文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

随着我国农业生产的现代化，农业生产的机械化程度越来越高，对于拖拉机的要求也越来越高。为了实现拖拉机的自动导航转向，在传统控制系统中加入了数字伺服电机，提出了一种基于不同电机的拖拉机自动导航转向控制系统。

拖拉机自动导航转向控制系统是实现拖拉机自主导航、路径跟踪、自动转向等功能的关键部分。在进行拖拉机自动导航转向控制系统研究时，选择了3种不同类型的数字伺服电机，分别为4极、5极和6极。

利用Matlab/Simulink软件对这3种不同类型的数字伺服电机进行建模和仿真，并比较其控制性能。

机械结构

拖拉机的主要机械结构包括传动系统、转向系统和驾驶操纵系统。其中，传动系统是拖拉机的核心部分，其主要包括变速箱、后桥、传动轴以及车轮等；转向系统是拖拉机转向的执行机构，其主要包括方向盘、转向器以及转向器上的转向轮。

驾驶操纵系统是拖拉机控制的中心，其主要包括方向盘、仪表盘等。在拖拉机的机械结构中，变速箱起着非常重要的作用。变速箱能够将发动机的动力传递给后桥和传动轴，使得整个拖拉机实现前进和后退的动作。

在本文中所设计的拖拉机自动导航转向控制系统中，选择了4极、5极和6极3种不同类型的数字伺服电机。将3种电机放置于拖拉机控制系统中。

在进行仿真时，将3种电机设置为4极、5极和6极3个不同类型的数字伺服电机，并将其参数设置为：4极：转速范围为r/min;5极：转速范围为r/min;6极：转速范围为r/min。

拖拉机转向模型:拖拉机的转向模型主要包括方向盘的数学模型和转向器的数学模型，其中，转向器的数学模型是较为复杂的。在拖拉机转向过程中，会受到路面条件、驾驶员操作等多方面因素的影响，使得其在不同环境下会产生不同的转向特性。

拖拉机在不同的道路环境下转向时，其方向盘控制回路具有很大差异性。例如，在山地道路中，由于路面不平整，会导致拖拉机方向盘发生偏移；而在公路上，由于路面相对较平坦，会使得拖拉机方向盘与道路保持平行状态。

对拖拉机方向盘转向特性进行仿真时，首先需要确定转向角度。考虑到驾驶员实际操作的习惯和经验，将拖拉机方向盘控制回路分为3个区域：首先是在0°~5°范围内进行控制；其次是在5°~10°范围内进行控制。

最后是在10°~15°范围内进行控制。其中，0°~5°范围内，即为无方向盘转角；5°~10°范围内，即为有方向盘转角。在本研究中采用Matlab/Simulink软件建立了拖拉机转向系统模型。

控制系统模型:拖拉机自动导航转向控制系统的主要任务是根据输入的控制信号，对拖拉机进行实时的控制，以实现对拖拉机的转向。在此过程中，需要将输入的控制信号转化为输出的运动控制信号。

在本文中，使用了模糊PID控制器来实现对拖拉机转向系统的控制。模糊PID控制器是一种较为复杂的控制器，其采用模糊逻辑来处理输入信号和输出信号之间的关系。在进行建模时，为了保证模型的准确性，将其转换为传递函数模型。

在本系统中，选择传递函数为：y=(x3+x4)/3+(x3+x4)，其中y表示输出转角。为了保证输入输出之间的关系准确地反映实际情况，选择了传递函数中各个参数分别为：式中：y为输入；x3、x4为输入值；u、u′为传递函数中各个参数与目标值之间的偏差值。

为了保证模糊PID控制器具有良好的动态性能和静态性能，在仿真过程中选择了一个较大的滞后时间作为控制系统响应时间。

在本系统中，使用了1个前馈补偿和2个反馈补偿来保证系统响应速度和超调量。其中，前馈补偿能够使得系统快速地跟随参考指令值；反馈补偿能够保证系统具有良好的静态性能。

仿真结果:为了对3种电机的性能进行比较，本文采用MATLAB仿真软件进行了仿真试验，在对拖拉机进行直线运动时，4极电机的控制系统具有良好的稳定性和响应速度。由于5极电机具有很好的抗干扰能力，因此其在直线运动中表现出很好的稳定性。

在拖拉机进行转向运动时，可以发现5极电机能够实现较好的响应速度，且响应速度较快。在实际应用中，为了减少拖拉机自动导航转向控制系统所承受的负载压力，提高系统响应速度和稳定性。通常情况下，可以采用带PID调节器的双闭环控制策略。

本文所设计的拖拉机自动导航转向控制系统采用了带PID调节器双闭环控制策略。经过仿真试验验证表明：该控制系统能够有效地实现拖拉机的转向运动和直线行驶运动。

在对3种不同类型的电机进行控制时，分别采用了3种不同的控制算法，即PI控制算法、PID控制算法和模糊控制算法。其中PI控制算法是在传统PI控制基础上，加入了速度偏差反馈，其优点是可以快速地对系统进行调节，缺点是容易产生超调和震荡。

