脱粒滚筒转速电液比例控制系统的设计与试验

2018-07-03韩树钦吴崇友

农机化研究 2018年7期

韩树钦，吴崇友，金梅

(农业部南京农业机械化研究所，南京 210014)

0 引言

脱粒装置的作业性能直接影响整机的工作质量及生产效率[1]。脱粒速度过高，籽粒和茎秆的破碎程度加重，功率消耗大；脱粒速度过低会降低脱粒质量，夹带损失严重[2]。因此，对于不同工作环境，收获不同种类作物，应确定收割机最佳脱粒速度并使滚筒转速稳定在最佳值附近，以改善脱粒性能，减小滚筒堵塞的可能性，保证联合收割机始终工作在最佳状态，提高作业效率[3-5]。

目前，脱粒滚筒的传动方式主要有链传动、带传动和液压传动。链传动下的转速调节可通过更换链轮实现;但田间操作耗时较多，且不能频繁进行。带传动以驱动滑轮变速，但其寿命短，易打滑，维护成本高[6];而液压驱动脱粒滚筒在过载保护、无极调速、自动控制和功率质量比等方面具有明显优势[7-8]。

国外联合收割机大都采用液压驱动、电子监测和自动化控制系统，结合GPS辅助系统进行收获作业综合管理。我国联合收割机在整机自动控制和作业自动化方面，与国外相比差距较大，不能使联合收割机的使用效能达到最佳化[9-15]。

对以上问题，以PLC(可编程逻辑控制器)为核心设计了脱粒滚筒转速电液比例控制系统，给出了系统的硬件构成及马达转速PLC控制程序、转速PID控制参数，并设计了人机操作监控界面，实现了对液压马达转速的自适应控制。

1 电液比例控制系统设计

脱粒装置作为联合收割机的重要组成部分，要求其适应性广泛，可以满足不同种类、不同品种、不同状态作物的收获要求；工作性能好，在脱净的同时，不能有过多的谷粒损失；功率消耗低，生产率高。根据脱粒装置的技术要求，研究选用电液比例泵控马达系统来控制转速。电液比例控制系统既有液压元件传递功率大、响应快的优势，又有电器元件处理和运算信号方便、易于实现信号远距离传输(遥控)的优势[16-19]。而且，泵控系统效率较高、发热量小，系统刚度较好,一般用于功率较大的场合。图1为系统原理图。

图1 电液比例泵控马达系统原理图

1.1 液压系统设计

研究以雷沃谷神GE60(4LZ-6E2)小麦联合收割机为参照，其主要工作参数如表1所示。

表1 联合收割机主要工作参数

根据联合收割机的工作参数，计算选取液压泵和液压马达的型号[20]。液压系统的压力取30MPa，计算得到马达的排量为90mL/r,确定马达型号及主要工作参数如表2所示。

表2 液压马达的主要技术参数

取泵的输入转速为1 600r/min，根据选定的马达的参数，计算得到泵的排量在60mL/r左右，确定泵型号及主要参数如表3所示。

表3 液压泵的主要技术参数

图2为泵控马达系统的液压工作原理图。图2中，电液比例泵1和液压马达5组成闭式液压回路，通过变量机构调整泵的排量，控制马达的输出转速。1是轴向柱塞比例变量泵，其排量与输入信号在任一工作压力下成正比。变量机构由比例方向阀3和双作用液压变量缸2组成，通过对位于阀3上的比例电磁铁a、b输入电信号，改变阀芯位移和变量缸2的活塞杆位置，调整泵1的斜盘倾角，可实现泵排量的无级调整，从而控制马达5的输出速度。

图2 泵控马达系统液压原理图

1.2 电控系统设计

电控系统硬件主要由转速传感器、压力传感器、PLC、比例放大器及PC机等组成，如图3所示。

1.PLC 2.比例放大器 3.电流表

其工作过程为：PC机控制端选择收获作物种类或设定脱粒滚筒的工作转速，同时设定PID控制参数，通过转速传感器和压力传感器检测转速和系统压力；PLC采集传感器信号并处理后，输出控制电流，电流经比例放大器放大后，给到比例阀以改变泵的斜盘倾角，实现泵排量的无级调整，从而达到控制马达转速即滚筒转速的目的；同时，PLC将采集到的转速和压力值传递到组态控制端，实现滚筒转速及液压系统压力的监测显示。

1.3 PLC程序设计

PLC程序设计是电液比例控制系统的核心部分，通过TIA Portal V13工作平台中STEP7编程软件，采用梯形图语言，编写了包括参数设定、数据采集、数据处理及PID控制等模块[21]。

为了减少执行器的动作次数，对PID控制器设置了死区，即转速偏差在死区范围内，PID输入偏差为0；超过死区后，输入偏差才从0开始计算[22]。图4为死区设置程序段。图5为PID控制器程序段。

