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发布时间：2015-03-21 11:02所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘 要：研究某小型稻谷脱粒机动力控制系统的开环控制策略。采用逐步回归法和方差扩大因子法得出功率和发动机转速为节气门开度模型的主要影响因素，并拟合了模型的多元线性回归方程。实验结果表明，回归方程拟合精确度高，预测值与观测值之间的相对误差都低于
摘 要：研究某小型稻谷脱粒机动力控制系统的开环控制策略。采用“逐步回归法”和“方差扩大因子法”得出功率和发动机转速为节气门开度模型的主要影响因素，并拟合了模型的多元线性回归方程。实验结果表明，回归方程拟合精确度高，预测值与观测值之间的相对误差都低于5%｡利用回归方程取代节气门开度的MAP图进行开环控制编程，应用新控制系统后，超调量下降了7。69%｡
关键词：农业论文发表,稻谷脱粒机,小功率,汽油机,开环控制
引言
小型稻谷脱粒机主要应用在我国南方山地丘陵地区｡目前对小型稻谷脱粒机的研究思路比较简单，主要是对传统的机器进行改装，用小功率的发动机取代人工动力(脚踩方式)，采用手工喂料的半自动方式｡由于采用手工的喂料方式，发动机经常处在高负荷､转速波动幅度大的过渡工况，此时宜采用开环控制，因为其响应速度比闭环控制快｡开环控制一般采用查节气门开度的MAP图｡查表法存在一个问题就是不能把所有工况点的节气门开度都查到，大多工况点是采用插值法得到数值，精确度大大打折;但是无论如何，都会漏掉一些工况点的最佳节气门开度｡对此问题的解决，可以考虑用实验方法采集实验数据，然后建立节气门开度的模型，拟合其回归方程，用其取代节气门开度的MAP图进行编程｡通过方程，可以得到各个工况点的节气门开度，回归方程的拟合效果将影响开环控制的精度｡为此，在前人研究基础上，本文研究小功率单缸汽油机发动机GX160K1节气门开度回归模型的建立方法，为小型稻谷脱粒机动力系统的开环控制提供软件编程的依据，以提高整个控制系统的精度｡
1、原研究基础的介绍
原稻谷脱粒机改装已经完成，采用小型汽油机GX160K1作为动力，GX160K1汽油机的主要参数如下:型号:GX160K1长×宽×高/mm:305×365×335发动机类型:单缸4冲程气缸排量/mL:163冷却系统:强制气冷式固定压缩比:8.5∶1安装了发动机的转速测量装置､发动机扭矩测量装置和节气门开度的测量控制装置，可以分别测量计算得到发动机转速n(r/min)，发动机输出扭矩Ttq(N·m)和节气门开度Tps，发动机有效功率(简称“功率”)Pe=Ttq×n/9550(kW)｡智能控制系统系统由硬件和软件两部分构成，其原理图如图1所示｡原系统的软件控制采用开环和闭环控制相结合，系统控制流程图如图2所示｡本研究基本上采用原机械改装和系统硬件设计，控制系统保留原来的闭环控制，主要研究开环控制部分｡研究思路是建立节气门开度的数学模型，拟合模型的回归方程;用回归方程取代查MAP图法进行开环控制的编程，即通过回归方程，可以得到每个工况点对应的合适节气门开度，从而提高系统控制精度｡新系统控制流程图｡
2、实验方法
实验数据采用发动机的负荷特性制取，转速范围为1200~3000r/min｡一般数据采集是样本越多越好，但是考虑劳动强度和成本，一个经验总则是数据量至少应为可能的自变量的数目的6~10倍[4]｡影响节气门开度Tps的因素有发动机转速n､功率Pe､水温T1､压宿比Cr､点火提前角θ等，数学模型为Tps=F(nPeT1Crθ)｡本发动机的固定压缩比Cr≡8.5，θ=23.5°，无T1项(发动机采用风冷方式)｡因此，数学模型变为Tps=F(nPe)，只考虑发动机转速和功率Pe｡考虑样本数的影响和数据异常值的处理，采集实验数据为230组，大于自变量数目的10倍｡实验数据采集后，首先进行变量异常值的处理，利用软件SPSS18。0处理实验数据｡在这因变量Y为节气门开度Tps，自变量X对应转速n和有效功率Pe｡直接使用SPSS18。0计算出学生化删除残差SRE(i)的数值，当|SRE(i)|>3的观测值即判定定为异常值[5]｡经计算，绝对值大于3的|SRE(i)|有3个，分别为7.607､4.09､3.07｡节气门开度模型学生化残差图Fig。4DiagramofstudentizeddeletedresidualsofthrottlePercentagemodel直接删除以上异常值，在用软件分析，实验数据满足要求｡
