牛 叢，徐麗明，袁全春，馬 帥，閆成功，趙詩建

葡萄防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)

牛 叢，徐麗明※，袁全春，馬 帥，閆成功，趙詩建

（中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

針對中國新疆地區(qū)葡萄防寒布平整卷收難的問題，該研究分析了防寒布平整卷收原理，并設(shè)計了葡萄防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動檢測防寒布的卷收狀態(tài)，在平整卷收狀態(tài)時采用增量式PID算法輸出PWM（Pulse Width Modulation）信號，基于機(jī)具前進(jìn)速度和布輥半徑實(shí)現(xiàn)防寒布卷收速度的實(shí)時調(diào)節(jié)；在偏斜卷收狀態(tài)時通過調(diào)節(jié)卷布輥軸轉(zhuǎn)速改變卷布輥軸實(shí)時轉(zhuǎn)速相對于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的超前或滯后關(guān)系，使防寒布恢復(fù)平整卷收狀態(tài)。通過在Simulink中建立電機(jī)PID控制模型進(jìn)行仿真。通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)得到電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM信號占空比的對應(yīng)關(guān)系。防寒布自動調(diào)偏性能試驗(yàn)驗(yàn)證了本文方法的可行性，優(yōu)化得到激光開關(guān)傳感器與防寒布邊緣的距離為20 mm。由直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)對仿真試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，得到優(yōu)化后的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為0.4 s，響應(yīng)延遲約為0.1 s。田間試驗(yàn)結(jié)果表明，防寒布卷收平整度均大于90%，平均為92.78%，滿足防寒布卷收作業(yè)要求。研究結(jié)果可為葡萄防寒布回收機(jī)的設(shè)計與優(yōu)化提供技術(shù)參考。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計；自動化；葡萄；防寒布回收；PID控制；自動調(diào)偏

0 引 言

中國北方葡萄產(chǎn)區(qū)冬季寒冷干燥且多風(fēng)，容易造成葡萄藤凍害和風(fēng)干[1-3]。新疆地區(qū)部分葡萄園改變傳統(tǒng)的埋土防寒模式，冬季采用防寒布輔助埋土防寒，該模式的防寒效果和清土作業(yè)難度均優(yōu)于直接埋土防寒[4-6]。

根據(jù)前期研究[7]，防寒布輔助埋土防寒模式處于推廣應(yīng)用初期，春季清土作業(yè)模式不完善[8-11]，清土與防寒布回收機(jī)[7,12-14]發(fā)展不成熟，防寒布回收裝置作業(yè)時卷布輥軸轉(zhuǎn)速難以匹配機(jī)具前進(jìn)速度和布輥半徑的變化造成防寒布平整卷收困難，同時防寒布受力不均勻、變形等干擾防寒布的卷收狀態(tài)，從而影響防寒布的卷收質(zhì)量。紡織機(jī)械[15]中采用變量控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)織物恒張力或恒線速調(diào)節(jié)，如朱耀麟等[16]采用S型曲線速度算法實(shí)時控制紡紗機(jī)轉(zhuǎn)速，解決了傳動機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的紗線斷裂問題。PID控制技術(shù)作為變量控制中常用的技術(shù)手段在各領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，Varshney等[17]采用傳統(tǒng)PID控制算法和模糊PID算法比較了無刷直流電機(jī)在變載時的動態(tài)速度響應(yīng)情況。Sui等[18]采用PID控制算法調(diào)節(jié)三相變頻調(diào)速電機(jī)的轉(zhuǎn)速將吸收性縫線的張力誤差控制在±0.1 N范圍內(nèi)；Park等[19]在建筑3D打印模擬器的噴嘴系統(tǒng)中采用PID控制算法對硅材料實(shí)行勻速噴淋。韓豹等[20]采用PID控制算法實(shí)現(xiàn)了大豆苗間除草部件松土深度的穩(wěn)定控制，降低了傷苗率和埋苗率；任玲等[21]采用模糊PID控制技術(shù)對兩項(xiàng)混合式步進(jìn)電機(jī)的角速度進(jìn)行控制，達(dá)到了自動取苗機(jī)械手的定位精度要求。變量控制技術(shù)是解決防寒布平整卷收速度控制問題的有效手段，但在該領(lǐng)域的研究應(yīng)用較少。

本文針對防寒布平整卷收難的問題，根據(jù)平整卷收原理，設(shè)計平整卷收速度控制系統(tǒng)，通過仿真試驗(yàn)對控制系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，通過田間試驗(yàn)測試控制系統(tǒng)的作業(yè)性能。旨在為后續(xù)葡萄防寒布回收機(jī)的設(shè)計提供技術(shù)參考。

1 葡萄防寒布平整卷收原理

葡萄防寒布機(jī)械回收以卷收為主，主要分為平行卷收和傾斜卷收2種方式，前者卷布輥軸位于土壟正上方，其軸線與防寒布邊緣垂直；后者依靠防寒土的流動性使防寒布卷收方向與前進(jìn)方向保持一定夾角，實(shí)現(xiàn)換向傾斜卷收。本文以傾斜卷收的防寒布為研究對象，對其平整卷收原理進(jìn)行分析。平行卷收是傾斜卷收的極限狀態(tài)（=0），因此所研究內(nèi)容同樣適用。根據(jù)葡萄防寒布卷收要求，當(dāng)卷收寬度接近防寒布寬度時卷收質(zhì)量較高，認(rèn)為防寒布處于平整狀態(tài)（即理想狀態(tài)）；反之，在外部因素干擾下，防寒布卷收寬度超出預(yù)設(shè)值，則認(rèn)為防寒布處于偏斜狀態(tài)，需要通過調(diào)偏恢復(fù)平整狀態(tài)以保證卷收質(zhì)量。

1.1 理想狀態(tài)的平整卷收原理

防寒布傾斜卷收如圖1所示，初始時防寒布邊緣垂直于卷布輥軸并固定于其上，布輥外周線速度1為

1=2π（1）

當(dāng)卷布輥軸轉(zhuǎn)速為0、機(jī)具前進(jìn)速度不為0時，以卷布輥軸為參考，卷布輥軸將防寒布從土壟中拉扯出來而不卷收。增大，減小，防寒布向卷布輥軸左側(cè)偏斜，如圖1中1所示，點(diǎn)以速度沿機(jī)具前進(jìn)反方向遠(yuǎn)離卷布輥軸，1點(diǎn)與點(diǎn)之間新增距離為

當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度為0、卷布輥軸轉(zhuǎn)速不為0時，卷布輥軸將防寒布從土壟中拉扯出來并卷收。減小，增大，防寒布向卷布輥軸右側(cè)偏斜，如圖1中2所示，點(diǎn)以速度1沿機(jī)具前進(jìn)方向靠近卷布輥軸，點(diǎn)與點(diǎn)之間減小距離為

