專利名稱::一種機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制領(lǐng)域,具體涉及一種機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向的控制方法。
背景技術(shù):
:農(nóng)業(yè)機(jī)械導(dǎo)航控制的主要目的是根據(jù)各傳感器得到的相對(duì)精確的導(dǎo)航定位結(jié)果,確定農(nóng)業(yè)機(jī)械本身與預(yù)定義路徑的位置關(guān)系,結(jié)合農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及相應(yīng)控制算法,決策出合適的前輪轉(zhuǎn)角,以修正路徑跟蹤誤差,使農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前航向與目標(biāo)航向快速重合。導(dǎo)航控制分為縱向控制和橫向控制,其中橫向控制主要指轉(zhuǎn)向控制,縱向控制主要指速度的調(diào)節(jié)。農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,是實(shí)現(xiàn)其精確的航向跟蹤和自動(dòng)導(dǎo)航控制的基礎(chǔ)。常用的導(dǎo)航控制方法包括線性模型控制方法、最優(yōu)控制方法和模糊控制方法。美國伊利諾伊大學(xué)對(duì)農(nóng)用機(jī)械的自動(dòng)控制和多傳感器的信息融合做了深入廣泛的研究,成功開發(fā)了能實(shí)現(xiàn)多種耕作作業(yè)的拖拉機(jī),并利用電液控制系統(tǒng)執(zhí)行轉(zhuǎn)向動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)用拖拉機(jī)沿行間隙行走的無人駕駛。曰本東京大學(xué)利用機(jī)器視覺技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)研究,根據(jù)線性轉(zhuǎn)向控制模型,將目標(biāo)方向角度和車輛縱向角度融合,計(jì)算出轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度,完成轉(zhuǎn)彎控制。美國的NoguchiN等人應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法,建立了具有自學(xué)習(xí)能力的農(nóng)用車輛控制系統(tǒng),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該模型對(duì)在平坦路面行駛的車輛具有很好的控制效果,但不適合于路面傾斜的情況。Benson、DongZL等人應(yīng)用PID(比例-積分-微分proportion-integral-derivative)控制方法設(shè)計(jì)了PID控制器,該算法不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型,避免了繁瑣的建模過程,只需要一些對(duì)象的響應(yīng)特征來組合控制,對(duì)算法的比例參數(shù)、積分參數(shù)和微分參數(shù)進(jìn)行合理的調(diào)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有良好的路徑跟蹤效果。國內(nèi)的周俊與劉成良等人基于卡爾曼濾波的思想,融合了各傳感器的觀測值,給出了農(nóng)業(yè)機(jī)器人導(dǎo)航的預(yù)測跟蹤控制方法,避免了以視覺系統(tǒng)為主的計(jì)算耗時(shí)而導(dǎo)致狀態(tài)反饋滯后而產(chǎn)生的不利影響,對(duì)導(dǎo)航控制的魯棒性和精度有一定改善。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)集成GPS技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和多傳感器技術(shù),開發(fā)了以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的農(nóng)用智能移動(dòng)作業(yè)平臺(tái),經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明,該平臺(tái)路徑跟蹤的控制難度較大。通過分析可知,導(dǎo)航控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)是提高轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性和路徑跟蹤精度。常規(guī)PID控制方法可以獲得較高精度的路徑跟蹤效果,且具有一定的魯棒性和可靠性,但該方法的抗干擾能力較弱。模糊控制方法是近年來發(fā)展起來的新型控制方法,其優(yōu)點(diǎn)是不需要掌握受控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型,根據(jù)人工控制規(guī)則,組織控制決策決定控制量的大小,可以獲得良好的動(dòng)態(tài)特性,但其靜態(tài)特性比較差。在田間作業(yè)條件下,建立農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型比較困難,隨著作業(yè)環(huán)境和作業(yè)條件的變化,其運(yùn)動(dòng)特性隨時(shí)間變化,各種干擾因素對(duì)常規(guī)控制方法的影響也比較大。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于改進(jìn)和完善現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制技術(shù)中存在的不足,提供一種導(dǎo)航跟蹤精度相對(duì)較高、穩(wěn)定性較好的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法。