稻麥聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)按鍵電控調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

陳 進(jìn)，汪樹(shù)青，練 毅

（江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212013）

0 引 言

聯(lián)合收獲機(jī)是能夠一次性完成切割、輸送、脫粒分離、清選及集糧等工序的收獲機(jī)械[1]。國(guó)外所研制的機(jī)型逐步向著大型化、復(fù)合化、高效化和自動(dòng)化方向發(fā)展[2-4]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)信息監(jiān)控、谷物流量、谷物含水率、谷物破碎率及含雜率等方面的研究取得了一系列成果。由于技術(shù)封鎖，國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)沒(méi)有很好地應(yīng)用在國(guó)內(nèi)聯(lián)合收獲機(jī)上。對(duì)于聯(lián)合收獲機(jī)的操控性方面，國(guó)內(nèi)公司所生產(chǎn)的聯(lián)合收獲機(jī)基本上還停留在操縱桿操作且操控不便。國(guó)外聯(lián)合收獲機(jī)大都升級(jí)為按鍵控制和觸摸屏控制，智能化程度得到進(jìn)一步提升[5-6]。針對(duì)國(guó)內(nèi)外聯(lián)合收獲機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀，迫切需要對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)工作部件進(jìn)行控制升級(jí)。良好的控制系統(tǒng)能夠降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率，減小谷物損失，降低機(jī)器故障率，提高聯(lián)合收獲機(jī)工作的穩(wěn)定性和可靠性[7-9]。

本文在分析稻麥聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)部件組成及其工作原理基礎(chǔ)上，針對(duì)割臺(tái)操控不便、自動(dòng)化程度低等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，該裝置將原有機(jī)器上的多桿手工操縱置換為按鍵操作，實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)的電動(dòng)調(diào)節(jié)，撥禾輪轉(zhuǎn)速隨調(diào)整參數(shù)及作業(yè)速度的變化自動(dòng)匹配相應(yīng)轉(zhuǎn)速，整體上提高了割臺(tái)系統(tǒng)作業(yè)參數(shù)操控自動(dòng)化水平。

1 割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置總體設(shè)計(jì)要求與結(jié)構(gòu)組成

1.1 總體設(shè)計(jì)要求

1）調(diào)節(jié)裝置工作模式：割臺(tái)高度、撥禾輪高度、撥禾輪位置按鍵電控模式；撥禾輪轉(zhuǎn)速有手自切換 2種模式，在自動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，根據(jù)采集作業(yè)速度、割臺(tái)高度和撥禾輪高度信號(hào)通過(guò)建立撥禾輪轉(zhuǎn)速模型實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。

2）參數(shù)顯示、存儲(chǔ)及傳輸功能：聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)時(shí)，割臺(tái)部件的調(diào)節(jié)參數(shù)能夠?qū)崟r(shí)顯示，記錄割臺(tái)部件參數(shù)調(diào)節(jié)的變化信息，由CAN模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，為其他課題組提供監(jiān)測(cè)信息。

3）轉(zhuǎn)速監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差≤8%，位移監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差≤8%，作業(yè)速度監(jiān)測(cè)相對(duì)誤差≤5%，撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制精度≥90%。

1.2 總體結(jié)構(gòu)組成

聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)組成如圖 1所示。

圖1 割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置總體結(jié)構(gòu)組成Fig.1 Overall structure of header parameter adjustment device

調(diào)節(jié)裝置主要由傳感器模塊、PLC控制單元、顯示模塊、按鍵模塊和割臺(tái)部件驅(qū)動(dòng)等模塊組成。傳感器模塊選用角度傳感器、位移傳感器和霍爾傳感器。主控制器采用三菱PLC。顯示模塊采用三菱觸摸屏，與PLC通訊方式采用RS-232串口通信。按鍵模塊采用自復(fù)位和自鎖開(kāi)關(guān)完成手動(dòng)模式調(diào)整功能和自動(dòng)調(diào)整功能的切換。割臺(tái)執(zhí)行部件采用液壓控制，液壓控制元件選用三位四通電磁換向閥和比例電磁閥。割臺(tái)高度液壓控制原理如圖2a所示，撥禾輪高度及前后位置的液壓控制原理類(lèi)似。比例電磁閥是一種根據(jù)輸入的電信號(hào)大小使電磁鐵動(dòng)作，完成與輸入電信號(hào)成比例的流量和壓力輸出的元件[10-12]。PLC的 DA輸出電壓經(jīng)比例放大器放大后輸出電流控制比例電磁閥開(kāi)度的大小，開(kāi)度大小決定進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油量大小，液壓馬達(dá)是一種將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，油量大小對(duì)應(yīng)液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)撥禾輪轉(zhuǎn)速的控制。其液壓控制原理如圖2b所示。

