4WID高地隙自走式电动喷雾机定速巡航控制方法

doi:10.12398/j.issn.2096-7217.2024.02.003

摘要/Abstract

摘要：

针对4WID高地隙自走式电动喷雾机在复杂工况下，面对来自外部道路坡度改变及内部药液喷洒带来整备质量下降，从而导致喷雾机行驶速度稳定性差、作业质量恶化等问题，在分析4WID高地隙自走式电动喷雾机结构与纵向动力学特性基础上，设计一种定速巡航分层控制算法。控制算法模型接收用户设定的期望行驶车速，经过算法计算后对纵向动力学系统模型输入加速度控制信号，实现喷雾机对期望车速的跟踪。搭建的纵向动力学系统结构主要包括5个部分：逆纵向动力学模型、加速与制动切换模型、转矩分配模型、电机模型和纵向动力学模型。通过对斜坡行驶状态下喷雾机的车身状态进行受力分析可获得其逆纵向动力学及纵向动力学模型；同时，为建立合理的四轮转矩分配策略，在喷雾机车身同时具有俯仰及侧倾的条件下进行分析，以各驱动轮的附着率作为分配依据，满足不同工况下各车轮的最佳驱动力矩，确保喷雾机动力的均衡性。模型定速巡航控制采用分层控制方法，通过建立上层PID控制及下层的模糊PID控制实现对喷雾机车速的有效跟踪，通过制定模糊控制规则，自动对下层控制器的PID参数进行整定，保证在各种复杂工况下喷雾机定速巡航系统的良好适应性。应用Matlab/Simulink建立控制模型，对控制系统进行仿真分析。试验结果表明，在典型工况下，设计的定速巡航控制系统能够有效地对喷雾机的速度进行控制。具体而言，在系统输入外部干扰及自重变化条件下，该控制系统的表现良好，超调量在2%以内，响应时间小于0.2 s，稳态误差趋于0，验证了所采用控制算法的准确性。

关键词: 自走式电动喷雾机, 定速巡航系统, 四轮独立驱动, 纵向动力学模型, 模糊PID控制

Abstract:

In response to the problems of poor speed stability and degraded spraying quality of 4WID high-clearance self-propelled electric sprayers caused by changes in external road gradients and lowered payloads resulted from internal liquid spraying under complex operating conditions， a fixed-speed cruise control algorithm with a layered control approach is proposed based on an analysis of the structure and longitudinal dynamic characteristics of 4WID high-clearance self-propelled electric sprayers. The control algorithm model receives the user-specified desired speed and inputs acceleration control signals to the longitudinal dynamic system model through algorithmic calculation to realize the tracking of the sprayer to the desired speed. The structure of the longitudinal dynamic system mainly includes five parts： the inverse longitudinal kinematic model， the acceleration-braking switching model， the torque allocation model， the motor model， and the longitudinal kinematic model. The inverse longitudinal kinematic and longitudinal kinematic models of the sprayer can be obtained by analyzing the force on the body of the sprayer under the condition of driving on a slope. Meanwhile， in order to establish a reasonable four-wheel torque allocation strategy， the analysis is conducted under the condition that the sprayer has both pitching and tilting motions of the body， and the slip rate of each driving wheel is used as the basis for allocation， ensuring the optimal torque moment of each wheel under different operating conditions and ensuring the balanced power of the sprayer. The speed cruise control adopts a layered control approach， which realizes the effective tracking of the speed of the spraying machine through the establishment of the upper PID control and the lower fuzzy PID control. By defining fuzzy control rules， the PID parameters of the lower layer controller are automatically adjusted to ensure the good adaptability of the speed cruise control system to various complex operating conditions. A control model is established using Matlab/Simulink， and the control system is simulated and analyzed. The experimental results show that the designed speed cruise control system can effectively control the speed of the sprayer under typical operating conditions. Specifically， the performance of the system is excellent under conditions of external disturbance and self-weight variation， with overshoot less than 2%， response time less than 0.2 s， and steady-state error approaching 0， verifying the accuracy of the control algorithm used.

