小麥?zhǔn)斋@機(jī)行駛速度自動控制系統(tǒng)設(shè)計研究

劉萌萌

摘 ?要：隨著從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人口減少，提高收獲效率，加大滾筒直徑和清選篩面積迫在眉睫。我國農(nóng)機(jī)產(chǎn)品也在逐漸升級，農(nóng)機(jī)手對國產(chǎn)收獲機(jī)的自動化水平也提出了較高的要求。本文研究了收獲機(jī)的運(yùn)作機(jī)理，研究影響收獲機(jī)效率的因素，并確定自動控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)根據(jù)橫軸流滾筒轉(zhuǎn)速自動控制收獲機(jī)行駛速度的功能。該研究有效滿足了高效和自動化地收割的要求，提高了收獲機(jī)的自動化水平，使收獲機(jī)工作時始終處于或接近于最大收獲能力，具有實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：收獲機(jī);自動控制;行駛速度

1 背景

隨著社會老齡化和從事糧食生產(chǎn)人員的減少，保證玉米、稻谷和小麥三種谷物產(chǎn)量的重點(diǎn)在于機(jī)械化。耕作，種植，中間管理[1]和收獲四個生產(chǎn)階段的機(jī)械化程度直接決定了中國的糧食生產(chǎn)力在政府的大力支持和鼓勵下，中國糧食生產(chǎn)機(jī)械化水平不斷提高。

我國收獲機(jī)單機(jī)每年作業(yè)量較少，既有收獲效率低下，也有通用性差的原因。收獲效率低下主要原因是我國收獲機(jī)只滿足了基本的收獲功能，在自動化、智能化、機(jī)電一體化等方面做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。收獲機(jī)械是非常復(fù)雜的機(jī)械，而其收獲作業(yè)又受農(nóng)藝、溫度、濕度、成熟度、土地坡度等因素的影響較大，因此提高收獲效率和收獲質(zhì)量需要隨時根據(jù)影響因素的變化而及時調(diào)整收獲機(jī)的各種參數(shù)。而其中最重要的參數(shù)是車輛行駛速度，如果能夠根據(jù)收獲機(jī)的堵塞程度自動調(diào)整收獲機(jī)行駛速度，就可以讓收獲機(jī)始終保持最高的收獲效率，充分發(fā)揮收獲機(jī)的性能。

當(dāng)前收獲機(jī)的行駛速度必須依靠駕駛員人為調(diào)整。由于人類操控精度差，波動大，所以手動調(diào)整存在調(diào)整不足或者超調(diào)，進(jìn)一步帶來收獲機(jī)性能發(fā)揮不充分或堵塞停機(jī)等問題。如何調(diào)整，何時調(diào)整，都需要人類憑經(jīng)驗(yàn)判斷。人類的經(jīng)驗(yàn)不充分或者經(jīng)驗(yàn)水平參差不齊更會導(dǎo)致調(diào)整不及時、過分調(diào)整、調(diào)整錯誤等問題。另外，駕駛員在駕駛收獲機(jī)時需要保持高度緊張，實(shí)時查看各主要部件的工作狀況，工作強(qiáng)度非常大所以就需要設(shè)計一款自動調(diào)整系統(tǒng)來輔助駕駛員自動完成一些部件的調(diào)整。

2功能需求分析

稻麥?zhǔn)斋@機(jī)整體結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而工作環(huán)境多變，因此收獲機(jī)作業(yè)時就有很多的不可控因素。比如因劇烈震動導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件斷裂，連接件松動;田間石塊，樹粧等障礙物和收割機(jī)碰撞造成的碰撞損壞;因雨水過多，土地松軟，導(dǎo)致的陷車。但是收獲機(jī)最常見，對收獲效率影響最大的故障就是堵塞。收獲機(jī)的堵塞故障發(fā)生在很多部位，常見的由軸流滾筒、復(fù)脫器、過橋和升運(yùn)器等。其中影響最嚴(yán)重的發(fā)生在軸流滾筒處的堵塞故障，一旦堵塞需要拆卸滾筒側(cè)壁，從一端將堵塞物清理干凈。操作空間[2]狹窄，堵塞后作物緊實(shí)，很難清理，往往耽誤半天到一天的時間。

造成軸流滾筒堵塞的原因有好多種，常見的行駛速度太快、早上和晚上濕度較大，中間軸與發(fā)動機(jī)和軸流滾筒連接的兩組皮帶部分或全部打滑，割臺放置過低收進(jìn)泥土等。

3速度控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)

本文研究的收獲機(jī)自動控制系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速信號采集裝置、控制器、驅(qū)動系統(tǒng)和報警顯示裝置組成。轉(zhuǎn)速信號采集裝置將收獲機(jī)軸流滾筒轉(zhuǎn)速和收獲機(jī)行駛速度采集出來，發(fā)送給控制器。控制器根據(jù)內(nèi)部控制邏輯計算需要輸出到控制模塊的控制量[3]。控制模塊控制電磁鐵鐵芯的伸縮量，通過柱塞泵上面伺服閥和伺服油缸間接控制泵的排量，馬達(dá)、變速箱和驅(qū)動輪等部件將驅(qū)動力最終傳遞到地面得到需要的行駛速度。

