一 研究背景

随着我国人工林面积、蓄积量的不断提高，所需的抚育、采伐和生产技术水平的要求也相应提高。抚育采伐是人工林培育的重要环节，为了使人工林能够健康快速生长，在林木的整个生长周期必须进行多次抚育工作。定长造材是木材生产中的重要工序，精准的控制系统设计对于提高木材的合格率和利用率极为必要。在进行森林工程专业相关的实验教学时，考虑到传统的林区装备作业实验实习具有高环境复杂性、高危险性和高成本的特点，学生往往无法在林区进行实地装备作业实验。

图1 CAVE 沉浸式系统环境

得益于VR 技术的飞速发展，虚拟仿真技术越来越多的应用到了教育领域。作者所在研究团队在全套林业作业机械装备研发方面具有较好的研究和应用基础。受此启发，在现有装备研究成果的基础上研发了一套林机作业虚拟仿真实验教学平台，除了桌面级仿真环境外，利用环幕和三通道投影仪组建CAVE 沉浸式仿真系统环境。配备的驾驶模拟器还原了真实的联合采育机驾驶舱环境，运动数据通过UDP 的方式发送给驾驶模拟器以实现真实动感下的操作体验。配合嵌入式控制系统半实物仿真平台进行上位机编程和PID 参数调节实现虚拟采伐作业的定长造材环节的实时控制和反馈。

二 模拟实验系统的组成

该控制系统采用了基于嵌入式软 PLC 控制器的CAN 总线分布式电液控制系统，控制系统软件以及与之配套的信息采集与作业管理系统，可以直接与半实物仿真系统进行输入输出的联合仿真。如在整车液压系统模型和底盘及工作装置的动力学模型，通过在线仿真控制系统端口可以进行控制系统的作业体验。

图2 驾驶作业模拟系统

（一）嵌入式控制系统编程内容

CAN 总线技术和分布式控制系统在大型机电液平台上应用已经成为主要的技术标准。在林业机械和作业控制系统的课程讲授中具有比较重要的作用。按照实验环节，学生依次开展如下实验程序。

（1）控制器、显示器系统搭建环节

与实车所使用的控制系统相一致，输出的信号通过数据采集卡采集到计算机中并与作业装备动力学系统模型的对应信号输入中。

（2）CAN-USB 连接界面和用于编程的windows 计算机。

控制器系统与车载计算机、编程计算机的连接通过CAN 转USB 接口装置进行连接，以输入和采集。

（3）编程实验设计环节

①针对输入电位信号的幅值变换处理

②CAN 总线设备收发

（4）效果评价

①是否掌握利用CoDeSys 环境连接控制器和测试。

②是否掌握模拟量输入、数字量输入等系统变量和局部变量概念和标定处理方法。

③是否掌握使用编码器、电位计、电压式变送器的信号处理方法。

④是否掌握嵌入式编程中多控制器编程的过程中CAN 总线信号的发送与接收。

控制器的编程在CoDeSys 一体化编程环境中完成编辑和结果仿真，然后按照仿真的输入输出点信号要求进行评分和评价。

其中联合采育机的控制器编制的控制软件的主要程序构架如图3 所示。

下面以联合采育机伐木头最重要的功能：作业流程中的采伐打枝造材程序，以及进料程序中的数字PID 控制设计策略，以解释其控制程序设计主要内容和方法。通过对控制任务进行分析，将较复杂的控制任务分块处理，以减小系统规模分散故障。

图3 控制软件的主要处理程序流程

（二）进料系统PID 控制策略模拟系统

采用嵌入式控制系统来进行半实物仿真，控制器编程使用德国3S 公司开发的CoDeSys，并基于此系统设计了多段自适应PID 的算法，实现联合采育机进料辊的精准进料，学生在上位机进行PLC 编程，其控制效果可以及时的通过虚拟场景的模型运动情况反馈回来，根据反馈结果再继续进行PID 参数整定。

对于多工序的联合采育机来说，伐倒、打枝与造材是一个连续的快速动态作业过程。造材流程具有高精度大惯性的特点，通过仿真和实验采取利用位置反馈的适应性液压马达控制策略。这种控制方法通过在加速阶段对不断变化的原木径级和原木惯性的测定，完成控制参数动态的标定，最终使减速阶段完成精确控制。具体的控制参数包括：原木材质，原木径级尺寸，原木长度及枝桠数量，原木表皮情况等。通过考虑多种作业情况的，模拟和实验的结果表明伐木头控制的鲁棒性和可靠性得到了提高。对进料辊闭环控制系统进行分析，并调试PID 算法的设计可以作为典型的控制系统设计内容在森林工程作课程中进行讲授。图4 为联合采育机机头控制模块（图右上）及其显示器。

文章来源：《森林工程》 网址: http://www.slgcbjb.cn/qikandaodu/2021/0502/365.html