周　茉，劉志剛，鮑秀蘭

(1.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 電氣信息系，武漢　430068；2.南昌工學(xué)院，南昌　330108；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢　430070)

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聯(lián)合收割機(jī)碎草裝置無極調(diào)速和負(fù)荷反饋系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

周茉1，劉志剛2，鮑秀蘭3

(1.湖北工業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院 電氣信息系，武漢430068；2.南昌工學(xué)院，南昌330108；3.華中農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，武漢430070)

摘要：碎草分離裝置是農(nóng)作物聯(lián)合收割機(jī)的核心部件之一。碎草裝置阻塞問題是聯(lián)合收割機(jī)工作過程中常出現(xiàn)的問題，決定了機(jī)器的工作質(zhì)量和生產(chǎn)率。為了解決這個問題，提出了一種新的負(fù)荷反饋無極調(diào)速系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無極變速和PID負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)的方法，對喂入裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，可以根據(jù)農(nóng)作物的密集程度，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)喂入速度，從而降低了收割機(jī)碎草裝置阻塞的概率，大大提高了收割機(jī)的作業(yè)效率。為了驗(yàn)證裝置的有效性和可靠性，通過數(shù)值仿真和虛擬樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的方法對該系統(tǒng)進(jìn)行了測試。仿真結(jié)果表明：該方法可以有效地縮短作業(yè)時間，降低碎草長度，提高了碎草裝置的作業(yè)性能，為聯(lián)合收割機(jī)的優(yōu)化設(shè)計提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收割機(jī)；碎草裝置；無極調(diào)速；負(fù)荷反饋；PID控制；阻塞率

0引言

聯(lián)合收割機(jī)作為水稻、小麥、玉米和甘蔗等農(nóng)作物收獲的主要機(jī)械設(shè)備，近年來得到了快速的發(fā)展;但國內(nèi)聯(lián)合收割機(jī)電子化和自動化水平普遍較低，在作業(yè)過程中故障率高、效率低、維修不便等問題已經(jīng)嚴(yán)重制約聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展。 特別是碎草裝置的阻塞問題，是影響聯(lián)合收割機(jī)脫粒效率的關(guān)鍵因素，如果能有效地 解決碎草裝置的阻塞問題，不僅可縮短脫粒的時間，而且能提高脫粒的質(zhì)量及聯(lián)合收割機(jī)的使用性能。

本研究以全喂入聯(lián)合收割機(jī)為研究對象，在碎草裝置中引入了無極調(diào)速和PID控制系統(tǒng)，并在碎草端使用傳感器對碎草力的負(fù)荷進(jìn)行采集，實(shí)現(xiàn)了聯(lián)合收割機(jī)負(fù)荷的反饋調(diào)節(jié)。系統(tǒng)可以根據(jù)碎草力的大小判斷農(nóng)作物的疏密程度，利用無極變速調(diào)整喂入速度，降低了碎草機(jī)構(gòu)的堵塞概率，提高了碎草機(jī)構(gòu)的工作效率，提升了農(nóng)作物碎草的質(zhì)量。

1聯(lián)合收割機(jī)碎草裝置優(yōu)化總體設(shè)計

聯(lián)合收割機(jī)碎草裝置的優(yōu)化設(shè)計分為兩部分，包括收割機(jī)碎草的長度優(yōu)化和喂入速度的優(yōu)化。由于碎草長度和喂入速度具有直接的聯(lián)系，因此可以通過調(diào)整喂入速度來實(shí)現(xiàn)碎草長度的變化，提高碎草質(zhì)量。優(yōu)化控制系統(tǒng)共分為兩部分，首先是PWM無極調(diào)速系統(tǒng)，其次是負(fù)荷反饋系統(tǒng)。該裝置根據(jù)力學(xué)反饋信號對喂入就機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度控制。

圖1為負(fù)荷反饋系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計框架示意圖。該系統(tǒng)主要利用力學(xué)傳感器對喂入機(jī)構(gòu)的碎草力進(jìn)行采集，并通過數(shù)據(jù)處理中心設(shè)計閾值范圍，將采集得到的力數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o極調(diào)速系統(tǒng)中。

圖1　負(fù)荷反饋系統(tǒng)設(shè)計框架示意圖

圖2為無極調(diào)速的總體設(shè)計框架圖。由圖2可以看出：通過反饋系統(tǒng)采集得到碎草力，當(dāng)碎草力在某一閾值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)自動判斷該力所對應(yīng)的無極調(diào)控速度，裝置會通過PWM進(jìn)行無極調(diào)速，并通過負(fù)荷的不斷反饋，對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，使裝置達(dá)到最佳工作狀態(tài)。

圖2　無極調(diào)速設(shè)計框架示意圖

2PWM無極調(diào)速負(fù)荷反饋優(yōu)化控制設(shè)計

2.1PID負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)