為實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明釆用如下技術(shù)方案一種機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,該機(jī)械的存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)有PID控制器的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù),該方法包括以下步驟(1)根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)向要到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)確定其位置偏差和航向偏差;(2)根據(jù)所述位置偏差和航向偏差確定當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角,并控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)所述當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向,同時(shí)通過角度傳感器采集當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角;(3)計(jì)算當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的誤差及誤差的變化率,PID控制器根據(jù)所述誤差及誤差的變化率確定PID比例常數(shù)的增量、微分常數(shù)的增量和積分常數(shù)的增量,得到調(diào)整后的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù);(4)利用調(diào)整后的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù)求出當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角的增量,得到調(diào)整后的期望前輪轉(zhuǎn)角,并控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)所述調(diào)整后的期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向。其中,所述PID控制器與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間連接有步進(jìn)電機(jī),所述PID確定當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角后向所述步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制指令,所述步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所述控制指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其根據(jù)所述當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向。其中,在步驟(l)中,根據(jù)所述機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的行駛速度確定所述機(jī)械的最佳前視距離,依據(jù)所述最佳前視距離確定目標(biāo)航向角,由所述目標(biāo)航向角和最佳前視距離確定機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。其中,根據(jù)所述機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的行駛速度確定所述機(jī)械的最佳前視距離的方法為其中,L為機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻最佳前視距離,v為行進(jìn)速度。其中,由所述目標(biāo)航向角和最佳前視距離確定機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)x戸=^+丄'cos(Pp)其中,(^,;v)表示目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),(x,y)表示機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)的坐標(biāo),z表示最佳前視距離,^表示機(jī)械的目標(biāo)航向角。分求得。其中,在步驟(4)中,利用調(diào)整后的積分常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù)求出前輪轉(zhuǎn)角的增量的方法為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage8</formula>其中,a,2分別為當(dāng)前時(shí)刻/,第一時(shí)刻Z-7,第二時(shí)刻/-2期望前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的偏差,其中,第一時(shí)刻W為當(dāng)前時(shí)刻/的前一時(shí)刻,第二時(shí)刻"2為第一時(shí)刻zW的前一時(shí)刻,i^為比例常數(shù),&=[*777;,i^=^*rD/r,r為釆樣周期,r,為積分常數(shù),r。為微分常數(shù),其中所述釆樣周期為l秒。其中,所存儲(chǔ)的所述比例常數(shù)&的取值范圍為,0s^^1000,所述積分常數(shù)r,的取值范圍為osr,《0.5,所述微分常數(shù)^的取值范圍為o《r。si0。其中,所存儲(chǔ)的所述比例常數(shù)為&為75、積分常數(shù)為r,為o.oi、微分常數(shù)7^為8。本發(fā)明的基于參數(shù)自整定PID控制器的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,既具有模糊控制靈活性和適應(yīng)性的優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度較高的特點(diǎn)。與當(dāng)前的農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法相比,具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)在現(xiàn)有導(dǎo)航控制方法的基礎(chǔ)上,充分利用模糊控制方法,提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性和精確度。(2)依據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械前輪轉(zhuǎn)角的變化,滿足其在不同誤差、誤差變化率狀態(tài)下對(duì)PID控制參數(shù)的不同要求,利用基于參數(shù)自整定PID控制器的轉(zhuǎn)向控制方法,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。該方法優(yōu)于常規(guī)PID控制方法,可提高控制系統(tǒng)的魯棒性。圖i為本發(fā)明中機(jī)械與預(yù)定義路徑的位置關(guān)系解析圖;圖2為本發(fā)明機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法的系統(tǒng)框圖;圖3為本發(fā)明機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法的原理圖;圖4為本發(fā)明機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法的模糊推理部分原理圖;圖5為本發(fā)明機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法的工作流程圖;圖6為本發(fā)明中機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制部分的組成示意圖;具體實(shí)施方式以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明,但不用來限制本發(fā)明的范圍。