程月平

(武漢職業(yè)技術學院，武漢 430074)

0 引言

玉米作為我國主要糧食作物之一，廣泛種植于我國的北方、黃淮海平原與西南丘陵等地。為減輕農(nóng)民的勞動輕度、提高玉米收割效率，近年來玉米收割方式及收割機械的研究力度不斷加大，由單一的分段收獲逐漸演變?yōu)槁?lián)合收獲。玉米收獲機智能收割的水平也不斷提高，各組成部件逐步向科學智能化、機械自動化方向演變。相關學者針對玉米收獲機從結構構成、功能實現(xiàn)、相互銜接、玉米收獲量等多種角度做了優(yōu)化，本文基于農(nóng)業(yè)設備的控制理論角度，針對玉米收獲機的摘輥裝置進行細致探討，對其轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)展開討論。

1 摘輥結構及工作原理

玉米收獲機是一種集玉米果穗摘剝與脫粒于一體的機械自動收割裝置，收割作業(yè)省去人工剝穗與脫粒，只需駕駛操作。圖1為當前應用廣泛的玉米收獲機外觀圖。其主要由駕駛操作室、動力提供裝置、控制執(zhí)行機構及摘穗運送部件等組成。其中，玉米摘輥結構為摘穗作業(yè)的核心組件，主要包括強拉部件、摘穗部件、導錐和可調(diào)軸承等，根據(jù)組件方向不同可分為多種形式。摘輥機構的工作原理可以簡要概述為：在相對運動的摘輥部件之間，通過摘輥部件與玉米秸稈的相互作用力與摘輥間隙共同作用，玉米穗在摘輥與穗柄的連接位置被摘下，并經(jīng)運送部件送至收獲機下一自動作業(yè)環(huán)節(jié)。摘穗運動示意圖如圖2所示。

圖1 玉米收獲機外觀圖Fig.1 Appearance figure of the corn harvester

1.螺旋棱臺 2.玉米穗柄 3.玉米穗端 4.玉米籽粒 5.摘穗輥

2 摘輥自動控制系統(tǒng)

2.1 硬件設計

根據(jù)收獲機摘輥機構工作時的各部件動作執(zhí)行先后順序及動作條件， 結合收獲機整機收割時行進速度V1、摘輥機構的轉(zhuǎn)動速度V2與摘穗損失率ρ之間的內(nèi)在關系曲線(見圖3)，可以看出：V1、V2數(shù)值過大和過小對最大限度提高玉米收獲機的收獲效率及減小玉米果穗的損失率都不利。因此，選取收獲機合適的作業(yè)速度與摘輥的轉(zhuǎn)動速度是關鍵工作之一。根據(jù)公式(1)進行，即

(1)

式中K—比例系數(shù)；

V1—玉米收獲機行進速度；

V2—玉米收獲機摘輥轉(zhuǎn)速；

β—玉米收獲機摘輥傾斜角度。

同時，摘輥機構的摘輥直徑根據(jù)公式(2)進行計算選取，即

(2)

式中D—玉米收獲機摘輥直徑；

d—玉米植株直徑；

h—玉米收獲機摘輥間距；

α—摘輥植株的抓取初始角度。

圖3 玉米收獲機行進速度、摘輥轉(zhuǎn)速與玉米果穗損失率關系曲線圖Fig.3 The curves of relationship about the travel speed, the roller speed and the corn ears loss rate of the corn harvester

根據(jù)機械性能原理及速度關系，在進行了摘輥機構主體載荷與運動力學分析的基礎上，設計的玉米收獲機摘穗電控系統(tǒng)如圖4所示。

硬件裝置的選型與設計主要包括驅(qū)動電機、變頻器及傳感器等，重點考慮合適的工控機。為保證摘輥自動控制系統(tǒng)信號識別和傳輸?shù)姆€(wěn)定性與準確性，需要增設穩(wěn)壓裝置與抗干擾裝置，選取MWE485-D隔離轉(zhuǎn)換裝置實現(xiàn)摘穗輥轉(zhuǎn)速信號的有源隔離與轉(zhuǎn)換，必須保證摘輥裝置在一定地轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)靈活可調(diào)。因此，利用公式(3)結合主傳動系統(tǒng)的傳動比要求，選取AKC-205扭矩傳感裝置進行動態(tài)扭矩獲取與傳遞，即

(3)

圖4 玉米收獲機摘穗電控系統(tǒng)設計簡圖Fig.4 Design schematic diagram of picking electric control system of the corn harvester

