《Agriculture》：Cascaded MRAC-Feedforward Composite Control Strategy for Negative Pressure Stabilization of an Electric-Driven Seeding Fan
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未稳压的动力输出（power take-off, PTO）驱动发电机的母线电压波动，叠加气动负载变化，会导致电驱动气吸式排种风机负压不稳定，降低播种质量。本文提出一种将模型参考自适应控制（model reference adaptive control, MR
未稳压的动力输出（power take-off, PTO）驱动发电机的母线电压波动，叠加气动负载变化，会导致电驱动气吸式排种风机负压不稳定，降低播种质量。本文提出一种将模型参考自适应控制（model reference adaptive control, MRAC）与电压前馈相结合的串级复合控制策略。基于时间尺度分离，内环采用带电压前馈的比例积分（proportional-integral, PI）控制器，对母线电压扰动进行毫秒级补偿；外环采用输出反馈MRAC，以抑制时变气室动力学。通过非线性仿真、台架试验和棉花田间试验，将该策略与PID、模糊PID（fuzzy PID）以及无前馈的串级MRAC（cascaded MRAC without feedforward, CMRAC-NFF）进行比较。在非线性仿真中，72→65 V电压阶跃引起最大负压偏差?0.48 kPa，恢复时间为1.08 s；在仿真环境的电压与吸种负载复合扰动下，误差标准差为0.07 kPa。台架试验中，在7.0–10.0 kPa设定点范围内，平均绝对稳态偏差保持在0.12–0.16 kPa。田间试验中，超出±0.3 kPa容差的时间比例降至3.84%，播种合格率为96.24%。前馈抑制供电扰动、MRAC吸收模型不确定性，使该方案在12行棉花播种机上于所测试的7.0–10.0 kPa设定点范围内维持农艺级压力稳定性。
研究背景与问题：气吸式精量播种机因伤种低、效率高和作物适应性强而成为主流，风机负责产生吸种、持种和排种所需负压，其稳定性直接决定播种质量。传统由拖拉机动力输出（power take-off, PTO）机械或液压驱动的风机存在转速耦合压力波动和液压过热等问题；电驱动风机响应快、控制精度高且易于无级调速，但宽幅播种机风机电机功率达数千瓦，常由PTO驱动独立发电机直接供电且母线未稳压，拖拉机节气门和负载变化引起显著母线电压波动，并沿电机—风机—气室链传播为明显负压波动，手动电位器或固定参数PID难以充分抑制。现有模糊PID、滑模控制、自抗扰控制和模型参考自适应控制（model reference adaptive control, MRAC）分别处理模型不确定性或可测扰动，但较少在同一框架内同时处理二者；且负压控制器验证多在稳压供电条件下开展，针对PTO发电机直接供电的集中大功率风机、频繁大幅母线电压波动的控制策略仍缺乏。研究人员因此开展面向该配置的串级复合控制策略（cascaded MRAC-feedforward, CMRAC-FF）研究：基于时间尺度分离，内环采用比例积分（proportional-integral, PI）加发电机电压前馈，主动抑制可测母线电压扰动及转速波动；外环采用输出反馈MRAC应对时变气室动力学。该研究建立了PTO—发电机—无刷直流电机（brushless DC motor, BLDC）—风机—气室全链动态模型并实验辨识参数，设计具Lyapunov稳定性分析的串级前馈—自适应复合控制器，并通过全非线性仿真、台架试验和12行棉花播种机多轮田间试验验证，以真实棉种台架标定建立±0.3 kPa农艺容差。其意义在于为PTO发电机供电的气力式精量播种机智能升级提供仅需负压传感器和标准PWM执行、无需增加硬件的控制途径。
关键技术方法（不超过250字）：建立PTO—发电机—BLDC—风机—气室全链模型，经CAD、惰行及48–72 V稳态试验辨识参数，并构建时变吸种孔气室模型。仿真用Python 3.10、四阶Runge–Kutta（RK4，步长0.1 ms），控制器5 ms离散零阶保持；对比PID、fuzzy PID、CMRAC-NFF。台架用4.8 kW可编程电源复现田间PTO电压序列（RS485，200 ms），驱动定制72 V/13,500 r/min BLDC电机、同一风机与12个排种气室，使用真实棉种，负压传感器0–20 kPa校准。田间试验在新疆石河子，Dongfanghong-1604拖拉机牵引12行高速气吸式棉花播种机，8 km/h，独立PTO发电机，目标8.5 kPa，200 Hz控制，5次独立往返、每次600 s。