本實(shí)施例中的農(nóng)業(yè)機(jī)械根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)具有DGPS定位技術(shù),目前GPS系統(tǒng)提供的定位精度是優(yōu)于10米,而為得到更高的定位精度,通常采用差分GPS技術(shù)即DGPS定位技術(shù)將一臺(tái)GPS接收機(jī)安置在基準(zhǔn)站上進(jìn)行觀測。根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo),計(jì)算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù),并由基準(zhǔn)站實(shí)時(shí)將這一數(shù)據(jù)發(fā)送出去。用戶接收機(jī)在進(jìn)行GPS觀測的同時(shí),也接收到基準(zhǔn)站發(fā)出的改正數(shù),并對(duì)其定位結(jié)果進(jìn)行改正,從而提高定位精度,利用DGPS定位技術(shù)釆集農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置坐標(biāo),為航位推算或定位算法提供原始數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中農(nóng)業(yè)機(jī)械根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)還包括電子羅盤、角度傳感器和加速度計(jì)等。其中電子羅盤測量農(nóng)業(yè)機(jī)械的航向角度;角度傳感器獲得農(nóng)業(yè)機(jī)械的前輪轉(zhuǎn)角;加速度計(jì)測量農(nóng)業(yè)機(jī)械的加速度,從而得到農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的行進(jìn)速度。如圖6所示,本實(shí)施例中農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制部分主要涉及下位機(jī)和上位機(jī)兩部分,下位機(jī)角度傳感器獲得農(nóng)業(yè)機(jī)械的前輪轉(zhuǎn)角,上位機(jī)釆用ARM芯片,與加速度計(jì)連接實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的釆集與處理、控制算法的實(shí)現(xiàn)及控制指令的輸出等,ARM芯片與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器連接,該電機(jī)驅(qū)動(dòng)器中的控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)上位機(jī)的轉(zhuǎn)向控制指令,及時(shí)準(zhǔn)確地控制轉(zhuǎn)向步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行動(dòng)作,上位機(jī)還可以通過RS232串口連接筆跡本等信息處理終端,與其相互傳輸數(shù)據(jù)。本實(shí)施例中的對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法具體如下1.預(yù)定義路徑設(shè)定本實(shí)施例中的農(nóng)業(yè)機(jī)械的預(yù)定義路徑釆用數(shù)據(jù)集(尸0,A,...,尸k-h網(wǎng)絡(luò)信息交換模式下的工業(yè)生產(chǎn)全過程優(yōu)化控制方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種電信
技術(shù)領(lǐng)域:
的控制方法,具體是一種網(wǎng)絡(luò)信息交換模式下的工業(yè)生產(chǎn)全過程優(yōu)化控制方法。技術(shù)背景隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,許多實(shí)際的被控對(duì)象,由多個(gè)子系統(tǒng)組成,每個(gè)子系統(tǒng)可看作是獨(dú)立的局部控制系統(tǒng),但是相鄰的子系統(tǒng)之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)??刂茊栴}的控制目標(biāo)多,不但要求對(duì)局部子系統(tǒng)進(jìn)行局部控制優(yōu)化,而且要求最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的整體優(yōu)化。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提高和工業(yè)現(xiàn)場總線的發(fā)展為工業(yè)過程的分布式優(yōu)化控制提供了條件。如何利用網(wǎng)絡(luò)信息交換,使各子系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)工作,最終使工業(yè)全過程整體目標(biāo)得到優(yōu)化,是一個(gè)亟待解決的問題。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn),DuX.N等在ProceedingsoftheAmericanControlConference》(美國控制會(huì)議)(2001年,3142-3143頁),上發(fā)表的"Distributedmodelpredictivecontrolforlarge-scalesystems"(大系統(tǒng)的分布式預(yù)測控制)提出了一種的分布式預(yù)測控制,但沒有對(duì)方法的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行具體研究,如迭代初值的取法等,而且得到的局部控制律并不是全局最優(yōu)解。陳慶等在《上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)》(2005年,第3期,349-352頁),上發(fā)表的"基于全局最優(yōu)的生產(chǎn)全過程分布式預(yù)測控制"提出了一種基于全局最優(yōu)的分布式預(yù)測控制方法,但每個(gè)子系統(tǒng)的局部性能指標(biāo)仍然采用整體性能指標(biāo),在線計(jì)算復(fù)雜。