翟艷輝

(三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 三門峽 472000)

0 引言

查閱相關(guān)資料可知，國(guó)外聯(lián)合收割機(jī)的智能化控制水平較高，大多數(shù)均配備了電氣控制、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及自動(dòng)驅(qū)動(dòng)等裝置，可在實(shí)時(shí)了解田間小麥信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行自走式收割作業(yè)。國(guó)內(nèi)亦有學(xué)者相繼研制開(kāi)發(fā)出可實(shí)現(xiàn)各類智能控制與監(jiān)測(cè)功能的裝置加裝于小麥聯(lián)合收割機(jī)上，如采用總線技術(shù)、傳感控制技術(shù)等。小麥聯(lián)合收割機(jī)是一種集多項(xiàng)復(fù)雜工作參數(shù)協(xié)調(diào)控制的農(nóng)用機(jī)具，其工作水平的高低直接決定小麥穗粒的收獲質(zhì)量與產(chǎn)量。為此，筆者從提高自走式小麥聯(lián)合收割機(jī)的電氣控制裝置水平的角度，展開(kāi)線路討論與優(yōu)化。

1 整機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

自走式小麥聯(lián)合收割機(jī)以柴油機(jī)為動(dòng)力源，通過(guò)行走系統(tǒng)與收割系統(tǒng)共同配合完成收割作業(yè)，圖1為小麥聯(lián)合收割機(jī)外觀簡(jiǎn)圖，表1為聯(lián)合收割機(jī)主要技術(shù)參數(shù)設(shè)計(jì)。結(jié)合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)可知：控制系統(tǒng)給定控制信號(hào)，經(jīng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)行駛裝置前進(jìn)，聯(lián)合收割裝置根據(jù)小麥植株密度的大小進(jìn)行收割作業(yè)，并進(jìn)一步傳送喂入滾筒裝置實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)合收割。其控制線路的布置與設(shè)計(jì)對(duì)收割機(jī)整機(jī)性能有重要的關(guān)聯(lián)影響，后臺(tái)運(yùn)行的電氣控制線路主要由收割機(jī)照明、啟動(dòng)、充電及儀器儀表指示回路等組成，關(guān)鍵控制部位加裝傳感識(shí)別儀器。

圖1 聯(lián)合收割機(jī)外形圖

序號(hào)參數(shù)名稱單位參數(shù)值1結(jié)構(gòu)型式自走輪式2長(zhǎng)×寬×高mm5780×2350×27003收割機(jī)行進(jìn)速度m/s0～0.84小麥?zhǔn)崭顚挿鵰m1400～16005小麥喂入單量kg/s0～2.76小麥穗粒破碎率%<1.67小麥穗粒含雜率%<2.18小麥穗粒損失率%<2.19小麥穗粒脫凈率%>99.210收割機(jī)工作功率kW50

圖2 小麥聯(lián)合收割機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

在各部件進(jìn)行有序收割作業(yè)的過(guò)程中，系統(tǒng)的工作特性不可忽略。聯(lián)合收割機(jī)的行走系統(tǒng)傳遞函數(shù)可表示為

收割裝置與傳送裝置間的傳遞函數(shù)表示為

G2(s)=Hρwexp(-τs)

在整機(jī)正常收割時(shí)，聯(lián)合收割機(jī)滾筒裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度與收割機(jī)喂入量之間的關(guān)系可表示為

通過(guò)理解各部件的工作特性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)收割機(jī)各電氣控制部件與線路優(yōu)化。

2 關(guān)鍵部件分析

2.1 電氣裝置

聯(lián)合收割機(jī)在進(jìn)行收割作業(yè)時(shí)，電氣裝置起著至關(guān)重要的控制傳遞作用。通過(guò)查閱參考相關(guān)理論，優(yōu)化自走式小麥聯(lián)合收割機(jī)的電氣裝置組成、結(jié)構(gòu)與功能實(shí)現(xiàn)。擬優(yōu)化設(shè)計(jì)的電氣裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖3所示。由圖3可知：在聯(lián)合收割機(jī)的智能處理單元控制下，發(fā)動(dòng)機(jī)油壓傳感、通用電氣線路、發(fā)動(dòng)機(jī)水溫傳感及脫粒裝置軸溫傳感等信息同步匯入，進(jìn)入下一顯示與聲光報(bào)警環(huán)節(jié)。

圖3 小麥聯(lián)合收割機(jī)電氣裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The electrical device structure drawing of the wheat combine harvester

同時(shí)，植入監(jiān)控部件，即通過(guò)嵌入式微處理器的主控作用，對(duì)I/O模塊、時(shí)鐘模塊及存儲(chǔ)器模塊的監(jiān)視狀況處理并輸出，作業(yè)人員可實(shí)時(shí)掌握收割信息，提高聯(lián)合機(jī)整機(jī)的功能可控性。

2.2 控制系統(tǒng)

根據(jù)聯(lián)合收割機(jī)電氣裝置硬件配置，對(duì)控制系統(tǒng)及相關(guān)線路進(jìn)行優(yōu)化，圖4為電氣控制系統(tǒng)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖。通過(guò)對(duì)收割機(jī)作業(yè)的行進(jìn)速度閉環(huán)與所承受的負(fù)載大小閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)雙重控制與協(xié)調(diào)功能。

