張希升 由盛昌

九方泰禾國(guó)際重工（青島）股份有限公司 山東青島 266500

玉米是我國(guó)重要糧食作物，同時(shí)玉米秸稈也是主要畜牧飼料。隨著我國(guó)糧食加工業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，玉米和玉米秸稈需求量不斷增加，但目前秸稈利用率較低，大量秸稈被付之一炬或丟棄，不僅對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也是資源的極大浪費(fèi)。因此我國(guó)穗莖兼收玉米收獲機(jī)械迫切需要一場(chǎng)革命性發(fā)展。

1 系統(tǒng)組成及原理

自動(dòng)對(duì)行方向自校正系統(tǒng)由控制器、觸摸屏、角度傳感器、分流閥、三位四通電液比例換向閥、單活塞桿液壓缸及轉(zhuǎn)向輪等組成，如圖1所示。其中，分流閥的作用是使通向后輪轉(zhuǎn)向液壓缸的液壓油流量保持恒定。系統(tǒng)的控制信號(hào)(階躍信號(hào))經(jīng)過(guò)數(shù)字PID調(diào)節(jié)和PWM模塊轉(zhuǎn)化為PWM電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)比例放大模塊轉(zhuǎn)換及放大并傳遞給電液比例換向閥，通過(guò)控制電液比例閥閥芯開(kāi)度，控制流向液壓缸的液壓油流量，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的速度和位移，最終控制后輪的偏轉(zhuǎn)。角度傳感器將轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度信息動(dòng)態(tài)地檢測(cè)并反饋到控制器，構(gòu)成圖2所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以XC3S1200E芯片為核心元件構(gòu)建控制系統(tǒng)，主要由檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、報(bào)警電路等組成。其中，檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向角度及對(duì)行狀態(tài)等信號(hào)的采集；驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)比例電磁閥控制信號(hào)的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)化和放大；觸摸屏由報(bào)警、通訊等電路組成，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警提示。系統(tǒng)的檢測(cè)和觸發(fā)信號(hào)為玉米收獲臺(tái)上安裝的對(duì)行檢測(cè)傳感器的反饋信號(hào)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先通過(guò)角度傳感器檢測(cè)轉(zhuǎn)向輪初始狀態(tài)。若轉(zhuǎn)向輪處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，則調(diào)節(jié)比例換向閥，使轉(zhuǎn)向輪與機(jī)具前進(jìn)方向平行。當(dāng)對(duì)行作業(yè)自校正信號(hào)觸發(fā)時(shí)，控制器給比例換向閥通電，采用PID控制方式調(diào)節(jié)比例換向閥的閥芯開(kāi)度，控制液壓缸活塞桿的位移及速度，使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)后，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)的對(duì)行檢測(cè)傳感器信號(hào)來(lái)判斷轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度是否達(dá)到要求。若對(duì)行檢測(cè)傳感器無(wú)反饋信號(hào)，則轉(zhuǎn)向輪調(diào)節(jié)到位，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向輪使其與機(jī)具作業(yè)方向平行，完成1次方向校正過(guò)程。

3 試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)確定

本系統(tǒng)安裝在4YZP-4D型玉米收獲機(jī)上，將圖1中的機(jī)具轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為四邊形機(jī)構(gòu)，如圖3所示。其中，AD為未動(dòng)作時(shí)液壓缸的長(zhǎng)度，AB為液壓缸固定端到橋體的垂直距離，BC為液壓缸固定端到橋體垂足與輪胎轉(zhuǎn)向軸之間的距離，DC為液壓缸活動(dòng)端到輪胎轉(zhuǎn)向軸的距離，AE為輪胎偏轉(zhuǎn)后液壓缸的長(zhǎng)度。

圖3 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

仿真模型的主要參數(shù)為：?jiǎn)位钊簤焊谆钊睆?0mm，活塞桿直徑25mm，液壓缸行程0．15m，流入比例閥流量7．5L/min，比例閥額定電流100mA，比例閥固有頻率50Hz，比例閥阻尼比0．8。其他參數(shù)(如液體黏度系數(shù)、油溫等重要參數(shù))是在常規(guī)狀態(tài)下考慮的，則選用AMESim軟件模型庫(kù)提供的首選參數(shù)即可滿足要求。圖4、圖5分別為Kp=200、Ki=0．1、Kd=0．01時(shí)液壓缸活塞桿位移、速度曲線圖。由圖4、圖5可以看出：系統(tǒng)穩(wěn)定無(wú)超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間越短，控制進(jìn)行得越快，系統(tǒng)的品質(zhì)就越好，但是提高系統(tǒng)快速性的同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。應(yīng)用AMESim的批處理功能分別對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行批處理仿真，觀察參數(shù)的變化對(duì)電液比例閥控液壓缸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制性能的影響，確定PID參數(shù)取值范圍。

圖4 活塞桿位移曲線

圖5 活塞桿速度曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文研究的玉米收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行方向自校正系統(tǒng)采用PID算法控制比例換向閥，實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)自動(dòng)對(duì)行方向校正過(guò)程的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)以4YZP-4D型玉米收獲機(jī)為載體，田間試驗(yàn)表明：PID 參數(shù)為 KP=800、Ki=0．5、Kd=0．1，以及作業(yè)速度為7km/h時(shí)，系統(tǒng)控制效果最好。該系統(tǒng)還需要在不同型號(hào)收獲機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，不斷優(yōu)化控制參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。相信該系統(tǒng)能夠得到推廣和應(yīng)用，屆時(shí)將大大降低收獲作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高收獲質(zhì)量和效率[1]。