1.布輥 2.卷布輥軸 3.防寒土 4.防寒布

1.Cloth roll 2.Shaft of cloth roller 3.Cold-proof soil 4.Cold-proof cloth

注：為卷布輥軸半徑，mm；為布輥半徑，mm；為卷布輥軸轉(zhuǎn)速，r·s-1；為機(jī)具前進(jìn)速度，m·s-1；、1和2分別為平整、左偏和右偏狀態(tài)的防寒布；、′和″分別為、1和2狀態(tài)下防寒布下部恰好離開底部葡萄藤與地面的位置；為防寒布恰好接觸布輥的位置；、′和″分別為、1和2狀態(tài)下點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離，mm；、′和″為、1和2狀態(tài)下防寒布與機(jī)具前進(jìn)方向夾角，(°)。

Note:is the radius of the shaft of cloth roller, mm;is the radius of the cloth roll, mm;is the rotation speed of the shaft of cloth roller, r·s-1;is the forward speed of the machine, m·s-1;,1and2are respectively the cold-proof cloth with the smooth state, left offset state and right offset state;,′and″are respectively the positions of the lower part of the cold-proof cloth right away from the bottom grapevine and the ground under the states of,1and2;is the position where the cold-proof cloth just touches the cloth roll;,′and″are respectively the distances between pointsandunder the states of,1and2, mm;,′and″are respectively the angles between the cold-proof cloth and the forward direction of the machine under the states of,1and2, (°).

圖1 防寒布傾斜卷收示意圖

Fig.1 Schematic diagram of cold-proof cloth slanted winding

當(dāng)機(jī)具前進(jìn)速度與布輥外周線速度1相等且均不為0時，點(diǎn)距離卷布輥軸保持不變。為常數(shù)，不變，防寒布邊緣始終垂直于卷布輥軸，可實(shí)現(xiàn)防寒布平整穩(wěn)定卷收，即防寒布平整穩(wěn)定卷收時卷布輥軸轉(zhuǎn)速為

1.2 偏斜狀態(tài)的自動調(diào)偏原理

偏斜狀態(tài)的自動調(diào)偏包括防寒布偏斜狀態(tài)檢測與防寒布糾偏2個方面。

1.2.1 防寒布偏斜狀態(tài)檢測

防寒布偏斜狀態(tài)檢測主要基于激光開關(guān)傳感器[22]和防寒布在不同偏斜狀態(tài)下的位置特征，如圖2所示，根據(jù)防寒布卷收發(fā)生偏斜時的位置變化，將2個激光開關(guān)傳感器1、1分別設(shè)置在平整卷收的防寒布上方左右兩端，在防寒布法線方向上始終與防寒布保持一定距離，該距離小于激光開關(guān)傳感器的有效檢測距離，在水平橫向上與防寒布邊緣保持一定距離（后文簡稱“安裝距離”）。

首先，假定激光開關(guān)傳感器在其有效檢測距離范圍內(nèi)發(fā)射的激光束被遮擋時表示能夠檢測到防寒布，以0表示，反之則以1表示。當(dāng)防寒布平整卷收時，激光開關(guān)傳感器1和1均能檢測到防寒布，二者反饋值均為0；當(dāng)防寒布發(fā)生左偏時，激光開關(guān)傳感器1和1的反饋值分別為0和1，右偏時則相反。激光開關(guān)傳感器1和1的反饋值共同反映了防寒布的卷收狀態(tài)。

1.卷布輥軸 2.防寒布 3.激光開關(guān)傳感器14.激光開關(guān)傳感器1

1.Shaft of cloth roller 2.Cold-proof cloth 3.Laser switch sensor14.Laser switching sensor1

注：為激光開關(guān)傳感器與防寒布邊緣之間的距離，簡稱安裝距離，mm。下同。

Note:is the distance between laser switching sensor and the edge of the cold-proof cloth, referred to as the mounting distance, mm. The same below.

圖2 防寒布偏斜狀態(tài)檢測原理示意圖

Fig.2 Schematic diagram of detection principle of cold-proof cloth deflection state

1.2.2 防寒布糾偏

根據(jù)公式（4）計算防寒布平整卷收時卷布輥軸的目標(biāo)轉(zhuǎn)速，結(jié)合1.1節(jié)分析可知改變布輥外周線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的相對關(guān)系即改變卷布輥軸實(shí)時轉(zhuǎn)速與目標(biāo)轉(zhuǎn)速的相對關(guān)系，既可以防止防寒布偏斜以保持平整卷收，也可以使防寒布向某一方向主動發(fā)生偏斜，進(jìn)而使偏斜的防寒布恢復(fù)平整狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)糾偏。

激光開關(guān)傳感器與防寒布邊緣之間的距離（安裝距離）影響調(diào)偏響應(yīng)時間和頻率。安裝距離越小，調(diào)偏頻率越高，單次調(diào)偏時間相對越短，防寒布在卷收過程中越容易發(fā)生皺縮；反之，調(diào)偏頻率越低，調(diào)偏時間相對越長，防寒布偏斜程度越大，卷收質(zhì)量越差。因此，安裝距離既不能過大也不能過小，需要通過試驗(yàn)確定。

2 防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)

依據(jù)上述原理設(shè)計防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)，包括葡萄防寒布卷收裝置結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計。

2.1 防寒布卷收裝置結(jié)構(gòu)

2.1.1 總體結(jié)構(gòu)

防寒布卷收裝置主要由機(jī)架、卷布機(jī)構(gòu)、布輥測速機(jī)構(gòu)、偏斜狀態(tài)檢測機(jī)構(gòu)、測速地輪、限深輪等組成，如圖3所示，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。該裝置通過三點(diǎn)懸掛與拖拉機(jī)連接，直流電機(jī)與減速器相連，減速增扭后驅(qū)動卷布輥軸轉(zhuǎn)動卷收防寒布。卷布機(jī)構(gòu)的豎直角度和水平角度可調(diào)，可實(shí)現(xiàn)防寒布傾斜卷收或平行卷收；布輥測速機(jī)構(gòu)采用齒輪嚙合原理，通過測量測速橡膠輪外周線速度測量布輥外周線速度和半徑。偏斜狀態(tài)檢測機(jī)構(gòu)利用2個激光開關(guān)傳感器檢測防寒布的邊緣位置變化以檢測防寒布的偏斜狀態(tài)。測速地輪在扭簧作用下緊貼地面，可準(zhǔn)確測量機(jī)具前進(jìn)速度。限深輪安裝在機(jī)架右側(cè)，控制作業(yè)高度。電瓶為12 V直流電源，為直流電機(jī)、直流電機(jī)驅(qū)動器以及控制系統(tǒng)供電；直流電機(jī)驅(qū)動器根據(jù)PWM（Pulse Width Modulation）信號調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，適應(yīng)機(jī)具前進(jìn)速度和布輥半徑的變化。

