稻麥聯合收獲機割臺參數按鍵電控調節裝置設計與試驗

陳 進，汪樹青，練 毅

（江蘇大學機械工程學院，鎮江 212013）

0 引 言

聯合收獲機是能夠一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選及集糧等工序的收獲機械[1]。國外所研制的機型逐步向著大型化、復合化、高效化和自動化方向發展[2-4]。國內學者對聯合收獲機作業信息監控、谷物流量、谷物含水率、谷物破碎率及含雜率等方面的研究取得了一系列成果。由于技術封鎖，國外先進的技術沒有很好地應用在國內聯合收獲機上。對于聯合收獲機的操控性方面，國內公司所生產的聯合收獲機基本上還停留在操縱桿操作且操控不便。國外聯合收獲機大都升級為按鍵控制和觸摸屏控制，智能化程度得到進一步提升[5-6]。針對國內外聯合收獲機的發展現狀，迫切需要對聯合收獲機工作部件進行控制升級。良好的控制系統能夠降低勞動強度，提高工作效率，減小谷物損失，降低機器故障率，提高聯合收獲機工作的穩定性和可靠性[7-9]。

本文在分析稻麥聯合收獲機割臺部件組成及其工作原理基礎上，針對割臺操控不便、自動化程度低等問題，設計了聯合收獲機割臺參數調節裝置，該裝置將原有機器上的多桿手工操縱置換為按鍵操作，實現聯合收獲機割臺參數的電動調節，撥禾輪轉速隨調整參數及作業速度的變化自動匹配相應轉速，整體上提高了割臺系統作業參數操控自動化水平。

1 割臺參數調節裝置總體設計要求與結構組成

1.1 總體設計要求

1）調節裝置工作模式：割臺高度、撥禾輪高度、撥禾輪位置按鍵電控模式；撥禾輪轉速有手自切換 2種模式，在自動調節模式下，根據采集作業速度、割臺高度和撥禾輪高度信號通過建立撥禾輪轉速模型實現自動控制。

2）參數顯示、存儲及傳輸功能：聯合收獲機田間作業時，割臺部件的調節參數能夠實時顯示，記錄割臺部件參數調節的變化信息，由CAN模塊進行數據傳輸，為其他課題組提供監測信息。

3）轉速監測相對誤差≤8%，位移監測相對誤差≤8%，作業速度監測相對誤差≤5%，撥禾輪轉速自動控制精度≥90%。

1.2 總體結構組成

聯合收獲機割臺參數調節裝置總體結構組成如圖 1所示。

圖1 割臺參數調節裝置總體結構組成Fig.1 Overall structure of header parameter adjustment device

調節裝置主要由傳感器模塊、PLC控制單元、顯示模塊、按鍵模塊和割臺部件驅動等模塊組成。傳感器模塊選用角度傳感器、位移傳感器和霍爾傳感器。主控制器采用三菱PLC。顯示模塊采用三菱觸摸屏，與PLC通訊方式采用RS-232串口通信。按鍵模塊采用自復位和自鎖開關完成手動模式調整功能和自動調整功能的切換。割臺執行部件采用液壓控制，液壓控制元件選用三位四通電磁換向閥和比例電磁閥。割臺高度液壓控制原理如圖2a所示，撥禾輪高度及前后位置的液壓控制原理類似。比例電磁閥是一種根據輸入的電信號大小使電磁鐵動作，完成與輸入電信號成比例的流量和壓力輸出的元件[10-12]。PLC的 DA輸出電壓經比例放大器放大后輸出電流控制比例電磁閥開度的大小，開度大小決定進入液壓馬達的液壓油量大小，液壓馬達是一種將液壓能轉變為機械能的裝置，油量大小對應液壓馬達輸出轉速，進而實現撥禾輪轉速的控制。其液壓控制原理如圖2b所示。

圖2 割臺高度和撥禾輪轉速液壓控制原理Fig.2 Hydraulic control principle of header height and reel speed