采集負(fù)荷的準(zhǔn)確率是影響轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的關(guān)鍵因素，需要通過不斷自動調(diào)整力學(xué)信號的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)喂入速度的精準(zhǔn)控制。為了有效地采集碎草裝置傳感器的負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的反饋調(diào)節(jié)過程，本文運(yùn)用PID控制原理對采集力進(jìn)行優(yōu)化。PID控制系統(tǒng)控制方程為

(1)

其中，Y(t)是系統(tǒng)的輸出數(shù)值， e(t)是系統(tǒng)輸出值和設(shè)定值的偏差， Kp是比例調(diào)節(jié)系數(shù)，Ti是時間積分系數(shù)，Td是時間微分系數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)對負(fù)荷信號的PID調(diào)節(jié)控制，首先需要對負(fù)荷信號進(jìn)行識別，本文利用小波算法理論首先求取負(fù)荷信號的特征值矩陣，有

(2)

該力學(xué)信號矩陣的求解需要借助于協(xié)方差矩陣，求解協(xié)方差矩陣公式為

(3)

對負(fù)荷力信號的特征值進(jìn)行求解，則有

Mα=λjα

(4)

判斷力負(fù)荷是否在某閾值內(nèi)，有

(5)

利用負(fù)荷的特征值疊加的形式，可以判斷總負(fù)荷是否在某一閾值內(nèi)，并利用PID控制器不斷調(diào)整負(fù)荷信號的結(jié)果。

2.2PWM無極調(diào)速和PID反饋調(diào)節(jié)

碎草裝置的無極調(diào)速可以通過改變直流電動機(jī)電樞的電壓，實(shí)現(xiàn)速度的連續(xù)變化。在實(shí)際的操作過程中，可以通過開關(guān)管來對直流電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速，其原理如圖3所示。

當(dāng)開關(guān)管輸入高電平，直流電動機(jī)電樞的電壓為Us；當(dāng)開關(guān)管輸入低電平，直流電動機(jī)電樞的電壓為0，電動機(jī)兩端的電壓平均值U0為

(6)

其中，α為占空比，改變α的數(shù)值就可以改變電動機(jī)兩端的電壓平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。利用負(fù)荷反饋系統(tǒng)得到的載荷可以求出速度的閾值，當(dāng)速度超過一定閾值時，需要利用調(diào)速的方式使速度重新歸于某一閾值，實(shí)現(xiàn)碎草裝置的智能調(diào)控。

如圖4所示，為了實(shí)現(xiàn)速度的自動調(diào)節(jié)，使用速度PID反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，對速度進(jìn)行自適應(yīng)控制，設(shè)定相應(yīng)的力和速度對應(yīng)的閾值范圍，通過系統(tǒng)的自適應(yīng)功能，實(shí)現(xiàn)碎草裝置的力學(xué)反饋調(diào)節(jié)。

圖3　直流電機(jī)無極調(diào)速原理

圖4　速度PID反饋調(diào)節(jié)示意圖

3聯(lián)合收割機(jī)碎草裝置虛擬樣機(jī)測試

3.1虛擬樣機(jī)仿真

為了驗(yàn)證所設(shè)計的喂入機(jī)構(gòu)優(yōu)化算法的有效性和可靠性，本次研究采用SolidWorks軟件對喂入機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維模型的創(chuàng)建，并使用ADAMS軟件對其進(jìn)行動力學(xué)分析。由于要對所創(chuàng)建的三維模型進(jìn)行動力學(xué)分析，所以在創(chuàng)建模型過程中需要對模型進(jìn)行簡化，簡化后的模型如圖5所示。

根據(jù)農(nóng)作物喂入的角度，對模型進(jìn)行調(diào)整，對各部件的位置進(jìn)行調(diào)整，減少以后在ADAMS中的移動。調(diào)整后的模型如圖6所示。

模型創(chuàng)建好之后，可以導(dǎo)入ADMAS進(jìn)行動力學(xué)分析，根據(jù)碎草力的不同可以得到其相對應(yīng)的速度。ADMAS模型的導(dǎo)入過程如圖7所示。

圖5　喂入機(jī)構(gòu)簡化模型

圖6　碎草過程模擬

圖7　模型導(dǎo)入窗口

在模型導(dǎo)入之前，首先需要將SolidWorks創(chuàng)建的模型保存成Parasolid 格式，然后再打開ADAMS軟件，在可選框內(nèi)選擇Import a file。宏是在ADAMS/View中可以完成一系列命令的指令，可以根據(jù)宏指令，創(chuàng)建多個運(yùn)動變量。本文使用的碎草過程機(jī)構(gòu)和農(nóng)作物的碰撞宏命令主要程序如下：

for variable=ip start=6 end=8

contact create&

contact_name=.model_1.(eval("CONTACT_"http://c(ip)))