表1 防寒布卷收裝置主要技術(shù)參數(shù)

2.1.2 布輥測速機(jī)構(gòu)

由于防寒布的拉伸特性，其厚度隨受力會產(chǎn)生變化，且防寒布表面附著土壤顆粒，導(dǎo)致布輥半徑變化不具有規(guī)律性，同時防寒布卷收作業(yè)在中斷重啟后布輥半徑是未知的，而布輥外周線速度和實(shí)時半徑是防寒布卷收速度控制的重要參數(shù)，因此布輥測速機(jī)構(gòu)需要實(shí)時測量布輥半徑和外周線速度。

布輥測速機(jī)構(gòu)采用編碼器輔助的機(jī)械測距方式測量布輥實(shí)時半徑，結(jié)構(gòu)如圖4a所示，根據(jù)齒輪嚙合原理，測速橡膠輪與布輥相切處線速度相等，如圖4b和圖4c所示，測速橡膠輪半徑1保持不變，測速橡膠輪轉(zhuǎn)速1由編碼器II實(shí)時測得，由式（5）計算測速橡膠輪外周實(shí)時線速度1，即可獲得布輥外周實(shí)時線速度為

1.固定架 2.彈簧 3.測速支架 4.編碼器II 5.安裝架 6.測速橡膠輪 7.橡膠輪軸 8.布輥

1.Fixed bracket 2.Spring 3.Speed measurement bracket 4.Encoder II 5.Mounting bracket 6.Speed measurement rubber wheel 7.Rubber wheel shaft 8.Cloth roll

注：軸為水平面內(nèi)平行于布輥軸線的方向；軸為水平面內(nèi)垂直于布輥軸線的方向；軸為豎直平面內(nèi)垂直于布輥軸線的方向；I、II分別為布輥測速機(jī)構(gòu)在布輥半徑較小和較大時的位置；為測速支架繞固定架轉(zhuǎn)動的鉸接點(diǎn)；1、1分別為位置I和II處安裝架繞測速支架轉(zhuǎn)動的鉸接點(diǎn)；1為測速橡膠輪半徑，mm；、分別為位置I和II處布輥的半徑，mm；1、2分別為位置I和II處測速橡膠輪的轉(zhuǎn)速，r·s-1；、分別為位置I和II處測速支架對安裝架的作用力，N；y、y分別為和沿軸的分力，N。

Note:-axis is the direction parallel to the axis of cloth roll in the horizontal plane;-axis is the direction perpendicular to the axis of cloth roll in the horizontal plane;-axis is the direction perpendicular to the axis of cloth roll in the vertical plane; I and II are respectively the positions of the cloth roll speed measurement mechanism when the radius of the cloth roll is small and large;is the joint point at which the speed measurement bracket rotates around the fixed bracket;1and1are respectively the joint point at position I and II where the mounting bracket rotates around the speed measurement bracket;1isthe radius of the speed measurement rubber wheel, mm;andare respectively the radius of the cloth roll at position I and II, mm;1and2are respectively the rotation speed of the speed measurement rubber wheel at position I and II, r·s-1;andare respectively the forces exerted by the speed measurement bracket on the mounting bracket at position I and II, N;yandyare respectively the components ofandalong the-axis, N.

圖4 布輥測速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作原理

Fig.4 Structure and working principle of cloth roll speed measurement mechanism

布輥轉(zhuǎn)速即卷布輥軸轉(zhuǎn)速由編碼器III測得，聯(lián)合式（5）可求得布輥實(shí)時半徑為

由圖4a和圖4b可知，當(dāng)布輥外徑由增大到′，測速支架在彈簧拉力作用下繞鉸接點(diǎn)順時針轉(zhuǎn)動，安裝架受測速支架作用力貼緊布輥表面，安裝架繞鉸接點(diǎn)1轉(zhuǎn)動，雙排測速橡膠輪對稱結(jié)構(gòu)提供雙支點(diǎn)，保證測速橡膠輪均與布輥相切且橡膠輪軸始終平行于布輥軸。由圖4a和圖4c可知，每排測速橡膠輪與布輥呈穩(wěn)定的三角結(jié)構(gòu)，當(dāng)布輥外徑由增大到?，安裝架受測速支架作用力F使兩個測速橡膠輪內(nèi)側(cè)同時與布輥相切，相比于單輪結(jié)構(gòu)，可有效防止測速橡膠輪打滑或脫離布輥，提高測速的準(zhǔn)確性。

2.2 控制系統(tǒng)硬件

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所5示，硬件組成包括控制器、檢測模塊、測速模塊、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源模塊?？刂破鬟x用STM32f103單片機(jī)（72 M主頻，100引腳，供電電源DC5 V，I/O引腳輸入電壓3.3 V），具有4個通用定時器、2個高級定時器和2個基本定時器，滿足定時、計數(shù)脈沖和輸出PWM信號的功能要求。檢測模塊選擇M18漫反射型激光開關(guān)傳感器，工作電壓DC10～30 V；感應(yīng)距離50 cm內(nèi)可調(diào)；激光束可見，帶有動作指示燈；NPN常開型，輸出開關(guān)量信號，檢測到物體時輸出低電平。測速模塊選用E6B2-CWZ3E增量式光電旋轉(zhuǎn)編碼器，脈沖為1000 P/R，通過記錄設(shè)定時間內(nèi)編碼器脈沖數(shù)計算轉(zhuǎn)速。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括直流無刷電機(jī)、減速器和直流電機(jī)驅(qū)動器,選用57BL115S21直流無刷電機(jī)（電壓DC24 V，額定功率210 W，額定轉(zhuǎn)矩0.7 N·m，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min），減速器減速比為1:20，減速增扭；選用ZM-6615驅(qū)動器，可外接PWM信號驅(qū)動直流無刷電機(jī)調(diào)速。電源模塊包括12 V直流電源、12 V轉(zhuǎn)5 V降壓模塊、12 V轉(zhuǎn)3.3 V光耦隔離轉(zhuǎn)換模塊和12 V轉(zhuǎn)24 V升壓模塊，拖拉機(jī)自帶電瓶為12 V直流電源，可直接為激光開關(guān)傳感器供電。

