一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法技术方案

一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法属于大型植保机械的控制技术领域，尤其涉及一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法。本发明专利技术提供一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法。本发明专利技术包括以下步骤：步骤1）由牛顿第二定律对植保机械喷杆位置电液伺服系统进行数学建模得负载力动力学模型：步骤2）液压缸动态方程根据流量连续特性写出；步骤3）由动力学方程定义系统状态变量；步骤4）设计伺服驱动控制器。

A nonlinear control method for the uncertain position of the boom of a plant protection machine

The non-linear control method of the spray rod position uncertainty system of plant protection machine belongs to the control technology field of large plant protection machinery, especially relates to a non-linear control method of the spray rod position uncertainty system of plant protection machine. The invention provides a nonlinear control method for an uncertain position system of an implant protecting machine. The invention comprises the following steps: step 1) mathematical modeling of electro-hydraulic servo system for injection rod position of plant protection machinery by Newton's second law to obtain load dynamic model: step 2) dynamic equation of hydraulic cylinder is written according to continuous flow characteristics; step 3) system state variables are defined by dynamic equation; step 4) servo drive is designed. Dynamic controller.

【技术实现步骤摘要】
一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法
本专利技术属于大型植保机械的控制
，尤其涉及一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法。
技术介绍
随着农业的快速发展，由于农作物在生长过程中会受到病虫害等原因，对农作物的产量和生长质量产生不利影响。然而，我国对农作物进行病虫害防治工作时，农药存在过喷和欠喷的问题，不仅不能够对农作物病虫害进行有效的防治，还会导致农药的浪费以及对环境的污染。因此，发展植保机精确喷杆位置控制对农作物的病虫害防治具有重要意义。植保机喷杆位置控制需要伺服跟踪喷杆距植物冠层的高度，有关植保机喷杆位置伺服跟踪控制方法已有许多研究成果，然而这些成果在考虑位置跟踪时忽略了喷杆系统的不确定性、非线性和未知性等因素导致农药喷施发生欠喷或过喷等不均匀喷施的现象发生。植保机喷杆在喷药过程中，如果喷施高度过高，农药会在农作物上产生重叠喷施的现象；如果高度过低，农作物部分区域无法受到农药的喷施，因此植保机喷杆的位置控制方法尤为重要。
技术实现思路
本专利技术就是针对上述问题，提供一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案，本专利技术包括以下步骤：步骤1)由牛顿第二定律对植保机械喷杆位置电液伺服系统进行数学建模得负载力动力学模型：其中,P1,P2分别为液压缸两腔压力，A1,A2为两腔有效面积，m为负载质量，xL为活塞位移，为活塞位移的加速度，Fv为总摩擦力，F为负载力，Δ1为不可建模摩擦力、不确定负载扰动力、外界干扰力总和；系统复合不确定摩擦分成库伦摩擦和粘性摩擦将负载力F当成弹簧阻尼力和一个小的未知不确定力d1∈Δ1之和,即其中，为活塞位移的速度，bi(i＝0,...,5)为摩察系数，sgm(h)＝(1-e-λh)/(1+e-λh)，λ为经验常数，h为变量；步骤2)液压缸动态方程根据流量连续特性写出其中，Pr为回油压力，βe为有效弹性模量，Ctm为液压缸内泄漏系数,Cem1,Cem2为外泄露系数，Q1为进入油缸流量，Q2为排出油缸流量，分别为液压缸两腔未建模流流量，V1＝V01+A1xL,V2＝V02-A2xL,分别为两腔整个可控体积，V01和V02为当xL＝0时两腔初始容积；阀口流量与阀芯位移和压降ΔPi有关，阀流量方程为：其中，Cd为流量系数，ω为滑阀面积梯度，ρ为油液密度，Ps为供油压力；伺服阀阀芯位移xv与控制电流i的关系如下：xv＝kvi(6)其中，kv>0为比例系数，i＝u为系统控制输入；步骤3)选取x1作为系统输出，由动力学方程(1)-(6)得，定义系统状态变量：系统的状态方程为：其中：系统为非线性系统，η2,η3是未知非线性项；步骤4)设计伺服驱动控制器，系统状态有界，且系统参考输出信号yd有界连续可微；不确定项、未知干扰项有界，即设和为扰动的估计值，和为扰动估计误差，定义：由方程(7)和(8)可知，η2,η3改写为：由方程(7)、(8)、(9)得，和的动态方程为其中，1/ζ2，1/ζ3为观测器增益系数；设定辅助状态变量为：其动态方程为：设e1系统输出误差，e1＝x1-yd，其中x1为系统输出；由方程(7)和扰动观测器(13)及|e1(0)|≤kb，得系统的控制规则如下：e1＝x1-yd(14)取，取则u为：其中k1,k2,k3为控制器增益系数大于零，kb为位置误差的约束公差。本专利技术有益效果。本专利技术基于植保机喷杆位置不确定系统的特征，结合动力学和流量特性模型，建立液压缸压力与喷杆位移之间的系统状态方程。可实现喷杆位置的伺服跟踪，可有效提高农药的利用率和农作物的病虫害的防治。本专利技术基于状态方程和动力学及流量特性，结合具有高增益的喷杆不确定位置观测器的反步控制率，使植保机械喷杆位置实现伺服跟踪。本专利技术通过具有高增益扰动观测器的反步控制率(19)，基于植保机械喷杆位置电液伺服系统动力学模型(1)和流量特性模型(4)可实现伺服跟踪最终一致稳定。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做进一步说明。本专利技术保护范围不仅局限于以下内容的表述。图1为本专利技术控制器工作框图。图2为本专利技术的STM32单片机最小系统图。图3、4为本专利技术CAN总线模块原理电路图。图5为本专利技术电源供电模块原理电路图。具体实施方式本专利技术包括以下步骤：步骤1)由牛顿第二定律对植保机械喷杆位置电液伺服系统进行数学建模得负载力动力学模型：其中,P1,P2分别为液压缸两腔压力，A1,A2为两腔有效面积，m为负载质量，xL为活塞位移，为活塞位移的加速度，Fv为总摩擦力，F为负载力，Δ1为不可建模摩擦力、不确定负载扰动力、外界干扰力总和；系统复合不确定摩擦分成库伦摩擦和粘性摩擦将负载力F当成弹簧阻尼力和一个小的未知不确定力d1∈Δ1之和,即其中，为活塞位移的速度，bi(i＝0,...,5)为摩察系数，sgm(h)＝(1-e-λh)/(1+e-λh)，λ为经验常数，h为变量；步骤2)液压缸动态方程根据流量连续特性写出其中，Pr为回油压力，βe为有效弹性模量，Ctm为液压缸内泄漏系数,Cem1,Cem2为外泄露系数，Q1为进入油缸流量，Q2为排出油缸流量，分别为液压缸两腔未建模流流量，V1＝V01+A1xL,V2＝V02-A2xL,分别为两腔整个可控体积，V01和V02为当xL＝0时两腔初始容积；阀口流量与阀芯位移和压降ΔPi有关，阀流量方程为：其中，Cd为流量系数，ω为滑阀面积梯度，ρ为油液密度，Ps为供油压力；伺服阀阀芯位移xv与控制电流i的关系如下：xv＝kvi(6)其中，kv>0为比例系数，i＝u为系统控制输入；步骤3)选取x1作为系统输出，由动力学方程(1)-(6)得，定义系统状态变量：系统的状态方程为：其中：系统为非线性系统，η2,η3是未知非线性项；步骤4)设计伺服驱动控制器，系统状态有界，且系统参考输出信号yd有界连续可微；不确定项、未知干扰项有界，即设和为扰动的估计值，和为扰动估计误差，定义：由方程(7)和(8)可知，η2,η3改写为：由方程(7)、(8)、(9)得，和的动态方程为其中，1/ζ2，1/ζ3为观测器增益系数；设定辅助状态变量为：其动态方程为：具有辅助状态变量的扰动观测器(12)不需要通过对和求导来得到和因此可以大大减小在高增益下测量到的噪声。设e1系统输出误差，e1＝x1-yd，其中x1为系统输出；由方程(7)和扰动观测器(13)及|e1(0)|≤kb，得系统的控制规则如下：e1＝x1-yd(14)取取则u为：其中k1,k2,k3为控制器增益系数大于零，kb为位置误差的约束公差。本专利技术可采用CAN总线串行通讯协议传输数据，利用STM32单片机对植保机械喷杆位置控制。以STM32单片机为主控制器，主控制器的输入接高度检测模块、输出接电机驱动模块；CAN总线通讯模块；以及电源供电模块。基于STM32单片机将输出信号提供驱动单元，实现在喷杆位置的实时控制。主控制器控制方法为读取高度检测单元的反馈信号与主控制器给定的控制命令信号xL和yd，计算得出误差信号。根据误差信号，主控制器按照预定的控制算法计算出的喷杆的高度以及驱动伺服阀的电流信号的控制量，送给伺服阀驱动单元，植保机械喷杆维持自身平衡及按照预定高度进行工作。采用CAN总线串行通讯协议进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)由牛顿第二定律对植保机械喷杆位置电液伺服系统进行数学建模得负载力动力学模型：

