基于进料率自适应的甘蔗收获机提取器智能控制系统开发与性能评估

《Computers and Electronics in Agriculture》：Development and performance evaluation of an automatic control system for sugarcane harvester extractor

本研究开发了甘蔗收获机提取器自动控制系统，提出可变论域模糊多参数自适应PID（VUFMA-PID）控制方法。该系统通过实时匹配提取器转速与进料率（feed rate），显著降低杂质含量（impurity content）至4.00%和甘蔗损失（cane loss）至1.89%，能耗降低17.44-30.40%。研究成果为机械化甘蔗收获的智能控制提供了可行方案与理论支撑。

　　

亮点 (Highlight)

提取器控制系统设计与硬件组成

甘蔗收获机提取器自动控制系统主要由四个核心部分组成，如图1所示：信号采集单元、可编程逻辑控制器（PLC）、液压驱动单元和智能终端。信号采集单元配备了多个传感器，用于监测实时作业状况，包括底刀压力变送器（杭州美控自动化技术有限公司，型号：MIK-P300，输出：4–20 mA，测量范围：0–40 MPa）等。

回归模型建立与除杂最优参数组合确定

按照表3进行了全因子实验，并使用Design-Expert 13软件对测试结果进行了分析。建立了多项式回归模型，用以描述杂质含量（Y₁）和甘蔗损失（Y₂）与进料率（X₁）和提取器转速（X₂）之间的关系。回归方程如式(9)至(10)所示：

Y₁= 59.63 + 6.24X₁- 7.55×10^-2X₂- 2.8×10^-3X₁X₂- 0.17X₁²+ 2.5×10^-5X₂²

Y₂= -14.98 + 1.07X₁+ 1.54×10^-2X₂- 3.25×10^-4X₁X₂- 0.055X₁²- 3.5×10^-6X₂²

方差分析表明...

结论 (Conclusion)

本研究开发了甘蔗收获机提取器自动速度控制系统，并提出了一种VUFMA-PID控制方法，有效降低了收获过程中的杂质含量和甘蔗损失。主要结论如下：

• 通过进料率和提取器转速的全因子实验，确定了最优的速度-进料匹配策略。对于0–2、2–3和3–4 kg/s的进料率，最优转速分别为1530、1665和1775 r/min。

• 可变论域模糊PID（VUFMA-PID）控制方法相较于常规PID和模糊PID，实现了最短的稳态响应时间，分别快了0.32秒和0.26秒，且稳态误差和最大超调量均降至零。