自走式小麦联合收割机电气控制线路优化

2019-12-22翟艳辉

农机化研究 2019年2期

翟艳辉

(三门峡职业技术学院，河南三门峡 472000)

0 引言

查阅相关资料可知，国外联合收割机的智能化控制水平较高，大多数均配备了电气控制、实时监测及自动驱动等装置，可在实时了解田间小麦信息的基础上进行自走式收割作业。国内亦有学者相继研制开发出可实现各类智能控制与监测功能的装置加装于小麦联合收割机上，如采用总线技术、传感控制技术等。小麦联合收割机是一种集多项复杂工作参数协调控制的农用机具，其工作水平的高低直接决定小麦穗粒的收获质量与产量。为此，笔者从提高自走式小麦联合收割机的电气控制装置水平的角度，展开线路讨论与优化。

1 整机结构及原理

自走式小麦联合收割机以柴油机为动力源，通过行走系统与收割系统共同配合完成收割作业，图1为小麦联合收割机外观简图，表1为联合收割机主要技术参数设计。结合系统结构(见图2)可知：控制系统给定控制信号，经步进电机驱动行驶装置前进，联合收割装置根据小麦植株密度的大小进行收割作业，并进一步传送喂入滚筒装置实现自动联合收割。其控制线路的布置与设计对收割机整机性能有重要的关联影响，后台运行的电气控制线路主要由收割机照明、启动、充电及仪器仪表指示回路等组成，关键控制部位加装传感识别仪器。

图1 联合收割机外形图

序号参数名称单位参数值1结构型式自走轮式2长×宽×高mm5780×2350×27003收割机行进速度m/s0～0.84小麦收割宽幅mm1400～16005小麦喂入单量kg/s0～2.76小麦穗粒破碎率%<1.67小麦穗粒含杂率%<2.18小麦穗粒损失率%<2.19小麦穗粒脱净率%>99.210收割机工作功率kW50

图2 小麦联合收割机系统结构简图

在各部件进行有序收割作业的过程中，系统的工作特性不可忽略。联合收割机的行走系统传递函数可表示为

收割装置与传送装置间的传递函数表示为

G2(s)=Hρwexp(-τs)

在整机正常收割时，联合收割机滚筒装置的转动速度与收割机喂入量之间的关系可表示为

通过理解各部件的工作特性关系，实现收割机各电气控制部件与线路优化。

2 关键部件分析

2.1 电气装置

联合收割机在进行收割作业时，电气装置起着至关重要的控制传递作用。通过查阅参考相关理论，优化自走式小麦联合收割机的电气装置组成、结构与功能实现。拟优化设计的电气装置结构简图，如图3所示。由图3可知：在联合收割机的智能处理单元控制下，发动机油压传感、通用电气线路、发动机水温传感及脱粒装置轴温传感等信息同步汇入，进入下一显示与声光报警环节。

图3 小麦联合收割机电气装置结构图Fig.3 The electrical device structure drawing of the wheat combine harvester

同时，植入监控部件，即通过嵌入式微处理器的主控作用，对I/O模块、时钟模块及存储器模块的监视状况处理并输出，作业人员可实时掌握收割信息，提高联合机整机的功能可控性。

2.2 控制系统

根据联合收割机电气装置硬件配置，对控制系统及相关线路进行优化，图4为电气控制系统的双闭环结构设计简图。通过对收割机作业的行进速度闭环与所承受的负载大小闭环，实现双重控制与协调功能。

另外，针对联合收割机的辅助电气部件进行优化，包括各类工作状态指示电路与显示，如图5所示。在控制核心算法的中心指令下，通过数据收集与对比，分别做出不同的状态判断，如预警故障、声光显示及报警故障等。

图4 联合收割机电气控制双闭环结构设计简图

图5 小麦联合收割机电气工作状态指示电路优化

拟优化的小麦联合收割机行进速度智能精确控制加入PID核心算法控制，通过不断调整齿轮、电气及传感装置的运动速度协调性实现，部分程序代码如下：

……

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;

}

……

小麦联合收割机控制系统优化如图6所示。

图6 小麦联合收割机控制系统优化简图

3 收割试验

3.1 试验条件与方法

在上述改进理论的基础上，对此类型联合收割机特性进行收割试验，拟试验的条件需满足如下要求：

①电气控制的脉冲频率与整机行走操纵定位构成积分调节；②动力泵的给定动力与行走操纵成比较调节；③割台高度在合理范围内变化且与整机车速保证一定的乘积关系；④选取试验地在各项辅助指标正常的场地，保证不影响试验对比效果。

3.2 试验分析

试验过程在外界因素影响一致条件下进行，通过增加优化次数与改变影响作业效率的参数展开记录与分析。经前期数据整理，得出联合收割机作业时主要性能指标试验数据，如表2所示。由表2可看出：优化后的各项指标较优化前均有一定的改进，实现了自走式小麦联合收割机主要电气及控制优化效果。脱净率提升0.4%，损失率降低0.51%，含杂率降低0.09%，破碎率降低0.22%，喂入量可达1.8kg/s。

表2 联合收割机主要性能指标优化试验数据

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