稻麦联合收割机变频驱动液压控制中强扰动问题解决方法.pdf

LIU Shu-yan,ZHANG Ai-li?Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.04.013稻麦联合收割机变频驱动液压控制中强扰动问题解决方法刘淑妍,张爱莉（1.秦皇岛市农机化技术推广站，河北秦皇岛0 6 6 0 0 0；2.秦皇岛市农业机械鉴定站,河北秦皇岛0 6 6 0 0 0)摘要：稻麦联合收割机变频驱动液压泵，作为收割机液压系统中重要的动力元件，其在工作中存在非线性时变特征干扰，控制过程中存在的强扰动一直是需要解决的难点，提出一种稻麦联合收割机变频驱动液压控制方法。针对非线性时变特征带来的强扰动问题，设计了降阶负载扰动观测器与转速模糊控制器。将降阶负载扰动观测器、转速模糊控制器与工控计算机、变频器、发动机、液压泵等组件结合起来，构建了强干扰下变频驱动液压泵的自动化控制方法，实现了对液压系统中压力和流量的精确控制。实验结果表明：由该技术控制的收割机转速与流量相对稳定，具有较强的抗干扰性，泵出口压力与最大负载压力的压差较小，高度拟合，且几乎没有溢流损耗,节能效果显著。关键词：稻麦联合收割机；降阶负载扰动观测器；模糊控制器；变频器；液压泵；自动化控制中图分类号：TH137;TP29文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 4-0 0 8 7-0 6Solution on Strong Disturbance Problem of Variable Frequency DriveHydraulic Control for Rice and Wheat Combine Harvester(1.Qinhuangdao Agricultural Mechanization Technology Promotion Station,Qinhuangdao 066000,China;2.Qinhuangdao Agricultural Machinery Appraisal Station,Qinhuangdao 066000,China)Abstract:The variable frequency drive hydraulic pump of a rice wheat combine harvester,as an important power component in the hydraulicsystem of the harvester,has nonlinear and time-varying characteristic interference during operation.The strong disturbance in the controlprocess has always been a difficult point that needs to be solved.Propose a variable frequency drive hydraulic control method for rice and wheatcombine harvesters.A reduced order load disturbance observer and a speed fuzzy controller were designed to address the strong disturbanceproblem caused by nonlinear time-varying features.By combining the reduced order load disturbance observer,speed fuzzy controller,industrial control computer,frequency converter,engine,hydraulic pump and other components,an automated control method for variablefrequency drive hydraulic pump has been constructed.Accurate control of pressure and flow in the hydraulic system has been achieved.Theexperimental results show that the speed and flow rate of the harvester controlled by this technology are relatively stable,with strong anti-interference ability.The pressure difference between the pump outlet pressure and the maximum load pressure is small,highly fitting,andthere is almost no overflow loss.The energy-saving effect is significant.Key words:rice and wheat combine harvester;reduced order load disturbance observer;fuzzy controller;frequency converter;hydraulicpump;automation control降低收获过程中的脱粒损失、夹带损失与清选损失。0引言在稻麦收割过程中，液压系统作为其关键动力传递和作为收获型农机设备的典型代表，稻麦联合收割控制系统，对于实现高效、精确的操作起着至关重要机不仅能够有效缓解稻麦劳动力短缺问题，而且可以的作用。然而，传统的液压系统在自动化控制方面存在一些挑战，如静态稳定性差、动态响应迟缓等问题，限制了变频驱动技术的应用 2-3 ,因此,改进稻麦联收稿日期：2 0 2 3-0 9-14合收割机液压系统的自动化控制是当前研究的重点作者简介：刘淑妍（19 8 1-）,女，河北抚宁人，高级工程师，本科，之一。