2.3 控制系統(tǒng)軟件

依據(jù)防寒布平整卷收原理對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。首先對防寒布的卷收狀態(tài)進(jìn)行檢測，然后根據(jù)卷收狀態(tài)采用相應(yīng)的控制方法調(diào)節(jié)卷布輥軸轉(zhuǎn)速，具體控制流程如圖6所示。防寒布不同卷收狀態(tài)對應(yīng)激光開關(guān)傳感器的不同動作狀態(tài)，向控制器的I/O引腳輸入不同的開關(guān)量信號，控制器循環(huán)掃描I/O引腳的電平狀態(tài)，獲得激光開關(guān)傳感器1、1的順序反饋值，進(jìn)而判定防寒布的卷收狀態(tài)。平整卷收狀態(tài)時采用PID控制算法調(diào)節(jié)卷布輥軸轉(zhuǎn)速，控制框圖如圖7所示，控制器根據(jù)TIM2、TIM3和TIM4記錄并存儲的各編碼器脈沖數(shù)計算卷布輥軸理論轉(zhuǎn)速和實(shí)時轉(zhuǎn)速，并將其作為增量式PID控制算法的輸入量進(jìn)行計算并輸出PWM信號，控制直流電機(jī)調(diào)速。偏斜卷收狀態(tài)時控制器根據(jù)激光開關(guān)傳感器1、1的順序反饋值獲得防寒布偏斜狀態(tài)起始信號和偏斜方向，然后依次等量減小或增大PWM信號占空比，以驅(qū)動電機(jī)調(diào)速，每次占空比更新前判斷防寒布偏斜狀態(tài)，直至防寒布由偏斜狀態(tài)調(diào)整為平整狀態(tài)。

3 基于Simulink的PID參數(shù)仿真

3.1 電機(jī)函數(shù)與PID控制模型建立

葡萄防寒布平整卷收的速度控制系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，采用增量式PID控制算法，關(guān)鍵在于PID參數(shù)的整定[23-24]。無刷直流電機(jī)以電樞電壓和轉(zhuǎn)速作為電機(jī)的輸入量和輸出量，假設(shè)直流無刷電機(jī)的工作在理想狀態(tài)下，則電機(jī)平衡方程[25-26]為

式中0為電樞電壓，V；為電樞電感，mH；為電樞電流，A；0為線電阻，Ω；k為反電勢常數(shù)，V·s/rad；0為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；T為電機(jī)電磁力矩，N·m；為轉(zhuǎn)子慣量，kg·m2；T為負(fù)載力矩，N·m。

根據(jù)式（7）并參考文獻(xiàn)[25-26]，可得直流電機(jī)微分方程為

式中T為電磁時間常數(shù)，ms；T為機(jī)械時間常數(shù)，ms。對式（8）進(jìn)行拉式變換可得電機(jī)傳遞函數(shù)為

式中為復(fù)數(shù)變量，無量綱。

代入57BL115S21直流無刷電機(jī)[27]的技術(shù)參數(shù)（表2）可得電機(jī)函數(shù)模型如式（10）所示。

表2 57BL115S21直流無刷電機(jī)技術(shù)參數(shù)

在Simulink中建立電機(jī)PID控制模型，如圖8所示。

3.2 仿真分析

在Simulink中依次改變比例、積分和微分系數(shù)進(jìn)行仿真，以獲取較優(yōu)的PID控制參數(shù)組合，為PID參數(shù)的實(shí)際整定提供參考。

首先，設(shè)置不同的比例系數(shù)K，保持積分系數(shù)K和微分系數(shù)K為0，輸入幅值為1的階躍響應(yīng)信號[23,28-29]，得到階躍響應(yīng)曲線如圖9a所示。隨K增大，響應(yīng)速度變化較小，響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，上升時間減小，超調(diào)量增大，當(dāng)K>0.4時，超調(diào)量急劇增大；K=0.3與K=0.4相比穩(wěn)態(tài)誤差相近，超調(diào)量相對更小，綜合考慮選取K=0.3。

其次，設(shè)置不同積分系數(shù)K，保持比例系數(shù)K和微分系數(shù)K分別為0.3和0，輸入幅值為1的階躍響應(yīng)信號[23,28-29]，得到階躍響應(yīng)曲線如圖9b所示。加入K，響應(yīng)速度增大，隨K增大，響應(yīng)穩(wěn)態(tài)值增大，穩(wěn)態(tài)誤差基本消除，上升時間基本不變，超調(diào)量較增加K前稍有增大；K<0.2時，系統(tǒng)響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩頻率高，K=0.2時，系統(tǒng)響應(yīng)較為穩(wěn)定，在幅值附近振蕩較小，K>0.2時，超調(diào)量急劇增大；綜合考慮選取K=0.2。

最后，設(shè)置不同微分增益系數(shù)K，保持比例增益系數(shù)K和積分增益系數(shù)K分別為0.3和0.2，輸入幅值為1的階躍響應(yīng)信號[23,28-29]，得到階躍響應(yīng)曲線如圖9c所示。加入K，響應(yīng)速度增大，隨K減小，超調(diào)量減??；K變化對穩(wěn)態(tài)誤差及上升時間影響較小；K>0.0001時，系統(tǒng)響應(yīng)在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩頻率高，K≤0.0001時，系統(tǒng)響應(yīng)較為穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩較小；綜合考慮選取K=0.000 05。

將控制模型的輸入信號更改為如式（11）所示的正弦波信號，得到增量式PID正弦響應(yīng)曲線如圖10所示。控制系統(tǒng)可以根據(jù)輸入信號的變化做出較快的反應(yīng)，在開始階段輸出信號波動較大，輸出信號與輸入信號的誤差較大，然后逐漸減小，0.2 s后輸出信號能夠較好地跟隨輸入信號而變化，誤差基本維持在0.02以內(nèi)，控制精度較高，穩(wěn)定性較好。

()=0.5sin+0.6（11）

4 田間試驗(yàn)

試驗(yàn)于2020年8月在中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院土槽試驗(yàn)臺和河北省高陽縣龐口鎮(zhèn)進(jìn)行，試驗(yàn)時在地表鋪設(shè)0.2 mm厚、900 mm寬、42 m長的防寒布并覆土，構(gòu)建長42 m、寬1 000 mm、高150 mm的土壟。

4.1 電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)

直流電機(jī)轉(zhuǎn)速由占空比可變的PWM信號控制，防寒布卷收速度控制系統(tǒng)需要根據(jù)電機(jī)目標(biāo)轉(zhuǎn)速實(shí)時改變PWM信號占空比，因此需要對不同占空比對應(yīng)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行標(biāo)定[30]。歐旗454輪式拖拉機(jī)自帶12 V直流蓄電池為控制系統(tǒng)供電，使用DT-2236B型測速儀測量直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