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足,提出了一種網(wǎng)絡(luò)信息交換模式下的工業(yè)生產(chǎn)全過程優(yōu)化控制方法,本發(fā)明在提高系統(tǒng)的整體性能的同時(shí)兼顧了系統(tǒng)的在線計(jì)算的復(fù)雜性,在每次優(yōu)化過程中,不斷與其鄰域子系統(tǒng)交換信息,并在優(yōu)化過程中考慮了其接收到的鄰域子系統(tǒng)的信息,提高了工業(yè)生產(chǎn)過程的整體性能。本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的,包括如下具體步驟所述的動(dòng)態(tài)路徑搜索算法是基于預(yù)瞄跟隨理論,通過動(dòng)態(tài)計(jì)算農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的最佳前視距離丄,確定其在預(yù)定義路徑上的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),具體步驟如下(21)確定農(nóng)業(yè)機(jī)械的最佳前視距離Z:本發(fā)明主要考慮農(nóng)業(yè)機(jī)械行進(jìn)速度對(duì)其前視距離的影響,通過實(shí)驗(yàn)確定出行進(jìn)速度和前視距離的關(guān)系,表示為Z-f2"1.5附/s(1)lv+0.75v〉1.5附/s式中丄為農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻最佳前視距離,v為行進(jìn)速度;(22)確定農(nóng)業(yè)機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)P,的坐標(biāo)根據(jù)決策出的最佳前視距離L,農(nóng)業(yè)機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)Pp的坐標(biāo)計(jì)算公式可表示為x戸-x+Z.cosC^J(2)式中,(:c戸,;v)表示目標(biāo)點(diǎn)6的坐標(biāo),(x,y)表示農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)尸c的坐標(biāo),Z表示最佳前視距離,表示農(nóng)業(yè)機(jī)械目標(biāo)航向。如圖l所示,其中-.農(nóng)業(yè)機(jī)械目標(biāo)航向^的確定方法為-i^P'p,即為農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)尸c指向目標(biāo)點(diǎn)P,的矢量;(3)確定農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前位置偏差A(yù)和航向偏差A(yù)參見圖1,其中農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前位置偏差化和航向偏差^的定義如下農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前的航向偏差《定義為農(nóng)業(yè)機(jī)械目標(biāo)航向^與當(dāng)前航向角^的差值,表示為農(nóng)業(yè)機(jī)械位置偏差A(yù):定義為農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)A及其在預(yù)定義路徑上的投影點(diǎn)夂間的距離,表示為化=/^:,其中當(dāng)前位置點(diǎn)尸e在預(yù)定義路徑上的投影點(diǎn)P:通過求互相垂直的兩直線的交點(diǎn)獲得;本實(shí)施例中規(guī)定當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械沿預(yù)定義路徑方向行進(jìn)時(shí),若農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)尸c位于預(yù)定義路徑的右側(cè),則位置偏差化為正;若其當(dāng)前位置點(diǎn)尸e位于預(yù)定義路徑的左側(cè),則位置偏差化為負(fù)。因此位置偏差化和航向偏差《方向的判斷方法如下位置偏差化方向判定方法若航向偏差《為正,則位置偏差A(yù)為正,反之則為負(fù)。航向偏差《方向判定方法若航向偏差《為正,則說明農(nóng)業(yè)機(jī)械在預(yù)定義路徑的右邊,反之則在左邊。(4)PID控制器首先根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置偏差和航向偏差確定農(nóng)業(yè)機(jī)械的初始期望前輪轉(zhuǎn)角,并根據(jù)該初始期望前輪轉(zhuǎn)角向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)該指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其控制前輪按初始期望前輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向,同時(shí),通過角度傳感器釆集實(shí)際的前輪轉(zhuǎn)角,根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的變化,通過參數(shù)自整定PID控制算法,在線整定PID參數(shù),推算出下一時(shí)刻期望前輪轉(zhuǎn)角,并向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)該指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其控制前輪按期望前輪轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)向,重復(fù)以上過程實(shí)現(xiàn)期望前輪轉(zhuǎn)角的不斷在線調(diào)整,完成自動(dòng)轉(zhuǎn)向過程。本實(shí)施例中農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制步驟是基于參數(shù)自整定PID控制器的,參數(shù)自整定PID控制器在線整定PID參數(shù)&、r,、rfl,推算出下一時(shí)刻期望前輪轉(zhuǎn)角方法包括為(41)初始化前輪轉(zhuǎn)角的PID控制參數(shù)&、r,、r。