1.实验方法与步骤

1. 实验方法描述

（1）模型法

本项目通过建构模型的方法模拟人工林抚育采伐的情境，使得学生直观理解和掌握现代林业抚育采伐基本工艺和先进设备，通过构建林木联合采伐机、割灌机、抓具式装载机、集材车、立木整枝机等模型，将最新的设备和技术以虚拟仿真的方式呈现给学生。

（2）情境法

本项目为学生提供了与林业抚育采伐装备交互的机会。学生在虚拟的环境中，不仅可立体、生动的获知林场环境，也可了解林业装备操作的基本方法，还可开展工程复杂问题的调试，并接受考核。学生沉浸其中，进行虚拟采伐时，系统有提示与纠错功能，允许学生“试误”；系统也会对学生的整个操作过程进行记录和评分，并开设了学生自主设计实验，反映学生对虚拟抚育采伐的规范与标准的理解与掌握程度。

（3）比较法

本项目以PID参数整定为复杂问题落脚点，运用了两种方法进行处理，分别是临界比例度法和反应曲线法。通过工程实践对比两种解决方案，以问题原理分析入手，比对调试，最终得到最佳整定效果，实现定长造材的长度精准控制。

2.学生交互性操作步骤说明

本实验项目整体内容和步骤设计思路以森林抚育采伐工艺为主线，结合工程教育认证复杂问题为背景，解决了定长造材中PID参数整定的复杂工程问题，以“面向行业—面向工艺—面向工程”的建设思路开展实验，内容分为培训认知（1学生）、工艺作业（1学时）和工程调试（2学时）三个主要环节。通过三维仿真技术，虚拟林区抚育采伐及工程调试情境，学生可在整个场景和情境中进行交互性操作45步。实验设计思路如图2-13所示。

图2-13实验基本思路

步骤1 登录项目网站http://linye.bjfu.owvlab.net/virexp/wycf ，进入网站了解项目描述、特色、网络要求等相关信息，并点击“教学入口”；

步骤2 点击“开始实验”进行实验，如图2-14所示；

图2-14进入实验界面

① 培训认知模块

步骤3 选择“培训认知”模块，即可进入第一部分实验，如图2-15所示；

图2-15实验模块选择

步骤 4 进入林区环境，点击顶部“环境认知”进行林区漫游和林区认知，充分了解林区现场情况，如图2-16所示；

图2-16林区环境漫游

步骤5 点击“安全认知”，学习林区环境作业的安全认知、林用设备操作规范和典型安全事故演示，界面如图2-17所示：

图2-17安全认知界面

 

步骤6 点击“设备认知”，逐一认知林木采伐机、割灌机、集材等关键设备的型号和参数，并点击对应设备图下方的运动演示按键，对我国现有先进林业装备有一定认知和了解，如图2-18所示；

图2-18设备认知界面

步骤7 点击“作业认知”，点击“设备操作说明”学习林木联合采伐机、清林割灌机、油锯等设备的操作规范，如图2-19所示；

图2-19作业认知界面

步骤8 点击“采伐及造材作业考核”：进入采伐头控制器界面如图2-20，进行相关参数的选择，系统提示学生选取树种为桉树（树种提供松树、桉树、杨树等类型），造材长度可选200cm、400cm和600cm，最大直径为430mm，PID控制器选择“关闭”；

图2-20 采伐头控制器界面

步骤 9 开始采伐及造材作业考核，仔细阅读林木联合采伐机操作键位对照表，见表2-4，并尝试操作采伐机；

步骤10 选择一棵指定树木开展采伐考核，按照自动采伐示例要求完成作业，作业通过后进入下一个模块学习，如图2-21所示，不通过继续学习采伐机操作，选择“放弃考核”将扣除会扣除相应分数；

