植保机喷杆位置控制器设计与嵌入式实现

• 作 者: 武月
• 出 处: 沈阳工业大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 植保机喷杆控制系统 输入约束 Backstepping控制 嵌入式 CAN总线

在农业现代化发展进程中,农业生产的要求和科研实验的推进使植保机得到了快速发展。对于喷杆植保机的投入和应用,大幅提高了喷药效率和施药精度,而且减少了环境污染。其中对植保机的喷杆位置控制的精度是控制精准喷药的关键环节。为喷杆系统提供动力的伺服阀、液压缸存在较强的非线性以及输入约束等特性,内部结构复杂,存在不确定因素,这使得喷杆位置控制器的设计变得较为困难。为了能够实时监测控制喷杆的位置,提高响应速度及控制精度,首先介绍了植保机喷杆系统的工作方式原理,对植保机喷杆系统进行建模研究分析,分析了系统中存在非线性、不确定性及输入约束等特性。然后,根据植保机喷杆控制系统的特点,提出一种考虑输入饱和不确定干扰的反步控制器。通过引入一个稳定的辅助系统,设计新的误差变量,解决控制输入的幅值约束问题。通过构造合适的李亚普洛夫函数,保证了植保机喷杆系统的稳定性。仿真结果表明,喷杆系统的静态误差较小,响应迅速,在系统受到外界因素的干扰时,控制器能够抑制外部的扰动力,具有很强的鲁棒性,能够满足控制喷杆高度的精度和稳定性的要求。植保机喷杆位置控制系统Backstepping控制策略得到有效验证的基础上,进行嵌入式控制器的开发。硬件方面采用STM32F407ZGT6芯片,设计了AD转换模块、显示模块、通信模块等。软件方面完成了控制策略代码,设计了AD转换程序、显示程序以及CAN总线通信程序。采取硬件在环方式进行控制器性能测试,利用通信模块实现嵌入式控制器与上位机的通信,上位机模拟喷杆位置系统,实验表明,设计的嵌入式控制器能够有效地控制喷杆高度。