基于RTOS平台的联合收割机模糊控制器的设计和实现

基于RTOS平台的联合收割机模糊控制器的设计和实现
胡志强;陈跃;程琴
【摘要】联合收割机的工作过程是一个非线性时变且有大延时的复杂系统,各个参数之间很难建立精确的数学模型,这给传统控制理论在该领域的应用带来了很大的困难.针对这一问题,以联合收割机喂入量为对象,将嵌入式技术和模糊控制技术相结合,在嵌入式RTOS平台上实现了模糊控制算法,为联合收割机复杂自动控制系统的研究和设计提供了一种新的思路和方法.
【期刊名称】《农机化研究》
【年(卷),期】2008(000)007
【总页数】3页(P90-92)
【关键词】RTOS平台;联合收割机;自动控制;模糊控制
【作者】胡志强;陈跃;程琴
【作者单位】徐州工程学院,江苏,徐州221008;徐州工程学院,江苏,徐州221008;西北农林科技大学,机械与电子工程学院,陕西杨凌712100
【正文语种】中文
【中图分类】TP273
0 引言
联合收割机在农业生产中发挥着越来越重要的作用，其自动控制技术水平是衡量农业机械现代化程度的重要指标之一。

然而由于联合收割机在工作中是一个非线性
时变且有大延时的复杂系统，各部件的性能状态，以及作物性质、地面状况等时时都在变化，脱粒机负荷或总损失量很难与其影响因素之间建立一个精确的数学模型，这就给传统控制理论在该领域的应用带来了很大的困难。

因此，将模糊控制技术引入联合收割机的控制系统具有重要的意义。

采用传统控制理论设计控制系统，需事先知道被控对象的精确数学模型，然后再根据给定的性能指标选择适当的控制规律进行设计。

然而在许多情况下，被控对象的数学模型很难建立，有时是不可能的，这类问题就难以进行自动控制。

而有经验的操作人员对其进行手动控制却可达到满意的效果。

其原因是操作者在长期的实践中获得了对系统的认识，在头脑中形成了对系统的认识并积累了操作经验。

总结人的控制行为，用语言描述人的手动控制策略，形成一系列的条件语句和决策规则，进而设计一个控制器，利用计算机实现这些控制规则，再驱动设备对工业过程进行控制，这种模糊控制技术为非线型复杂系统的控制提供了一个有效手段。

1 联合收割机模糊控制的基本原理
联合收割机自动控制的目的是在不超过脱粒装置的额定喂入量和允许损失量的前
提下，具有稳定的最大前进速度，发挥最大的收获效率。

喂入量与行走速度之间的关系可以表示为
Q=0.01SVP
(1)
式中 Q—喂入量(kg/s)；
S—割幅(m)；
V—行走速度(m/s)；
P—作物密度(kg/m2)。

在喂入量、脱粒损失、滚筒转速和行走速度之间很难建立一定的数学模型，并且
在联合收割机工作过程中由于作物密度、地貌形状不断变化，用一般的控制方法很
难达到自动控制的理想效果。

应用模糊控制技术对其进行控制，可以得出联合收割机的模糊控制框图，如图1所示。

图1 联合收割机模糊控制框图
2 模糊控制器的设计与实现
在嵌入式实时操作系统(RTOS)软件平台上，采用C语言编程实现模糊控制算法。

1)算法中参数设定。

以EasyARM2200硬件开发平台上ADC模块的一路电压值模拟喂入量的变化，设定U0=2.0V为标准，采样值的范围为1.0～3.0V，则误差的范围为-1.0～1.0V，即误差的基本论域为[-1.0V，1.0V]。

量化因子ke=4。

控制量为联合收割机车身行走速度的变化值，以车轮的转速数值来表示。

设定
V0=200r/min作为标准值，转速的可控制有效范围为150～250 r/min，则控制量的基本论域为[-50r/min，50r/min]。

比例因子ku=12.5。

2)输入输出语言变量语言值的选取及其赋值表。

为了对输入量进行模糊化处理，必须将输入变量从基本论域转换到对应的语言变量模糊集的论域，通过量化因子进行论域转换。

3)控制规则描述。

根据实际的操作经验，设计以下5条控制规则：
R1：if E=NL then U=PL
R2：if E=NS then U=PS
R3：if E=0 then U=0
R4：if E=PS then U=NS
R5：if E=PL then U=NL
4)模糊关系矩阵。

首先求每条规则所描述的模糊关系Ri，然后再求控制系统总的模糊控制关系R，即R=R1∨R2∨R3∨R4∨R5。

5)模糊推理。

对量化等级-4，-3，-2，-1，0，1，2，3和4分别进行模糊化，得到各自对应的模糊集合，然后再分别进行模糊推理得到输出模糊集合U1，U2，
U3，U4，U5，U6，U7，U8，U9。

具体计算为：U1=NL∘R。

6)模糊判决。

对上述输出模糊集合U1，U2，U3，U4，U5，U6，U7，U8，U9进行模糊判决，得到控制量的精确值，乘以比例因子施加给被控对象。

7)模糊控制算法设计。

由上述模糊判决得到模糊控制查询表。

根据模糊控制查询表设计模糊控制算法，其中模糊控制查询表的实现是模糊控制算法设计的核心。

本部分程序的关键代码，如图2所示。

3 结束语
模糊控制是一种新型的技术，不需要建立系统精确的数学模型，它为研究联合收割机脱粒滚筒性能提供了新的思路和方法。

本文在分析联合收割机控制过程和模糊控制基本原理的基础上，提出了将模糊控制技术应用于联合收割机的自动控制系统的研究和设计，并在嵌入式RTOS软件平台上实现了模糊控制算法。

测试结果表明，模糊控制算法得到了正确的执行，设计的模糊控制器具有一定的理论和实际意义，智能模糊控制也逐渐成为联合收割机自动控制的发展方向。

【相关文献】
[1] 潘兴文,邱白晶,王光亮.联合收割机模糊控制探讨[J].江苏理工大学学报, 1999,20 (4):25-27.
[2] 刘洪霞.单片微处理器在联合收割机监测系统上的应用[J].农机化研究,2002 (2):119-124.
[3] 马维民.多变量复杂系统的模糊控制[J].自动化与仪表, 1998 (5):32-34.
[4] 谭浩强.C程序设计(第2版)[M].北京: 清华大学出版社, 2002.
[5] 王田苗.嵌入式系统设计—基于ARM微处理器与μC/OS-II实时操作系统[M].北京:清华大学出版社, 2003.。