研究结果：3.1 仿真验证与分析：基于全非线性微分方程，在理想条件下评估性能上限。3.1.1 电压阶跃扰动条件：72→65 V阶跃下，CMRAC-FF最大负压偏差?0.48 kPa、恢复时间1.08 s、超调1.25%，优于PID、fuzzy PID和CMRAC-NFF。3.1.2 随机电压波动与吸种扰动：采用Dongfanghong-1604拖拉机在8 km/h、12行棉花播种机下实测PTO电压序列（均值68.3 V，标准差2.5 V，最大波动约±8%），并在5–8 s使有效吸种孔面积以2 Hz、±30%正弦变化；CMRAC-FF误差均值0.05 kPa、标准差0.07 kPa、最大绝对偏差0.20 kPa，处于±0.3 kPa内。3.2 台架试验：3.2.1 稳态性能：在72 V、8.5 kPa、5次、60 s记录下，CMRAC-FF均值8.48 kPa、标准差0.10 kPa、峰峰值0.58 kPa；恒压时前馈项为零，CMRAC-FF与CMRAC-NFF的细微差异被视为运行变异。3.2.2 随机电压波动：CMRAC-FF标准差0.17 kPa、最大绝对偏差0.37 kPa，绝对误差累积分布接近1.0落在0.37 kPa内；仿真到台架误差上升归因于传感器噪声±0.02 kPa、PWM死区、管路气动损失和传感器口压力脉动，但控制器排序保持。3.2.3 多设定点跟踪性能：7.0、8.5、10.0 kPa下CMRAC-FF稳态偏差最低，平均绝对稳态偏差0.12–0.16 kPa；设定点升高时因PWM接近饱和，所有控制器调节时间和超调增加，CMRAC-FF动态性能对工作点变化最不敏感。3.3 田间试验：3.3.1 负压控制性能：5次600 s田间运行中，CMRAC-FF超差时间3.84%、标准差0.22 kPa、最大偏差0.53 kPa，优于PID的18.75%、fuzzy PID的14.21%和CMRAC-NFF的6.58%。3.3.2 播种质量：CMRAC-FF合格率96.24%、漏播率2.17%、双粒率1.59%，运行间变异最小；20次运行的最小二乘拟合为合格率y(%)=?0.50x+97.56（x为超差时间比例），指示每增加1个百分点超差时间合格率约降低0.5个百分点，作为工程趋势而非严格因果。
讨论总结：该负压系统受时变气动参数、频繁母线电压波动和非线性负载等多重耦合扰动，固定增益控制器难以覆盖7–12 kPa工作范围；CMRAC-FF以时间尺度分离的串级结构，由内环PI加电压前馈毫秒级补偿可测电压扰动，外环输出反馈MRAC通过在线参数调整抵消气室常数和风机负载系数等慢变模型扰动。仿真与台架性能排序高度一致；仿真到台架的误差指标恶化源于PWM死区、管路气动损失、传感器噪声和传感器口压力脉动等未建模动态，其设定精度下限无法由控制器消除，但排序保持说明模型可用于比较设计。比较集可分离各组分贡献：CMRAC-NFF与PID型控制器对比分离级联加自适应作用；CMRAC-FF与CMRAC-NFF仅差电压前馈通道，可分离前馈贡献，二者效应互补且近似相加。结果扩展了Wang et al.、Sun和He et al.的相关报道：前馈可改善电机驱动响应但未处理气室参数慢漂移，优化模糊PID在稳压24 V电池供电下无需前馈通道；在未稳压PTO发电机供电和7.0–10.0 kPa设定点测试范围内，前馈通道带来仅靠反馈参数优化无法实现的改善。设定点跟踪中调节时间和超调随目标压力升高而增加，是风机二次负载特性导致高转速下PWM占空比接近饱和的固有结果；CMRAC-FF在7.0–10.0 kPa内保持平均绝对稳态偏差0.12–0.16 kPa。田间各控制器经历不同PTO电压、土壤阻力和吸种扰动序列，故以超差时间比例作为连接控制性能与播种质量的中间变量；超差时间与合格率的反向关系及超差压力直接导致吸种失败或重播的物理机制支持“控制策略→负压稳定性→播种质量”机制链，但因扰动历史不同，该关系作为观察到的工程趋势而非严格受控因果证明。局限在于外环MRAC依赖一阶气室模型，高频吸种引起的严重压力脉动可能降低自适应律收敛性；未来将引入扩张状态观测器实时估计未建模动态，并通过在各控制器上施加相同受控扰动条件对机制链进行因果验证。
研究结论翻译：由PTO驱动发电机供电的电驱动气吸式排种风机，因母线电压波动和时变气动负载而产生负压不稳定，直接降低播种质量。为此提出串级复合控制策略（CMRAC-FF），内速度环电压前馈处理快速可测扰动，外压力环输出反馈MRAC处理慢模型不确定性。经非线性仿真、台架试验和多轮田间试验验证，该策略在测试条件下于稳态精度、超调和扰动抑制方面持续优于PID、fuzzy PID和无前馈串级MRAC：72→65 V电压阶跃下最大负压偏差?0.48 kPa、恢复时间1.08 s；台架误差标准差0.17 kPa；7.0–10.0 kPa设定点平均绝对稳态偏差0.12–0.16 kPa；田间仅3.84%运行时间超出±0.3 kPa农艺容差。田间播种合格率96.24%、漏播率2.17%，且不同扰动历史下运行间变异最小。上述结论在试验12行播种机、8 km/h和8.5 kPa设定点的棉花播种条件下得到验证；推广至其他作物、前进速度和机器配置尚需进一步验证。从部署角度看，控制器仅需一个负压传感器和标准PWM执行，不增加现有电驱动平台硬件成本，并可在低成本微控制器上以200 Hz运行，为PTO发电机供电的气力式精量播种机智能升级提供了易于采纳的途径；其依赖一阶气室模型的局限有待未来通过扩张状态观测器放宽。