3、节气门回归模型的建立
回归方程的建立主要考虑两方面，一方面考虑方程的显著性(判断复决定系数R2)，另一方面还要考虑方程的稳定性｡对于节气门开度模型，从公开文献看，没有可参考的成熟模型｡模型的拟合，一般是比较不同模型的复决定系数R2大小和判断变量是否存在多重共线性，并结合模型简易型的要求和发动机的相关原理来求得模型｡模型残差与节气门开度的散点图，如图5所示｡从图5可看出回归方程可能是非线性的，可能需要引进某个或某些自变量的二次项或交叉乘积项[4]｡为此，在原来功率(X1)，转速(X2)基础上再增加3个自变量，分别为X3､X4､X5，对应X3=X1·X1，X4=X2·X2，X5=X1·X2｡在回归方程的建立中，自变量越多，复决定系数R2越大，意味着方程的显著性越高｡然而由于变量之间可能存在多重共线性，给变量的回归系数估计值带来不稳定性，意味着自变量的数目过多可能反而会使构造方程的稳定性变差｡因此，选择合适的自变量是模型建立关键，本研究采用最常用的“逐步回归法”进行选元，“方差扩大因子法(简称VIF法)”判断自变量之间是否存在多重共线性｡经验表明，当VIFj≥10时，认为变量之间存在严重的多重共线性｡
4、实验结果
以上所求得节气门开度回归方程，主要应用在小型稻谷脱粒机动力控制系统开环控制部分的编程｡模型精确度的高低，将影响系统的控制效果｡为此，进行相关验证实验｡实验主要内容:做发动机2300r/min转速下的负荷特性实验，测取节气门开度的观测值，进行观测值与预测值及两者相对误差的比较｡其中，节气门开度相对误差=|100%×(预测值-观测值)/观测值|，结果如图8所示;做转速2300r/min，60%标定工况负荷下，减载20%控制实验｡发动机工作在2300r/min时，节气门开度的预测值与观察值曲线非常靠近，相对误差都小与5%，说明回归方程预测精确度比较高，拟合效果理想;其它工况有类似结果，在此不过多叙述｡此外，在同一转速下，从相对误差的曲线看，相对误差呈现波动状态;但从趋势线看，随着功率(负荷)的增大，相对误差略有递增，而斜率却很小，说明相对误差的递增幅度很小，也体现了回归方程的可靠性｡图9比较了在突然卸载20%时两种系统控制效果，可看出两者的静差和发动机转速稳定时间差别不明显｡但采用新控制系统后超调量下降了7。69%，原因是在负载不变､转速波动小时都采用原PID控制，而当负载发生变化使发动机的转速变化量超过预定设置值时，系统采用开环控制｡显然，采用节气门开度回归方程编程的开环控制比采用查MAP图法的原开环控制的效果更好｡
5、结论
1)对小型稻谷脱粒机动力系统的开环控制方法进行研究，在分析回归模型的线性和非线性两种情形的基础上，采用“逐步回归法”和“方差扩大因子法”得出功率和发动机转速为节气门开度的主要影响因素，并成功地拟合了节气门开度的多元线性回归方程｡实验表明，节气门开度的预测值与观察值之间的相对误差都小于5%，说明回归方程拟合精确度高｡与查MAP图法的原开环控制相比，采用节气门开度回归方程编程的开环控制后，超调量下降了7。69%，控制效果更好｡2)本研究的发动机为小功率单缸汽油机，其中一些发动机参数如压缩比和点火提前角都是固定值｡在进行类似农业机械的动力改装或改进时，节气门开度的回归模型应当加以考虑以上参数可变情形，找出其中能影响节气门开度的因素，以保证回归方程的精确度｡
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《农业论文发表小型稻谷脱粒机动力控制系统开环控制策略的研究》