图4 PID死区设置程序段

图5 PID控制器程序段

1.4 组态控制界面设计

WinCC是第一个完全基于32位内核的过程监控系统[23]，采用SIMATIC WinCC V7.3，通过装载AS消息方式将S7-1200的变量添加到WinCC中直接与其通信。控制系统的监控主界面(模拟运行)如图6所示。其中，单击“收获作物”下的4个按钮后，可分别对应收获小麦、水稻、油菜、大豆4种作物；“设定转速”输入/输出域可根据实际情况，设置滚筒转速，且实时显示当前工作转速；单击“PID整定”按钮，将弹出PID参数整定的窗口，可在手动模式下实时更改“采样时间” “比例系数”“积分时间”“微分时间”等参数；选择“保存数据”，系统将弹出转速的表格显示记录窗口，可将记录的数据导出并保存；单击“退出系统”，将退出WinCC运行系统。

图6 监控系统主界面

2 控制系统仿真

2.1 控制系统数学模型

电液比例泵控马达系统的被控单元包括放大器、电液比例泵、定量马达和速度传感器等。系统的传递函数方框图如图7所示。

图7 电液比例泵控马达系统传递函数方框图

系统的开环传递函数为

(1)

其中，Kv为控制系统的开环增益，Kv=KαKbvKqKφKqpKf/ADm。

系统的闭环函数为

(2)

其中，Ku为控制系统的闭环增益，Ku=KαKbvKqKφKqp/ADm。

确定各系统中各元件参数，得到系统的传递函数为

(3)

2.2 控制系统Simulink仿真

通过计算分析控制系统的数学模型和系统各部分参数，在Simulink环境中建立了电液比例泵控马达系统[24]，如图8所示。

图8 PID控制仿真框图

空载时，给系统输入转速为800r/min的阶跃信号；在系统稳定的情况下，3s时给系统加入400N·m的外负载信号，系统的响应如图9所示。

由图9可以看出：空载时，系统具有较好的跟踪性能，马达输出转速峰值时间为0.23s，调整时间为2.5s；突加400N·m外负载，系统的转速值降至781r/min，约经过0.2s跟踪到输入信号，调整时间不到1s；6s时，由于外负载信号突减为零，系统出现2.5%的超调量，后经1.8s回到设定转速值。仿真结果表明：系统PID控制器可以满足对转速的控制要求。

图9 在3s后加入400Nm扰动的系统PID阶跃信号响应图

3 转速控制系统试验

利用泵-马达闭式试验台，对电液比例控制系统进行了台架试验。试验泵转速由电机控制，由加载泵回路实现对马达的加载，如图10所示。试验调试阶段，将PID控制的死区宽度设置为0，以得到比例系数、积分时间、微分时间的最优值。系统稳定后，分别做如下操作：①将转速由800r/min提高到900r/min；②在加载泵回路中将压力设置为30MPa，给马达添加载荷；③将加载回路的压力由30MPa提升至35MPa；④将加载回路压力由35Mpa降至25MPa。观察系统转速的响应曲线图，结果分别如图11～图14所示。

图10 泵-马达闭式试验台

由图11可以看出：由于电控系统的延时，在控制界面改变设定值到显示改变后的设定值之间需要0.6s的时间；马达转速经过0.4s开始调整，用时5s追踪到输入信号，系统继续稳定工作。

由图12可以看出：系统中加入了外负载，马达转速逐渐降低，最大偏差25r/min,系统经过3.7s恢复到设定值，继续稳定工作。

由图13可以看出：液压回路中压力由30MPa升高到35MPa时，马达的转速降低，最大偏差23r/min；而后转速开始提高，经过4s回到设定值，系统继续稳定工作。

由图14可以看出：系统稳定在800r/min附近工作，当负载突然减小，马达的转速升高，经过3s达到最高转速824r/min；后经过2s回到设定值，系统继续稳定工作，调节时间共5s，最大超调量3.37%。

图11 转速由800r/min提高到900r/min系统的响应图

图12 加入负载后系统的响应图

图13 加载泵回路压力由30MPa升至35MPa系统的响应图

图14 加载泵回路压力由35MPa降至25MPa系统的响应图

4 结论

针对联合收割机脱粒滚筒的性能要求，研究开发了基于PLC、PID算法及WicCC组态监控界面的滚筒转速电液比例控制系统，并对系统进行了仿真试验和台架试验。试验结果显示：系统在转速发生变化时的跟踪性能良好；加载后的调节时间约3.7s，最大偏差25r/min；负载增加(加载泵回路压力提高5MPa)，调整时间4s，最大偏差23r/min；负载减小(加载泵回路压力减小10MPa)，调节时间约为5s，最大偏差27r/min。试验结果表明：控制系统可以稳定工作，在转速发生变化时，可以实现自动调整及设计目标，满足控制要求，为联合收割机的智能化发展提供了研究基础。

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