圖2 割臺(tái)高度和撥禾輪轉(zhuǎn)速液壓控制原理Fig.2 Hydraulic control principle of header height and reel speed

2 割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置控制系統(tǒng)組成與工作流程

2.1 輸入輸出信號(hào)

割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置以PLC為主控制器，輸入信號(hào)包括10個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)信號(hào)和2個(gè)霍爾傳感器信號(hào)，輸出控制對(duì)象包括6個(gè)電磁閥和1個(gè)比例電磁閥。PLC的輸入輸出資源分配如表1所示。

表1 PLC輸入輸出資源分配Table 1 PLC input and output resource allocation

2.2 信號(hào)采集

割臺(tái)參數(shù)控制對(duì)象包括割臺(tái)高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及撥禾輪轉(zhuǎn)速，執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓系統(tǒng)完成動(dòng)作，PLC接線方式簡(jiǎn)單，輸出端口連接電磁閥，DA輸出模塊連接比例電磁閥實(shí)現(xiàn)割臺(tái)參數(shù)部件動(dòng)作，選用三菱FX2n系列PLC，控制器帶有10通道AD模塊和2通道DA輸出模塊，滿(mǎn)足調(diào)節(jié)裝置的控制要求?；魻杺鞲衅饔蠳PN低電平信號(hào)輸出和PNP高電平信號(hào)輸出2種。輸入接口與按鍵采用短接方式，低電平信號(hào)輸入，霍爾傳感器選用 NPN型霍爾傳感器接入 PLC輸入口 X12和X13。割臺(tái)高度檢測(cè)角度傳感器、撥禾輪高度及前后位置的檢測(cè)位移傳感器為模擬量輸出，信號(hào)線分別接入AD0、AD1和AD2三個(gè)通道輸入模塊。

2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)

比例放大器是比例電磁閥的控制和驅(qū)動(dòng)裝置，是比例電磁閥的基本電控單元，能夠根據(jù)比例電磁閥的控制需要對(duì)控制電信號(hào)進(jìn)行處理、運(yùn)算和功率放大[13-16]。PLC的DA模塊無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)比例電磁閥，需要通過(guò)比例放大器進(jìn)行信號(hào)放大，比例放大器的輸入端地線和輸入端信號(hào)線與PLCDA模塊的COM端和輸出端分別相連接；比例放大器的輸出端信號(hào)接入比例電磁閥。比例放大器與比例電磁閥組成一個(gè)由控制信號(hào)電壓改變比例電磁閥開(kāi)度的大小，由液壓馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速帶動(dòng)撥禾輪進(jìn)行轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

2.4 顯示界面

GT Designer3是一款觸摸屏編程軟件，是進(jìn)行工程和畫(huà)面創(chuàng)建、圖形繪制、對(duì)象配置和設(shè)置、公共設(shè)置以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖捎蠫T Simulator3仿真軟件，能夠進(jìn)行仿真模擬[17-19]。顯示界面設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)觸摸屏和 PLC的連接，需要進(jìn)行變量設(shè)置和界面設(shè)計(jì)。變量設(shè)置是建立觸摸屏與PLC的I/0接口及存儲(chǔ)單元之間的聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)PLC與觸摸屏數(shù)據(jù)的交換。界面設(shè)計(jì)包括割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置的開(kāi)機(jī)界面、顯示界面和參數(shù)設(shè)置界面等。結(jié)合聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置的主要控制對(duì)象，所設(shè)計(jì)的顯示界面如圖3所示。

圖3 觸摸屏界面Fig.3 Touch-screen interface

2.5 工作流程

本文中選用三菱系列 PLC，其軟件平臺(tái)為 GX Work2[16]，采用GX Work2軟件編寫(xiě)控制系統(tǒng)梯形圖。PLC識(shí)別按鍵信號(hào)，執(zhí)行控制程序，調(diào)節(jié)收獲機(jī)割臺(tái)部件動(dòng)作。調(diào)節(jié)裝置工作流程如圖4所示。

圖4 割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置工作流程Fig.4 Working progress of header parameter adjustment device

系統(tǒng)開(kāi)機(jī)完成自檢后，傳感器模塊將當(dāng)前狀態(tài)信息反饋到PLC，內(nèi)部繼電器M8044置位，此時(shí)執(zhí)行機(jī)構(gòu)處于初始位置，系統(tǒng)運(yùn)行后PLC內(nèi)部軟元件初始值相應(yīng)確定，然后識(shí)別手動(dòng)/自動(dòng)按鍵信號(hào)，進(jìn)入手動(dòng)/自動(dòng)調(diào)節(jié)模式并讀取傳感器檢測(cè)值。

