程月平

(武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

玉米作為我國(guó)主要糧食作物之一，廣泛種植于我國(guó)的北方、黃淮海平原與西南丘陵等地。為減輕農(nóng)民的勞動(dòng)輕度、提高玉米收割效率，近年來(lái)玉米收割方式及收割機(jī)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(jī)智能收割的水平也不斷提高，各組成部件逐步向科學(xué)智能化、機(jī)械自動(dòng)化方向演變。相關(guān)學(xué)者針對(duì)玉米收獲機(jī)從結(jié)構(gòu)構(gòu)成、功能實(shí)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(shè)備的控制理論角度，針對(duì)玉米收獲機(jī)的摘輥裝置進(jìn)行細(xì)致探討，對(duì)其轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制系統(tǒng)展開討論。

1 摘輥結(jié)構(gòu)及工作原理

玉米收獲機(jī)是一種集玉米果穗摘?jiǎng)兣c脫粒于一體的機(jī)械自動(dòng)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(dāng)前應(yīng)用廣泛的玉米收獲機(jī)外觀圖。其主要由駕駛操作室、動(dòng)力提供裝置、控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)及摘穗運(yùn)送部件等組成。其中，玉米摘輥結(jié)構(gòu)為摘穗作業(yè)的核心組件，主要包括強(qiáng)拉部件、摘穗部件、導(dǎo)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(jī)構(gòu)的工作原理可以簡(jiǎn)要概述為：在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的摘輥部件之間，通過(guò)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(yùn)送部件送至收獲機(jī)下一自動(dòng)作業(yè)環(huán)節(jié)。摘穗運(yùn)動(dòng)示意圖如圖2所示。

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

1.螺旋棱臺(tái) 2.玉米穗柄 3.玉米穗端 4.玉米籽粒 5.摘穗輥

2 摘輥?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)收獲機(jī)摘輥機(jī)構(gòu)工作時(shí)的各部件動(dòng)作執(zhí)行先后順序及動(dòng)作條件， 結(jié)合收獲機(jī)整機(jī)收割時(shí)行進(jìn)速度V1、摘輥機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度V2與摘穗損失率ρ之間的內(nèi)在關(guān)系曲線(見圖3)，可以看出：V1、V2數(shù)值過(guò)大和過(guò)小對(duì)最大限度提高玉米收獲機(jī)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(jī)合適的作業(yè)速度與摘輥的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是關(guān)鍵工作之一。根據(jù)公式(1)進(jìn)行，即

(1)

式中K—比例系數(shù)；

V1—玉米收獲機(jī)行進(jìn)速度；

V2—玉米收獲機(jī)摘輥轉(zhuǎn)速；

β—玉米收獲機(jī)摘輥傾斜角度。

同時(shí)，摘輥機(jī)構(gòu)的摘輥直徑根據(jù)公式(2)進(jìn)行計(jì)算選取，即

(2)

式中D—玉米收獲機(jī)摘輥直徑；

d—玉米植株直徑；

h—玉米收獲機(jī)摘輥間距；

α—摘輥植株的抓取初始角度。

圖3 玉米收獲機(jī)行進(jìn)速度、摘輥轉(zhuǎn)速與玉米果穗損失率關(guān)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(jī)械性能原理及速度關(guān)系，在進(jìn)行了摘輥機(jī)構(gòu)主體載荷與運(yùn)動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)的玉米收獲機(jī)摘穗電控系統(tǒng)如圖4所示。

硬件裝置的選型與設(shè)計(jì)主要包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)、變頻器及傳感器等，重點(diǎn)考慮合適的工控機(jī)。為保證摘輥?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)識(shí)別和傳輸?shù)姆€(wěn)定性與準(zhǔn)確性，需要增設(shè)穩(wěn)壓裝置與抗干擾裝置，選取MWE485-D隔離轉(zhuǎn)換裝置實(shí)現(xiàn)摘穗輥轉(zhuǎn)速信號(hào)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(jié)合主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比要求，選取AKC-205扭矩傳感裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)扭矩獲取與傳遞，即

