具体实施方式

本发明的转速闭环控制系统及控制方法实现对收割机脱粒滚筒和清选风机转速的耦合自适应控制，收割机的脱粒滚筒和清选风机分别配设有步进电机、减速器和转速传感器，转速传感器检测脱粒滚筒/清选风机的转速并输入控制器，步进电机-减速器-脱粒滚筒/清选风机-控制器构成两路耦合PID闭环控制，控制器连接工控机，工控机向控制器提供作物疏密度、含杂率和损失率参数作为参考输入，控制器输出脱粒滚筒和清选风机对应的转速参数。

下面通过具体实施例说明本发明的实施。

本发明实施例采用的转速传感器为磁性霍尔转速传感器，12V供电，输出方式为NPN型集电极开路输出，通过信号输出线连接到控制器电路板，经过上拉电路形成3.3V脉冲信号进入控制器，通过计算一次采样周期内上升沿的数量来计算转速，前后两个上升沿之间表示旋转一圈。

本发明的摄像头采用工业相机，用于采集田间油菜疏密度的信息与粮仓收获到的油菜籽含杂信息。经过图像处理，将疏密度信息与含杂率信息分档，与控制器通信。

如图1所示，本发明的油菜联合收割机滚筒及风机转速闭环控制系统包括蓄电池1、滚筒步进电机2、风机步进电机3、滚筒蜗轮蜗杆减速器4、风机蜗轮蜗杆减速器5、滚筒无级调速皮带盘6、风机无级调速皮带盘7、脱粒滚筒8、清选风机9、滚筒霍尔转速传感器10、风机霍尔转速传感器11、控制器12、工控机13、显示器14、电箱15、疏密度摄像头16、含杂率摄像头17和损失率检测模块18。滚筒步进电机2和风机步进电机3分别安装在脱粒滚筒8的滚筒无级调速皮带盘6和清选风机9的风机无级调速皮带盘7外侧，滚筒蜗轮蜗杆减速器4固定在滚筒步进电机2端头，风机蜗轮蜗杆减速器5固定在风机步进电机3端头，滚筒蜗轮蜗杆减速器4、风机蜗轮蜗杆减速器5与滚筒无级调速皮带盘6、风机无级调速皮带盘7分别通过链条连接，步进电机转动调节皮带盘的松紧，改变滚筒及风机的传动比进而改变滚筒及风机转速。两个步进电机由24V蓄电池供电，通过方向信号线、PWM信号线与控制器连接，PWM控制信号占空比为50％，方向信号为5V高低电平。滚筒霍尔转速传感器10、风机霍尔转速传感器11分别安装在脱粒滚筒8及清选风机9的转轴顶端。控制器12即为PID控制器，采用STM32为核心的控制电路，计算滚筒及风机转速，并实时输出滚筒及风机步进电机的控制信号。控制器12与工控机13连接，安装在15电箱内部，15电箱固定在副驾驶下方。显示器14实时显示滚筒及风机转速数据，安装在驾驶室。疏密度摄像头16安装在驾驶室前部上方，用以观测农作物的疏密度；含杂率摄像头17安装在粮仓上方，用以观测油菜籽含杂程度；损失率检测模块18安装于杂质出口处，损失率检测为现有技术，不再详述。两个摄像头及损失率检测模块均通过数据传输线与工控机13连接。控制器、步进电机、霍尔传感器形成闭环控制回路。