2.2 軟件設計

在硬件組成部件合理選型之后，對自動化軟件控制程序進行編制、導入與調(diào)試。摘輥轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)的主程序流程可描述為：經(jīng)初始化相關操作之后，通過行進速度、位移、溫度及高差等傳感信息的數(shù)據(jù)采集與給定，啟動自動控制系統(tǒng)；若符合程序編制條件，則進行下一步作業(yè)環(huán)節(jié)，若不符合條件則重新返回，進行參數(shù)模糊控制調(diào)節(jié)修正。圖5為收獲機摘輥轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)的軟件設計流程簡圖，主要由初始化、中斷服務程序及主控程序構成。

圖5 玉米收獲機摘輥轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設計流程簡圖Fig.5 Design process diagram of the picking roller software control system of the corn harvester

模糊控制原理是通過預先設定編碼表，并進行摘輥轉(zhuǎn)速自動控制核心參數(shù)模糊量化處理后與編碼表進行對比，從而不斷調(diào)整，最終輸出符合實際收獲作業(yè)的摘輥精確轉(zhuǎn)速控制值，在主程序控制下實時調(diào)整摘輥裝置與玉米植株的位置關系，確保轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。摘輥部分轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)程序代碼如下：

…

ASR_loop()

Void ASR_loop(void)

{

SpeedEx=Speed_expect-speed;

SpeedEx_current=(

SpeedEx-SpeedEx_last)

SpeedEx_last=SpeedEx;

Motor_speed +=

SpeedEx_current*Kp+

SpeedEx_current*Ki;

if ( Motor_Speed>2000)

Motor_Speed=2000;

if ( Motor_Speed<1)

Motor_Speed=1;

F=Motor_Speed*np/60;

if (f<1)

f=1;

Temp T=(long)*

(25000/(f*360*2));

EvvRegs.T4PR=temp T;

};

…

3 試驗與分析

3.1 試驗條件

對設計的玉米收獲機摘輥轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)進行試驗驗證。首先，給定基本的試驗前置條件和要求，關鍵參數(shù)設置如表1所示。表1主要給出影響摘輥轉(zhuǎn)速的因素值，包括含水率及玉米穗的位置信息，以此確定摘輥機構與玉米植株作用時所需的轉(zhuǎn)速大小等，進而轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)通過識別作業(yè)進行收割玉米果穗。

表1 玉米收獲機作業(yè)試驗條件Table 1 Operating conditions of the corn harvester

在前置條件給定后，考慮玉米收獲機摘輥正交試驗因素水平(見表2)，通過改變摘輥轉(zhuǎn)速、摘輥傾斜角度等，來驗證自動控制系統(tǒng)反應的靈敏性與可操作性。針對地表土壤及玉米植株自身特性，以保證玉米果穗損失最小化、收獲最大化為目標，對玉米收獲機摘輥轉(zhuǎn)速的最優(yōu)、行進速度的最優(yōu)進行試驗。

表2 玉米收獲機摘輥正交試驗因素水平Table 2 Orthogonal factor level of the picking roller of the corn harvester

3.2 過程分析

根據(jù)設定的玉米植株間距進行收割試驗，通過變頻器控制摘輥裝置的源動力電機，多次改變轉(zhuǎn)動速度，觀察不同摘輥轉(zhuǎn)速情況下摘輥傾斜角度對收獲玉米籽粒的影響；同時，調(diào)整摘輥的間隙與玉米收獲機整機的行進速度之間的配合關系，達到驗證自動控制系統(tǒng)設計的可行性目標。通過記錄數(shù)據(jù)并經(jīng)對比研究分析(見表3)，得出摘輥轉(zhuǎn)速控制在700r/min、摘輥傾斜角度在30°時整機工作效率最佳，且摘輥轉(zhuǎn)速自動控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)設計及仿真試驗可行。

表3 玉米收獲機作業(yè)試驗數(shù)據(jù)Table 3 Operating test dates of the corn harvester %

4 結論

1)在深入理解玉米收獲機摘輥組成結構與工作原理之后，對其硬件電路及軟件程序進行設計，得出組合最佳的摘輥控制裝置，整體優(yōu)化了玉米收獲機的構件組成。

2)為保證收獲效率，將模糊控制理論與收獲機的工作特點相結合，選取合適的電機及變頻裝置，并考慮玉米籽粒的本身特性，進行了摘輥裝置自動控制系統(tǒng)研究。

3)通過試驗并對影響收獲機工作效率與玉米籽粒質(zhì)量的各因素進行分析可知：摘輥轉(zhuǎn)速700r/min左右、傾斜角度30°條件下，玉米的籽粒損失率與破損率可以降至較低水平，此時玉米收獲機消耗功率適中，可以作為性能比最優(yōu)的摘輥轉(zhuǎn)速。

4)以玉米收獲機的摘輥部件作為研究對象，進行了局部改善，在一定程度上提高了機器的收獲效率與質(zhì)量。建議下一步可以將玉米收獲機實現(xiàn)遠程監(jiān)視與無線控制作為新的研究方向與優(yōu)化思路。