手動(dòng)模式下，PLC識(shí)別按鍵信號(hào)，發(fā)送執(zhí)行指令調(diào)整割臺(tái)部件動(dòng)作。傳感器接收信息通過(guò)PLC數(shù)據(jù)采集模塊采集信號(hào)經(jīng)RS-232串口通訊由顯示模塊顯示。自動(dòng)控制模式下，傳感器實(shí)時(shí)采集作業(yè)速度、割臺(tái)高度、撥禾輪高度及轉(zhuǎn)速信號(hào)，送入PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和計(jì)算，PLC根據(jù)控制算法輸出控制信號(hào)，并經(jīng)放大器放大后控制比例電磁閥開(kāi)度，開(kāi)度大小決定進(jìn)入液壓馬達(dá)的液壓油量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)撥禾輪轉(zhuǎn)速的控制。

3 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制算法

撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制是割臺(tái)參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)的核心與關(guān)鍵，撥禾輪轉(zhuǎn)速調(diào)整對(duì)作物收獲質(zhì)量影響較大，轉(zhuǎn)速過(guò)大容易造成脫?，F(xiàn)象加大損失率和破碎率，轉(zhuǎn)速過(guò)低難以推送作物進(jìn)行切割和下一步工序。

3.1 撥禾輪轉(zhuǎn)速控制模型建立

為了對(duì)撥禾輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)控制，需要對(duì)撥禾輪工作過(guò)程建立數(shù)學(xué)模型。聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，撥禾輪運(yùn)動(dòng)實(shí)際上是一種復(fù)合運(yùn)動(dòng)，由撥禾輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析并建立直角坐標(biāo)系，設(shè)撥禾輪高度及前后位置的初始點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O（即高度最低、位置最后），x軸指向前進(jìn)方向，y軸垂直向上，撥禾輪外圈上任意點(diǎn)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型如下[20-23]

式中x為撥禾輪水平位移，m；y為高度位移，m。考慮到聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)過(guò)程中撥禾輪撥齒接觸作物時(shí)，撥齒豎直位移y和作物高度近似相等，假設(shè)L為作物高度，m，即y≈L；Vm為收獲機(jī)作業(yè)速度，m/s；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；R為撥禾輪半徑，m；w為撥禾輪角速度，rad/s；H為撥禾輪回轉(zhuǎn)中心相對(duì)割刀的垂直距離，m；h為割臺(tái)（留茬）高度，m。

由式（1）可得

為了減少撥齒對(duì)谷物的碰撞，撥齒進(jìn)入谷物時(shí)的水平分速度理論上應(yīng)該為0，即

輪速比l為撥禾輪線速度與收獲機(jī)作業(yè)速度的比值，有如下關(guān)系

式中Vb為撥禾輪線速度，m/s；n為撥禾輪轉(zhuǎn)速，r/s。

由式（3）和式（4）得到帶入式（1）得到

式中L為作物高度，m。

將式（6）帶入式（4）得到撥禾輪轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型

Vm由霍爾傳感器采集并計(jì)算處理后得到，L由觸摸屏設(shè)定界面輸入，H根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定，由撥禾輪高度傳感器檢測(cè)數(shù)值z(mì)與撥禾輪實(shí)際高度建立回歸方程，數(shù)學(xué)模型表示為

式中z表示撥禾輪高度位移傳感器檢測(cè)值，A、B為標(biāo)定常數(shù)。

h值的確定，需要建立仿形板轉(zhuǎn)動(dòng)角度與割臺(tái)高度的數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[24]中，通過(guò)角度傳感器測(cè)量得到仿形板角度a與輸出電壓V的關(guān)系

式中k1為仿形板轉(zhuǎn)動(dòng)角度與割臺(tái)高度值的標(biāo)定系數(shù)（V/°），V為角度傳感器輸出電壓值，V；a為角度傳感器隨仿形板轉(zhuǎn)動(dòng)的角度值，（°）。

根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)定割臺(tái)高度h與輸出電壓值V的關(guān)系模型為