和釆樣周期r;本實(shí)施例釆用增量式PID控制算法,根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置PID參數(shù)&、r,、的初始值,分別為75、0.01和8,選取釆樣周期T為1秒,增量式PID控制方法只與最近的兩次前輪轉(zhuǎn)角偏差有關(guān)系,當(dāng)存在誤差或計(jì)算精度不足時(shí),對(duì)控制量計(jì)算的影響程度較小,增量式PID控制方法的目的在于對(duì)當(dāng)前時(shí)刻z'農(nóng)業(yè)機(jī)械的期望前輪轉(zhuǎn)角進(jìn)行整定,使下一時(shí)刻按整定后的期望前輪轉(zhuǎn)角控制轉(zhuǎn)向,具體根據(jù)下式獲取<formula>formulaseeoriginaldocumentpage13</formula>(4)其中,",,",一分別為當(dāng)前時(shí)刻z',第一時(shí)刻W農(nóng)業(yè)機(jī)械的期望前輪轉(zhuǎn)角,^&,^2分別為當(dāng)前時(shí)刻z'、第一時(shí)刻zW、第二時(shí)刻"2期望前輪轉(zhuǎn)角與實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的偏差,其中,第一時(shí)刻/-7為在當(dāng)前時(shí)刻/的前一時(shí)刻,第二時(shí)刻為在第一時(shí)刻z'的前一時(shí)刻,^為比例系數(shù),&=^*77;,^^^^zyr,其中,r為釆樣周期,優(yōu)選的初始數(shù)值范圍為o.i~is,r,為積分時(shí)間常數(shù),r。為微分時(shí)間常數(shù),0""1000,0^7^0.5。(42)確定PID控制器的前輪轉(zhuǎn)角控制量的模糊邏輯規(guī)則表和模糊邏輯控制表;本實(shí)施例中PID控制器采用自適應(yīng)模糊PID控制器,實(shí)現(xiàn)PID三個(gè)參數(shù)^、t;、r。的在線整定,進(jìn)而決策農(nóng)業(yè)機(jī)械的前輪轉(zhuǎn)角,以提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的精度和穩(wěn)定性。(421)確定PID控制器的前輪轉(zhuǎn)角控制量的模糊邏輯規(guī)則表;自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計(jì)的核心是總結(jié)駕駛?cè)藛T的技術(shù)知識(shí)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),轉(zhuǎn)化為模糊控制規(guī)則,建立模糊邏輯決策表,實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)變化量的決策??紤]到誤差、誤差變化率以及PID控制器三個(gè)參數(shù)J^、^、^的變化量Akp、Aki、Akd變量的正負(fù)特性,將每一種變量的取值范圍分為7種,分別為正大(PB)、正中(PM)、正小(PS)、零(ZO)、負(fù)小(NS)、負(fù)中(NM)和負(fù)大(NB),最終得到模糊誤差E、模糊誤差變化率EC及PID控制器三個(gè)參數(shù)的變化量厶kp、Aki、Aka的模糊控制表(如表1、表2、表3所示),表1、表2、表3中對(duì)應(yīng)于模糊誤差E的正大PB1、正中PM1、正小PS1、負(fù)小NS1、負(fù)中NM1和負(fù)大NB1共7個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于模糊誤差變化率EC的正大PB2、正中PM2、正小PS2、負(fù)小NS2、負(fù)中NM2和負(fù)大NB2共7個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于變化量Akp的正大PB3、正中PM3、正小PS3、負(fù)小NS3、負(fù)中NM3和負(fù)大NB3共7個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于變化量Akp的正大PB4、正中PM4、正小PS4、負(fù)小NS4、負(fù)中NM4和負(fù)大NB4共7個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)于變化量厶kp的正大PB5、正中PM5、正小PS5、負(fù)小NS5、負(fù)中NM5和負(fù)大NB5共7個(gè)等級(jí)。本實(shí)施例中不限于將上述中的每個(gè)變化分為7個(gè)數(shù)值范圍,也可以進(jìn)一步細(xì)化為更多的數(shù)值范圍,但符合下面表中所述的模糊規(guī)則。表lAKp的模糊規(guī)則表<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表2M:,的模糊規(guī)則表<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table>表3A/^的模糊規(guī)則表<table>tableseeoriginaldocumentpage14</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage15</column></row><table>本實(shí)施例中參數(shù)整定原則為模糊決策的輸出量是PID參數(shù)的變化量A^、A^、A《d。根據(jù)不同的模糊誤差E的絕對(duì)值問和模糊誤差變化率EC的絕對(duì)值IECI對(duì)J^、&、i^進(jìn)行整定,原則如下女當(dāng)模糊誤差問較大時(shí),如3^間S5,為使系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能,加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度,應(yīng)取較大的i^,如500^^^1000;同時(shí)為避免系統(tǒng)在初始時(shí),由于誤差的瞬時(shí)增大可能出現(xiàn)的微分飽和而使控制作用超出允許范圍,此時(shí)應(yīng)取較小的&,如0S&23;同時(shí)為避免系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)較大超調(diào),產(chǎn)生積分飽和,應(yīng)對(duì)積分作用加以限制,通常取&=0。*當(dāng)模糊誤差問適中,如B間S3,為使系統(tǒng)響應(yīng)具有較小超調(diào),應(yīng)取稍小的^,如0S^^100;此時(shí)i^的取值對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大,要大小適中,如3《i^《8.以保證系統(tǒng)的響應(yīng)速度;同時(shí)可增加一些積分對(duì)控制的作用,但若&太大,易造成積分飽和,太小則不能加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,所以&的取值要適當(dāng),如0S^S0.3。女當(dāng)模糊誤差問較小時(shí),如OS間Sl,為使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)態(tài)性,應(yīng)取較大的《尸與《,,如i^如500S尺pS1000,如0.3^^^0.5;同時(shí)為避免系統(tǒng)在設(shè)定值附近出現(xiàn)振蕩,《。值的選擇非常重要,一般可根據(jù)IEC沐確定當(dāng)模糊誤差變化率IECI值較小時(shí),如0《I圳S2,&可取大些,如5S^^10;當(dāng)IECI值較大時(shí),如2^五Cl",^可取小些,如0《i^S5,通常&為中等大小。