【技术特征摘要】
1.一种植保机喷杆位置不确定系统的非线性控制方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)由牛顿第二定律对植保机械喷杆位置电液伺服系统进行数学建模得负载力动力学模型：其中,P1,P2分别为液压缸两腔压力，A1,A2为两腔有效面积，m为负载质量，xL为活塞位移，为活塞位移的加速度，Fv为总摩擦力，F为负载力，Δ1为不可建模摩擦力、不确定负载扰动力、外界干扰力总和；系统复合不确定摩擦分成库伦摩擦和粘性摩擦将负载力F当成弹簧阻尼力和一个小的未知不确定力d1∈Δ1之和,即其中，为活塞位移的速度，bi(i＝0,...,5)为摩察系数，sgm(h)＝(1-e-λh)/(1+e-λh)，λ为经验常数，h为变量；步骤2)液压缸动态方程根据流量连续特性写出其中，Pr为回油压力，βe为有效弹性模量，Ctm为液压缸内泄漏系数,Cem1,Cem2为外泄露系数，Q1为进入油缸流量，Q2为排出油缸流量，分别为液压缸两腔未建模流流量，V1＝V01+A1xL,V2＝V02-A2xL,分别为两腔整个可控体积，V01和V02为当xL＝0时两腔初始容积；阀口流量与阀...

【专利技术属性】
技术研发人员：李树江，夏彬，王向东，赵柏山，孙平，
申请(专利权)人：沈阳工业大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21