式中k2為割臺(tái)高度標(biāo)定系數(shù)，m/V；C為常數(shù)，m。

式（9）帶入式（10）中得到割臺(tái)高度與角度傳感器檢測(cè)角度變化的對(duì)應(yīng)關(guān)系為

將式（8）和式（11）帶入式（7）可進(jìn)一步得到撥禾輪轉(zhuǎn)速數(shù)學(xué)模型為

3.2 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制算法

常規(guī)的PID控制具有穩(wěn)定性好、控制精度高等特點(diǎn)，但由于參數(shù)數(shù)值固定，難以滿(mǎn)足非線性、時(shí)變性較強(qiáng)的系統(tǒng)控制要求,且撥禾輪容易受到收獲機(jī)振動(dòng)及自身慣性的影響，控制穩(wěn)定性差。為了獲得滿(mǎn)意的控制效果、提升控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，本文采用響應(yīng)快、魯棒性好的模糊控制與 PID控制相結(jié)合，根據(jù)建立的模糊規(guī)則，通過(guò)對(duì) PID控制器參數(shù)不斷進(jìn)行在線調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[25-28]。

設(shè)定u(t)為t采樣時(shí)刻的輸出，e(t)為t采樣時(shí)刻的偏差，T為采樣周期，輸出控制量計(jì)算公式為

式中，kp、ki、kd分別表示比例、微分、積分系數(shù)。

t時(shí)刻撥禾輪轉(zhuǎn)速偏差e(t)和偏差變化率De的計(jì)算公式為

式中ni為撥禾輪轉(zhuǎn)速的目標(biāo)值，in￠為撥禾輪轉(zhuǎn)速當(dāng)前采樣值，r/min。

以撥禾輪轉(zhuǎn)速偏差e(t)及偏差變化率De為控制器輸入語(yǔ)言變量。正常收獲水稻時(shí)，其他參數(shù)設(shè)定為額定值時(shí)，為了收獲效率較高同時(shí)損失率較小，將撥禾輪轉(zhuǎn)速調(diào)整在（45,50）r/min進(jìn)行收割，試驗(yàn)樣機(jī)撥禾輪轉(zhuǎn)速的實(shí)際調(diào)節(jié)范圍可設(shè)為（15,85）r/min，以50 r/min為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍為（?35,35）r/min，進(jìn)行歸一化處理后，轉(zhuǎn)速偏差e(t)和偏差變化率De的模糊域量化到{?3、?2、?1、0、1、2、3}。模糊集設(shè)為{NB、NM、NS、ZO、PS、PM、PB}分別表示負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大。輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)采用三角形函數(shù)，e(t)、De隸屬度函數(shù)曲線如圖5所示。

圖5 撥禾輪轉(zhuǎn)速偏差e(t)及偏差變化率De隸屬度函數(shù)曲線Fig.5 Membership function curve of reel speed deviation e(t) and deviation error rate De

建立模糊控制規(guī)則表和模糊語(yǔ)言，利用MATLAB軟件編制程序，并進(jìn)行模糊推理與解模糊，建立離線模糊控制查詢(xún)表，存放在PLC的保持繼電器中[29]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)相結(jié)合所制定模糊控制規(guī)則如表2所示。

表2 撥禾輪轉(zhuǎn)速模糊控制規(guī)則表Table 2 Fuzzy control rules of reel speed

撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制時(shí)，PLC采樣計(jì)算得到轉(zhuǎn)速目標(biāo)值和當(dāng)前值，然后計(jì)算e(t)、De并進(jìn)行等級(jí)量化，得到其相應(yīng)的模糊化論域元素，再通過(guò)查表獲得輸出量的量化值。經(jīng)模糊控制規(guī)則表求得的kp、ki、kd系數(shù)的值，其線性組合計(jì)算最終輸出值。撥禾輪轉(zhuǎn)速模糊 PID控制流程如圖6所示。

圖6 撥禾輪轉(zhuǎn)速模糊PID控制算法設(shè)計(jì)Fig.6 Design of fuzzy PID control algorithm for reel speed

4 割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)功能測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 手動(dòng)調(diào)節(jié)功能測(cè)試及結(jié)果分析

2017年11月22日，試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省東營(yíng)市孤島鎮(zhèn)，試驗(yàn)田為已收獲的水稻田，試驗(yàn)機(jī)型為雷沃公司生產(chǎn)的GN120型輪式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)。在聯(lián)合收獲機(jī)上安裝割臺(tái)參數(shù)調(diào)節(jié)裝置，分別進(jìn)行割臺(tái)高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及轉(zhuǎn)速的手動(dòng)功能測(cè)試。調(diào)節(jié)裝置安裝如圖7所示。