图2-21考核通过界面

② 工艺作业模块

选择图2-15中“工艺实验模块”，进入第二部分实验。

步骤11 查看抚育和采伐任务要求，选择合适设备，如图2-22所示；

图2-22设备选择界面

步骤12 定制抚育和采伐工艺流程图，如图2-23所示，根据上一步所选设备将其拖到正确的流程框中，设备选择错误返回上一步，放弃选择会扣除相应分数；

图2-23抚育和采伐工艺流程图

步骤13 开展清林割灌作业，进行抚育割灌和道路割灌操作，如图2-24所示；

图2-24开展清林割灌作业

步骤14 开展抚育采伐作业，设置采伐头控制器，设置树种、长度、直径等参数，控制林木联合采伐机移动到指定采伐区域；

步骤15 点击“试采”按键，点击“自动采伐”，图2-25为采伐机开展采伐作业；

图2-25采伐机作业图

步骤16 选择坡度较陡的区域，开展人工油锯采伐作业，如图2-26所示；

图2-26油锯作业图

步骤17 点击“集材”按键，集材车开始自动集材并运往楞场归楞，如图2-27所示；

图2-27集材作业图

步骤18 点击“生物质收集”按键，抓具自动抓取割灌、抚育、采伐所留林业生物质并装车，如图2-28所示；

图2-28采集生物质

步骤19 在楞场对已造材完成的木材归楞，如图2-29所示；

图2-29木材归楞处理

步骤20 对“试采”的木材进行检量，点击“测量”，生成原木检量表，记录如图2-30所示，观察所得数据；

图2-30原木检量结果

步骤21 分析误差率，红色数据部分为不合格长度数据，判定试采未达定长造材要求精度（误差要求在-2cm～+6cm以内），系统提示是否进入下一个模块，选择 “是”；

③工程调试模块

林木联合采伐机造材过程中最常见的问题就是定长造材不准，需要进行工程调试，本工程调试模块其核心问题主要为林机设备采伐头控制器PID参数整定，其实验结构图如图2-31所示。

图2-31 PID参数整定实验流程图

步骤22 点击进入PID参数整定实验，学生在引导下依次完成实验目的、实验原理及实验任务的认知，如图2-32所示；

图2-32进入PID参数整定实验

步骤23 进行进料辊控制系统分析，选择液压缸伺服控制系统近似开环传递函数，搭建误差反馈模型如图2-33所示；

图2-33搭建误差反馈模型

步骤24 断开反馈连线，得到系统开环单位阶跃响应曲线，观察图2-34的响应曲线，得出观察结论可见系统未引入PID控制器时得到的输出响应曲线调节时间过长，不符合工程实际生产要求；

图2-34系统开环单位阶跃响应曲

步骤25 考虑加入PID控制器，本模块实验提供两种PID参数整定方法，分别是临界比例度法和反应曲线法，学生选取其中一种方法进行PID参数整定，查看实验原理，学习所选方法参数整定过程；

步骤26 以选择临界比例度法为例，使用临界比例度法进行参数整定首先需要得到临界比例度Kpcnt的值，获取系统的等幅振荡曲线，计算方法如表2-5所示；

表2-5 临界比例度法计算公式

控制器	Kp	Ti	Td
P	0.5 Kpcnt	----	----
PI	0.45 Kpcnt	0.85 Tn	----
PID	0.6 Kpcnt	0.5 Tn	0.12 Tn

步骤27 系统进入Kpcnt调节界面（图2-35），这里可以设置调节精度（1、2和5），Kpcnt的值从大到小( 50到0 )进行实验并观察，每次调节后响应曲线都会随之变化直到输出等幅振荡曲线为止，此时的Kpcnt即为所需的值；

图2-35调参界面

步骤28 从等幅振荡曲线上读取振荡周期Tn，如图2-36，点击“填表”按键，将Kpcnt和Tn的值记录在实验报告中；

图2-36读取数值

步骤29 根据Kpcnt和Tn的值，运用表2-5中的经验公式，计算出调节器各个参数Kp、Ti和Td的值（P=KP，I=1/TI，D=TD），填写表2-6参数。

表2-6不同类型控制器的PID参数

控制器类型	Kp	Ti	Td
P		∞	0
PI			0
PID

步骤30 得到的三组数据，分别绘系统在P，PI，PID控制下的响应曲线，如图2-37所示，每个曲线下有四个性能指标：调节时间和超调量及上升时间和峰值时间。曲线右侧有该控制下的进料辊进料动画。点击“P”方法，绘制系统在P控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

图2-37临界比例度法调参界面

步骤31 点击“PI”方法，绘制系统在PI控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

步骤32 点击“PID”方法，绘制系统在PID控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

步骤33 临界比例度法在不同控制器下的响应曲线的性能比较，如表2-7所示，可以看出，PI控制相对于P控制超调较小，PID控制调节时间最短，但是超调会变大，综合以上因素及进料辊工作效率，选取PID控制性能最佳。

表2-7 临界比例度法在不同控制器下的性能指标

控制器类型	调节时间Ts(s)	上升时间Tr(s)	峰值时间Tp(s)	超调量δ%
P	7.725	0.35	0.947	55.469
PI	7.957	0.389	1.003	42.143
PID	3.475	0.289	0.769	48.507

步骤34 系统弹出对话框，可选取反应曲线法继续进行PID参数整定，也可以直接开始再次造材。选取反应曲线法进行PID参数整定继续步骤35，如果学生选取再次造材跳到步骤43；