2 割臺參數調節裝置控制系統組成與工作流程

2.1 輸入輸出信號

割臺參數調節裝置以PLC為主控制器，輸入信號包括10個按鍵開關信號和2個霍爾傳感器信號，輸出控制對象包括6個電磁閥和1個比例電磁閥。PLC的輸入輸出資源分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出資源分配Table 1 PLC input and output resource allocation

2.2 信號采集

割臺參數控制對象包括割臺高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及撥禾輪轉速，執行機構由液壓系統完成動作，PLC接線方式簡單，輸出端口連接電磁閥，DA輸出模塊連接比例電磁閥實現割臺參數部件動作，選用三菱FX2n系列PLC，控制器帶有10通道AD模塊和2通道DA輸出模塊，滿足調節裝置的控制要求。霍爾傳感器有NPN低電平信號輸出和PNP高電平信號輸出2種。輸入接口與按鍵采用短接方式，低電平信號輸入，霍爾傳感器選用 NPN型霍爾傳感器接入 PLC輸入口 X12和X13。割臺高度檢測角度傳感器、撥禾輪高度及前后位置的檢測位移傳感器為模擬量輸出，信號線分別接入AD0、AD1和AD2三個通道輸入模塊。

2.3 執行機構驅動

比例放大器是比例電磁閥的控制和驅動裝置，是比例電磁閥的基本電控單元，能夠根據比例電磁閥的控制需要對控制電信號進行處理、運算和功率放大[13-16]。PLC的DA模塊無法直接驅動比例電磁閥，需要通過比例放大器進行信號放大，比例放大器的輸入端地線和輸入端信號線與PLCDA模塊的COM端和輸出端分別相連接；比例放大器的輸出端信號接入比例電磁閥。比例放大器與比例電磁閥組成一個由控制信號電壓改變比例電磁閥開度的大小，由液壓馬達輸出轉速帶動撥禾輪進行轉速的調節。

2.4 顯示界面

GT Designer3是一款觸摸屏編程軟件，是進行工程和畫面創建、圖形繪制、對象配置和設置、公共設置以及數據傳輸的軟件，集成有GT Simulator3仿真軟件，能夠進行仿真模擬[17-19]。顯示界面設計要實現觸摸屏和 PLC的連接，需要進行變量設置和界面設計。變量設置是建立觸摸屏與PLC的I/0接口及存儲單元之間的聯系，實現PLC與觸摸屏數據的交換。界面設計包括割臺參數調節裝置的開機界面、顯示界面和參數設置界面等。結合聯合收獲機割臺參數調節裝置的主要控制對象，所設計的顯示界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏界面Fig.3 Touch-screen interface

2.5 工作流程

本文中選用三菱系列 PLC，其軟件平臺為 GX Work2[16]，采用GX Work2軟件編寫控制系統梯形圖。PLC識別按鍵信號，執行控制程序，調節收獲機割臺部件動作。調節裝置工作流程如圖4所示。

圖4 割臺參數調節裝置工作流程Fig.4 Working progress of header parameter adjustment device

系統開機完成自檢后，傳感器模塊將當前狀態信息反饋到PLC，內部繼電器M8044置位，此時執行機構處于初始位置，系統運行后PLC內部軟元件初始值相應確定，然后識別手動/自動按鍵信號，進入手動/自動調節模式并讀取傳感器檢測值。

手動模式下，PLC識別按鍵信號，發送執行指令調整割臺部件動作。傳感器接收信息通過PLC數據采集模塊采集信號經RS-232串口通訊由顯示模塊顯示。自動控制模式下，傳感器實時采集作業速度、割臺高度、撥禾輪高度及轉速信號，送入PLC進行數據處理和計算，PLC根據控制算法輸出控制信號，并經放大器放大后控制比例電磁閥開度，開度大小決定進入液壓馬達的液壓油量，進而實現撥禾輪轉速的控制。

