主，滑转率调节占比会小一些，这样在保证犁耕深度的基础上同时兼顾拖拉机在作业时的滑转率，保证犁耕深度的同时，降低燃油消耗率。控制过程结束之后，通过传感器测出相关数据，整合计算可以得到实际犁耕深度，并与目标耕深值进行比较，得到犁耕深度偏差，判断是否退出控制，从而可以使得拖拉机犁耕深度能够始终与目标犁耕深度保持一致。
[0085]
在s3阶段，将偏差以及偏差变化量作为输入量，输入到模糊控制器中，输出值为pid三个控制参数的修正量。在模糊控制器中，首先将偏差以及偏差变化量进行模糊化处理，然后确定偏差与偏差变化量的模糊子集。
[0086]
在s4阶段，在模糊控制器中，建立偏差，偏差变化量和pid三个参数之间的模糊控制规则，并推理出模糊控制量。
[0087]
本次发明模糊控制的隶属度函数选取为三角形均匀分布型隶属度函数。
[0088]
建立偏差，偏差的变化量和pid的三个控制参数δki，δk
p
，δkd之间的模糊规则，随后进行模糊逻辑的推理以及逆模糊化处理，得到调整之后pid的三个参数值修正量δk
p
，δki，δkd。
[0089]
在偏差以及偏差变化量跟δkd，δk
p
，δki的模糊表中，在线对pid三个参数进行修改。
[0090]
而ki，k
p
，kd三个参数的值，在拖拉机犁耕作业中不同阶段所起的作用也是不同的。
[0091]
为了使得该模糊控制器能够符合作业要求，即ki，k
p
，和kd与不同的e，ec在整定时应该符合以下的规则。
[0092]
当拖拉机耕犁作业组刚开始工作时，这时耕深设定值与实际值之间的误差较大，而这时候为了尽快使得系统响应速度加快，可以将k
p
的值设置大些，这样也可以防止因为刚开始时误差的瞬时变大，会引起的微分过饱和从而使得控制作用超出设定范围。
[0093]
当耕深的设定值与实际值之间的误差取中间值时，这时候为了防止出现超调以及超调量过大，这时k
p
可以取小一些，而此时ki的取值应该适中，从而使得系统有较好的稳定性。而此时kd的取值变化会对系统的调节特性影响，即kd应该取适中或者小一些。
[0094]
当误差较小时，此时对于k
p
的取值，k
p
应该取大一些，为了使得系统稳定，以提高系统控制精度，在这阶段ki的取值与k
p
的取值相同，ki应该取大一些，增强积分作用，使得系统的动态误差能够减小。而此时的kd应该减小一些。
[0095]
本发明的模糊控制规则采用多重二维条件语句，即如果an且bn，则cn的形式。控制目标为拖拉机在作业中的犁耕深度。
[0096]
其表格型的模糊控制规则如下表所示：
[0097]
δki参数调整规则表
[0098][0099]
δkd参数调整规则表
[0100][0101]
δk
p
参数调整规则表
[0102]
[0103][0104]
将偏差以及偏差变化量进行模糊化处理，建立偏差以及偏差变化量的模糊集合。
[0105]
在本发明中可以将偏差和偏差变化量的模糊子集表示为：{nb，nm，ns，zo，ps，pm，pb}，其模糊子集可以表示为：负大，负中，负小，零，正小，正中，正大。
[0106]
在本次发明中，将耕深的变化范围控制为0～40cm，其耕深的基本论域为[-40，40]
[0107]
对物理论域进行量化处理，构成离散论域，其耕深的离散论域为[-6，6]，量化因子为
[0108]
其耕深误差变化率物理论域为取[-100，100]，对物理论域进行量化处理，构成离散论域，其耕深的离散论域为[-6，6]，量化因子为
[0109]
pid三个参数的修正因子δki，δkd，δk
p
，其三个参数修正因子的离散论域为[-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6]。
[0110]
在s5阶段，通过逆模糊化处理，得到清晰准确的参数，并作为模糊控制器的输出值。本发明采用的模糊推理方法为mamdani直接推理法，将模糊推理结果转化为精确数值的过程称作为逆模糊化。
[0111]
本次逆模糊化方法综合考虑采用重心法。重心法的具体公式为
[0112]
通过mamdani直接推理法和重心法来进而可以得到模糊推理结果，即pid三个参数的变化值δk
p
，δki，δkd。
[0113]
在s6阶段，将得到的输出值进行处理，作为pid控制器的输入参数，可以得到较理想的pid控制参数，计算公式如下所示：
[0114][0115][0116][0117]
其中k
p
，ki以及kd为pid的比例调节系数，积分调节系数，微分调节系数；
[0118]
以及为初始时pid控制器的比例调节系数，积分调节系数，微分调节系数，可以通过经验确定。
[0119]
δk
p
，δki以及δkd为比例调节系数、积分调节系数和微分调节系数的修正量。
[0120]
在s7阶段，pid控制器输出的值，经过处理之后作用在控制阀，液压缸，农具上面，
从而可以控制犁耕深度。模糊控制的位-滑综合调节方法，可实现耕深的优化控制，能有效提高拖拉机作业深度的控制精度，降低油耗，提高作业效率。
[0121]
本发明未详述部分为现有技术。
[0122]
为了公开本发明的发明目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的，但是，应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。