步骤35 如果学生选取反应曲线法进行PID参数整定，首先对该方法原理进行详细介绍，然后以表格形式给出该方法在P、PI、PID控制下的P、I、D参数计算公式；

步骤36 通过所给控制系统的开环传递函数求出控制对象开环阶跃响应曲线，如下图2-38所示；

图2-38控制对象开环阶跃响应曲线

步骤37 根据开环阶跃响应曲线求取并记录被控制对象的动态特性参数 K、L、T，由图2-39可知等效滞后时间 L=0.293s，等效时间常数 T=2.24-0.293=1.947s，K=0.6667；

图2-39求取数值

步骤38 根据K、L、T的值，运用表2-2中的经验公式，计算出调节器各个参数Kp、Ti和Td的值（P=KP，I=1/TI，D=TD）填写表2-8内数据；

表2-8不同控制器下的PID参数

控制器类型	Kp	Ti	Td
P
PI
PID

步骤39 由上面得到的三组数据，分别绘系统在P，PI，PID控制下的响应曲线，如图2-40所示，每个曲线下有四个性能指标：调节时间、超调量、上升时间和峰值时间。曲线右侧有该控制下的进料辊进料动画。点击“P”方法，绘制系统在P控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

图2-40反应曲线法调参界面

步骤40 点击“PI”方法，绘制系统在PI控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

步骤41 点击“PID”方法，绘制系统在PID控制下的响应曲线，系统记录此时的响应曲线和四个性能指标；

步骤42 反应曲线法在不同控制器下响应曲线的性能比较如表2-9所示，可以看出，PI控制相对于P控制超调较小，PID控制调节时间最短，但是超调会变大，综合以上因素及进料锟工作效率，选取PID控制性能最佳；

表2-9 反应曲线法在不同控制器下的性能指标

控制器类型	调节时间Ts(s)	上升时间Tr(s)	峰值时间Tp(s)	超调量δ%
P	8.291	0.341	0.941	57.937
PI	8.328	0.383	1.005	40.141
PID	4.97	0.282	0.774	57.937

补充：在临界比例度法求取Kpcnt时，根据等幅震荡曲线所得的Kpcnt值并不唯一，实验发现当Kpcnt取18,19,20这3个数时，曲线形状相似，都很接近等幅震荡的临界状态，但是仔细观察发现只有当Kpcnt取19时曲线才最接近等幅震荡，但是如果学生由于粗心误选Kpcnt为18或者20，那么他将会算出与之前不同的PID参数，系统仍然会将这些参数对应的曲线和性能指标输出，但是由于其性能指标不同，系统在给该部分打分时将给于不同分数。

下面3个表格（表2-10、表2-11、表2-12）分别是当Kpcnt取18、19、20这3个数时,不同控制器下系统的性能指标

表2-10 Kpcnt取18时系统的性能指标

控制器类型	调节时间Ts(s)	上升时间Tr(s)	峰值时间Tp(s)
P	8.232	0.3598	0.954
PI	7.788	0.4055	1.010
PID	3.809	0.3003	0.803

表2-11 Kpcnt取19时系统的性能指标

控制器类型	调节时间Ts(s)	上升时间Tr(s)	峰值时间Tp(s)
P	7.725	0.35	0.947
PI	7.957	0.389	1.003
PID	3.475	0.289	0.769

表2-12 Kpcnt取20时系统的性能指标

控制器类型	调节时间Ts(s)	上升时间Tr(s)	峰值时间Tp(s)
P	8.19	0.3407	0.940
PI	7.963	0.3784	0.996
PID	4.07	0.28216	0.769

可见，当Km在18到20之间，虽然当Km=19时，系统在PID控制下的调节时间最快，但是总体来看系统的动态性能指标相近，因此学生选取Km为18和20时也可以分别获得该部分90%和85%的分数。

步骤43 再次造材，并观察数据是否达到设定造材要求；

选择经实验分析得到的PID参数，进料辊控制系统经校正后再次进行造材，进入此步骤后，首先进入采伐头控制器界面，点击引入PID控制器并填写所选方法实验得到调参数据，其他参数不变，如图2-41。学生在皆伐区域选取胸径约为350mm的树木，选取5到10棵树后（如果学生现在了采伐机无法进行采伐作业的树木，如该树木在陡坡或者植株密度较大的地方，系统会提示“该树木不可被伐木机采伐”）系统自动将树木进行采伐并造材，然后生成造材表格，造材参数满足实验要求，完成实验，如图2-42所示：

图2-41 引入PID控制器的采伐头控制器界面

图2-42 再次生成造材表

步骤44 开展理论考核，下翻网页，找到实验报告内容并完成实验报告的理论考核部分，如图2-43所示；

图2-43 实验报告内容

步骤45 点击提交按钮，系统自动记录实验过程（数据、表格、曲线等）生成完整实验报告，等待教师批阅，实验结束。