另外，針對(duì)聯(lián)合收割機(jī)的輔助電氣部件進(jìn)行優(yōu)化，包括各類工作狀態(tài)指示電路與顯示，如圖5所示。在控制核心算法的中心指令下，通過(guò)數(shù)據(jù)收集與對(duì)比，分別做出不同的狀態(tài)判斷，如預(yù)警故障、聲光顯示及報(bào)警故障等。

圖4 聯(lián)合收割機(jī)電氣控制雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

圖5 小麥聯(lián)合收割機(jī)電氣工作狀態(tài)指示電路優(yōu)化

擬優(yōu)化的小麥聯(lián)合收割機(jī)行進(jìn)速度智能精確控制加入PID核心算法控制，通過(guò)不斷調(diào)整齒輪、電氣及傳感裝置的運(yùn)動(dòng)速度協(xié)調(diào)性實(shí)現(xiàn)，部分程序代碼如下：

……

pid_calcute(folat feedback_value)

{

ZZSPID..en=feedback_value-set_value;

if(ZZSPID.en<=M)

Ka=ZZSPID.Kp*(1+T/ZZSPID.Ti+ZZSPID.Td/T);

else

Ka= ZZSPID.Kp*(1+ZZSPID.Td/T)

Kb=- ZZSPID.Kp*(1+2*ZZSPID.Td/T);

Kc= ZZSPID.Kp*ZZSPID.Td/T);

un_increse=Ka*ZZSPID.en+Kb*ZZSPID.en1

+ Kc*ZZSPID.en2;

ZZSPID.en2=ZZSPID.en1;

ZZSPID.en1=ZZSPID.en;

return un_increase;

}

……

小麥聯(lián)合收割機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化如圖6所示。

圖6 小麥聯(lián)合收割機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)化簡(jiǎn)圖

3 收割試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件與方法

在上述改進(jìn)理論的基礎(chǔ)上，對(duì)此類型聯(lián)合收割機(jī)特性進(jìn)行收割試驗(yàn)，擬試驗(yàn)的條件需滿足如下要求：

①電氣控制的脈沖頻率與整機(jī)行走操縱定位構(gòu)成積分調(diào)節(jié)；②動(dòng)力泵的給定動(dòng)力與行走操縱成比較調(diào)節(jié)；③割臺(tái)高度在合理范圍內(nèi)變化且與整機(jī)車速保證一定的乘積關(guān)系；④選取試驗(yàn)地在各項(xiàng)輔助指標(biāo)正常的場(chǎng)地，保證不影響試驗(yàn)對(duì)比效果。

3.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)過(guò)程在外界因素影響一致條件下進(jìn)行，通過(guò)增加優(yōu)化次數(shù)與改變影響作業(yè)效率的參數(shù)展開(kāi)記錄與分析。經(jīng)前期數(shù)據(jù)整理，得出聯(lián)合收割機(jī)作業(yè)時(shí)主要性能指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。由表2可看出：優(yōu)化后的各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)化前均有一定的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了自走式小麥聯(lián)合收割機(jī)主要電氣及控制優(yōu)化效果。脫凈率提升0.4%，損失率降低0.51%，含雜率降低0.09%，破碎率降低0.22%，喂入量可達(dá)1.8kg/s。

表2 聯(lián)合收割機(jī)主要性能指標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)數(shù)據(jù)

Table 2 Optimization test data of main performance index of the combine harvester

性能指標(biāo)喂入量/kg·s-1滾筒轉(zhuǎn)速/r·min-1脫凈率/%損失率/%含雜率/%破碎率/%優(yōu)化前1.5115099.11.962.051.58優(yōu)化后1.8127099.51.451.961.36

圖7給出小麥聯(lián)合收割機(jī)試驗(yàn)時(shí)優(yōu)化次數(shù)與收割效率之間的關(guān)系曲線。由圖7可知：隨著各類參數(shù)及線路控制的不斷優(yōu)化及收割試驗(yàn)優(yōu)化次數(shù)的增多，擬改進(jìn)的小麥聯(lián)合收割機(jī)的收割效率呈上升趨勢(shì)，由86%提升至99%以上，改善效果明顯。

圖7 小麥聯(lián)合收割機(jī)收獲效率優(yōu)化曲線

4 結(jié)論

1)利用電氣控制與傳遞函數(shù)理論和雙閉環(huán)控制方式對(duì)自走式小麥聯(lián)合收割機(jī)的電氣控制及主要線路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，改善了電氣控制線路的布局與協(xié)調(diào)控制性，大大提高了收割機(jī)的收割效率。

2)擬改進(jìn)的小麥聯(lián)合收割機(jī)的收割效率在各類參數(shù)及線路控制不斷優(yōu)化及收割試驗(yàn)優(yōu)化次數(shù)增多的條件下，由86%提升至99%以上，改善效果明顯。

3)通過(guò)優(yōu)化試驗(yàn)，小麥聯(lián)合收割機(jī)的主要性能指標(biāo)得到提升，脫凈率約為99.5%左右，損失率降低為1.45%左右，具有一定的可實(shí)施性和推廣價(jià)值。