關(guān)鍵詞：卷盤式噴灌機(jī)；調(diào)速系統(tǒng)；自動控制；水力驅(qū)動；電氣控制

0引言

由于卷盤式噴灌機(jī)對區(qū)域或作物品種的限制很小，并且具有節(jié)水、節(jié)能、增產(chǎn)、省地、省工省時及維護(hù)方便等特點(diǎn)，已成為節(jié)水農(nóng)業(yè)的重要標(biāo)志[1-5]。在此背景下，國內(nèi)卷盤式噴灌機(jī)在制造和應(yīng)用方面都取得了長足的發(fā)展[6]。一些噴灌機(jī)研發(fā)團(tuán)隊(duì)使用普通直流電機(jī)代替水渦輪作為驅(qū)動方案，但是不能自動實(shí)現(xiàn)勻速收管；噴灌機(jī)電氣化改造依托步進(jìn)電機(jī)，硬件和使用成本略高；為解決直流電機(jī)和續(xù)航而研制的光伏驅(qū)動型噴灌機(jī)，只適合輕小型噴灌機(jī)方案[7-9]。

河北農(nóng)哈哈機(jī)械集團(tuán)有限公司（簡稱農(nóng)哈哈集團(tuán)）2022年底研制了一種基于水力驅(qū)動電氣控制的卷盤式噴灌機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了田間灌溉作業(yè)時對噴灌機(jī)的平穩(wěn)定速回收。農(nóng)哈哈卷盤式噴灌機(jī)回收調(diào)速方案依然采用傳統(tǒng)的水渦輪驅(qū)動，但是通過電氣系統(tǒng)采集PE管回收線速度來自動調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)葉輪轉(zhuǎn)速的通水量，實(shí)現(xiàn)勻速收管，耗電量更低。

這種卷盤式噴灌機(jī)回收調(diào)速系統(tǒng)及其方法可以成為卷盤式噴灌機(jī)田間作業(yè)進(jìn)行噴灌調(diào)速的有力補(bǔ)充，也成為了自動控制技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域又一鮮明應(yīng)用[10]。本研究設(shè)計一種基于水力驅(qū)動的卷盤式噴灌機(jī)電氣調(diào)速系統(tǒng)，不但極大降低了耗電水平，而且操作方便，拓展了電氣自動化技術(shù)在卷盤式噴灌機(jī)等設(shè)備應(yīng)用思路。

1回收調(diào)速原理及方案設(shè)計

1.1噴灌機(jī)回收水力調(diào)速原理

傳統(tǒng)卷盤式噴灌機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是通過在齒輪箱確定擋位的基礎(chǔ)上，由壓管架感應(yīng)卷盤上的PE管卷繞層數(shù)，利用壓管架和拉臂之間的拉臂長度改變水渦輪動力管口閥門的開度，改變通過的水力及流量。相應(yīng)地水渦輪轉(zhuǎn)速發(fā)生了變化，卷盤式噴灌機(jī)回收速度亦有對應(yīng)變化。這種操作略微煩瑣，回收速度相對不穩(wěn)定。

根據(jù)上述調(diào)速帶來的問題及新的技術(shù)設(shè)定，農(nóng)哈哈集團(tuán)設(shè)計了一種利用電推桿推拉閥門拉臂的控制方式。在噴灌機(jī)回收測速的基礎(chǔ)上，利用實(shí)時控制通過水渦輪的進(jìn)水量來保證回收速度靠近設(shè)定值。直流電推桿的伸縮桿與水渦輪主人水口處的蝶形閥門的開度拉桿連接，調(diào)速系統(tǒng)對直流電推桿伸縮的控制就是對水渦輪閥門開度的控制，從而控制葉輪腔的入水量．最終控制了水渦輪一齒輪箱的初始轉(zhuǎn)速。噴灌機(jī)水電調(diào)速控制系統(tǒng)可實(shí)時調(diào)節(jié)水渦輪的閥門開度進(jìn)而控制整個噴灌機(jī)傳動系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速，最后保證PE管按照回收目標(biāo)速度的設(shè)定值勻速回收。電推桿改變水力分流狀態(tài)的調(diào)速原理示意如圖1所示。

1.2調(diào)速方案設(shè)計

調(diào)速控制方案主要包括3個環(huán)節(jié)。

（1）測速環(huán)節(jié)。將一件與編碼器同軸并聯(lián)的測速輥設(shè)置于PE管上側(cè)并壓緊，隨著PE管的鋪放或回收，編碼器會自動將脈沖及方向信號傳輸給控制器進(jìn)行分析與累積[11]。壓管測速輥的測速方案如圖2所示。

