自走式小麥聯合收割機電氣控制線路優化

翟艷輝

(三門峽職業技術學院，河南 三門峽 472000)

0 引言

查閱相關資料可知，國外聯合收割機的智能化控制水平較高，大多數均配備了電氣控制、實時監測及自動驅動等裝置，可在實時了解田間小麥信息的基礎上進行自走式收割作業。國內亦有學者相繼研制開發出可實現各類智能控制與監測功能的裝置加裝于小麥聯合收割機上，如采用總線技術、傳感控制技術等。小麥聯合收割機是一種集多項復雜工作參數協調控制的農用機具，其工作水平的高低直接決定小麥穗粒的收獲質量與產量。為此，筆者從提高自走式小麥聯合收割機的電氣控制裝置水平的角度，展開線路討論與優化。

1 整機結構及原理

自走式小麥聯合收割機以柴油機為動力源，通過行走系統與收割系統共同配合完成收割作業，圖1為小麥聯合收割機外觀簡圖，表1為聯合收割機主要技術參數設計。結合系統結構(見圖2)可知：控制系統給定控制信號，經步進電機驅動行駛裝置前進，聯合收割裝置根據小麥植株密度的大小進行收割作業，并進一步傳送喂入滾筒裝置實現自動聯合收割。其控制線路的布置與設計對收割機整機性能有重要的關聯影響，后臺運行的電氣控制線路主要由收割機照明、啟動、充電及儀器儀表指示回路等組成，關鍵控制部位加裝傳感識別儀器。

圖1 聯合收割機外形圖

序號參數名稱單位參數值1結構型式自走輪式2長×寬×高mm5780×2350×27003收割機行進速度m/s0～0.84小麥收割寬幅mm1400～16005小麥喂入單量kg/s0～2.76小麥穗粒破碎率%<1.67小麥穗粒含雜率%<2.18小麥穗粒損失率%<2.19小麥穗粒脫凈率%>99.210收割機工作功率kW50

圖2 小麥聯合收割機系統結構簡圖

在各部件進行有序收割作業的過程中，系統的工作特性不可忽略。聯合收割機的行走系統傳遞函數可表示為

收割裝置與傳送裝置間的傳遞函數表示為

G2(s)=Hρwexp(-τs)

在整機正常收割時，聯合收割機滾筒裝置的轉動速度與收割機喂入量之間的關系可表示為

通過理解各部件的工作特性關系，實現收割機各電氣控制部件與線路優化。

2 關鍵部件分析

2.1 電氣裝置

聯合收割機在進行收割作業時，電氣裝置起著至關重要的控制傳遞作用。通過查閱參考相關理論，優化自走式小麥聯合收割機的電氣裝置組成、結構與功能實現。擬優化設計的電氣裝置結構簡圖，如圖3所示。由圖3可知：在聯合收割機的智能處理單元控制下，發動機油壓傳感、通用電氣線路、發動機水溫傳感及脫粒裝置軸溫傳感等信息同步匯入，進入下一顯示與聲光報警環節。

圖3 小麥聯合收割機電氣裝置結構圖Fig.3 The electrical device structure drawing of the wheat combine harvester

同時，植入監控部件，即通過嵌入式微處理器的主控作用，對I/O模塊、時鐘模塊及存儲器模塊的監視狀況處理并輸出，作業人員可實時掌握收割信息，提高聯合機整機的功能可控性。

2.2 控制系統

根據聯合收割機電氣裝置硬件配置，對控制系統及相關線路進行優化，圖4為電氣控制系統的雙閉環結構設計簡圖。通過對收割機作業的行進速度閉環與所承受的負載大小閉環，實現雙重控制與協調功能。

另外，針對聯合收割機的輔助電氣部件進行優化，包括各類工作狀態指示電路與顯示，如圖5所示。在控制核心算法的中心指令下，通過數據收集與對比，分別做出不同的狀態判斷，如預警故障、聲光顯示及報警故障等。

圖4 聯合收割機電氣控制雙閉環結構設計簡圖

圖5 小麥聯合收割機電氣工作狀態指示電路優化

擬優化的小麥聯合收割機行進速度智能精確控制加入PID核心算法控制，通過不斷調整齒輪、電氣及傳感裝置的運動速度協調性實現，部分程序代碼如下：

……

pid_calcute(folat feedback_value)

{

ZZSPID..en=feedback_value-set_value;

if(ZZSPID.en<=M)

Ka=ZZSPID.Kp*(1+T/ZZSPID.Ti+ZZSPID.Td/T);

else

Ka= ZZSPID.Kp*(1+ZZSPID.Td/T)

Kb=- ZZSPID.Kp*(1+2*ZZSPID.Td/T);

Kc= ZZSPID.Kp*ZZSPID.Td/T);

un_increse=Ka*ZZSPID.en+Kb*ZZSPID.en1

+ Kc*ZZSPID.en2;

ZZSPID.en2=ZZSPID.en1;

ZZSPID.en1=ZZSPID.en;

return un_increase;

}

……

小麥聯合收割機控制系統優化如圖6所示。

圖6 小麥聯合收割機控制系統優化簡圖

3 收割試驗

3.1 試驗條件與方法

在上述改進理論的基礎上，對此類型聯合收割機特性進行收割試驗，擬試驗的條件需滿足如下要求：

①電氣控制的脈沖頻率與整機行走操縱定位構成積分調節；②動力泵的給定動力與行走操縱成比較調節；③割臺高度在合理范圍內變化且與整機車速保證一定的乘積關系；④選取試驗地在各項輔助指標正常的場地，保證不影響試驗對比效果。

3.2 試驗分析

試驗過程在外界因素影響一致條件下進行，通過增加優化次數與改變影響作業效率的參數展開記錄與分析。經前期數據整理，得出聯合收割機作業時主要性能指標試驗數據，如表2所示。由表2可看出：優化后的各項指標較優化前均有一定的改進，實現了自走式小麥聯合收割機主要電氣及控制優化效果。脫凈率提升0.4%，損失率降低0.51%，含雜率降低0.09%，破碎率降低0.22%，喂入量可達1.8kg/s。

表2 聯合收割機主要性能指標優化試驗數據

Table 2 Optimization test data of main performance index of the combine harvester

性能指標喂入量/kg·s-1滾筒轉速/r·min-1脫凈率/%損失率/%含雜率/%破碎率/%優化前1.5115099.11.962.051.58優化后1.8127099.51.451.961.36

圖7給出小麥聯合收割機試驗時優化次數與收割效率之間的關系曲線。由圖7可知：隨著各類參數及線路控制的不斷優化及收割試驗優化次數的增多，擬改進的小麥聯合收割機的收割效率呈上升趨勢，由86%提升至99%以上，改善效果明顯。

圖7 小麥聯合收割機收獲效率優化曲線

4 結論

1)利用電氣控制與傳遞函數理論和雙閉環控制方式對自走式小麥聯合收割機的電氣控制及主要線路進行優化設計，改善了電氣控制線路的布局與協調控制性，大大提高了收割機的收割效率。

2)擬改進的小麥聯合收割機的收割效率在各類參數及線路控制不斷優化及收割試驗優化次數增多的條件下，由86%提升至99%以上，改善效果明顯。

3)通過優化試驗，小麥聯合收割機的主要性能指標得到提升，脫凈率約為99.5%左右，損失率降低為1.45%左右，具有一定的可實施性和推廣價值。