稻麥收獲機割臺高度自適應調節系統設計

山東理工大學農業工程與食品科學學院 李曉偉 刁培松

前言

我國是農業大國，連續十年糧食產量全球第一，在多種作物機械化收獲過程中，割臺高度是非常重要的參數指標；割臺高度過高時，不易收獲完整植株，會造成作物損失率偏高；割臺高度過低時，易過多收獲到麥穗以下部分，可能會造成割臺觸地、堵塞攪攏等問題，嚴重影響收獲機作業效率。

金誠謙團隊設計了一種仿形裝置。該裝置由主要有角度傳感器，主、副板構成，當遇到地面起伏仿形裝置的角度傳感器會產生對應比例旋轉,從而控制割臺高度[1]。姬魁洲團隊研制了一種機械連桿式仿形裝置，仿形機構壓板會隨地面起伏程度不同而旋轉不同角度，裝置中的角度傳感器可隨時測量角度變化，控制系統通過數學模型推算出田間地表的起伏變化情況從而控制割臺高度。該結構具有可靠性和穩定性[2]。

1 割臺高度監測裝置設計及工作原理

本次使用的角度傳感器霍爾效應來監測轉軸角度變化。角度傳感器中的霍爾元件角度傳感器由一個半導體霍爾元件和一個磁場源組成[3]。通過測量霍爾電壓的變化可以確定轉軸的角度變化，從而判斷地面的起伏程度。在實際現場試驗中，對割臺距離地面高度和割臺反饋高度進行了標定。經試驗表明，本次設計的地面起伏監測裝置能夠有效地提取田間地面起伏變化的信號，并在保證信號準確和穩定的前提下更易于安裝，該裝置適用的機型范圍更廣泛，價格更低廉[4]。

1.1 割臺高度監測裝置

撥禾輪高度自適應控制系統地面仿形裝置采用機械接觸式測量法，主要工作組件包括角度傳感器、仿形板、拉力彈簧、液壓缸位移傳感器等[5]。傳感器實時監測液壓缸的位移參數與作業地面的起伏程度，使得作物與撥禾輪的相對距離不變，撥禾齒可以垂直入禾且留茬高度不變。

圖1 割臺高度仿形機構示意圖

使用仿形板來監測地面的起伏狀態，仿形板布置在割臺底部，當仿形板隨地面起伏旋轉時，角度傳感器會發生相應的轉動[6]。通過PLC 控制，利用角度傳感器的偏轉角度反饋值來控制割臺的升降高度，以保證割臺不會觸底避免損壞。經過試驗標定，可得到割臺高度x 與角度傳感器轉動角度β 關系為:

根據以上位置參數，可推理得到割臺高度x 與液壓缸伸長量l 的數學模型：

其中，l 為液壓缸的伸長量（cm）；x為割臺高度（cm）。

2 割臺高度自適應控制系統的設計

2.1 控制原理

本文設計了一種基于模糊PID 控制割臺高度的自動調節系統。通過將模糊邏輯與PID 控制相融合，控制性能穩定性將得到很大提升。系統通過仿形板角度傳感器獲取割臺高度數值，結合最初標定割臺高度初始值，計算控制偏差E(t)。利用模糊控制算法，系統確定輸出控制量，并將其發送至比例電磁閥的驅動模塊。

2.2 模糊PID 控制算法

控制器將輸出一個代表電磁閥通電時間u 的精確數值，從而確保系統的高效穩定運行。割臺實時離地高度x 已確定。通過將測量得到的割臺高度x 與預設的理想割臺高度進行比較，計算出高度偏差e(t)及其變化率△e。設置割臺高度誤差e、ec 的可行區間分別為[-50 cm,50 cm]和[-10 cm/s,10 cm/s]。為了建立一個有效的控制系統，定義了輸入變量e(t)、△e 以及輸出變量u 的論域為{-3，3}定義為7 級，其中輸入和輸出變量的模糊集合分別定義為{NB NMNS ZO PS PMPB}。控制器將采用區間[0,1]內的數值以代替傳統的二進制邏輯中的0 或1。在轉速自適應控制系統實際工作控制過程中，kp,ki,kd三個系數擔任不同的職責[8]。對于撥禾輪轉速控制來說，模糊PID 控制器的設計，應根據系統的實時反饋精細調整參數。

圖2 Ki 隸屬度函數

作為模糊控制器的重要組成部分，模糊控制規則的設計至關重要。為了確定輸出變量u 的控制規則，通過對割臺高度的實際調節過程和經驗進行總結，結合偏差變化率和模糊控制規則，可以得出如下模糊控制規則表（表1）。

表1 模糊控制規則表

表2 實驗結果分析表

3 割臺高度自適控制系統仿真

3.1 RecurDyn 割臺接觸板仿真

地面仿形板設計完成后，為優化仿形板與地面的適配程度, 利用RecurDyn 進行仿真時有效的約束關系Joint 和動力學驅動配置是關鍵。添加轉動副約束，在接觸類型Contact 設置中，在仿形板和地面之間添加了實體接觸類型Solid To Solid，在安裝架和地面之間的移動副上配置了平移驅動Motion，使得機構能夠沿預定的軌跡移動。

3.2 仿真結果分析

初步設定機具的前進速度為2.5m/s，隨著扭簧扭矩的增加，當扭矩達到20N·m 時，這些問題得到了顯著改善。位移曲線的波動減少，仿形板的貼合地面能力得到了加強。20N·m 的扭矩設置為仿形板提供了最佳的性能表現。然而，當扭矩進一步增加到30N·m 時，并未觀察到位移曲線的顯著改善。

圖3 仿形板貼合軌跡圖

通過比較實際路面軌跡與仿真板軌跡，可以明顯觀察到，設計的仿形板在仿形過程中與地面的貼合效果良好，實際路面與仿真軌跡的波動誤差在10mm 以下，能夠有效地反映地形的變化。

圖4 地面軌跡與仿形板運動軌跡示意圖

4 田間試驗

2023 年6 月，在山東省日照市莒縣小麥試驗田進行田地試驗，試驗田地形起伏差異較大，可以用來檢驗割臺高度自動調控的性能。試驗機型為迅迪公司生產的4LZ-6.0 型多作物聯合收獲機。田間試驗時,用旗桿每隔10m 設置一個停機測量點測量割臺高度，試驗人員用卷尺測量割臺離地面的實際位置高度并記錄數據收割小麥的測試結果如下表所示。

試驗結果表明：在收割小麥時,割臺高度調節的誤差小于13mm；最大誤差不超過15mm，滿足收獲要求。因此，所設計的割臺高度調控系統可以滿足小麥聯合收獲機田間作業需求。