（2）計算環(huán)節(jié)?？刂破餍酒ㄟ^對脈沖信號進(jìn)行累積計算，得出此時PE管已回收長度及當(dāng)前運(yùn)動速度，以此作為速度增減補(bǔ)償控制或報警與否的依據(jù)。

在定速回收狀態(tài)下，當(dāng)人機(jī)水量下降或田間阻力突然增大導(dǎo)致噴灌機(jī)回收速度有所下降并低于回收速度設(shè)定值時，控制器會控制電推桿伸長，帶動蝶閥角度開大，加大葉輪腔入水量，產(chǎn)生更大轉(zhuǎn)動力矩，克服降速，使噴灌機(jī)回收速度再次回到匹配目標(biāo)值的狀態(tài)，同理，需要降低回收速度時，則控制電推桿收縮桿長，帶動閥門開度減小，降低葉輪腔轉(zhuǎn)速，使噴灌機(jī)回收速度降至目標(biāo)值為止。

（3）人機(jī)交互環(huán)節(jié)。操作員通過屏幕掌握當(dāng)前設(shè)備運(yùn)行信息，通過按鍵改變當(dāng)前設(shè)備的作業(yè)狀態(tài)，如設(shè)置改變噴灌機(jī)回收作業(yè)的速度目標(biāo)值、啟停定速回收功能、控制停止功能等，以此形成設(shè)備作業(yè)的新依據(jù)，并給予實(shí)時的參數(shù)顯示。

2電氣控制及其硬件設(shè)計

2.1控制電路及其電氣原理

電氣控制方案硬件組成：一是測速模塊，即編碼器，輸入信號包括角位移脈沖和方向標(biāo)記脈沖；二是電推桿及其驅(qū)動控制模塊；三是條件報警及其控制模塊；四是信息輸出模塊，即串口屏幕；五是參數(shù)設(shè)置錄入，即4Key鍵盤；六是動作控制按鈕；七是中央處理芯片。

調(diào)速控制電氣原理如圖3所示。直流電機(jī)是電推桿最基本的電氣執(zhí)行元件，通過接通電源的極性不同來改變旋轉(zhuǎn)方向，同時改變伸縮動作狀態(tài)。而其接人的不同極性由4路5V繼電器控制。報警功能模塊的通斷同樣由1路SV繼電器控制，實(shí)現(xiàn)報警機(jī)制被觸發(fā)時的聲光報警。

圖3中人機(jī)交互模塊主要由串口屏、4Key鍵盤和動作控制按鈕組成，其通訊端和中央控制芯片對應(yīng)的I/O引腳連接，設(shè)計中，中央控制芯片實(shí)際為宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52RC單片機(jī)，其任務(wù)是完成對采集信息的分析、計算，參數(shù)處理和輸入輸出控制。

系統(tǒng)配套使用XTL100型直流電推桿，其參數(shù)如表1所示。

CODE和CLKW分別代表編碼器的速度脈沖端和編碼器旋轉(zhuǎn)方向脈沖。旋轉(zhuǎn)編碼器的作用是檢測測速輪的轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)開發(fā)使用的型號為E682-CW26C，旋轉(zhuǎn)1圈產(chǎn)生100個脈沖，供電電壓為5V，旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在測速輪上與單片機(jī)外部中斷IO口連接，為單片機(jī)輸入脈沖信號。

2.2調(diào)速控制器及控制參數(shù)界面

如圖4所示，調(diào)速控制器包括電量顯示LED模塊，3個動作控制按鈕（黃色按鈕1——控制停止，紅色按鈕2——回收停止，綠色按鈕3-定速回收）實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)自動定速回收的啟停控制，串口屏和下方4Key鍵盤實(shí)現(xiàn)噴灌機(jī)作業(yè)運(yùn)行參數(shù)及狀態(tài)的輸入輸出。

串口屏主顯示界面包括當(dāng)前的噴灌機(jī)實(shí)時回收速度、設(shè)定的速度目標(biāo)值、卷盤外的PE管長度、卷盤上的PE管層數(shù)和當(dāng)前的控制狀態(tài)顯示。其中速度目標(biāo)值可以通過4Key鍵盤進(jìn)行設(shè)定更改，外管長度可以進(jìn)行依據(jù)實(shí)際狀況的設(shè)定，而盤層數(shù)根據(jù)外管長度和程序設(shè)定的函數(shù)自動確定。