(3)

圖4 玉米收獲機(jī)摘穗電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖Fig.4 Design schematic diagram of picking electric control system of the corn harvester

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在硬件組成部件合理選型之后，對(duì)自動(dòng)化軟件控制程序進(jìn)行編制、導(dǎo)入與調(diào)試。摘輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的主程序流程可描述為：經(jīng)初始化相關(guān)操作之后，通過(guò)行進(jìn)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(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)；若符合程序編制條件，則進(jìn)行下一步作業(yè)環(huán)節(jié)，若不符合條件則重新返回，進(jìn)行參數(shù)模糊控制調(diào)節(jié)修正。圖5為收獲機(jī)摘輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)圖，主要由初始化、中斷服務(wù)程序及主控程序構(gòu)成。

圖5 玉米收獲機(jī)摘輥轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)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(guò)預(yù)先設(shè)定編碼表，并進(jìn)行摘輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制核心參數(shù)模糊量化處理后與編碼表進(jìn)行對(duì)比，從而不斷調(diào)整，最終輸出符合實(shí)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(shí)時(shí)調(diào)整摘輥裝置與玉米植株的位置關(guān)系，確保轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)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(yàn)與分析

3.1 試驗(yàn)條件

對(duì)設(shè)計(jì)的玉米收獲機(jī)摘輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。首先，給定基本的試驗(yàn)前置條件和要求，關(guān)鍵參數(shù)設(shè)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(jī)構(gòu)與玉米植株作用時(shí)所需的轉(zhuǎn)速大小等，進(jìn)而轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)識(shí)別作業(yè)進(jìn)行收割玉米果穗。

表1 玉米收獲機(jī)作業(yè)試驗(yàn)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(jī)摘輥正交試驗(yàn)因素水平(見表2)，通過(guò)改變摘輥轉(zhuǎn)速、摘輥傾斜角度等，來(lái)驗(yàn)證自動(dòng)控制系統(tǒng)反應(yīng)的靈敏性與可操作性。針對(duì)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(biāo)，對(duì)玉米收獲機(jī)摘輥轉(zhuǎn)速的最優(yōu)、行進(jìn)速度的最優(yōu)進(jìn)行試驗(yàn)。

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

3.2 過(guò)程分析

根據(jù)設(shè)定的玉米植株間距進(jìn)行收割試驗(yàn)，通過(guò)變頻器控制摘輥裝置的源動(dòng)力電機(jī)，多次改變轉(zhuǎn)動(dòng)速度，觀察不同摘輥轉(zhuǎn)速情況下摘輥傾斜角度對(duì)收獲玉米籽粒的影響；同時(shí)，調(diào)整摘輥的間隙與玉米收獲機(jī)整機(jī)的行進(jìn)速度之間的配合關(guān)系，達(dá)到驗(yàn)證自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性目標(biāo)。通過(guò)記錄數(shù)據(jù)并經(jīng)對(duì)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(shí)整機(jī)工作效率最佳，且摘輥轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真試驗(yàn)可行。

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

4 結(jié)論

1)在深入理解玉米收獲機(jī)摘輥組成結(jié)構(gòu)與工作原理之后，對(duì)其硬件電路及軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，得出組合最佳的摘輥控制裝置，整體優(yōu)化了玉米收獲機(jī)的構(gòu)件組成。

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

3)通過(guò)試驗(yàn)并對(duì)影響收獲機(jī)工作效率與玉米籽粒質(zhì)量的各因素進(jìn)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(shí)玉米收獲機(jī)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(jī)的摘輥部件作為研究對(duì)象，進(jìn)行了局部改善，在一定程度上提高了機(jī)器的收獲效率與質(zhì)量。建議下一步可以將玉米收獲機(jī)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與無(wú)線控制作為新的研究方向與優(yōu)化思路。