联合收割机负荷控制系统研究

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我国是一个农业大国,社会经济对粮食生产中的收获质量、效率有很高要求。目前,联合收割机在我国农业生产中已逐步普及,有效提高了工作效率、减少了谷物损失。但跨区机收作业中,联合收割机特性会因工况的差异而变化。如不能及时调整工作状态,将导致作业效率下降,故障率上升,机械损耗加剧,严重时可能损坏机器。联合收割机特性复杂,人工控制无法获得良好的控制效果,因此须设计收割机总体负荷自动控制装置,根据实际工况自动控制其收割速度,保证联合收割机总体负荷处于最佳状态。本课题来源于十一五国家科技支撑计划项口“多功能农业装备与设施研制”(2006BAD11A03),以设计制作联合收割机负荷控制系统为目标,对收割机特性、控制算法、控制器软硬件设计等相关领域进行研究,设计了负荷控制算法和装置,并进行大量试验。试验结果表明所设计的控制算法及控制器能根据联合收割机的不同工况及时调整控制参数,在保证高作业质量的前提下大幅度提高作业效率。主要内容围绕以下工作展开:1)为了研究联合收割机的特性,检验各类算法的控制效果,建立了联合收割机整机计算机仿真模型。选择具有代表性的碧浪4LZ2.0型履带式全喂入横置轴流滚筒联合收割机为研究对象,分析其重要部件如柴油发动机、HST、V型传动带、割台、作物输送器、脱粒滚筒、清选筛、输粮搅龙等的工作原理和特性,建立各部件的动力学模型和作物运动模型。根据收割机结构有机整合各子系统模型,构成联合收割机整机数学模型。在Simulink软件环境下设计了收割机计算机仿真模型,对收割机的各种稳态特性、扰动瞬态响应进行研究。结果表明,联合收割机的内部参数漂移和外部扰动对其工作状态有明显的影响,而且会随作业时间、作业对象的变化而变化,难以精确获取。总之,联合收割机系统存在着严重的非线性和时变性,不仅模型阶次高,而且是典型的大惯性、纯延迟系统。2)为加快研究进度,降低研发成本,克服实车试验所受的各种制约,研究、设计了联合收割机半实物仿真模型,用以模拟联合收割机的各种工况,实现对负荷控制器实物的试验测试。通过仿真适配器接收控制器实物发出的控制信号,模型计算机根据数学模型获得各环节的响应,再由仿真适配器输出,模拟传感器检测信号作为控制器反馈。利用相同信号控制联合收割机实车和半实物仿真模型进行对比试验,试验表明半实物仿真模型具有与实车相似的特性,可以在很大程度上模拟收割机的作业过程,实现对负荷控制器实物的实时仿真。3)针对收割机高阶非线性、参数漂移、特性复杂的问题,设计了基于RBF神经网络的自适应负荷控制器。利用RBF网络在线辨识收割机特性参数,以此为基础构成逆模型控制器对收割机进行控制。多种工况条件下的计算机仿真试验表明,控制器对系统参数漂移具有一定适应能力,在不同工况条件下获得较好的控制效果。4)为了解决收割机大惯性、存在纯延时环节等问题,同时基于对其外部扰动的研究,设计了负荷-车速串级控制器。分别利用单神经元PID技术和直接广义预测控制技术设计了车速控制器和负荷控制器。计算机仿真试验表明,引入车速副回路有效提高了系统工作频率,强化了对系统内部参数、外部扰动的适应能力,获得良好的控制效果。5)基于上述研究内容,设计了嵌入式联合收割机负荷控制器,并利用半实物仿真模型和4LZ2.0型联合收割机实车进行大量试验,试验结果表明控制器能够达到设计要求,可实现收割机总体负荷的自动控制,获得较好的作业质量和作业效率。
摘要第7-9页
ABSTRACT第9-10页
第一章 绪论第13-26页
    1.1 本课题研究的目的和意义第13-15页
    1.2 联合收割机负荷控制技术的发展与现状第15-24页
        1.2.1 联合收割机智能化技术现状第15-17页
        1.2.2 早期的联合收割机负荷控制技术第17-18页
        1.2.3 现代联合收割机负荷监测与控制系统第18-20页
        1.2.4 联合收割机负荷自动控制算法的研究第20-22页
        1.2.5 联合收割机反馈自动控制系统模型与仿真技术的研究第22-24页
    1.3 本课题的研究内容第24-25页
    1.4 本章小结第25-26页
第二章 收割机对象模型的建立第26-70页
    2.1 4LZ2.0型收割机数学模型的建立第26-48页
        2.1.1 收割机系统结构与基本工作原理第26-29页
        2.1.2 4LZ2.0型联合收割机总体模型结构第29-30页
        2.1.3 动力系统数学模型第30-32页
        2.1.4 传动系统数学模型第32-37页