3程序流程

相比農(nóng)哈哈集團(tuán)研發(fā)的用于卷盤噴灌機(jī)上的直流電機(jī)驅(qū)動傳動系統(tǒng)方案，本研究所涉及的方案特點(diǎn)在于控制策略簡單，人機(jī)交互環(huán)節(jié)務(wù)實(shí)便捷。

控制系統(tǒng)總流程如圖5所示，系統(tǒng)開始運(yùn)行后完成對各個部分的初始化，如定時器中斷初始化、外部中斷初始化和顯示控制初始化。用戶可以通過按鍵改變PE管回收控制狀態(tài)、PE管回收速度目標(biāo)值。

INTO中斷流程如圖6所示，在水電調(diào)速控制系統(tǒng)中，外部中斷INTO功能是采集旋轉(zhuǎn)編碼器的脈沖信號，在中斷初始化中設(shè)置為上升沿有效，每有一個脈沖bkcount累積加1，然后讀取P1 7引腳，判斷編碼器的轉(zhuǎn)向，繼而結(jié)合longnum值用于計算絞盤外PE管的鋪設(shè)長度。

定時器TO流程如圖7所示，在水電調(diào)速控制系統(tǒng)中定時器的作用是提供一個50ms的定時，讀取50ms內(nèi)旋轉(zhuǎn)編碼器脈沖信號，再由速度計算函數(shù)完成PE管移動線速度的計算。

4試驗(yàn)結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證方案效果，設(shè)計組于2022年2月15日在河北省深澤縣農(nóng)哈哈集團(tuán)試驗(yàn)承包田將JP75/300的普通型產(chǎn)品和水電調(diào)速樣機(jī)進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)及測定方案：回收速度設(shè)為18、25m/h（均為實(shí)際噴灌作業(yè)經(jīng)常選擇的兩個回收速度目標(biāo)值）條件下，分別測定2部噴灌機(jī)的各測速段的實(shí)際速度值，最后進(jìn)行樣本數(shù)據(jù)分析。

實(shí)地測驗(yàn)記錄如表2所示，測試樣本的波動曲線如圖8和圖9所示。

測試的記錄樣本相對于目標(biāo)值的偏移比例均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)用式（1）、式（2）和式（3）計算。偏移比例均值

在噴灌機(jī)回收速度目標(biāo)值設(shè)為18m/h情況下，傳統(tǒng)產(chǎn)品的測試樣本偏移比例均值和變異系數(shù)分別為20.4%和19.7%，本研究水電調(diào)速其測試樣本偏移比例均值和變異系數(shù)分別為2.4%和4.1%。

在噴灌機(jī)回收速度目標(biāo)值設(shè)為25／h情況下，傳統(tǒng)產(chǎn)品的測試樣本偏移比例均值和變異系數(shù)分別為10.1%和20.0%，本研究水電調(diào)速其測試樣本偏移比例均值和變異系數(shù)分別為3.2%和5.8%。

測試樣本和分析表明，在常用調(diào)速段上，水電綜合控制調(diào)速方案優(yōu)于傳統(tǒng)的機(jī)械聯(lián)動式調(diào)速方案；相對于高速回收，低速回收由于其控制響應(yīng)的時間更加充裕，所以對實(shí)際回收速度接近目標(biāo)速度的控制更可靠。

5結(jié)束語

通過實(shí)地測試，在設(shè)置速度范圍內(nèi)，噴灌機(jī)的電推桿控制回收速度方案比普遍使用的JP75/300型機(jī)械聯(lián)動式調(diào)速噴灌機(jī)的定速回收，均勻性和準(zhǔn)確性均實(shí)現(xiàn)了提高，尤其在應(yīng)對絞盤卷管換層時刻前后，二者回收速度均勻性對比更加明顯。實(shí)際的運(yùn)行對比測試表明，本研究基于水力驅(qū)動的電氣調(diào)速控制方案，比基于水力驅(qū)動的傳統(tǒng)機(jī)械式開放調(diào)速方式，具有良好的運(yùn)行控制效果，在特定條件下體現(xiàn)了其優(yōu)越性，是實(shí)現(xiàn)田間精準(zhǔn)灌溉管理的有力補(bǔ)充方案，具有很好的示范和推廣前景。