(422)確定PID控制器的前輪轉(zhuǎn)角控制量的模糊邏輯控制表;在實(shí)驗(yàn)仿真中,將誤差e及誤差變化率e,的精確值模糊化成模糊量誤差E、模糊量誤差變化率EC,即分別以誤差e、誤差變化率e'的精確值為中心值取一段數(shù)值范圍,得到模糊量誤差E、模糊量誤差變化率EC,對(duì)模糊量誤差E選取模糊子集(NB1,NM1,NS1,ZOl,PS1,PM1,PB1"對(duì)模糊量誤差變化率EC選取模糊子集(NB2,NM2,NS2,Z02,PS2,PM2,PB2}。選取PID控制參數(shù)i^的變化量Ai^的模糊子集(NB3,NM3,NS3,Z03,PS3,PM3,PB3},選取PID控制參數(shù)^的變化量A/^的模糊子集(NB4,NM4,NS4,Z04,PS4,PM4,PB4},選取PID控制參數(shù)^的變化量A/^的模糊子集(NB5,NM5,NS5,Z05,PS5,PM5,PB5},取模糊量誤差E和模糊量誤差變化率EC變化范圍,將該范圍定義為模糊集上的論域,表示為E,={-15,-12,-9,-6,-3,0,3,6,9,12,15},EC,={-5,-4,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5},其中E,中每一個(gè)整數(shù)都對(duì)應(yīng)于模糊誤差E中的一段數(shù)值范圍,EC,中每一個(gè)整數(shù)都對(duì)應(yīng)于模糊誤差變化率中的一段數(shù)值范圍?;趯<抑R(shí)和現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗(yàn)制定模糊規(guī)則,打開模糊規(guī)則器,輸入不同的離散量E,、EC',得到PID參數(shù)變化量A^、△&、Ai^的對(duì)應(yīng)值,構(gòu)成模糊控制表(如表4、表5、表6所示)。表4M;的模糊控制表<table>tableseeoriginaldocumentpage16</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage18</column></row><table>本實(shí)施例中首先初始PID控制器的三個(gè)參數(shù)i^、A、《p,J^為比例系數(shù),《,^^r/r,,i^-《"rj:r,其中,r為采樣周期,r,為積分時(shí)間常數(shù),T^為微分時(shí)間常數(shù),本實(shí)施例根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果,設(shè)置PID參數(shù)^、7;、r。的初始值分別為75、o.oi和8,選取采樣周期T為1秒,確定了PID控制器的前輪轉(zhuǎn)角控制量的模糊邏輯規(guī)則表和模糊邏輯控制表后,如圖5所示,結(jié)合前面所述的內(nèi)容詳述在農(nóng)業(yè)機(jī)械行進(jìn)過程中自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制過程a-.取當(dāng)前采樣值;b:根據(jù)前面所述的方法確定農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)前的位置點(diǎn)尸。和目標(biāo)點(diǎn)P,的坐標(biāo),確定當(dāng)前農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置偏差化和航向偏差《;c:由當(dāng)前時(shí)刻農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置偏差A(yù)和航向偏差《確定農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角"i,并根據(jù)該當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角",向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)該指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其控制前輪按當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角",轉(zhuǎn)向,同時(shí),通過角度傳感器釆集實(shí)際的前輪轉(zhuǎn)角,該實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角的誤差為A,對(duì)當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角的誤差^求微分(de/dt),得到誤差變化率e,;d:對(duì)當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角的誤差e,和誤差變化率e'作為輸入量輸入到PID控制器,PID控制器將誤差q的精確值轉(zhuǎn)換為模糊誤差E,將誤差變化率e,的精確值轉(zhuǎn)換為模糊誤差變化率EC將糊化后的輸入量E、EC做為模糊推理部分的輸入,再由E、EC和總的控制規(guī)則R,根據(jù)推理合成規(guī)則進(jìn)行模糊推理得到模糊控制量t/為tz-(^:x五cf'-i其中,7;代表一定的控制規(guī)則,u為相應(yīng)的控制量(在實(shí)施例中分別代表Akp、Aki、Akd)。e.逆模糊化經(jīng)模糊控制算法計(jì)算后得到的控制量,為控制量語言變量的論域中的值,不能直接控制對(duì)象,須將其轉(zhuǎn)換為控制量基本論域中的值??刂屏康谋壤蜃佣x如下max/其中,1為控制量在0~"_范圍內(nèi)量化后分成的檔數(shù),釆用重心法對(duì)輸出模糊控制量C/進(jìn)行逆模糊化。本實(shí)施例中當(dāng)系統(tǒng)某時(shí)刻的誤差e、誤差變化率e'已知,即可通過確定參數(shù)變化量的值,在線整定PID控制器當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)^、&、&。;f:對(duì)當(dāng)前的《尸、A、i^進(jìn)行整定;/^=i^+Ai^、i^-A^+Ai^,其中,《、、KV、《、為上一時(shí)刻的PID參數(shù);g:PID控制器根據(jù)下式獲取控制參數(shù)A",.:Aw,.=〖p-!)++^-2eM+e,._2)〗(4)得到整定后的期望前輪轉(zhuǎn)角A",.