圖7 調(diào)節(jié)裝置安裝圖Fig.7 Installation drawing of adjustment device

每個(gè)功能測(cè)試共進(jìn)行12次測(cè)試，使用卷尺分別測(cè)量割臺(tái)高度、撥禾輪高度和撥禾輪前后位置變化值，使用轉(zhuǎn)速表測(cè)量撥禾輪轉(zhuǎn)速，以人工測(cè)量作為標(biāo)準(zhǔn)值，顯示模塊顯示值作為測(cè)量值，對(duì)收獲機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行調(diào)整，保持速度恒定進(jìn)入20 m標(biāo)定區(qū)域，記錄顯示數(shù)值。人工秒表計(jì)時(shí)標(biāo)定區(qū)域收獲機(jī)運(yùn)行時(shí)間并計(jì)算作業(yè)速度，以此為標(biāo)準(zhǔn)值。調(diào)節(jié)裝置手動(dòng)功能測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表 3測(cè)試數(shù)據(jù)表明，割臺(tái)高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置、撥禾輪轉(zhuǎn)速最大相對(duì)誤差分別為 7.4%、3.4%、2.0%、7.8%，作業(yè)速度在0.1～0.5 m/s區(qū)間上相對(duì)誤差較大，最大為3.4%，在0.5～2.0 m/s區(qū)間上相對(duì)誤差減小，造成誤差變化的原因?yàn)闄C(jī)器作業(yè)速度較慢時(shí)，轉(zhuǎn)速較低，系統(tǒng)裝置采樣存在一定的誤差，隨著作業(yè)速度的增大，系統(tǒng)采樣逐漸過(guò)度到平穩(wěn)狀態(tài)，誤差減小。聯(lián)合收獲機(jī)振動(dòng)大對(duì)數(shù)據(jù)的采集存在很大的干擾性，田間地面不平、田間留茬不均等影響因素也給采集數(shù)據(jù)和人工測(cè)量造成誤差。

表3 調(diào)節(jié)裝置手動(dòng)功能測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results for manual function of adjustment device

4.2 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整功能測(cè)試及結(jié)果分析

2017年11月24日，試驗(yàn)地點(diǎn)為山東省東營(yíng)市孤島鎮(zhèn)，試驗(yàn)機(jī)型為雷沃公司生產(chǎn)的GN120型輪式全喂入聯(lián)合收獲機(jī)，試驗(yàn)對(duì)象為“煙紅 47”水稻。試驗(yàn)前對(duì)作物基本情況進(jìn)行測(cè)量，并計(jì)算產(chǎn)量和千粒質(zhì)量。收集5個(gè)不同區(qū)域各1 m2作物，計(jì)算草谷比，數(shù)據(jù)記錄如表4所示。

表4 田間試驗(yàn)水稻測(cè)量結(jié)果Table 4 Measurement results of rice in field experiments

根據(jù)田間作物情況測(cè)試結(jié)果，觸摸屏設(shè)定作物高度L為61.6 cm，調(diào)節(jié)割臺(tái)（留茬）高度h為20 cm，撥禾輪高度H為42 cm，改變收獲機(jī)作業(yè)速度，進(jìn)行撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制試驗(yàn)。聯(lián)合收獲機(jī)的作業(yè)速度應(yīng)該設(shè)置在不超過(guò)額定喂入量和損失率前提下的最大值[30]，喂入量和割幅、割臺(tái)高度、作業(yè)速度及作物濕密度等因素有關(guān)，對(duì)于特定機(jī)型及收獲區(qū)域，認(rèn)為割幅和作物濕密度為定值，割臺(tái)高度和作業(yè)速度是影響收獲機(jī)喂入量的主要因素。作業(yè)速度引起喂入量變化，因此需要調(diào)整撥禾輪的轉(zhuǎn)速，本文撥禾輪轉(zhuǎn)速模型以割臺(tái)高度、撥禾輪高度、作業(yè)速度及作物高度為主要影響因素。試驗(yàn)時(shí)聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)速度設(shè)置為0.5～2.0 m/s，將作物高度、割臺(tái)高度、撥禾輪高度及作業(yè)速度區(qū)間數(shù)值代入撥禾輪轉(zhuǎn)速模型公式（12），計(jì)算撥禾輪轉(zhuǎn)速理論值，得出撥禾輪理論轉(zhuǎn)速范圍為19.9～79.6 r/min。調(diào)整收獲機(jī)作業(yè)速度保持穩(wěn)定，以20 m為1次標(biāo)定試驗(yàn)，記錄撥禾輪轉(zhuǎn)速顯示值(實(shí)際轉(zhuǎn)速)，共測(cè)試8組數(shù)據(jù)，計(jì)算不同作業(yè)速度下?lián)芎梯嗈D(zhuǎn)速理論值與顯示值相對(duì)誤差，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表5 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制測(cè)試Table 5 Automatic control test of reel speed

