基于FONSSMO-MPC控制的联合收割机电动脱粒滚筒设计与性能优化研究

《Biosystems Engineering》：Design and performance analysis of an electric threshing drum and its speed control system for combine harvester

本文针对传统联合收割机脱粒滚筒在负载波动下转速稳定性差、适应范围窄等问题，创新性地设计了电动脱粒滚筒（ETD）系统。通过遗传算法优化的分数阶非奇异滑模观测器（FONSSMO）与模型预测控制（MPC）相结合的控制策略，实现了转速误差RMS值降低73.96%的精准控制。田间试验表明，该技术可使含杂损失率降低约19–20%，显著提升收割效率与适应性。

　　

Highlight

电动脱粒滚筒（ETD）架构

如图1所示，新型ETD系统主要由驱动电机、减速器和脱粒滚筒组成。驱动电机由电池和发动机驱动的发电机供电，动力经减速器实现降速增扭后传递至脱粒滚筒。通过调节电机转速，可灵活适应不同作物和工况的脱粒需求。

FONSSMO性能验证

图10展示了遗传算法优化FONSSMO参数时的适应度值收敛过程及优化结果。优化后的参数为：α_w = 754.1，β_w = 1436.33，g_s = 23260，μ = 0.5429，k_w1 = 7170.19，k_w2 = 3190.42。

为验证本文提出的FONSSMO性能，将其与传统滑模观测器（SMO）进行对比测试。两种观测器在如图11所示的负载输入下，FONSSMO表现出更平滑的观测曲线和显著降低的抖振现象。

Conclusion

本研究成功开发并验证了搭载FONSSMO-MPC控制器的电动脱粒滚筒系统。结果表明，ETD在调速范围、控制精度和抗干扰能力方面均显著优于传统滚筒。FONSSMO-MPC策略实现了对负载扰动的精准观测与补偿，为复杂工况下的农业装备智能控制提供了创新解决方案。