+A,根據(jù)該整定后的期望前輪轉(zhuǎn)角向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送指令,步進(jìn)電機(jī)根據(jù)該指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其控制前輪按整定后的期望前輪轉(zhuǎn)角"'轉(zhuǎn)向,完成一步控制;h:然后等待下一次釆樣,重復(fù)執(zhí)行步驟bg,如此循環(huán),當(dāng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的位置偏差和航向偏差在設(shè)定的誤差范圍內(nèi)時(shí),結(jié)東該過程,即可完成農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制如圖3所示,本實(shí)施例中自適應(yīng)模糊PID控制器以農(nóng)業(yè)機(jī)械的當(dāng)前時(shí)刻前輪轉(zhuǎn)角與期望前輪轉(zhuǎn)角之間的誤差e和誤差e的變化率e'作為輸入量,在農(nóng)業(yè)機(jī)械行進(jìn)過程中通過不斷檢測e和e',根據(jù)模糊控制原理確定的模糊邏輯決策表來對(duì)控制器的3個(gè)參數(shù)^、r,、r。進(jìn)行在線修改,使其具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。下面以求i^為例說明推理方法(一)根據(jù)表l,可將每條^調(diào)整規(guī)律寫出,例如,第一條可寫為z/E=NBam/EC=NBK,PS,該規(guī)則隸屬度的計(jì)算方法為同理,可求出關(guān)于^的所有規(guī)則的隸屬度〃&,(c》(i=l,2,...,n),其中,n為關(guān)于^的所有規(guī)則的條數(shù),c^為第i條規(guī)則中所取模糊集合的中心值,p,E(^)代表當(dāng)E取NB時(shí)的隸屬度,A^^(EC)代表當(dāng)EC取NB時(shí)的隸屬度。(二)當(dāng)系統(tǒng)在某時(shí)刻誤差E、誤差變化率EC已知,i^的計(jì)算公式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>(6)同理,可以得到A、^的計(jì)算公式,如(7),(8)所示。其中,m、l分別為關(guān)于&、i^的所有規(guī)則的條數(shù)。<formula>formulaseeoriginaldocumentpage20</formula>(7)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage21</formula>(8)從式(5)~(8)可以看出,《"&、^與模糊誤差E和模糊誤差變化率EC之間建立了一種函數(shù)關(guān)系,可以滿足系統(tǒng)在不同模糊誤差E、模糊誤差變化率EC狀態(tài)下對(duì)PID控制參數(shù)的不同要求,所以該控制器優(yōu)于常規(guī)PID控制器?!鱥^、A^、MT。的模糊規(guī)則表建立后,即可進(jìn)行/^、i^、KD的在線整定。設(shè)模糊誤差E,模糊誤差變化率EC和A^、A^、AKfl均服從正態(tài)分布,可得出各模糊子集的隸屬度,根據(jù)各模糊子集的隸屬度賦值表和各參數(shù)模糊控制模型,應(yīng)用模糊合成推理設(shè)計(jì)PID參數(shù)變化量的模糊決策表,查出修正參數(shù)代入下式計(jì)算其中,《、為上一時(shí)刻的PID參數(shù),A^可由模糊規(guī)則表l查得;規(guī)則表2查得;其中,r為上一時(shí)刻的PID參數(shù),A^可由模糊其中,K、為上一時(shí)刻的PID參數(shù),Ai^可由模糊規(guī)則表3查得。將系統(tǒng)誤差E和誤差變化率EC變化范圍定義為模糊集上的離散論域,表示為E,={-15,-12,-9,-6,-3,0,3,6,9,12,15},EC,={-5,-4,-3,-2,-l,0,1,2,3,4,5},打開模糊規(guī)則器,輸入不同的離散量E、EC,得到對(duì)應(yīng)的Ai^、A^、AKD,構(gòu)成模糊控制表(如表4、表5、表6所示)。本發(fā)明提供的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)框圖如圖2所示,該系統(tǒng)是基于參數(shù)自整定PID控制器的,本實(shí)施例中參數(shù)自整定PID控制部分主要由以下幾部分組成①模糊控制器為模糊控制系統(tǒng)的核心,是釆用基于模糊控制知識(shí)表示和規(guī)則推理的語言型模糊控制器,主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化三部分。根據(jù)被控對(duì)象的不同以及對(duì)系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性要求的不同,模糊控制器的規(guī)則也有所不同,從而控制算法各異;②執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等;③被控對(duì)象可以是一種設(shè)備或裝置以及它們的群體,在一定的約東條件下工作;④傳感器需設(shè)置傳感器將被控對(duì)象或各種過程的被控制量轉(zhuǎn)換為電信號(hào);D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)數(shù)/模轉(zhuǎn)換和模/數(shù)轉(zhuǎn)換。雖然本發(fā)明是集體結(jié)合以上優(yōu)選實(shí)施例示出和說明的,但是熟悉該
技術(shù)領(lǐng)域:
的人員可以理解,其中無論在形式上還是在細(xì)節(jié)上都可以做出各種改變,這并不背離本發(fā)明的精神實(shí)在和專利保護(hù)范圍。權(quán)利要求1、一種機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,該機(jī)械的存儲(chǔ)裝置中存儲(chǔ)有PID控制器的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù),其特征在于,該方法包括以下步驟(1)根據(jù)機(jī)械轉(zhuǎn)向要到達(dá)的目標(biāo)點(diǎn)確定其位置偏差和航向偏差;(2)PID控制器根據(jù)所述位置偏差和航向偏差確定當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角,并控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)所述當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向,同時(shí)通過角度傳感器采集當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角;(3)計(jì)算當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的誤差及誤差的變化率,PID控制器根據(jù)所述誤差及誤差的變化率確定PID比例常數(shù)的增量、微分常數(shù)的增量和積分常數(shù)的增量,得到調(diào)整后的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù);(4)PID控制器利用調(diào)整后的比例常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù)求出當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角的增量,得到調(diào)整后的期望前輪轉(zhuǎn)角,并控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)根據(jù)所述調(diào)整后的期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向。