控制器根据疏密度信息、含杂率信息、损失数量信息的输入，运用多变量解耦的自校正PID的算法计算滚筒及风机的转速，完成滚筒及风机的闭环转速控制，实现转速的稳定。

目前多变量解耦自校正PID算法多用于维数相等的系统中，但工程上普遍存在输入输出维数不相等的物理系统。输入输出维度不等的自校正PID算法现有针对飞行器、机械臂等系统的研究，此类系统目前机械结构稳定，有相对精确的动力学模型。油菜联合收割机目前仍处于机械化改造的研制过程中，机械结构尚未定型。且目前的损失率、含杂率检测方法仍为收获后人工称量，现有的检测数据没有结合运行工况信息，无法实时定量分析变量间耦合关系，建立相对可信的数学模型为控制器优化提供依据。综合以上特性，本发明构建以含杂率、喂入量、损失率为参考输入，滚筒转速、风机转速为输出的三输入两输出控制模型，结合输入输出维数不等的自校正PID控制算法进行优化控制。其中，本发明采集的疏密度信息结合油菜高度和割台高度信息及前进速度计算得到的喂入量信息，置信度更高，将采集疏密度信息，转换为喂入量信息输入控制器输入。

如图2所示为本发明基于多变量解耦的自校正PID算法的控制系统框图。图中的PID可调控制器与被控过程为常规控制方案，在线辨识与参数计算是自适应调整机构。在线辨识即根据被控系统的输入，输出在线辨识后被控系统的参数，之后利用极点配置的方法配置PID控制器的参数。

考虑一个三输入两输出二阶系统，忽略扰动描述为：

A(z^-1)y(k)＝B(z^-1)u(k) (1)

式(1)中y(k)为输出矩阵，u(k)为输入矩阵，A、B表示多项式矩阵，k表示k时刻，多项式矩阵为：

A(z^-1)＝(A_ij)，B(z^-1)＝(z^-kijB_ij) (2)

式(2)中z为Z变换算子，其上标为滞后因子。Z^-1为单位滞后因子，为矩阵i行j列项的滞后因子，即式(1)可以写成：

且

A_ii＝1+a_ii1z^-1+a_ii2z^-2，B_j＝b_j0+b_j1z^-1 (4)

a_ii1、a_ii2、b_j0、b_j1为多项式系数，用于描述系统数学模型。对于三输入两输出二阶系统，i的范围为1～2，j的范围为1～3。

式(1)可以写成如下分量形式：

根据离散差分形式的PID公式得到可调控制器：

H_i(z^-1)u_i(k)＝G_i(z^-1)w_i(k)-G_i(z^-1)y_i(k) (6)

对于三输入两输出二阶系统，在第i个子系统中，u_i(k)为系统输入，y_i(k)为系统输出，w_i(k)为参考输入，H_i(z^-1)与G_i(z^-1)为PID控制器参数，H_i(z^-1)＝(1-z^-1)(1+h₁z^-1)，G_i(z^-1)＝g₀+g₁z^-1+g₂z^-2，h₁、g₀、g₁、g₂为对应的控制器参数函数系数。

将式(6)带入式(5)中，消去中间变量u_i(k)得到滚筒及风机转速闭环系统传递函数：

[A_ii(z^-1)H_i(z^-1)+z^-1B_ii(z^-1)G_i(z^-1)]y_i(k)＝G_i(z^-1)B_ii(z^-1)w_i(k-1)+z^-1H_i(z^-1)B_j(z^-1)u_j(k) (7)

H_i()含有滞后算子(1-z^-1)，在稳态的情况下，可以将式(7)右边含有因子H_i()的项变为零，实现静态的解耦控制。

令闭环特征多项式式(7)为期望传递函数分母多项式，：

A_ii(z^-1)H_i(z^-1)+z^-1B_ii(z^-1)G_i(z^-1)＝T_i(z^-1) (8)

由此得到三输入两输出系统的参数在线辨识部分。

结合上述系统分析，油菜联合收割机的滚筒及风机转速闭环控制系统可视为两个单输出三输入的二阶子系统组成的三输入两输出系统，第i个子系统可以表示为：

式中

将式(9)写成的形式，代入递推最小二乘法公式进行在线参数辨识。

θ＝[a₁，a₂，θ₁，θ₂]^T (11)

且a_i＝[a_ii1，a_ii2]，θ₁＝[b₁₁₀，b₁₁₁，b₁₂₀，b₁₂₁，b₁₃₀，b₁₃₁]，θ₂＝[b₂₁₀，b₂₁₁，b₂₂₀，b₂₂₁，b₂₃₀，b₂₃₁]。