由圖11可知，占空比為30%時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最低，為19.8 r/min，占空比低于30%時轉(zhuǎn)速為0；當(dāng)占空比為100%時，轉(zhuǎn)速未達(dá)到減速后的額定轉(zhuǎn)速150 r/min，這是由于輸入電壓未達(dá)到額定值，故PWM信號占空比實(shí)際范圍為30%～100%。占空比與轉(zhuǎn)速之間的擬合2接近1，說明擬合程度高。

4.2 防寒布自動調(diào)偏性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證防寒布自動調(diào)偏方法的可行性并優(yōu)化激光開關(guān)傳感器的安裝距離，于中國農(nóng)業(yè)大學(xué)土槽試驗(yàn)臺構(gòu)建土壟進(jìn)行防寒布傾斜卷收試驗(yàn)，土槽臺車以1 km/h的速度帶動防寒布卷收裝置前進(jìn)。以調(diào)偏次數(shù)和單次調(diào)偏時間作為評價指標(biāo)，依次設(shè)置激光開關(guān)傳感器的安裝距離為10、20、30、40和50 mm，每個水平重復(fù)試驗(yàn)3次，共進(jìn)行15次試驗(yàn)。試驗(yàn)時為了排除卷布輥軸轉(zhuǎn)速的PID控制方法對試驗(yàn)結(jié)果的影響，作業(yè)初始由占空比為50%的PWM信號驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，防寒布由偏斜狀態(tài)恢復(fù)平整狀態(tài)后卷布輥軸的轉(zhuǎn)速取此次調(diào)偏過程初始轉(zhuǎn)速和終止轉(zhuǎn)速的中間值。

試驗(yàn)結(jié)果如圖12和表3所示，試驗(yàn)中系統(tǒng)對防寒布卷收狀態(tài)的檢測成功率為100%，且能做出正確的糾偏響應(yīng)。為了便于分析，根據(jù)單次調(diào)偏時間的統(tǒng)計特征區(qū)分短期調(diào)偏（≤0.5 s）和長期調(diào)偏（>0.5 s）。

由圖12可知，隨激光開關(guān)傳感器的安裝距離增大，總調(diào)偏次數(shù)呈下降趨勢，長期調(diào)偏次數(shù)與短期調(diào)偏次數(shù)總體呈下降趨勢；短期調(diào)偏次數(shù)在總調(diào)偏次數(shù)中占比減少，長期調(diào)偏次數(shù)占比增大?？紤]防寒布的卷收質(zhì)量，總調(diào)偏次數(shù)和長期調(diào)偏次數(shù)不能過多，安裝距離應(yīng)該在20～50 mm之間。

表3 不同安裝距離下系統(tǒng)的平均單次調(diào)偏時間

由表3可知，隨激光開關(guān)傳感器的安裝距離增大，短期調(diào)偏時間變化較小且不具有規(guī)律性，長期調(diào)偏時間呈增長趨勢，且隨偏斜狀態(tài)不同而不同，具體表現(xiàn)為：安裝距離從10增大到50 mm，右偏和左偏的長期調(diào)偏時間分別增大1.9和6.2 s，右偏的長期調(diào)偏時間增長速率較左偏慢；安裝距離為20～50 mm時左偏的長期調(diào)偏時間均大于右偏，最小與最大差值為1.7和4.2 s。按照系統(tǒng)調(diào)偏響應(yīng)快速的要求，安裝距離為20和30 mm時左偏與右偏的長期調(diào)偏時間均分別小于2.9和5.5 s，安裝距離為40和50 mm時左偏與右偏的長期調(diào)偏時間均分別大于2.9和5.5 s，前者的長期調(diào)偏時間較后者短，因此安裝距離應(yīng)該在20和30 mm之間。安裝距離20與30 mm相比，長期調(diào)偏時間差異不大，短期調(diào)偏時間對調(diào)偏性能影響相對較小，從長期和短期調(diào)偏次數(shù)在總調(diào)偏次數(shù)中占比來看，安裝距離為20和30 mm時長期調(diào)偏次數(shù)在總調(diào)偏次數(shù)中占比分別為50%和71%，前者系統(tǒng)調(diào)偏響應(yīng)更快速。綜上，激光開關(guān)傳感器的安裝距離選擇20 mm。

4.3 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)

為測試仿真試驗(yàn)整定的PID參數(shù)的準(zhǔn)確性，并校正仿真試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的誤差，在空載條件下進(jìn)行直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)。設(shè)置拖拉機(jī)低速和高速2種作業(yè)工況，低速作業(yè)時，機(jī)具行進(jìn)速度為1 km/h，布輥半徑為25 mm；高速作業(yè)時，機(jī)具行進(jìn)速度為3 km/h，布輥半徑為105 mm。根據(jù)公式（4）確定低速作業(yè)時直流電機(jī)理論轉(zhuǎn)速為1.91 r/s，高速作業(yè)時直流電機(jī)理論轉(zhuǎn)速為1.27 r/s。STM32f103單片機(jī)通過串口通訊將直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到電腦端，用于數(shù)據(jù)記錄和分析。首先設(shè)置仿真試驗(yàn)整定的PID參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，然后調(diào)整PID參數(shù)繼續(xù)進(jìn)行試驗(yàn)直至電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在理論轉(zhuǎn)速附近。

低速作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果如圖13所示，采用先比例、再積分、后微分的順序進(jìn)行試驗(yàn)。首先，以仿真結(jié)果K=0.3為中心取4個水平（0.2、0.3、0.4、0.5），K和K取0進(jìn)行試驗(yàn)，由結(jié)果可知，當(dāng)K=0.3時轉(zhuǎn)速響應(yīng)值在理論轉(zhuǎn)速附近波動較小，與仿真結(jié)果一致。其次，以仿真結(jié)果K=0.2為中心取4個水平（0.05、0.1、0.2、0.3），K=0.3，K=0進(jìn)行試驗(yàn)，由結(jié)果可知，當(dāng)K=0.1時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間縮短，轉(zhuǎn)速響應(yīng)值波動較小，優(yōu)于K=0.2時轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化。最后，以仿真結(jié)果K=0.000 05為中心取4個水平（0.000 01、0.000 05、0.000 1、0.001），K=0.3，K=0.1進(jìn)行試驗(yàn)，由結(jié)果可知，當(dāng)K=0.000 05時轉(zhuǎn)速響應(yīng)較優(yōu)，與仿真結(jié)果一致，但轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化不明顯。仿真試驗(yàn)結(jié)果較為準(zhǔn)確，PID參數(shù)K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為0.3 s，轉(zhuǎn)速超調(diào)量為0.5 r/s，靜差約為0。