3 撥禾輪轉速自動控制算法

撥禾輪轉速自動控制是割臺參數自動調節的核心與關鍵，撥禾輪轉速調整對作物收獲質量影響較大，轉速過大容易造成脫粒現象加大損失率和破碎率，轉速過低難以推送作物進行切割和下一步工序。

3.1 撥禾輪轉速控制模型建立

為了對撥禾輪轉速進行自動控制，需要對撥禾輪工作過程建立數學模型。聯合收獲機作業時，撥禾輪運動實際上是一種復合運動，由撥禾輪運動過程分析并建立直角坐標系，設撥禾輪高度及前后位置的初始點為坐標原點O（即高度最低、位置最后），x軸指向前進方向，y軸垂直向上，撥禾輪外圈上任意點的復合運動數學模型如下[20-23]

式中x為撥禾輪水平位移，m；y為高度位移，m?？紤]到聯合收獲機作業過程中撥禾輪撥齒接觸作物時，撥齒豎直位移y和作物高度近似相等，假設L為作物高度，m，即y≈L；Vm為收獲機作業速度，m/s；t為運動時間，s；R為撥禾輪半徑，m；w為撥禾輪角速度，rad/s；H為撥禾輪回轉中心相對割刀的垂直距離，m；h為割臺（留茬）高度，m。

由式（1）可得

為了減少撥齒對谷物的碰撞，撥齒進入谷物時的水平分速度理論上應該為0，即

輪速比l為撥禾輪線速度與收獲機作業速度的比值，有如下關系

式中Vb為撥禾輪線速度，m/s；n為撥禾輪轉速，r/s。

由式（3）和式（4）得到帶入式（1）得到

式中L為作物高度，m。

將式（6）帶入式（4）得到撥禾輪轉速數學模型

Vm由霍爾傳感器采集并計算處理后得到，L由觸摸屏設定界面輸入，H根據試驗標定，由撥禾輪高度傳感器檢測數值z與撥禾輪實際高度建立回歸方程，數學模型表示為

式中z表示撥禾輪高度位移傳感器檢測值，A、B為標定常數。

h值的確定，需要建立仿形板轉動角度與割臺高度的數學模型，文獻[24]中，通過角度傳感器測量得到仿形板角度a與輸出電壓V的關系

式中k1為仿形板轉動角度與割臺高度值的標定系數（V/°），V為角度傳感器輸出電壓值，V；a為角度傳感器隨仿形板轉動的角度值，（°）。

根據試驗標定割臺高度h與輸出電壓值V的關系模型為

式中k2為割臺高度標定系數，m/V；C為常數，m。

式（9）帶入式（10）中得到割臺高度與角度傳感器檢測角度變化的對應關系為

將式（8）和式（11）帶入式（7）可進一步得到撥禾輪轉速數學模型為

3.2 撥禾輪轉速自動控制算法

常規的PID控制具有穩定性好、控制精度高等特點，但由于參數數值固定，難以滿足非線性、時變性較強的系統控制要求,且撥禾輪容易受到收獲機振動及自身慣性的影響，控制穩定性差。為了獲得滿意的控制效果、提升控制系統的穩定性，本文采用響應快、魯棒性好的模糊控制與 PID控制相結合，根據建立的模糊規則，通過對 PID控制器參數不斷進行在線調整，實現系統的實時控制，提高系統穩定性[25-28]。

