韓樹欽，吳崇友，金 梅

(農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所，南京 210014)

0 引言

脫粒裝置的作業(yè)性能直接影響整機(jī)的工作質(zhì)量及生產(chǎn)效率[1]。脫粒速度過高，籽粒和莖稈的破碎程度加重，功率消耗大；脫粒速度過低會降低脫粒質(zhì)量，夾帶損失嚴(yán)重[2]。因此，對于不同工作環(huán)境，收獲不同種類作物，應(yīng)確定收割機(jī)最佳脫粒速度并使?jié)L筒轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在最佳值附近，以改善脫粒性能，減小滾筒堵塞的可能性，保證聯(lián)合收割機(jī)始終工作在最佳狀態(tài)，提高作業(yè)效率[3-5]。

目前，脫粒滾筒的傳動方式主要有鏈傳動、帶傳動和液壓傳動。鏈傳動下的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)可通過更換鏈輪實(shí)現(xiàn);但田間操作耗時較多，且不能頻繁進(jìn)行。帶傳動以驅(qū)動滑輪變速，但其壽命短，易打滑，維護(hù)成本高[6];而液壓驅(qū)動脫粒滾筒在過載保護(hù)、無極調(diào)速、自動控制和功率質(zhì)量比等方面具有明顯優(yōu)勢[7-8]。

國外聯(lián)合收割機(jī)大都采用液壓驅(qū)動、電子監(jiān)測和自動化控制系統(tǒng)，結(jié)合GPS輔助系統(tǒng)進(jìn)行收獲作業(yè)綜合管理。我國聯(lián)合收割機(jī)在整機(jī)自動控制和作業(yè)自動化方面，與國外相比差距較大，不能使聯(lián)合收割機(jī)的使用效能達(dá)到最佳化[9-15]。

對以上問題，以PLC(可編程邏輯控制器)為核心設(shè)計了脫粒滾筒轉(zhuǎn)速電液比例控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及馬達(dá)轉(zhuǎn)速PLC控制程序、轉(zhuǎn)速PID控制參數(shù)，并設(shè)計了人機(jī)操作監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了對液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速的自適應(yīng)控制。

1 電液比例控制系統(tǒng)設(shè)計

脫粒裝置作為聯(lián)合收割機(jī)的重要組成部分，要求其適應(yīng)性廣泛，可以滿足不同種類、不同品種、不同狀態(tài)作物的收獲要求；工作性能好，在脫凈的同時，不能有過多的谷粒損失；功率消耗低，生產(chǎn)率高。根據(jù)脫粒裝置的技術(shù)要求，研究選用電液比例泵控馬達(dá)系統(tǒng)來控制轉(zhuǎn)速。電液比例控制系統(tǒng)既有液壓元件傳遞功率大、響應(yīng)快的優(yōu)勢，又有電器元件處理和運(yùn)算信號方便、易于實(shí)現(xiàn)信號遠(yuǎn)距離傳輸(遙控)的優(yōu)勢[16-19]。而且，泵控系統(tǒng)效率較高、發(fā)熱量小，系統(tǒng)剛度較好,一般用于功率較大的場合。圖1為系統(tǒng)原理圖。

圖1 電液比例泵控馬達(dá)系統(tǒng)原理圖

1.1 液壓系統(tǒng)設(shè)計

研究以雷沃谷神GE60(4LZ-6E2)小麥聯(lián)合收割機(jī)為參照，其主要工作參數(shù)如表1所示。

表1 聯(lián)合收割機(jī)主要工作參數(shù)

根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)的工作參數(shù)，計算選取液壓泵和液壓馬達(dá)的型號[20]。液壓系統(tǒng)的壓力取30MPa，計算得到馬達(dá)的排量為90mL/r,確定馬達(dá)型號及主要工作參數(shù)如表2所示。

表2 液壓馬達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)

取泵的輸入轉(zhuǎn)速為1 600r/min，根據(jù)選定的馬達(dá)的參數(shù)，計算得到泵的排量在60mL/r左右，確定泵型號及主要參數(shù)如表3所示。

表3 液壓泵的主要技術(shù)參數(shù)

圖2為泵控馬達(dá)系統(tǒng)的液壓工作原理圖。圖2中，電液比例泵1和液壓馬達(dá)5組成閉式液壓回路，通過變量機(jī)構(gòu)調(diào)整泵的排量，控制馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速。1是軸向柱塞比例變量泵，其排量與輸入信號在任一工作壓力下成正比。變量機(jī)構(gòu)由比例方向閥3和雙作用液壓變量缸2組成，通過對位于閥3上的比例電磁鐵a、b輸入電信號，改變閥芯位移和變量缸2的活塞桿位置，調(diào)整泵1的斜盤傾角，可實(shí)現(xiàn)泵排量的無級調(diào)整，從而控制馬達(dá)5的輸出速度。