試驗(yàn)結(jié)果表明，作業(yè)速度在0.5～1.1 m/s區(qū)間上的相對(duì)誤差較小，隨著作業(yè)速度的增大，在1.1～2.0 m/s速度區(qū)間上相對(duì)誤差變大，當(dāng)作業(yè)速度為1.3 m/s時(shí)，最大相對(duì)誤差為8.5%，控制精度達(dá)到91.5%。撥禾輪轉(zhuǎn)速加大時(shí)推送谷物的阻力相對(duì)較大可能是相對(duì)誤差變化的主要原因。撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制模型與割臺(tái)高度、撥禾輪高度及機(jī)器作業(yè)速度相關(guān)，測(cè)試前雖然保持割臺(tái)高度、撥禾輪高度不變，但實(shí)際作業(yè)過(guò)程中，由于振動(dòng)等原因還是會(huì)發(fā)生變化，另外收獲機(jī)的振動(dòng)、外部環(huán)境、方程擬合誤差、算法輸出滯后等均會(huì)影響相對(duì)誤差。

撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程中，度量測(cè)試系統(tǒng)好壞的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)有響應(yīng)時(shí)間和調(diào)整時(shí)間。改變聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)速度進(jìn)行響應(yīng)性測(cè)試，將正常作業(yè)速度分為 7個(gè)區(qū)間，記錄作業(yè)速度變化時(shí)撥禾輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間和達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間。共測(cè)試 7組數(shù)據(jù)，結(jié)果如表 6所示。

表6 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制響應(yīng)測(cè)試Table 6 Automatic control response test of reel speed

測(cè)試結(jié)果表明，聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)速度增大時(shí)，撥禾輪轉(zhuǎn)速也隨之增大，轉(zhuǎn)速調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間≤0.8 s，調(diào)整時(shí)間≤1.7s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和田間作業(yè)操作要求

5 結(jié) 論

1）國(guó)產(chǎn)稻麥聯(lián)合收獲機(jī)目前仍處于機(jī)械式操縱桿操作，本文設(shè)計(jì)了稻麥聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)參數(shù)按鍵調(diào)節(jié)裝置，將原有的操縱桿操作模式變?yōu)榘存I電控模式，提供了便捷的操控方式，顯示模塊實(shí)時(shí)顯示工作部件調(diào)整情況，為機(jī)手提供調(diào)整決策。

2）作業(yè)速度和撥禾輪轉(zhuǎn)速之間的比值是影響割臺(tái)籽粒損失的重要因素。當(dāng)作業(yè)速度變化時(shí)，需要調(diào)整撥禾輪轉(zhuǎn)速與之匹配。本文通過(guò)分析撥禾輪運(yùn)動(dòng)過(guò)程，建立了撥禾輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了撥禾輪轉(zhuǎn)速模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)了撥禾輪轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。

3）測(cè)試結(jié)果表明，調(diào)節(jié)裝置在手動(dòng)調(diào)節(jié)模式下，割臺(tái)高度、撥禾輪高度、撥禾輪前后位置及轉(zhuǎn)速參數(shù)調(diào)整的相對(duì)誤差分別為7.4%、3.4%、2.0%、7.8%，作業(yè)速度最大相對(duì)誤差為3.4%。撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)節(jié)測(cè)試表明，撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)調(diào)整的響應(yīng)時(shí)間≤0.8 s，調(diào)整時(shí)間≤1.7 s，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求和收獲機(jī)田間作業(yè)操作要求。

[1]梁振偉，李耀明，馬培培，等. 縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)清選裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(5)：170－174.Liang Zhenwei, Li Yaoming, Ma Peipei, et al. Structure optimization and experiment on cleaning system in longitudinal-axial combine harvester[J]. Agricultural mechanization research, 2018, 40(5): 170－174. (in Chinese with English abstract)

[2]吳剛，楊大成，高林，等. 大喂入量自走輪式谷物聯(lián)合收割機(jī)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械，2015(7)：87－89.Wu Gang, Yang Dacheng, Gaolin, et at. Large feed self-running wheel type grain combine harvester design[J].Agricultural machinery, 2015(7): 87－89. (in Chinese with English abstract)

[3]陳慶文，韓增德，崔俊偉，等. 自走式谷物聯(lián)合收割機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，2015，17(1)：109－114.Chen Qingwen, Han Zengde, Cui Junwei, et at. Development status and trend current situation of self-propelled combine harvester[J]. Journal of Agricultural Science and Technology,2015, 17(1): 109－114. (in Chinese with English abstract)

[4]吳海華，方憲法，楊炳南. 國(guó)內(nèi)外農(nóng)業(yè)裝備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程，2013，3(6)：20－23.Wu Haihua, Fang Xianfa, Yang Bingnan. Development trends and progress of agricultural machinery technology at home and abroad[J]. Agricultural Engineering, 2013, 3(6): 20－23. (in Chinese with English abstract)

[5]陳進(jìn)，蔡陽(yáng)陽(yáng)，陳璇. 基于FSM的聯(lián)合收割機(jī)多按鍵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 電子科技，2017，30(1)：154－156+160.Chen Jin, Cai Yangyang, Chen Xuan. Design of multi-key embedded control system of combine harvester based on FSM[J]. Electronic science and technology, 2017, 30(1):154－156+160.

