玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)的研究

陳 剛，孫宜田，李青龍，何青海，孫永佳，沈景新

(山東省農(nóng)業(yè)機(jī)械科學(xué)研究院，濟(jì)南 250100)

0 引言

玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行作業(yè)可以減少因人工操作不當(dāng)造成的錯(cuò)行、漏收現(xiàn)象，提高作業(yè)質(zhì)量，減小駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度。玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)是玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行控制系統(tǒng)的執(zhí)行單元，本文研究的玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)采用電液比例控制技術(shù)調(diào)節(jié)收獲機(jī)轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，使轉(zhuǎn)向輪快速、穩(wěn)定地達(dá)到給定角度，滿足不同作業(yè)速度下對不同偏轉(zhuǎn)角度的調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對行作業(yè)方向的自校正。

1 系統(tǒng)組成及原理

自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)由控制器、觸摸屏、角度傳感器、分流閥、三位四通電液比例換向閥、單活塞桿液壓缸及轉(zhuǎn)向輪等組成，如圖1所示。其中，分流閥的作用是使通向后輪轉(zhuǎn)向液壓缸的液壓油流量保持恒定。

系統(tǒng)的控制信號(階躍信號)經(jīng)過數(shù)字PID調(diào)節(jié)和PWM模塊轉(zhuǎn)化為PWM電壓信號，電壓信號經(jīng)過比例放大模塊轉(zhuǎn)換及放大并傳遞給電液比例換向閥，通過控制電液比例閥閥芯開度，控制流向液壓缸的液壓油流量，進(jìn)而控制液壓缸活塞桿的速度和位移，最終控制后輪的偏轉(zhuǎn)。角度傳感器將轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)的角度信息動(dòng)態(tài)地檢測并反饋到控制器，構(gòu)成圖2所示的閉環(huán)控制系統(tǒng)[1-2]。

1.觸摸屏 2.控制器 3.三位四通電液比例換向閥 4.分流閥

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以XC3S1200E芯片為核心元件構(gòu)建控制系統(tǒng),主要由檢測電路、驅(qū)動(dòng)電路、通訊電路、報(bào)警電路等組成，如圖3所示。其中，檢測電路實(shí)現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向角度及對行狀態(tài)等信號的采集；驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)比例電磁閥控制信號的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)化和放大；觸摸屏由報(bào)警、通訊等電路組成，主要實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及報(bào)警提示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制流程圖如圖4所示。

圖4 控制流程圖

系統(tǒng)的檢測和觸發(fā)信號為玉米收獲臺上安裝的對行檢測傳感器的反饋信號。系統(tǒng)啟動(dòng)后，首先通過角度傳感器檢測轉(zhuǎn)向輪初始狀態(tài)。若轉(zhuǎn)向輪處于偏轉(zhuǎn)狀態(tài)，則調(diào)節(jié)比例換向閥，使轉(zhuǎn)向輪與機(jī)具前進(jìn)方向平行。當(dāng)對行作業(yè)自校正信號觸發(fā)時(shí)，控制器給比例換向閥通電，采用PID控制方式調(diào)節(jié)比例換向閥的閥芯開度[3]，控制液壓缸活塞桿的位移及速度，使轉(zhuǎn)向輪發(fā)生偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)后，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測的對行檢測傳感器信號來判斷轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度是否達(dá)到要求。若對行檢測傳感器無反饋信號，則轉(zhuǎn)向輪調(diào)節(jié)到位，然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)向輪使其與機(jī)具作業(yè)方向平行，完成1次方向校正過程。

系統(tǒng)控制程序采用LabVIEW編寫，控制程序如圖5所示。

圖5 控制程序圖

3 試驗(yàn)

3.1 系統(tǒng)參數(shù)確定

本系統(tǒng)安裝在4YZP-4D型玉米收獲機(jī)上，將圖1中的機(jī)具轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡化為四邊形機(jī)構(gòu)，如圖6所示。其中，AD為未動(dòng)作時(shí)液壓缸的長度，AB為液壓缸固定端到橋體的垂直距離，BC為液壓缸固定端到橋體垂足與輪胎轉(zhuǎn)向軸之間的距離，DC為液壓缸活動(dòng)端到輪胎轉(zhuǎn)向軸的距離，AE為輪胎偏轉(zhuǎn)后液壓缸的長度。

圖6 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)簡圖

根據(jù)圖6中機(jī)構(gòu)的位置關(guān)系，液壓缸活塞桿移動(dòng)距離L與輪胎轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系為

(1)

(2)

LAE2=LAD2+LDE2-2LAD·LDE·cos∠ADE

(3)

LAD、LDC、∠ADC為已知量，由式(1)～式(3)可以得出

(4)

根據(jù)收獲機(jī)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的工作原理，應(yīng)用AMESim軟件建立如圖7所示的電液比例閥控液壓缸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)模型[4-6]，通過公式(4)可以將活塞桿位移量轉(zhuǎn)換為輪胎偏轉(zhuǎn)角度。對系統(tǒng)進(jìn)行仿真，確定PID參數(shù)的取值范圍，為田間試驗(yàn)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖7 比例閥控系統(tǒng)模型圖

仿真模型的主要參數(shù)為：單活塞液壓缸活塞直徑50mm，活塞桿直徑25mm，液壓缸行程0.15m，流入比例閥流量7.5L/min,比例閥額定電流100mA，比例閥固有頻率50Hz,比例閥阻尼比0.8。其他參數(shù)(如液體黏度系數(shù)、油溫等重要參數(shù))是在常規(guī)狀態(tài)下考慮的，則選用AMESim軟件模型庫提供的首選參數(shù)即可滿足要求。