圖2 泵控馬達(dá)系統(tǒng)液壓原理圖

1.2 電控系統(tǒng)設(shè)計

電控系統(tǒng)硬件主要由轉(zhuǎn)速傳感器、壓力傳感器、PLC、比例放大器及PC機(jī)等組成，如圖3所示。

1.PLC 2.比例放大器 3.電流表

其工作過程為：PC機(jī)控制端選擇收獲作物種類或設(shè)定脫粒滾筒的工作轉(zhuǎn)速，同時設(shè)定PID控制參數(shù)，通過轉(zhuǎn)速傳感器和壓力傳感器檢測轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)壓力；PLC采集傳感器信號并處理后，輸出控制電流，電流經(jīng)比例放大器放大后，給到比例閥以改變泵的斜盤傾角，實(shí)現(xiàn)泵排量的無級調(diào)整，從而達(dá)到控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速即滾筒轉(zhuǎn)速的目的；同時，PLC將采集到的轉(zhuǎn)速和壓力值傳遞到組態(tài)控制端，實(shí)現(xiàn)滾筒轉(zhuǎn)速及液壓系統(tǒng)壓力的監(jiān)測顯示。

1.3 PLC程序設(shè)計

PLC程序設(shè)計是電液比例控制系統(tǒng)的核心部分，通過TIA Portal V13工作平臺中STEP7編程軟件，采用梯形圖語言，編寫了包括參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及PID控制等模塊[21]。

為了減少執(zhí)行器的動作次數(shù)，對PID控制器設(shè)置了死區(qū)，即轉(zhuǎn)速偏差在死區(qū)范圍內(nèi)，PID輸入偏差為0；超過死區(qū)后，輸入偏差才從0開始計算[22]。圖4為死區(qū)設(shè)置程序段。圖5為PID控制器程序段。

圖4 PID死區(qū)設(shè)置程序段

圖5 PID控制器程序段

1.4 組態(tài)控制界面設(shè)計

WinCC是第一個完全基于32位內(nèi)核的過程監(jiān)控系統(tǒng)[23]，采用SIMATIC WinCC V7.3，通過裝載AS消息方式將S7-1200的變量添加到WinCC中直接與其通信?？刂葡到y(tǒng)的監(jiān)控主界面(模擬運(yùn)行)如圖6所示。其中，單擊“收獲作物”下的4個按鈕后，可分別對應(yīng)收獲小麥、水稻、油菜、大豆4種作物；“設(shè)定轉(zhuǎn)速”輸入/輸出域可根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)置滾筒轉(zhuǎn)速，且實(shí)時顯示當(dāng)前工作轉(zhuǎn)速；單擊“PID整定”按鈕，將彈出PID參數(shù)整定的窗口，可在手動模式下實(shí)時更改“采樣時間” “比例系數(shù)”“積分時間”“微分時間”等參數(shù)；選擇“保存數(shù)據(jù)”，系統(tǒng)將彈出轉(zhuǎn)速的表格顯示記錄窗口，可將記錄的數(shù)據(jù)導(dǎo)出并保存；單擊“退出系統(tǒng)”，將退出WinCC運(yùn)行系統(tǒng)。

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)主界面

2 控制系統(tǒng)仿真

2.1 控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

電液比例泵控馬達(dá)系統(tǒng)的被控單元包括放大器、電液比例泵、定量馬達(dá)和速度傳感器等。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)方框圖如圖7所示。

圖7 電液比例泵控馬達(dá)系統(tǒng)傳遞函數(shù)方框圖

系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為

(1)

其中，Kv為控制系統(tǒng)的開環(huán)增益，Kv=KαKbvKqKφKqpKf/ADm。

系統(tǒng)的閉環(huán)函數(shù)為

(2)

其中，Ku為控制系統(tǒng)的閉環(huán)增益，Ku=KαKbvKqKφKqp/ADm。

確定各系統(tǒng)中各元件參數(shù)，得到系統(tǒng)的傳遞函數(shù)為

(3)

2.2 控制系統(tǒng)Simulink仿真

通過計算分析控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和系統(tǒng)各部分參數(shù)，在Simulink環(huán)境中建立了電液比例泵控馬達(dá)系統(tǒng)[24]，如圖8所示。