[6]梁學(xué)修. 聯(lián)合收割機(jī)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[D]. 北京：中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院，2013.Liang Xuexiu. Study on automatic monitoring system for combine harvester[D]. Beijing: Chinese Academy of Agricultural Mechanization Sciences, 2013. (in Chinese with English abstract)

[7]Stefan B?TTINGER. 智能聯(lián)合收獲機(jī)—提高性能和效率[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車(chē)輛工程，2013，51(6)：15－16.Stefan B?TTINGER. Intelligent combine harvester improve performance and efficiency[J]. Agricultural Equipment &Vehicle Engineering, 2013, 51(6): 15－16. (in Chinese with English abstract)

[8]李耀明，梁振偉，趙湛，等. 聯(lián)合收獲機(jī)谷物損失實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2011(增刊1)：99－102.Li Yaoming, Liang Zhenwei, Zhao Zhan, et al. Real-time monitoring system of grain loss in combine harvester[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2011(Supp.1): 99－102. (in Chinese with English abstract)

[9]王金雙，熊永森，徐中偉，等. 縱軸流聯(lián)合收獲機(jī)關(guān)鍵部件改進(jìn)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(10)：25－31.Wang Jinshuang, Xiong Yongsen, Xu Zhongwei, et al.Improved design and test of key components for longitudianl axial flow combine harvester[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(10): 25－31. (in Chinese with English abstract)

[10]雷曉順，侯帥，秦璇，等. 電液比例閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)的模糊PID恒速控制[J]. 流體傳動(dòng)與控制，2016(1)：42－46，49.Lei Xiaoshun, Hou Shuai, Qin Xuani, et al. Electro-hydraulic proportional valve-controlled hydraulic motor system of fuzzy PID constant speed control[J]. Fluid Power Transmission and Control, 2016(1): 42－46, 49. (in Chinese with English abstract)

[11]盧文輝，李勝，呂敏健. 電液比例閥的結(jié)構(gòu)原理與研究現(xiàn)狀[J]. 機(jī)床與液壓，2014，42(5)：166－172.Lu Wenhui, Li Sheng, Lu Minjian. Fundamental working principles of electro-hydraulic proportional valves and review on their development[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2014,42(5): 166－172. (in Chinese with English abstract)

[12]袁玉先，林國(guó)治，劉釗. 電液比例閥用控制器的設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2017(8)：86－89.Yuan Yuxian, Lin Guozhi, Liu Zao. Design of controller used by electro-hydraulic proportional valve[J]. Machinery Design& Manufacture, 2017(8): 86－89. (in Chinese with English abstract)

[13]高翔. 電液比例閥加載系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)與模糊PID控制策略的研究[D]. 西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2014.Gao Xiang. Parameter Identification and fuzzy PID Control Strategy Research of Electro-hydraulic Proportional Valve Loading System[D]. Xi’an: Chang'an University, 2014. (in Chinese with English abstract)

[14]徐兵，蘇琦，張軍輝，等. 比例放大器驅(qū)動(dòng)電路特性分析及控制器設(shè)計(jì)[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2017，51(4)：800－806.Xu Bing, Su Qi, Zhang Junhui, et al. Analysis for drive circuit and improved current controller for proportional amplifier[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2017, 51(4): 800－806. (in Chinese with English abstract)

[15]康永玲. 基于PWM技術(shù)的電液比例控制系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J]. 煤礦機(jī)電，2017(2)：28－32.Kang Yongling. Research and application of electro sydraulic proportional control system based on PWM technology[J].Colliery Mechanical & Electrical Technology, 2017(2): 28－32. (in Chinese with English abstract)

[16]文杰. 一步一步學(xué)PLC編程，三菱GX Works2[M]. 北京：中國(guó)電力出版社，2013.