Key words: self-propelled electric sprayer, cruise control system, four-wheel independent drive, longitudinal dynamics model, fuzzy PID control

中图分类号:

S224.3

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图/表 25

图1 喷雾机在空间坐标系下受力示意图

Figure 1 Force diagram of the sprayer in spatial coordinate system

图2 喷雾机纵向动力学仿真系统

Figure 2 Longitudinal dynamics simulation system of the sprayer

图3 逆纵向动力学模块

Figure 3 Inverse longitudinal dynamics module

图4 驱动与制动切换关系模块

Figure 4 Drive and brake switching relationship module

图5 喷雾机俯仰视角下两轮模型

Figure 5 Two-wheel model of the sprayer from a pitch angle view

图6 喷雾机侧倾视角下两轮模型

Figure 6 Two-wheel model of the sprayer from a roll angle view

图7 四轮转矩分配策略

Figure 7 Four-wheel torque distribution strategy

图8 轮毂电机控制模型

Figure 8 Wheel hub motor control model

图9 电机整体模块

Figure 9 Overall motor module

表1 电机控制模型调节器参数

Table 1 Motor control model regulator parameters

参数	转速调节器ASR	电流调节器ACR
比例调节系数k_p	2.5	3.8
积分调节系数k_i	0.01	0.007

图10 喷雾机纵向动力学模型

Figure 10 Longitudinal dynamics model of the sprayer

图11 喷药机的定速巡航纵向动力学系统模型仿真框图

Figure 11 Simulation block diagram of the longitudinal dynamics system for the sprayer's cruise control

图12 标准定速巡航控制结构

Figure 12 Standard cruise control structure

图13 喷雾机定速控制系统的总体方案

Figure 13 Overall scheme of the cruise control system for the sprayer

图14 上层控制器模型

Figure 14 Upper-level controller model

图15 模糊PID控制结构图

Figure 15 Fuzzy PID control structure

图16 定速巡航模糊PID控制输入输出变量隶属函数

Figure 16 Membership functions of input and output variables for fuzzy PID control of cruise control

表2 参数Kp、Ki、Kd控制规则调整表

Table 2 Adjustment table for control rules of parameters Kp， Ki， and Kd

e	e_c
e	NB	NM	NS	ZO	PS	PM	PB
NB	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PM/NM/NB	PS/NS/NB	ZO/ZO/NM	ZO/ZO/PS
NM	PB/NB/PS	PB/NB/NS	PM/NM/NB	PS/NS/NM	PS/NS/NM	ZO/ZO/NS	NS/ZO/ZO
NS	PM/NB/ZO	PM/NM/NS	PM/NS/NM	PS/NS/NM	ZO/ZO/NM	NS/PS/NS	NS/PS/ZO
ZO	PM/NM/ZO	PM/NM/NS	PS/NS/NS	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NM/PM/NS	NM/PM/ZO
PS	PS/NM/ZO	PS/NS/ZO	ZO/ZO/ZO	NS/PS/ZO	NS/PS/ZO	NM/PM/ZO	NM/PB/ZO
PM	PS/ZO/PB	ZO/ZO/NS	NS/PS/NS	NM/PS/PS	NM/PM/PS	NM/PB/PS	NB/PB/PB
PB	ZO/ZO/PB	ZO/ZO/PM	NM/PS/PM	NM/PM/PM	NM/PM/PS	NB/PB/PS	NB/PB/PB

图17 输入与输出变量对应特性曲线

Figure 17 Corresponding characteristic curves of input and output variables

图18 喷雾机定速巡航模糊PID控制系统仿真

Figure 18 Simulation of the fuzzy PID control system for constant speed cruising of a sprayer

图19 不同工况下各轮毂电机转矩分配

Figure 19 Torque distribution of individual wheel hub motors under different operating conditions

图20 速度跟踪曲线

Figure 20 Speed tracking curve

图21 加速度输出曲线

Figure 21 Acceleration output curve

图22 速度跟踪曲线

Figure 22 Speed tracking curve

图23 加速度输出曲线

Figure 23 Acceleration output curve

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