圖8 PID控制仿真框圖

空載時，給系統(tǒng)輸入轉(zhuǎn)速為800r/min的階躍信號；在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，3s時給系統(tǒng)加入400N·m的外負(fù)載信號，系統(tǒng)的響應(yīng)如圖9所示。

由圖9可以看出：空載時，系統(tǒng)具有較好的跟蹤性能，馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速峰值時間為0.23s，調(diào)整時間為2.5s；突加400N·m外負(fù)載，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速值降至781r/min，約經(jīng)過0.2s跟蹤到輸入信號，調(diào)整時間不到1s；6s時，由于外負(fù)載信號突減為零，系統(tǒng)出現(xiàn)2.5%的超調(diào)量，后經(jīng)1.8s回到設(shè)定轉(zhuǎn)速值。仿真結(jié)果表明：系統(tǒng)PID控制器可以滿足對轉(zhuǎn)速的控制要求。

圖9 在3s后加入400Nm擾動的系統(tǒng)PID階躍信號響應(yīng)圖

3 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)試驗

利用泵-馬達(dá)閉式試驗臺，對電液比例控制系統(tǒng)進(jìn)行了臺架試驗。試驗泵轉(zhuǎn)速由電機(jī)控制，由加載泵回路實(shí)現(xiàn)對馬達(dá)的加載，如圖10所示。試驗調(diào)試階段，將PID控制的死區(qū)寬度設(shè)置為0，以得到比例系數(shù)、積分時間、微分時間的最優(yōu)值。系統(tǒng)穩(wěn)定后，分別做如下操作：①將轉(zhuǎn)速由800r/min提高到900r/min；②在加載泵回路中將壓力設(shè)置為30MPa，給馬達(dá)添加載荷；③將加載回路的壓力由30MPa提升至35MPa；④將加載回路壓力由35Mpa降至25MPa。觀察系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線圖，結(jié)果分別如圖11～圖14所示。

圖10 泵-馬達(dá)閉式試驗臺

由圖11可以看出：由于電控系統(tǒng)的延時，在控制界面改變設(shè)定值到顯示改變后的設(shè)定值之間需要0.6s的時間；馬達(dá)轉(zhuǎn)速經(jīng)過0.4s開始調(diào)整，用時5s追蹤到輸入信號，系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定工作。

由圖12可以看出：系統(tǒng)中加入了外負(fù)載，馬達(dá)轉(zhuǎn)速逐漸降低，最大偏差25r/min,系統(tǒng)經(jīng)過3.7s恢復(fù)到設(shè)定值，繼續(xù)穩(wěn)定工作。

由圖13可以看出：液壓回路中壓力由30MPa升高到35MPa時，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速降低，最大偏差23r/min；而后轉(zhuǎn)速開始提高，經(jīng)過4s回到設(shè)定值，系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定工作。

由圖14可以看出：系統(tǒng)穩(wěn)定在800r/min附近工作，當(dāng)負(fù)載突然減小，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速升高，經(jīng)過3s達(dá)到最高轉(zhuǎn)速824r/min；后經(jīng)過2s回到設(shè)定值，系統(tǒng)繼續(xù)穩(wěn)定工作，調(diào)節(jié)時間共5s，最大超調(diào)量3.37%。

圖11 轉(zhuǎn)速由800r/min提高到900r/min系統(tǒng)的響應(yīng)圖

圖12 加入負(fù)載后系統(tǒng)的響應(yīng)圖

圖13 加載泵回路壓力由30MPa升至35MPa系統(tǒng)的響應(yīng)圖

圖14 加載泵回路壓力由35MPa降至25MPa系統(tǒng)的響應(yīng)圖

4 結(jié)論

針對聯(lián)合收割機(jī)脫粒滾筒的性能要求，研究開發(fā)了基于PLC、PID算法及WicCC組態(tài)監(jiān)控界面的滾筒轉(zhuǎn)速電液比例控制系統(tǒng)，并對系統(tǒng)進(jìn)行了仿真試驗和臺架試驗。試驗結(jié)果顯示：系統(tǒng)在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時的跟蹤性能良好；加載后的調(diào)節(jié)時間約3.7s，最大偏差25r/min；負(fù)載增加(加載泵回路壓力提高5MPa)，調(diào)整時間4s，最大偏差23r/min；負(fù)載減小(加載泵回路壓力減小10MPa)，調(diào)節(jié)時間約為5s，最大偏差27r/min。試驗結(jié)果表明：控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定工作，在轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整及設(shè)計目標(biāo)，滿足控制要求，為聯(lián)合收割機(jī)的智能化發(fā)展提供了研究基礎(chǔ)。

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