        2.1.5 行走系统数学模型第37-38页
        2.1.6 收割作业系统数学模型第38-41页
        2.1.7 脱粒装置数学模型第41-45页
        2.1.8 清选装置数学模型第45-46页
        2.1.9 输粮搅龙数学模型第46-48页
        2.1.10 控制电机数学模型第48页
    2.2 收割机作业工况分析第48-50页
    2.3 收割机仿真模型第50-59页
        2.3.1 收割机SIMULINK仿真模型第50-52页
        2.3.2 收割机作业过程的仿真第52-58页
        2.3.3 收割机系统基本特性总结第58-59页
    2.4 收割机半实物仿真模型的设计第59-68页
        2.4.1 半实物仿真模型的总体设计第59-61页
        2.4.2 半实物仿真模型的仿真适配器第61-64页
        2.4.3 半实物仿真模型工况设计软件第64-65页
        2.4.4 半实物仿真模型软件的设计第65-67页
        2.4.5 半实物仿真模型试验对比第67-68页
    2.5 本章小结第68-70页
第三章 负荷反馈控制算法研究第70-102页
    3.1 负荷控制的基本思路第70-71页
    3.2 基于RBF神经网络的负荷反馈自适应控制算法第71-80页
        3.2.1 基于RBF神经网络的自适应控制算法简介第72-76页
        3.2.2 基于RBF神经网络的自适应负荷控制算法设计第76-80页
    3.3 负荷-车速串级控制算法第80-91页
        3.3.1 系统结构与基本性能分析第80-83页
        3.3.2 单神经元网络车速控制器的设计第83-86页
        3.3.3 直接预测负荷控制器的设计第86-91页
    3.4 仿真试验第91-100页
        3.4.1 系统稳态仿真第91-93页
        3.4.2 收割机正常状态下的扰动仿真第93-96页
        3.4.3 系统内部参数变化条件下的扰动仿真第96-100页
    3.5 本章小结第100-102页
第四章 负荷控制系统设计第102-123页
    4.1 系统需求与整体结构设计第102-103页
        4.1.1 系统功能要求第102页
        4.1.2 系统整体结构设计第102-103页
    4.2 控制系统硬件设计第103-107页
        4.2.1 硬件系统结构设计第103页
        4.2.2 硬件平台配置第103-104页
        4.2.3 外围电路设计第104-107页
    4.3 系统软件设计第107-120页
        4.3.1 Bootloader移植与配置第107-109页
        4.3.2 Linux内核剪裁与移植第109页
        4.3.3 转速测量驱动程序设计第109-112页
        4.3.4 车速控制及报警输出驱动程序设计第112-115页
        4.3.5 应用程序设计第115-116页
        4.3.6 PID控制算法函数设计第116-118页
        4.3.7 负荷-车速串级控制器算法函数设计第118-120页
    4.4 shell程序设计第120-121页
    4.5 本章小结第121-123页
第五章 负荷控制系统试验第123-138页
    5.1 半实物仿真试验第123-134页
        5.1.1 田间地面起伏扰动试验第123-129页
        5.1.2 田间作物密度阶跃扰动试验第129-133页
        5.1.3 整车质量起伏扰动第133-134页
    5.2 实车田间试验第134-137页
        5.2.1 试验条件第134-135页
        5.2.2 试验方法与结果第135-137页
    5.3 本章小结第137-138页
第六章 总结与展望第138-141页
    6.1 研究总结第138-139页
    6.2 主要创新点第139-140页
    6.3 存在的问题及进一步的工作第140-141页
参考文献第141-152页
致谢第152-153页
攻读博士学位期间的研究成果第153页
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