穗莖兼收玉米收獲機自動對行方向自校正系統的研究

張希升 由盛昌

九方泰禾國際重工（青島）股份有限公司 山東青島 266500

玉米是我國重要糧食作物，同時玉米秸稈也是主要畜牧飼料。隨著我國糧食加工業和畜牧業的發展，玉米和玉米秸稈需求量不斷增加，但目前秸稈利用率較低，大量秸稈被付之一炬或丟棄，不僅對環境造成污染，同時也是資源的極大浪費。因此我國穗莖兼收玉米收獲機械迫切需要一場革命性發展。

1 系統組成及原理

自動對行方向自校正系統由控制器、觸摸屏、角度傳感器、分流閥、三位四通電液比例換向閥、單活塞桿液壓缸及轉向輪等組成，如圖1所示。其中，分流閥的作用是使通向后輪轉向液壓缸的液壓油流量保持恒定。系統的控制信號(階躍信號)經過數字PID調節和PWM模塊轉化為PWM電壓信號，電壓信號經過比例放大模塊轉換及放大并傳遞給電液比例換向閥，通過控制電液比例閥閥芯開度，控制流向液壓缸的液壓油流量，進而控制液壓缸活塞桿的速度和位移，最終控制后輪的偏轉。角度傳感器將轉向輪偏轉的角度信息動態地檢測并反饋到控制器，構成圖2所示的閉環控制系統。

圖2 閉環控制系統

2 系統設計

本系統以XC3S1200E芯片為核心元件構建控制系統，主要由檢測電路、驅動電路、通訊電路、報警電路等組成。其中，檢測電路實現速度、轉向角度及對行狀態等信號的采集；驅動電路實現比例電磁閥控制信號的調節、轉化和放大；觸摸屏由報警、通訊等電路組成，主要實現參數設置、數據顯示及報警提示。系統的檢測和觸發信號為玉米收獲臺上安裝的對行檢測傳感器的反饋信號。系統啟動后，首先通過角度傳感器檢測轉向輪初始狀態。若轉向輪處于偏轉狀態，則調節比例換向閥，使轉向輪與機具前進方向平行。當對行作業自校正信號觸發時，控制器給比例換向閥通電，采用PID控制方式調節比例換向閥的閥芯開度，控制液壓缸活塞桿的位移及速度，使轉向輪發生偏轉。轉向輪偏轉后，根據實時檢測的對行檢測傳感器信號來判斷轉向輪偏轉角度是否達到要求。若對行檢測傳感器無反饋信號，則轉向輪調節到位，然后調節轉向輪使其與機具作業方向平行，完成1次方向校正過程。

3 試驗

3.1 系統參數確定

本系統安裝在4YZP-4D型玉米收獲機上，將圖1中的機具轉向機構簡化為四邊形機構，如圖3所示。其中，AD為未動作時液壓缸的長度，AB為液壓缸固定端到橋體的垂直距離，BC為液壓缸固定端到橋體垂足與輪胎轉向軸之間的距離，DC為液壓缸活動端到輪胎轉向軸的距離，AE為輪胎偏轉后液壓缸的長度。

圖3 轉向機構簡圖

仿真模型的主要參數為：單活塞液壓缸活塞直徑50mm，活塞桿直徑25mm，液壓缸行程0．15m，流入比例閥流量7．5L/min，比例閥額定電流100mA，比例閥固有頻率50Hz，比例閥阻尼比0．8。其他參數(如液體黏度系數、油溫等重要參數)是在常規狀態下考慮的，則選用AMESim軟件模型庫提供的首選參數即可滿足要求。圖4、圖5分別為Kp=200、Ki=0．1、Kd=0．01時液壓缸活塞桿位移、速度曲線圖。由圖4、圖5可以看出：系統穩定無超調，響應時間越短，控制進行得越快，系統的品質就越好，但是提高系統快速性的同時還要兼顧系統的穩定性和準確性。應用AMESim的批處理功能分別對PID的3個參數進行批處理仿真，觀察參數的變化對電液比例閥控液壓缸轉向系統控制性能的影響，確定PID參數取值范圍。

圖4 活塞桿位移曲線

圖5 活塞桿速度曲線

4 結語

本文研究的玉米收獲機自動對行方向自校正系統采用PID算法控制比例換向閥，實現了玉米收獲機自動對行方向校正過程的實時閉環調節。系統以4YZP-4D型玉米收獲機為載體，田間試驗表明：PID 參數為 KP=800、Ki=0．5、Kd=0．1，以及作業速度為7km/h時，系統控制效果最好。該系統還需要在不同型號收獲機上進行試驗，不斷優化控制參數和系統結構參數。相信該系統能夠得到推廣和應用，屆時將大大降低收獲作業勞動強度，提高收獲質量和效率[1]。