&i_geometry_name= BOX_1 &

c_geometry_name

= .model_1.(eval("BOX_"http://c(ip))) &

stiffness = 1.0E+006 &

damping = 8.0 &

exponent = 1.1 &

dmax = 0.2 &

coulomb_friction = on &

mu_static = 0.6 &

mu_dynamic = 0.2 &

stiction_transition_velocity = 200.0 &

friction_transition_velocity = 800.0

……

通過虛擬樣機(jī)的仿真，得到了如圖8所示的仿真曲線。由圖8可以看出：在不同的碎草力的作用下，喂入速度可以進(jìn)行有效的調(diào)節(jié)，得到不同的電機(jī)控制速度，從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性。

圖8　喂入速度隨時間變化曲線

3.2虛擬系統(tǒng)測試結(jié)果

為了進(jìn)一步研究虛擬樣機(jī)的碎草性能，通過對虛擬樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)，得到了碎草率和碎草時間等一系列結(jié)果。

圖9表示隨著優(yōu)化次數(shù)的增加，碎草率的變化曲線。由圖9可以看出：通過PID負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)作用后，喂入裝置通過無極變速實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化；隨著優(yōu)化次數(shù)的增加，碎草率也隨著增加，說明了裝置優(yōu)化的有效性。

圖10表示隨著優(yōu)化次數(shù)的增加，碎草時間的變化曲線。由圖10可以看出：隨著優(yōu)化次數(shù)的增加，碎草率時間大大縮短，碎草效率得到了明顯的提升。碎草質(zhì)量的統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

通過8次碎草試驗(yàn)，使用PID負(fù)荷優(yōu)化控制的碎草機(jī)構(gòu)和普通碎草機(jī)構(gòu)的碎草長度存在很大的差異：使用PID負(fù)荷優(yōu)化控制系統(tǒng)優(yōu)化后的碎草長度明顯縮短，并且各次實(shí)驗(yàn)間的數(shù)據(jù)差異性系數(shù)較大。這說明在負(fù)荷控制優(yōu)化后，碎草的質(zhì)量有了明顯的改善，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好，大大提高了聯(lián)合收割機(jī)碎草脫粒機(jī)構(gòu)的工作性能。

圖9　碎草率隨優(yōu)化次數(shù)變化曲線

圖10　碎草時間隨優(yōu)化次數(shù)變化曲線

cm

4結(jié)論

使用PID負(fù)荷反饋調(diào)節(jié)的方法和無極變速的方式對聯(lián)合收割機(jī)碎草分離裝置進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，通過優(yōu)化設(shè)計大大提高了碎草脫粒機(jī)構(gòu)的工作效率，提高了收割機(jī)的電氣化和自動化程度。利用SolidWorks軟件建立了農(nóng)作物聯(lián)合收割機(jī)碎草脫粒機(jī)構(gòu)的簡化三維模型，并采用ADMAS軟件對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動力學(xué)仿真，通過仿真得到了喂入速度隨時間變化曲線，驗(yàn)證了裝置速度調(diào)控的有效性。設(shè)計了裝置的虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行了測試。由碎草裝置的虛擬仿真結(jié)果可以看出：該裝置可有效地提高碎草率，縮短碎草時間，改善碎草的質(zhì)量，為聯(lián)合收割機(jī)自動化設(shè)計提供了理論依據(jù)。

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System Optimization Design of Stepless Speed Regulation and Load Feedback for Straw-crushing Device in Combine Harvester

Zhou Mo1, Liu Zhigang2,, Bao Xiulan3

(1.Engineering and Technology College,Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：Chaff separation device is one of the core components of the crop of combine harvester.The device broken grass blocking problem is usually combine work problems,which determines the machine work quality and productivity. In order to solve this problem,it proposed a new load feedback stepless speed regulating system.By using the method of adjusting the shift and PID load feedback, it optimized the design of feeding device, according to the intensive crops, adaptive feeding speed, and reduces the probability of the harvester from straw crushing device blocking, greatly improving the operation efficiency of the harvester. In order to verify the validity and reliability of the device,by means of numerical simulation and virtual prototyping experiment of the system ,it tested by the straw crushing device.As to virtual simulation results,it can be seen that this method can effectively shorten the operation time, reduce broken grass length,and improves the operation performance of the device of crushed grass,which provides technical reference optimization designed for combined harvester.

Key words：combine harester; straw-crushing device ; stepless speed regulation; load feedback; PID control; blocking rate

文章編號：1003-188X(2016)03-0134-05

中圖分類號：S225；S11+6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

作者簡介：周茉(1981-) ,女，湖北鄂州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：湖北省自然科學(xué)基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-02-04