主要从事农机推广方面的研究。文献标志码：A87液压气动与密封/2 0 2 4年第4期近年关于稻麦联合收割机的代表性研究主要有：张勇川等 4 为减小收割机作业时的粉尘对用户和环境的负面影响，设计机载式降尘系统，通过理论分析，得到收割机速度、风机转速等工作参数的最优组合后，利用气体负压性将粉尘吸收并集中到滤筒上，实现降尘;蒋庆等 5 为减小收割机的清选损失，根据最优拟合模型，分析损失率与清选作业参数相关性及影响因素，设计清选损失率多元非线性预测模型，预测走势；李青林等 6 为提高收割机的整体设计效率，建立出智能设计并优化清选装置的系统，根据用户需求，在SQLSERVER2012上构建知识库与推理流程，获取主要元件参数，融合多编程软件建立模型，基于风口风速等变量与正交试验结果进行优化。当前稻麦联合收割机的研究对象主要是清选环节，研究目标主要是减少收获损失。尽管取得的成果使稻麦联合收割机技术水平有明显提升，但是关键零部件的核心技术仍极大程度限制了收割机整体的智能化革新。因此，面向收割机液压系统中重要的动力元件，提出一种自动化控制技术。降阶负载扰动观测器基于全阶状态观测器结构，通过将前馈补偿输人到控制端，能加强控制技术对具有随机性与不确定性的影响因素的抗干扰能力，有效抑制负载对转速的扰动；采用面积平分法,设计转速模糊控制器的模糊推理策略,有助于提高控制器的鲁棒性，加快响应速度。1稻麦联合收割机变频驱动液压强扰动解决办法1.1降阶负载扰动观测器设计降阶负载扰动观测器用于监测和估计液压系统受到的负载扰动，并提供相应的反馈信号。这些负载扰动来自外部环境变化或系统内部的工作条件变化。稻麦联合收割机变频驱动液压泵的数学模型显示，此类液压泵具有非线性时变系统的特征 7-9 ，干扰量对液压泵的影响会大幅降低控制质量。为加强控制技术的抗干扰能力，有效抑制负载对转速的扰动，令反馈变量是转速观测偏差，基于全阶状态观测器结构 10-13 ,设计降阶负载扰动观测器假设液压泵的输人变量、输出变量、状态变量分别是,y,u,则泵的状态方程：uy=由此推导出下列状态估计方程：88?X式中：,i分别指代对应变量的估计。为最小化控制输出偏差,结合反馈非分离原理 14，将输出偏差作为观测器的输入，建立下列全阶状态扰动观测器：(3)式中：xx,yy,H指代反馈矩阵。构建降阶负载扰动观测器,界定式如下：米Dd*WdtDm(Jm*fi)H(w。-)dtJ.f反推得到,排量Db,Dm是泵的输人变量；转速。是输出变量；转矩wb、观测转速。是状态变量。额定转速误差误差变化率量化因子模糊化模糊规则模糊推理比例因子频率增量电机当前转速图1转速模糊控制器结构示意图Fig.1 Schematic diagram of speed fuzzy controllerstructure1.2车转速模糊控制器设计转速模糊控制器基于模糊逻辑原理，根据输人的转速指令信号和降阶负载扰动观测器提供的反馈信息，计算出合适的控制信号。该控制信号将被发送到变频器,以调节发动机的转速。将双输人单输出框架(1)作为控制器结构，转速模糊控制器结构示意图如图1所示。若转速偏差及变化率输入变量为和ec,频率增量f作为输出变量，额定转速与当前转速分别是。(2)H(y-y)(4)Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024和w。（t）,则各参数间的关系式如下：模糊控制器、液压泵等部分，架构自动化控制技术，变r(t)=W-(t)频驱动液压的自动化控制技术如图2 所示。ec(t)=(t)-(t-1)(5)ec(t)A(t)=:(t)式中：t,t-1分别指代当前时刻与上一时刻。已知e,ec，A f 的实际论域是8 mx，8 mx-e Cma x，e Cma x，-f ma x，f mx ;前2 个参数的量化因子分别是K。,K;频率增量的比例的因子是Kar。则利用下列方程组，明确控制器的关键参数：K2.8max1KececKAf模糊化处理变量 8,ec 和 Af,得到模糊变量(15-16 。设定输人变量有5个模糊子集，即：负大、负小、零、正小、正大；输出变量有7 个，即：负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。根据式（5），制定出表1中的模糊规则。表1模糊控制规则Tab.1Fuzzy control rules变化率偏差负大负小零正小正大负大负大负中负中负小零负小负小负中零负小负小零正小正小正小负小零正小正中正中正大零正小正中正中正大为加快控制器的响应速度，利用面积平分法，设计模糊推理策略,即解模糊化17 。选取变量Ze（8,e c，Af）,找到其隶属函数曲线与横坐标围成的不规则图形的面积平分线。若该线的横坐标是Z，论域-ZZmax中变量Z的模糊集合是Pz,则解模糊化结果通过式(7)得到,完成模糊推理：ZnaxKP,dZ1.3变频驱动液压的自动化控制方法设计组合变频器、发动机、降阶负载扰动观测器、转速计算机模糊控制器电源变频器降阶负载扰动观测器发动机1液压泵(6)2eCmax11-2f%max负小零正小ZmaxKPzdZnax2转速反馈压力反馈执行器流量反馈图2 变频驱动液压的自动化控制技术Fig.2Automatic control technology of variablefrequency drive hydraulic system整个系统的工作流程如下：（1）计算机根据需求生成控制信号，并与传感器采集的反馈信号进行比较演算。（2）转速模糊控制器根据比较结果和降阶负载扰动观测器提供的反馈信息，计算出合适的控制信号。（3）控制信号经变频器驱动发动机的转速，以调节液压泵的输出流量和压力。（4）最终，通过执行器将适当的液压能输出，实现液压泵的压力、流量、功率等单一或复合功能控制。2实验验证与结果分析2.1实验设备选取自动化控制技术的计算机采用轻量级工业控制系统,变频器采用级联H桥多电平变频器；液压系统的变频器、发动机、整合液压泵等组成部分均源于中机南方机械股份有限公司生产的PL604LZ-2.8型稻麦联合收割机。