設定u(t)為t采樣時刻的輸出，e(t)為t采樣時刻的偏差，T為采樣周期，輸出控制量計算公式為

式中，kp、ki、kd分別表示比例、微分、積分系數。

t時刻撥禾輪轉速偏差e(t)和偏差變化率De的計算公式為

式中ni為撥禾輪轉速的目標值，in￠為撥禾輪轉速當前采樣值，r/min。

以撥禾輪轉速偏差e(t)及偏差變化率De為控制器輸入語言變量。正常收獲水稻時，其他參數設定為額定值時，為了收獲效率較高同時損失率較小，將撥禾輪轉速調整在（45,50）r/min進行收割，試驗樣機撥禾輪轉速的實際調節范圍可設為（15,85）r/min，以50 r/min為基準轉速，轉速調節范圍為（?35,35）r/min，進行歸一化處理后，轉速偏差e(t)和偏差變化率De的模糊域量化到{?3、?2、?1、0、1、2、3}。模糊集設為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}分別表示負大、負中、負小、零、正小、正中、正大。輸入輸出變量的隸屬度函數采用三角形函數，e(t)、De隸屬度函數曲線如圖5所示。

圖5 撥禾輪轉速偏差e(t)及偏差變化率De隸屬度函數曲線Fig.5 Membership function curve of reel speed deviation e(t) and deviation error rate De

建立模糊控制規則表和模糊語言，利用MATLAB軟件編制程序，并進行模糊推理與解模糊，建立離線模糊控制查詢表，存放在PLC的保持繼電器中[29]。根據現場經驗和理論基礎相結合所制定模糊控制規則如表2所示。

表2 撥禾輪轉速模糊控制規則表Table 2 Fuzzy control rules of reel speed

撥禾輪轉速自動控制時，PLC采樣計算得到轉速目標值和當前值，然后計算e(t)、De并進行等級量化，得到其相應的模糊化論域元素，再通過查表獲得輸出量的量化值。經模糊控制規則表求得的kp、ki、kd系數的值，其線性組合計算最終輸出值。撥禾輪轉速模糊 PID控制流程如圖6所示。

圖6 撥禾輪轉速模糊PID控制算法設計Fig.6 Design of fuzzy PID control algorithm for reel speed

4 割臺參數調節功能測試及結果分析

4.1 手動調節功能測試及結果分析

2017年11月22日，試驗地點為山東省東營市孤島鎮，試驗田為已收獲的水稻田，試驗機型為雷沃公司生產的GN120型輪式全喂入聯合收獲機。在聯合收獲機上安裝割臺參數調節裝置，分別進行割臺高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及轉速的手動功能測試。調節裝置安裝如圖7所示。

圖7 調節裝置安裝圖Fig.7 Installation drawing of adjustment device

每個功能測試共進行12次測試，使用卷尺分別測量割臺高度、撥禾輪高度和撥禾輪前后位置變化值，使用轉速表測量撥禾輪轉速，以人工測量作為標準值，顯示模塊顯示值作為測量值，對收獲機作業速度進行調整，保持速度恒定進入20 m標定區域，記錄顯示數值。人工秒表計時標定區域收獲機運行時間并計算作業速度，以此為標準值。調節裝置手動功能測試結果如表3所示。

表 3測試數據表明，割臺高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置、撥禾輪轉速最大相對誤差分別為 7.4%、3.4%、2.0%、7.8%，作業速度在0.1～0.5 m/s區間上相對誤差較大，最大為3.4%，在0.5～2.0 m/s區間上相對誤差減小，造成誤差變化的原因為機器作業速度較慢時，轉速較低，系統裝置采樣存在一定的誤差，隨著作業速度的增大，系統采樣逐漸過度到平穩狀態，誤差減小。聯合收獲機振動大對數據的采集存在很大的干擾性，田間地面不平、田間留茬不均等影響因素也給采集數據和人工測量造成誤差。

表3 調節裝置手動功能測試結果Table 3 Test results for manual function of adjustment device

4.2 撥禾輪轉速自動調整功能測試及結果分析

2017年11月24日，試驗地點為山東省東營市孤島鎮，試驗機型為雷沃公司生產的GN120型輪式全喂入聯合收獲機，試驗對象為“煙紅 47”水稻。試驗前對作物基本情況進行測量，并計算產量和千粒質量。收集5個不同區域各1 m2作物，計算草谷比，數據記錄如表4所示。