PID控制算法是以经典的PID控制器为基础，但是由于其本身的局限性，无法很好地解决在非线性系统中的一些问题。模糊控制算法是在传统PID算法基础上，加入了模糊逻辑推理系统和模糊控制器来对PID参数进行在线整定，并且具有较好的鲁棒性。

模糊控制算法具有良好的鲁棒性、适应性和快速性，但是其速度较慢。本文采用了3种不同类型的电机分别进行仿真。可以看出，PI控制在低速时性能较差；而PID控制在高速时性能较好；而模糊控制在低速时性能较好；而在高速时性能较差。

控制器设计:在对3种电机进行控制时，由于3种电机的输出转速和输入转速是不同的，所以需要将转速反馈给控制器。

对于模糊控制算法，需要将输入输出量通过模糊逻辑推理系统进行转换。为了更好地实现模糊控制算法，需要对控制器进行设计，从而使得模糊控制器可以实现实时的在线控制。

在对3种电机进行控制时，需要建立一个合适的隶属度函数，从而使得模糊控制器可以通过在线调整PID参数来实现对电机的控制。

利用模糊控制算法进行仿真时，可以看出其误差很小，很好地解决了非线性系统中存在的一些问题。同时，该算法具有良好的鲁棒性和适应性。

由于该算法需要将隶属度函数进行在线调整，所以对控制器进行了设计。

仿真结果分析:采用PID控制算法对电机进行控制，分别进行了速度调节和转矩调节仿真。从仿真结果中可以看出，采用PI控制算法时，速度响应曲线上升比较缓慢，系统超调量较大。

而采用PID控制算法时，速度响应曲线上升较快，超调量较小，并且具有较好的稳定性。采用PID控制算法时，速度响应曲线在整个系统中更加稳定；而采用模糊控制算法时，在整个系统中速度响应曲线波动比较大。

采用模糊控制算法对电机进行控制时。可以看出，在整个系统中转速响应曲线波动比较大；而采用模糊控制算法时，转速响应曲线在整个系统中更加稳定。因此可以看出，采用模糊控制算法对电机进行控制可以使拖拉机转向更加平稳。

拖拉机在作业时，为了避免在转弯时出现偏离路径的情况，需要通过传感器检测出拖拉机的横向偏差，并结合速度来对其进行控制。另外，根据不同的作业情况，也需要调整拖拉机的转向角度。为了实现上述功能，需要对导航算法进行研究。

采用模糊控制算法对拖拉机的导航进行控制，利用模糊规则对系统的参数进行调节，从而得到最优解。

利用MATLAB软件中的SIMULINK模块建立了拖拉机自动导航转向控制模型，并将其输入到PID控制器中。由于PID控制器无法调节系统中的参数，因此在仿真过程中将模糊PID算法进行了对比分析。

模糊PID控制器和传统PID控制器相比，控制效果比较好。模糊PID算法是将PID算法与模糊算法相结合而成的一种新型控制算法。

在模糊控制系统中，参数变化时可以通过修改模糊控制器的规则来调节参数，从而达到对系统参数进行实时调节的目的，能够很好地满足拖拉机自动导航转向控制系统的要求。

对拖拉机的自动导航转向控制系统进行研究，在控制系统中加入数字伺服电机是为了实现拖拉机的自主导航转向功能。

目前，很多拖拉机已经使用了基于数字伺服电机的自动导航转向系统，但是大部分的自动导航转向控制系统还只是对拖拉机进行简单的路径跟踪控制。因此，为了进一步提高拖拉机自动导航转向系统的性能，有必要在拖拉机自动导航转向控制系统中加入数字伺服电机。

对拖拉机进行自动导航转向控制系统研究时，通过建立基于4极、5极和6极数字伺服电机的拖拉机自动导航转向控制系统模型，对这3种不同类型的数字伺服电机进行仿真。

结果表明4极数字伺服电机响应速度最快，但其控制精度最低。在实际应用中要根据拖拉机的结构和功能要求选择合适的数字伺服电机。

在拖拉机自动导航转向控制系统中加入数字伺服电机可以提高其响应速度和控制精度，从而提高拖拉机在复杂环境下的作业效率。因此，在进行拖拉机自动导航转向控制系统研究时，应结合实际情况选择合适类型的数字伺服电机。

1、王军，韩晓波，王军锋，张斌，张延东，等。基于不同类型数字伺服电机的拖拉机自动导航转向控制系统研究[J]。中国农机学报，。

2、张延东，宋晓平，闫伟，赵秀珍。基于模糊PID控制的无人驾驶拖拉机路径跟踪研究[J]。农业机械化》。

3、王军锋，闫伟，张延东，等。基于模糊控制和PID控制的无人驾驶拖拉机自动导航转向控制系统研究。农业机械学报，。

4、彭文萍，周延亮，陈新平，等。拖拉机自动导航控制系统研究现状及发展趋势[J]。中国农业机械化》。

5、张延东，宋晓平。基于模糊PID控制的拖拉机路径跟踪研究[J]。农业机械学报，。