式(12)中

y₁＝[-y₁(k-1) -y₁(k-2)]，y₂＝[-y₂(k-1) -y₂(k-2)]

u₁(k)、u₂(k)、u₃(k)对应含杂率、喂入量、损失率三个参考输入，y₁(k)、y₁(k)对应滚筒转速、风机转速两个输出。

在PID控制过程中，用递推最小二乘法避免联合收割机工作期间测量数据不断增加，计算量不断增大的问题；通过在线辨识解决联合收割机实际运行过程中滚筒及风机系统参数时变性较强的问题。

对于控制器设计部分：

将参数辨识过程中辨识得到的参数带入式(8)，计算丢番图方程(DiophantineEquation)得到H(z^-1)和G(z^-1)。

再将H(z^-1)与G(z^-1)代入式(6)计算得到当前时刻控制器的输出。根据当前控制器的输出与被控对象的输出进行下一个控制周期。

本发明的控制器中，整理多变量解耦的自校正PID伪代码如下：

初始化uk，yk

初始化thetae_1为各元素为相同常量的矩阵

初始化P为主对角阵

while 1 do

1、phie←uk，yk；

2、K←P*phie/(1+phie′*P*phie)；

thetae←thetae_1+K*(y-phie′*thetae_1)；

P←(eye(8)-K*phie′)*P；//递推最小二乘法参数辨识

3、[H，G]←diophantine(thetae，T)；//计算控制器参数

4、u←output(H，G，yr，y)；//计算控制器输出

5、thetae_1←thetae；//更新系统辨识参数

uk(2)←uk(1)；

yk(2)←yk(1)；//移位操作

uk1(1)←u1；

uk2(1)←u2；//首位更新为当前被控对象输入输出

yk(1)←y；//记录输出

end

根据上述伪代码：

首先初始化uk、yk、thetae_1、P。

步骤1，将式(12)写成矩阵的形式，记录观测到的滚筒及风机输入输出数据uk、yk，赋值给phie。

步骤2，对滚筒及风机两个双输入单输出子系统分别用递推最小二乘法进行参数辨识。thetae对应式(11)中的θ表示滚筒及风机系统模型待辨识的参数。K、P、thetae_1是参与递推最小二乘法的中间变量。y为滚筒及风机两个子系统当前时刻的输出。

步骤3，对应式(8)，将步骤2中递推最小二乘法计算得到的模型参数thetae对应系统的期望闭环系统特征多项式系数矩阵T代入diophantine函数计算得到系统对应的PID控制器参数H、G。

步骤4，根据式(6)计算控制器的的输出u，控制器输出u对应输入参数为控制器的参数H、G、系统参考输出yr、实际输出y。

步骤5，对各变量参数进行更新。将计算得到的thetae赋值给thetae_1。

对uk、yk分别进行移位操作，并且分别将首位更新为当前时刻滚筒控制器输出、风机控制器输出、滚筒实际输出和风机实际输出。

步骤6，一次控制周期完成，进入下一个控制周期循环执行。

本发明的转速闭环控制首先给定滚筒及风机闭环调速系统目标性能参数，定时采集系统当前时刻的含杂率、喂入量、损失数量作为期望输出；当前时刻的滚筒及风机转速作为实际输出。根据期望输出和实际输出，通过递推最小二乘法在线辨识滚筒及风机闭环调速系统的数学模型，B_ij中即记录了辨识模型中各变量间的耦合关系。运用极点配置的方法在线调节PID控制器参数，调节输出的脉冲数量，改变步进电机的转速位置，调整皮带盘的传动比进而改变滚筒及风机转速。

本发明利用多变量解耦的自校正PID算法，可以针对油菜联合收割机各执行部件之间耦合关系较强、参数时变性非线性强的系统的问题，实时控制滚筒及风机转速，减少滚筒及风机转速受干扰影响产生的波动和收获过程的损失率、含杂率。