轉(zhuǎn)速信號采集裝置由轉(zhuǎn)速測量傳感器和控制器的一部分組成。用于采集軸流滾筒轉(zhuǎn)速和邊減傳動軸的轉(zhuǎn)速，并將脈沖信號轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速和行駛速度數(shù)據(jù)。

控制器由控制器和控制程序組成。用于分析數(shù)據(jù)、判斷收獲機(jī)工況、控制收獲機(jī)行駛速度等。驅(qū)動系統(tǒng)包括電控可變排量活塞泵，定量活塞馬達(dá)，齒輪箱，驅(qū)動軸，車輪減速器和驅(qū)動輪。由控制器控制，控制信號被轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的驅(qū)動速度。

顯示報警模塊由顯示器和部分程序組成，將控制器處理完的滾筒轉(zhuǎn)速和行駛速度顯示出來，在轉(zhuǎn)速過低時進(jìn)行聲光報警。

4速度控制硬件設(shè)計

速度測量方法有很多種，包括光電編碼測量方法，霍爾元件測量方法，磁感應(yīng)測量方法，離心測量方法，測速發(fā)電機(jī)測量方法，閃速測量方法，漏磁速度測量方法等。

由于收獲機(jī)的工作環(huán)境比較惡劣，粉塵十分嚴(yán)重，因此光電式測量方法不適合本文所研究的收獲機(jī)。測速發(fā)電機(jī)測量法需要在轉(zhuǎn)動軸末端裝用于測速的發(fā)電機(jī)，滾筒軸和驅(qū)動軸上都沒有足夠的空間，不能使用。離心式測量法測量精度差而且不能夠?qū)崟r測量，因此不采用。霍爾元件測量法和磁感應(yīng)測量法都是非接觸式、比較適應(yīng)惡劣環(huán)境而且可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時測量的方法。霍爾元件測量法頻率范圍較大，從直流到微波頻段都能夠測量，因此選擇霍爾元件法作為轉(zhuǎn)速信號采集的方法。

測速方法有測周期法和測頻率法兩種，需要根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速范圍確定適用何種測速方法。收獲機(jī)所用的控制器時間測量精度為1m/s，測周期法由于在開始和結(jié)束各有半個單位時間測量不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致有一定的測量誤差，而且每個周期中測得的時間間隔越短誤差就越大，此方法往往都用在轉(zhuǎn)速比較低的場合。測頻率法在開始和結(jié)束各有一個脈沖測量不準(zhǔn)確，會導(dǎo)致有一定的測量誤差，而且單位時間內(nèi)測得的脈沖數(shù)越少誤差就越大，因此該方法往往用在轉(zhuǎn)速比較高的場合。軸流滾筒轉(zhuǎn)速較高適合選用測頻率法，行駛速度測量的變速箱傳動軸的轉(zhuǎn)速，此軸轉(zhuǎn)速較低，適合選用測周期法。

行駛速度測量使用抱箍式塑料盤安裝磁鐵，專用支架安裝霍爾傳感器的方案。霍爾傳感器固定不動，磁鐵隨著傳動軸轉(zhuǎn)動。方案如圖1所示：

本文所研究控制系統(tǒng)選用的控制器為PLUS+1MC050，此控制器提供多功能的IO端口，輸入端口有6個數(shù)字輸入端口，4個數(shù)字和模擬通用輸入端口，6個數(shù)字，模擬和頻率通用輸入端口，4路模擬、溫度、電位器輸入;輸出口有3路數(shù)字量輸出口，3路數(shù)字量和PWM通用輸出口，IO路數(shù)字量、PWM和比例量通用輸出口，另外還有兩組通訊端口。

5 小結(jié)

簡要介紹收割機(jī)的工作原理和操作過程。根據(jù)收獲機(jī)的作業(yè)流程，并結(jié)合收獲機(jī)的作業(yè)環(huán)境、安全需要等因素，明確了自動控制系統(tǒng)功能和性能方面的設(shè)計要求。制定了收獲機(jī)自動控制系統(tǒng)的總方案。收割機(jī)自動控制系統(tǒng)由速度信號采集裝置，控制器，驅(qū)動系統(tǒng)等部件組成。轉(zhuǎn)速信號采集裝置將收獲機(jī)軸流滾筒轉(zhuǎn)速和收獲機(jī)行駛速度采集出來，發(fā)送給控制器。制定了速度控制邏輯，根據(jù)軸流滾筒的轉(zhuǎn)速變化。

參考文獻(xiàn)

[1] ?白學(xué)峰等.中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化現(xiàn)狀與發(fā)展模式研究[J].農(nóng)機(jī)化研究.2017，10：256-262.

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