整合液压泵含有3 个液压泵，分别用于收割机行走、割台收割和补油，各设备的相关技术参数如表2所示。实验现场如图3 所示。2.2实践结果对比分析选取5亩试验田与2 台连接了工控触摸屏一体机(7)的PL604LZ-2.8型稻麦联合收割机,对收割机进行编号。将所设计的自动化控制技术植人2 号收割机后，让2 台收割机在相同的负载工况下,同时进行约2 h的89t/min1液压气动与密封/2 0 2 4年第4期稻麦收割作业。从2 个工控机上采集收割过程中整合液压泵的转速、压力、流量、溢流损耗数据，自动化控制技术实践效果如图4所示。表2 实验设备的主要技术参数Tab.2Main technical parameters ofexperimental equipment设备参数动力/kW收割机喂入量t/h排量/mLr-1转速/r min-1液压马达流量/L min-1转矩/Nm额定压力/MPa排量/mL r-1转速/r min-1行走液压泵流量/L min-1额定压力/MPa排量/mL r-1转速/r min-1升降液压泵流量/L min-1额定压力/MPa排量/mLr-1转速/r min-1补油液压泵流量/L min-1额定压力/MPa200016001200800400数值0102030405060708090100110t/min95(a)转速3.81512312100 2700950 36062623158160 18003020036142130 2600220 2902528130 245060 11022V1-1号1一2 号理想转速(a)Speed-1号2号.负载压力010 20 304050 60708090100110(b)压力(b)Pressure100-1号80一2 号负载流量6040200102030405060708090100110t/min(c)流量(c)Rate offlow1086Md421一1号2号11110102030405060708090100110t/min(d)溢流损耗(d)Overflow loss图4自动化控制技术实践效果Fig.4 Practice effect of automation control technology根据2 台收割机4个指标变化曲线的对比情况可图3 实验现场图以看出：不论各部件的运行状态如何，都没有对2 号收Fig.3 Experimental site map割机的整合液压泵转速产生较大干扰，即使割台在903蒋庆，王儒敬.稻麦联合收获机清选智能调控模型仿真与Hydraulics Pneumatics&Seals/No.4.2024104 min左右实施升降调整时,转速也未受到任何影LIU Weibai,LI Shuangshuang,LI Zhong,et al.Substitution响,液压泵始终以相对理想的转速稳定工作，而1号收Elasticity of Rice Planting Machinery and Rural Labor and Its割机的整合液压泵转速则在工作至10 4min时出现了Impact on Grain Output J.Economic Geography,2022,42(12):172 178.突降状况，见图4a;2号收割机的整合液压泵出口压力高度拟合于最大负载压力，而1号液压泵的出口压力变化趋势则与最大负载压力大相径庭，具体见图4b；2号收割机的整合液压泵流量不受负载流量变化的影响，一直处于平稳状态，而1号液压泵的流量则随负载流量变化而变化，且负载流量波动越大，其波动也越大，稳定性较差，见图4c；2 号收割机的溢流损耗趋近于0 kW,几乎可以忽略不计，而1号液压泵的溢流损耗随收割作业时间的延长，整体呈上扬趋势，工作结束时已接近10 kW,见图4d。综上所述，自动化控制技术中的降阶负载扰动观测器和转速模糊控制器，以变频驱动液压泵数学模型为理论依据,以其非线性时变系统特征为基准,不仅能有效抑制收割机其他部件给整合液压泵带来的瞬时扰动，使转速始终维持在要求的工作范围内，而且减小了泵的出口压力与最大负载压力的压差，流量也具有较好的稳定性。同时,极大程度减少了功率的溢流损失，显著提高了收割机的利用性与节能性。3结论液压系统作为收割机的核心零部件，决定着设备的整体工作效率,而液压系统中,液压泵更是重要的动力元件。故针对收割机的变频驱动液压的强干扰问题，提出解决方案，并设计降阶负载扰动观测器和转速模糊控制器，实现强干扰下的自动化控制技术。综合应用工控计算机、变频器、发动机、液压泵等组件，该技术能够稳定控制收割机转速和流量，具有抗干扰性强、泵出口压力与最大负载压力的差异小、节能效果明显的优点。参考文献1吴吴海霞，郝含涛，史恒通，等.农业机械化对小麦全要素生产率的影响及其空间溢出效应 J.农业技术经济,2 0 2 2(8):50-68.WU Haixia,HAO Hantao,SHI Hengtong,et al.Effect ofAgricultural Mechanization on Total Factor Productivity ofWheat and Its Spatial Spillover Effect J.Jo u r n a l o fAgrotechnical Economics,2022(8):50-68.2刘卫柏,李双双,李中，等.水稻种植机械与农村劳动力的替代弹性及其对粮食产出的影响 J.经济地理,2 0 2 2,42(12):172 178.试验 J.系统仿真学报，2 0 2 2,3 4（11）：2 48 5-2 49 6.JIANG Qing,WANG Rujing.Simulation and Experiment ofan Intelligent Control Model for the Cleaning of a Rice-wheatCombine Harvester J.Journal of System Simulation,2022,34(11):2485-2496.4张勇川,吴崇友,蒋展，等.稻麦联合收割机降尘系统的设计与试验 J.农业工程学报,2 0 2 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