表4 田間試驗水稻測量結果Table 4 Measurement results of rice in field experiments

根據田間作物情況測試結果，觸摸屏設定作物高度L為61.6 cm，調節割臺（留茬）高度h為20 cm，撥禾輪高度H為42 cm，改變收獲機作業速度，進行撥禾輪轉速自動控制試驗。聯合收獲機的作業速度應該設置在不超過額定喂入量和損失率前提下的最大值[30]，喂入量和割幅、割臺高度、作業速度及作物濕密度等因素有關，對于特定機型及收獲區域，認為割幅和作物濕密度為定值，割臺高度和作業速度是影響收獲機喂入量的主要因素。作業速度引起喂入量變化，因此需要調整撥禾輪的轉速，本文撥禾輪轉速模型以割臺高度、撥禾輪高度、作業速度及作物高度為主要影響因素。試驗時聯合收獲機作業速度設置為0.5～2.0 m/s，將作物高度、割臺高度、撥禾輪高度及作業速度區間數值代入撥禾輪轉速模型公式（12），計算撥禾輪轉速理論值，得出撥禾輪理論轉速范圍為19.9～79.6 r/min。調整收獲機作業速度保持穩定，以20 m為1次標定試驗，記錄撥禾輪轉速顯示值(實際轉速)，共測試8組數據，計算不同作業速度下撥禾輪轉速理論值與顯示值相對誤差，試驗結果如表5所示。

表5 撥禾輪轉速自動控制測試Table 5 Automatic control test of reel speed

試驗結果表明，作業速度在0.5～1.1 m/s區間上的相對誤差較小，隨著作業速度的增大，在1.1～2.0 m/s速度區間上相對誤差變大，當作業速度為1.3 m/s時，最大相對誤差為8.5%，控制精度達到91.5%。撥禾輪轉速加大時推送谷物的阻力相對較大可能是相對誤差變化的主要原因。撥禾輪轉速自動控制模型與割臺高度、撥禾輪高度及機器作業速度相關，測試前雖然保持割臺高度、撥禾輪高度不變，但實際作業過程中，由于振動等原因還是會發生變化，另外收獲機的振動、外部環境、方程擬合誤差、算法輸出滯后等均會影響相對誤差。

撥禾輪轉速自動調節過程中，度量測試系統好壞的動態性能指標有響應時間和調整時間。改變聯合收獲機作業速度進行響應性測試，將正常作業速度分為 7個區間，記錄作業速度變化時撥禾輪轉速調節的響應時間和達到穩定狀態所需時間。共測試 7組數據，結果如表 6所示。

表6 撥禾輪轉速自動控制響應測試Table 6 Automatic control response test of reel speed

測試結果表明，聯合收獲機作業速度增大時，撥禾輪轉速也隨之增大，轉速調整的響應時間≤0.8 s，調整時間≤1.7s，滿足設計要求和田間作業操作要求

5 結 論

1）國產稻麥聯合收獲機目前仍處于機械式操縱桿操作，本文設計了稻麥聯合收獲機割臺參數按鍵調節裝置，將原有的操縱桿操作模式變為按鍵電控模式，提供了便捷的操控方式，顯示模塊實時顯示工作部件調整情況，為機手提供調整決策。

2）作業速度和撥禾輪轉速之間的比值是影響割臺籽粒損失的重要因素。當作業速度變化時，需要調整撥禾輪轉速與之匹配。本文通過分析撥禾輪運動過程，建立了撥禾輪轉速調節數學模型，設計了撥禾輪轉速模糊PID控制算法，實現了撥禾輪轉速的自動控制。

3）測試結果表明，調節裝置在手動調節模式下，割臺高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及轉速參數調整的相對誤差分別為7.4%、3.4%、2.0%、7.8%，作業速度最大相對誤差為3.4%。撥禾輪轉速自動調節測試表明，撥禾輪轉速自動調整的響應時間≤0.8 s，調整時間≤1.7 s，滿足設計要求和收獲機田間作業操作要求。

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