[17]劉坤. 基于GX/GT Simulator仿真軟件的PLC項(xiàng)目化教學(xué)實(shí)踐[J]. 電子技術(shù)與軟件工程，2017(22)：62.Liu Kun. PLC project teaching practice based on GX/GT simulator software[J]. Electronic technology and software engineering, 2017(22): 62. (in Chinese with English abstract)

[18]宋錦剛. 基于GX Developer和GX Simulator軟件的PLC順序功能圖的開(kāi)發(fā)與仿真[J]. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2010，23(9)：23－24.Song Jinggang. Development and simulation of PLC SFC based on GX developer and GX simulator[J]. Industrial Control Computer, 2010, 23(9): 23－24. (in Chinese with English abstract)

[19]鄭健. PLC仿真技術(shù)研究[D]. 青島：青島大學(xué)，2007.Zeng Jian. Simulation Research of PLC[D]. Qingdao:Qingdao University, 2007. (in Chinese with English abstract)

[20]崔勇，翟旭軍，陶德清. 聯(lián)合收割機(jī)撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2018，40(3)：129－133.Cui Yong, Zhai Xujun, Tao Deqing. Design of automatic speed control system of combine reel[J]. Agricultural mechanization research, 2018, 40(3): 129－133. (in Chinese with English abstract)

[21]劉江華. 撥禾輪轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2007.Liu Jianghua. Design on Rotational Speed of Reel Automatic Control System[D]. Yangling: Northwest A&F University,2007. (in Chinese with English abstract)

[22]劉江華，師帥兵，楊銀輝，等. 撥禾輪自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2007(2)：118－119+137.Liu Jianghua, Shi Shuaibing, Yang Yinghui, et al. Reel automation control system in combine[J]. Agricultural mechanization research, 2007(2): 118－119+137. (in Chinese with English abstract)

[23]楊樹(shù)川，楊術(shù)明，佘永衛(wèi). 撥禾輪運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算機(jī)仿真[J].農(nóng)機(jī)化研究，2010，32(12)：141－145.Yang Shuchuan, Yang Shuming, She Yongwei. Computer simulation on reel trajectory[J]. Agricultural mechanization research, 2010, 32(12): 141－145. (in Chinese with English abstract)

[24]偉利國(guó)，車(chē)宇，汪鳳珠，等. 聯(lián)合收割機(jī)割臺(tái)地面仿形控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)[J]. 農(nóng)機(jī)化研究，2017，39(5)：150－154.Wei Liguo, Che Yu, Wang Fengzhu, et al. Design and Experiment of the ground profiling control system of combine header[J]. Agricultural mechanization research,2017, 39(5): 150－154. (in Chinese with English abstract)

[25]楊益興，崔大連，周愛(ài)軍. 模糊自適應(yīng)PID控制Simulink仿真實(shí)現(xiàn)[J]. 艦船電子工程，2010，30(4)：127－130.Yang Yixing, Cui Dalian, Zhou Aijun. Self-adaptive fuzzy PID controller and realizing the control system in simulink environment[J]. Ship Electronic Engineering, 2010, 30(4):127－130. (in Chinese with English abstract)

[26]沈乾坤. 基于PLC的智能PID方法研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安：西安理工大學(xué)，2017.Shen Qiankun.Research and Implementation of Intelligent PID on PLC[D]. Xi’an: Xi￠an University of Technology,2017. (in Chinese with English abstract)

[27]雷曉順，侯帥，秦璇等. 電液比例閥控液壓馬達(dá)系統(tǒng)的模糊PID恒速控制[J]. 流體傳動(dòng)與控制，2016(1)：42－46+49.Lei Xiaoshun, Hou Shuai, Qin Xuani, et al. Electro-hydraulic proportional valve-controlled hydraulic motor system of fuzzy PID constant speed control[J]. Fluid Power Transmission and Control, 2016(1): 42－46+49. (in Chinese with English abstract)

[28]李文華，劉嬌，柴博. 節(jié)能液壓泵模糊PID控制系統(tǒng)研究與仿真[J]. 控制工程，2017，24(7)：1347－1351.Li Wenhua, Liu Jiao, Chai Bo. Research and simulation of energy efficient fuzzy PID control system for hydraulic pump stations[J]. control engineering, 2017, 24(7): 1347－1351. (in Chinese with English abstract)

[29]陳進(jìn)，季園園，李耀明. 基于PLC和觸摸屏的聯(lián)合收割機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器，2014(7)：78－81.Chen Jin, Ji Yuanyuan, Li Yaoming. Monitoring system of combine harvester based on PLC and touch-creen[J].Instrument Technique and Sensor, 2014(7): 78－81. (in Chinese with English abstract)

[30]寧小波. 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則聯(lián)合收獲機(jī)全論域作業(yè)速度自適應(yīng)控制系統(tǒng)[D]. 鎮(zhèn)江：江蘇大學(xué)，2016.Ning Xiaobo. Whole-range Self-adaptive Control System of Combine Harvester Operating Speed Based on Association Rules[D]. Zhenjiang: Jiangsu University, 2016. (in Chinese with English abstract)