2、如權(quán)利要求l所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,所述PID控制器與轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)之間連接有步進(jìn)電機(jī),所述PID確定當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角后向所述步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制指令,所述步進(jìn)電機(jī)根據(jù)所述控制指令控制轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)使其根據(jù)所述當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角來控制前輪轉(zhuǎn)向。3、如權(quán)利要求l所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,在步驟(l)中,根據(jù)所述機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的行駛速度確定所述機(jī)械的最佳前視距離,依據(jù)所述最佳前視距離確定目標(biāo)航向角,由所述目標(biāo)航向角和最佳前視距離確定機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)。4、如權(quán)利要求3所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,根據(jù)所述機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻的行駛速度確定所述機(jī)械的最佳前視距離的方法為2v^l.5附/sv+0.75v〉1.5w/s其中,丄為機(jī)械當(dāng)前時(shí)刻最佳前視距離,v為行進(jìn)速度。5、如權(quán)利要求4所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,由所述目標(biāo)航向角和最佳前視距離確定機(jī)械的目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)x戸=x+丄.cos(0》其中,()表示目標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo),(xj)表示機(jī)械當(dāng)前位置點(diǎn)的坐標(biāo),Z表示最佳前視距離,表示機(jī)械的目標(biāo)航向角。6、如權(quán)利要求1所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,所述當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角之間的誤差變化率EC由當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前期望前輪轉(zhuǎn)角之間的誤差E的微分求得。7、如權(quán)利要求1所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,在步驟(4)中,利用調(diào)整后的積分常數(shù)、微分常數(shù)和積分常數(shù)求出前輪轉(zhuǎn)角的增量的方法為=ZC尸(e!.-eM)++-2eM+e"2)〗其中,a,eM,ei—2分別為當(dāng)前時(shí)刻/,第一時(shí)刻zW,第二時(shí)刻/-2期望前輪轉(zhuǎn)角與當(dāng)前實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的偏差,其中,第一時(shí)刻/-7為當(dāng)前時(shí)刻z'的前一時(shí)刻,第二時(shí)刻/-2為第一時(shí)刻的前一時(shí)刻,i^為比例常數(shù),K,《":r/r,,/^=^*rD/r,r為釆樣周期,r,為積分常數(shù),r。為微分常數(shù)。8、如權(quán)利要求7所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,所述釆樣周期T為l秒。9、如權(quán)利要求l所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,所存儲(chǔ)的所述比例常數(shù)^的取值范圍為,os^《iooo,所述積分常數(shù)r,的取值范圍為ost;《0.5,所述微分常數(shù)的取值范圍為10、如權(quán)利要求i所述的機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,其特征在于,所存儲(chǔ)的所述比例常數(shù)為^為75、積分常數(shù)為r,為0.01、微分常數(shù)r。為8。全文摘要本發(fā)明涉及一種機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制方法,該方法包括步驟確定其位置偏差和航向偏差;根據(jù)農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的變化,通過參數(shù)自整定PID控制算法在線整定PID參數(shù),推算出下一時(shí)刻期望前輪轉(zhuǎn)角,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制。本發(fā)明在常規(guī)PID導(dǎo)航控制方法的基礎(chǔ)上,充分利用模糊控制方法,以農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)際前輪轉(zhuǎn)角的變化為依據(jù),滿足其在不同誤差、誤差變化率下對(duì)PID控制參數(shù)的不同要求,在線整定PID參數(shù)。既具有模糊控制靈活性和適應(yīng)性優(yōu)點(diǎn),又具有PID控制精度較高的特點(diǎn),能夠提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)轉(zhuǎn)向控制的穩(wěn)定性和精確度以及控制系統(tǒng)的魯棒性。文檔編號(hào)G05D1/12GK101221447SQ200810056478公開日2008年7月16日申請(qǐng)日期2008年1月18日優(yōu)先權(quán)日2008年1月18日發(fā)明者剛劉,司永勝,孟祥健,楊玉糯申請(qǐng)人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)