高速作業(yè)試驗(yàn)結(jié)果如圖14所示，試驗(yàn)方案與低速作業(yè)工況下相同。由結(jié)果可知，K與K對轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化影響較顯著，而K影響不顯著；當(dāng)K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，轉(zhuǎn)速響應(yīng)變化穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速響應(yīng)值波動小，此時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為0.4 s，轉(zhuǎn)速超調(diào)量為0.7 r/s，靜差約為0。

綜上，PID參數(shù)為K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，田間試驗(yàn)與仿真試驗(yàn)結(jié)果誤差較小，同時適用于低速和高速2種作業(yè)工況，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間短，控制效果較好；由圖13和圖14可知，控制系統(tǒng)存在約0.1 s響應(yīng)延遲，對作業(yè)效果影響相對較小。

4.4 防寒布傾斜卷收性能試驗(yàn)

由于平行卷收防寒布時不涉及卷收偏斜問題，只需控制好卷布輥軸轉(zhuǎn)速即可，故本文僅進(jìn)行防寒布傾斜卷收性能試驗(yàn)。

4.4.1 試驗(yàn)方法

葡萄防寒布卷收裝置掛接在歐旗454輪式拖拉機(jī)上，試驗(yàn)開始前，啟動拖拉機(jī)并行駛到合適的作業(yè)位置，將預(yù)留的2 m防寒布卷繞在卷布輥軸上。試驗(yàn)開始時，打開電源開關(guān)，拖拉機(jī)速度由0逐漸增加到3 km/h，沿構(gòu)建的土壟開始傾斜卷收防寒布。在相同試驗(yàn)條件下重復(fù)5次，試驗(yàn)完成后觀察防寒布卷收效果并測量、記錄布輥寬度，防寒布卷收作業(yè)如圖15所示。

4.4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)過程中拖拉機(jī)帶動機(jī)組隨機(jī)加減速，將系統(tǒng)計算的卷布輥軸實(shí)時目標(biāo)轉(zhuǎn)速與實(shí)際轉(zhuǎn)速輸出到計算機(jī)，觀察不同速度下系統(tǒng)的實(shí)際控制效果，如圖16所示。通過觀察卷布輥軸轉(zhuǎn)速在加速階段（0～3.5 s、9.5～12 s）、保持階段（3.5～9.5 s）以及減速階段（12～15.6 s）的變化趨勢可知，在各個作業(yè)狀態(tài)下，該系統(tǒng)均可以根據(jù)機(jī)具前進(jìn)速度以及布輥半徑的變化計算出卷布輥軸的理論轉(zhuǎn)速，并控制直流電機(jī)調(diào)速實(shí)現(xiàn)卷布輥軸根據(jù)目標(biāo)轉(zhuǎn)速進(jìn)行快速跟隨，控制效果較好，穩(wěn)定性較好。

每次作業(yè)完成后取下卷布輥軸，測量布輥的寬度，按公式（12）計算平整度。試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，防寒布卷收平整度均值為92.78%，5次試驗(yàn)卷收平整度均在90%以上，表明防寒布傾斜卷收效果滿足作業(yè)要求。卷布輥軸轉(zhuǎn)速完全適應(yīng)機(jī)具前進(jìn)速度和布輥?zhàn)儚降淖兓曳篮疾话l(fā)生偏斜時，布輥寬度等于防寒布寬度，平整度為100%，為理想卷收效果。但實(shí)際作業(yè)中卷布輥軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速存在誤差且防寒布因受力不均等發(fā)生偏斜，導(dǎo)致布輥寬度大于防寒布寬度。卷布輥軸實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論轉(zhuǎn)速的誤差越小，平整度越大，布輥寬度越接近防寒布寬度，布輥占據(jù)空間越小，在冬季埋藤防寒作業(yè)中越容易實(shí)現(xiàn)防寒布鋪設(shè)作業(yè)的機(jī)械化，耗費(fèi)人力越少，因此防寒布卷收效果越好；反之，誤差越大，平整度越小，布輥占據(jù)空間越大，防寒布機(jī)械化鋪設(shè)作業(yè)越難以實(shí)現(xiàn)，需要更多的人力調(diào)整防寒布的鋪設(shè)狀態(tài)。

表4 防寒布傾斜卷收試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié) 論

1）本文對防寒布平整卷收原理進(jìn)行了分析，改變布輥外周線速度與機(jī)具前進(jìn)速度的相對關(guān)系既可以使防寒布保持平整卷收狀態(tài)，也可以使防寒布向某一方向主動發(fā)生偏斜，使偏斜的防寒布恢復(fù)平整狀態(tài)。

2）基于防寒布平整卷收原理設(shè)計了葡萄防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)，可自動檢測防寒布的卷收狀態(tài)，于平整狀態(tài)時采用增量式PID算法實(shí)現(xiàn)卷布輥軸轉(zhuǎn)速基于機(jī)具前進(jìn)速度和布輥半徑的實(shí)時調(diào)節(jié)；于偏斜狀態(tài)時調(diào)節(jié)卷布輥軸轉(zhuǎn)速以改變卷布輥軸實(shí)時轉(zhuǎn)速相對于目標(biāo)轉(zhuǎn)速的超前或滯后關(guān)系，使防寒布恢復(fù)平整卷收狀態(tài)。

3）本文依據(jù)建立的電機(jī)傳遞函數(shù)模型，在Simulink中建立PID控制模型，通過仿真試驗(yàn)整定PID參數(shù)，依次得到比例（K）、積分（K）和微分（K）系數(shù)分別為0.3、0.2和0.000 05。

4）在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)中得到了電機(jī)轉(zhuǎn)速與PWM信號占空比的對應(yīng)關(guān)系；在防寒布自動調(diào)偏性能試驗(yàn)中，驗(yàn)證了自動調(diào)偏方法的可行性，得到激光開關(guān)傳感器與防寒布邊緣的距離為20 mm；在直流電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能試驗(yàn)中對仿真試驗(yàn)整定的PID參數(shù)進(jìn)行了校驗(yàn)，得到比例（K）、積分（K）和微分（K）增益系數(shù)分別為0.3、0.1和0.000 05時，穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間約為0.4 s，響應(yīng)延遲約為0.1 s；防寒布傾斜卷收性能試驗(yàn)得到防寒布卷收平整度均大于90%，平均為92.78%，滿足作業(yè)要求。

[1]田淑芬，蘇宏，聶松青. 2018年中國鮮食葡萄生產(chǎn)及市場形勢分析[J]. 中外葡萄與葡萄酒，2019，224(2)：95-98.

Tian Shufen, Su Hong, Nie Songqing. Analysis on the production and market situation of Chinese table grape in 2018[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2019, 224(2): 95-98. (in Chinese with English abstract)

[2]劉志良，李慶利，李鳳鳴，等. 寒地葡萄栽培非埋土防寒越冬技術(shù)[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2018，8(11)：120-123. Liu Zhiliang, Li Qingli, Li Fengming, et al. Non-buried cold-proof overwintering technology of grape cultivation in cold regions[J]. Agricultural Engineering, 2018, 8(11): 120-123. (in Chinese with English abstract)

[3]張德學(xué)，張軍強(qiáng)，李青江，等. 我國葡萄全程機(jī)械化應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展展望[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57(3)：17-22.

Zhang Dexue, Zhang Junqiang, Li Qingjiang. Current situation and development prospect of grape mechanization in China[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2019, 57(3): 17-22. (in Chinese with English abstract)

[4]徐麗明，邢潔潔，李世軍，等. 國外葡萄生產(chǎn)機(jī)械化發(fā)展和對我國現(xiàn)狀的思考[J]. 河北林業(yè)科技，2014(5)：124-128.

[5]邊鳳霞，劉靜，容新民. 不同防寒材料對紫香無核防寒效果的比較[J]. 黑龍江農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019(2)：73-75.

Bian Fengxia, Liu Jing, Rong Xinmin. Comparison of cold protection effects of different cold-resistant materials on purple and fragrant seedless grape[J]. Heilongjiang Agricultural Sciences, 2019(2): 73-75. (in Chinese with English abstract)

[6]張建軍，勾健，閆衛(wèi)兵，等. 沙城產(chǎn)區(qū)葡萄彩條布機(jī)械埋土防寒及出土技術(shù)[J]. 中外葡萄與葡萄酒，2016(4)：32-34.

Zhang Jianjun, Gou Jian, Yan Weibing, et al. Cold prevention and excavation technology of grape colored strip cloth in shacheng production area[J]. Sino-Overseas Grapevine & Wine, 2016(4): 32-34. (in Chinese with English abstract)

[7]牛叢，徐麗明，段壯壯，等. 籬架式葡萄藤冬季埋土清除與防寒布回收機(jī)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(2)：50-58.

Niu Cong, Xu Liming, Duan Zhuangzhuang, et al. Development of trellis-type grape winter buried soil clearing and cold-proof cloth recycling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(2): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[8]周偉彬. 葡萄起藤機(jī)的設(shè)計[D]. 寧夏：寧夏大學(xué)，2017.

Zhou Weibin. Design of Grape Vine Digging Machine[D]. Ningxia: Ningxia University, 2017. (in Chinese with English abstract)

[9]馬帥，徐麗明，邢潔潔，等. 葉輪旋轉(zhuǎn)式葡萄藤埋土單邊清除機(jī)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(23)：1-10.

Ma Shuai, Xu Liming, Xing Jiejie, et al. Development of unilateral cleaning machine for grapevine buried by soil with rotary impeller[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[10]馬帥，徐麗明，袁全春，等. 自動避障式葡萄藤防寒土清土機(jī)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(7)：1-10.

Ma Shuai, Xu Liming, Yuan Quanchun, et al. Development of automatic obstacle-avoiding grapevine cold-proof soil cleaners[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(7): 1-10. (in Chinese with English abstract)

[11]劉芳建，劉忠軍，王錦江，等. 自動避障葡萄藤扒土機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)研究[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(4)：87-90.

Liu Fangjian, Liu Zhongjun, Wang Jinjiang, et al. Design and experimental study of automatic obstacle-avoid digging machine for grape vine[J]. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2018, 40(4): 87-90. (in Chinese with English abstract)

[12]謝冬，張鋒偉，張濤，等. 一種適合河西地區(qū)的葡萄清土機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2016，54(9)：56-58，65.

Xie Dong, Zhang Fengwei, Zhang Tao, et al. Design and testing of a kind of grape vine cleaning soil machine for hexi area[J]. Agricultural Equipment & Vehicle Engineering, 2016, 54(9): 56-58, 65. (in Chinese with English abstract)

[13]劉松. 圓錐螺旋式入春葡萄挖藤機(jī)設(shè)計與試驗(yàn)研究[D]. 新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2014.

Liu Song. Design and Experimental Study of Conical Spiral Vine Digger in Spring[D]. Xinjiang: Xinjiang Agricultural University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[14]徐麗明，段壯壯，袁全春，等. 一種葡萄埋藤用的彩條布清土回收機(jī)：108243638A[P]. 2018-07-06.

[15]黃燕. 機(jī)電一體化技術(shù)在紡織機(jī)械中的應(yīng)用研究[J]. 輕紡工業(yè)與技術(shù)，2020，49(8)：42-43.

[16]朱耀麟，孫博文，任學(xué)勤，等. 一種改進(jìn)的S型曲線花式紡紗機(jī)調(diào)速方法[J]. 毛紡科技，2020，48(6)：72-76.

Zhu Yaolin, Sun Bowen, Ren Xueqin, et al. Study on speed control regulation of S-shaped curved fancy spinning frame[J]. Wool Textile Journal, 2020, 48(6): 72-76. (in Chinese with English abstract)

[17]Varshney A, Gupta D, Dwivedi B. Speed response of brushless DC motor using fuzzy PID controller under varying load condition[J]. Journal of Electrical Systems & Information Technology, 2017: S2314717217300077.

[18]Sui X, Wang S. Study on spinning process and constant tension control system of absorbable suture[C]// International Conference on Sensing Technology. IEEE, 2016.

[19]Park CY, Jung M G, Kim H Y, et al. Development of 3D printing simulator nozzle system using PID control for building construction[C]//2017 14th International Conference on Ubiquitous Robots and Ambient Intelligence (URAI). 2017.

[20]韓豹，楊亞楠，王宏偉，等. 苗間除草部件入土深度PID自動控制系統(tǒng)設(shè)計與臺架試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2018，34(11)：68-77.

Han Bao, Yang Yanan, Wang Hongwei, et al. Design of PID automatic control system for depth into earth of intra-row weeding components and its bench experiment[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(11): 68-77. (in Chinese with English abstract)

[21]任玲，王寧，曹衛(wèi)彬，等. 番茄缽苗整排取苗手定位的模糊PID控制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2020，36(8)：21-30.

Ren Ling, Wang Ning, Cao Weibin, et al. Fuzzy PID control of manipulator positioning for taking the whole row seedlings of tomato plug seedlings[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(8): 21-30. (in Chinese with English abstract)

[22]邢潔潔，徐麗明，馬帥，等. 馬齒形玉米種子尖端激光定向與胚面識別裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(3)：52-59.

Xing Jiejie, Xu Liming, Ma Shuai, et al. Development of tip orientation and embryo side recognition device for dent corn seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(3): 52-59. (in Chinese with English abstract)

[23]袁全春，徐麗明，牛叢，等. 果園有機(jī)肥深施機(jī)分層變量排肥控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2020，51(S1)：195-202.

Yuan Quanchun, Xu Liming, Niu Cong, et al. Design and test of layered variable rate fertilizer discharge control ysytem for organic fertilizer deep applicator[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(S1): 195-202. (in Chinese with English abstract)

[24]He Xiantao, Ding Youqiang, Zhang Dongxing, et al. Design and evaluation of PID electronic control system for seed meters for maize precision planting[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(17): 28-33.

和賢桃，丁友強(qiáng)，張東興，等. 玉米精量排種器電驅(qū)PID控制系統(tǒng)設(shè)計與性能評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(17)：28-33. (in English with Chinese abstract)

[25]尹達(dá)一，黃玉婷，劉云芳. 基于MATAB/Simulink的雙電機(jī)速度跟蹤伺服系統(tǒng)仿真[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)報，2011，19(2)：229-233.

Yin Dayi, Huang Yuting, Liu Yunfang. Simulation of double-motor speed tracking servo system based MATLAB/ Simulink[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2011, 19(2): 229-233. (in Chinese with English abstract)

[26]王葳，張永科，劉鵬鵬，等. 無刷直流電機(jī)模糊PID控制系統(tǒng)研究與仿真[J]. 計算機(jī)仿真，2012(4)：196-199，254.

Wang Wei, Zhang Yongke, Liu Pengpeng, et al. Study and simulation of fuzzy-PID control system of BLDCM[J]. Computer Simulation, 2012(4): 196-199, 254. (in Chinese with English abstract)

[27]解后循，宋衛(wèi)東. 模糊自適應(yīng)PID無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)建模與仿真[J]. 機(jī)電技術(shù)，2014(6)：69-72.

[28]樊桂菊，王永振，張曉輝，等. 果園升降平臺自動調(diào)平控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(11)：38-46.

Fan Guiju, Wang Yongzhen, Zhang Xiaohui, et al. Design and experiment of automatic leveling control system for orchards lifting platform[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(11): 38-46. (in Chinese with English abstract)

[29]孫永佳，沈景新，竇青青，等. 基于Cortex-M3的免耕播種機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，2018，49(8)：50-58.

Sun Yongjia, Shen Jingxin, Dou Qingqing, et al. Design and test of monitoring system of no-tillage planter based on Cortex-M3 processor[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2018, 49(8): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[30]陳蔣. 電驅(qū)動小麥播種機(jī)的設(shè)計與試驗(yàn)[D]. 河南：河南農(nóng)業(yè)大學(xué)，2018.

Chen Jiang. Design and Test of Electric Drive Wheat Drill[D]. Henan: Henan Agricultural University, 2018. (in Chinese with English abstract)

Design and experiments of smoothly winding speed control system of grape cold-proof cloth

Niu Cong, Xu Liming※, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Yan Chenggong, Zhao Shijian

(,,100083,)

Cold-proof mode has widely been updated for some vineyards in Xinjiang Region of northern China. The cold-proof cloth is normally used to assist in soil buried operation for better insulation of heat and moisture in complete soil clearing. However, the machine is still lacking for the soil clearing of winter grape and cold-proof cloth recycling, particularly in the early stage of popularization and application for the cold-proof cloth assisted soil-buried mode. It is also difficult to realize the smooth winding of cold-proof cloth. In this study, a new speed control system was proposed for smooth winding of grape cold-proof cloth in spring in Xinjiang Region, China. The linear velocity of the cloth roll was set to be equal to the forward speed of the machine. This system automatically detected the winding state of the cold-proof cloth. In smooth winding of the cold-proof cloth, the theoretical rotation rate of the DC motor was calculated in real time, according to the real-time changes of forward speed in a machine and the radius of cloth roller. A PID controller was adopted to control the duty ratio of Pulse Width Modulation (PWM) signal, then to adjust the rotation rate of the DC motor, further to drive the cloth roller for winding the cold-proof cloth. As such, the forward speed of the machine was used to realize the real-time adjustment of rotation rate for the cloth roller. At the time of cold-proof cloth deflected winding, the rotation rate of the cloth roller was adjusted to advance or lag the target rotation rate so that the cold-proof cloth was to restore the smooth winding state. Specifically, this study included the structure design of grape cold-proof cloth winding device, the hardware and software design of the control system. A control model was established in Simulink module using the motor transfer function model. In the simulation, the PID parameters were set, where the coefficients of proportion, integral, and differential were 0.3, 0.2, and 0.000 05, respectively. A physical prototype was also processed for the speed system. The static calibration test was carried out for the rotation rate of the DC motor, in order to obtain the relation between the motor rotation rate and duty ratio of the PWM signal. A performance test was conducted to verify the feasibility of automatic deflection adjustment for the cold-proof cloth. The optimized mounting distance of 20 mm was achieved for the laser switching sensor. PID parameters in the simulation test were taken as the intermediate levels in the performance experiment for the rotation rate of the DC motor, where each coefficient was tested at 4 levels in turn. The optimized proportion, integral, and differential gain coefficient were 0.3, 0.1, and 0.000 05, respectively, indicating basic consistency with the simulated values. The steady-state response time of the control system was about 0.4 s with a response delay of about 0.1 s, indicating a relatively small influence and good control effect. The performance test of slant winding cold-proof cloth was carried out, where the flatness was taken as the evaluation index. It was found that the flatness of the cold-proof cloth was more than 90% and the average was 92.78%, suitable for the operational requirements. The speed system with better control performance can provide a technical reference for the design and optimization of recycling machinery for the grape cold-proof cloth.

agricultural machinery; design; automation; grape; cold-proof cloth recycling; PID control; automatic offset adjustment

牛叢，徐麗明，袁全春，等. 葡萄防寒布平整卷收速度控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(5)：77-86.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009 http://www.tcsae.org

Niu Cong, Xu Liming, Yuan Quanchun, et al. Design and experiments of smoothly winding speed control system of grape cold-proof cloth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 77-86. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009 http://www.tcsae.org

2020-10-20

2021-02-16

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)資金資助（CARS-29）

牛叢，博士生，研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動化。Email：niucong0322@163.com

徐麗明，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樯锷a(chǎn)自動化技術(shù)與裝備。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009

S224.9

A

1002-6819(2021)-05-0077-10