圖8、圖9分別為Kp=200、Ki=0.1、Kd=0.01時(shí)液壓缸活塞桿位移、速度曲線圖。由圖8、圖9可以看出:系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào)，響應(yīng)時(shí)間越短，控制進(jìn)行得越快，系統(tǒng)的品質(zhì)就越好，但是提高系統(tǒng)快速性的同時(shí)還要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。應(yīng)用AMESim的批處理功能分別對PID的3個(gè)參數(shù)進(jìn)行批處理仿真，觀察參數(shù)的變化對電液比例閥控液壓缸轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制性能的影響，確定PID參數(shù)取值范圍。

圖8 活塞桿位移曲線

圖9 活塞桿速度曲線

Ki和Kd保持不變、Kp取值逐漸增大時(shí)，液壓缸活塞桿位移仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出：Kp取值越大，階躍響應(yīng)時(shí)間越短，活塞桿移動(dòng)速度越快。根據(jù)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)動(dòng)作的時(shí)間要求，Kp取值范圍確定為500～1 000。圖11是Kp和Kd保持不變、Ki不同取值對活塞桿位移加速度的影響由圖11所示。由圖11可以看出：Ki取值為0.1時(shí)，系統(tǒng)振蕩時(shí)間較長，穩(wěn)定性差，ki取值范圍確定為0.5～2。Kp和Ki保持不變，Kd不同取值對活塞桿位移加速度的影響如圖12所示。由圖12可以看出：Kd值為0.001、0.01時(shí)，超調(diào)量較大且系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，Kd取值范圍確定為0.1～10。

圖10 (Ki和Kd不變)活塞桿位移仿真曲線

圖11 (Kp和Kd不變)活塞桿加速度仿真曲線

圖12 (Kp和Ki不變)活塞桿加速度仿真曲線

3.2 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)區(qū)玉米無嚴(yán)重倒伏，玉米行距為32～47cm，株距為11～31cm。試驗(yàn)分別在4YZP-4D型玉米收獲機(jī)6、7、8km/h等3個(gè)擋位作業(yè)速度下進(jìn)行試驗(yàn)，每次試驗(yàn)測試距離為1 000m。試驗(yàn)過程以試驗(yàn)距離內(nèi)收獲機(jī)自動(dòng)對行方向校正失效次數(shù)N為衡量參數(shù)。

根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)，影響對行方向校正效果的因素主要是轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度大小、偏轉(zhuǎn)速度及機(jī)具作業(yè)速度，而轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度大小和偏轉(zhuǎn)速度受PID參數(shù)的影響。因此，采用標(biāo)準(zhǔn)的四因素三水平的正交試驗(yàn)表，制定試驗(yàn)方案，如表1所示。4個(gè)因素分別為Kp(A)、Ki(B)、Kd(C)、作業(yè)速度v(D)，PID參數(shù)值在仿真結(jié)果確定的參數(shù)范圍內(nèi)選取。

表1 因素水平表

試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。其中，極差R表明各因素水平對試驗(yàn)結(jié)果的影響情況。R越大，表明該因素水平的變化對試驗(yàn)結(jié)果影響顯著，故極差最大的因素為主要影響因素。分析極差大小關(guān)系可知：各因素水平對試驗(yàn)結(jié)果影響的主次順序?yàn)镈、A、C、B。就單個(gè)因素而言，因素A對結(jié)果的影響順序?yàn)锳1、A3、A2(A1與A3相同)，因素B對結(jié)果的影響順序?yàn)锽3、B2、B1，因素C對結(jié)果的影響順序?yàn)镃3、C1、C2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表2

試驗(yàn)表明：作業(yè)速度v對試驗(yàn)結(jié)果影響最大，參數(shù)Kp次之，參數(shù)Ki、Kd對試驗(yàn)結(jié)果的影響較小。在PID參數(shù)為KP=800、Ki=0.5、Kd=0.1及作業(yè)速度為7km/h時(shí)，該自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)控制效果最好。

根據(jù)人工對行作業(yè)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)具作業(yè)速度越快，轉(zhuǎn)向輪調(diào)節(jié)速度也越快，因此控制系統(tǒng)中不同的PID控制參數(shù)需要與不同的作業(yè)速度相匹配。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，忽略次要因素，分析參數(shù)Kp與作業(yè)速度v的匹配關(guān)系，如圖13所示。

圖13 v與Kp的匹配關(guān)系

1)KP=500時(shí)，作業(yè)速度越快，轉(zhuǎn)向輪調(diào)節(jié)需要的時(shí)間越短，控制參數(shù)Kp與作業(yè)速度v的匹配性越差，導(dǎo)致方向校正失效次數(shù)增多。由圖13可以看出：v=6km/h時(shí)，方向校正失效次數(shù)最少，因此試驗(yàn)機(jī)具低速作業(yè)時(shí)，KP取值為500比較合適。

2)KP=800、作業(yè)速度為7km/h時(shí)，方向校正失效次數(shù)最少。由圖13可以看出：試驗(yàn)機(jī)具在低擋位或高擋位作業(yè)時(shí)，Kp與作業(yè)速度的匹配性都比較差。KP=800時(shí)，適合試驗(yàn)機(jī)具在中等作業(yè)速度下進(jìn)行自動(dòng)對行作業(yè)。

3)KP=1 000、作業(yè)速度為6km/h時(shí)，方向校正失效次數(shù)最多；作業(yè)速度為7km/h、8km/h時(shí)，方向校正失效次數(shù)相等。因此，參數(shù)取KP=1 000時(shí)，比較合適試驗(yàn)機(jī)具在中高速擋位下作業(yè)。

4 結(jié)論

本文研究的玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行方向自校正系統(tǒng)采用PID算法控制比例換向閥，實(shí)現(xiàn)了玉米收獲機(jī)自動(dòng)對行方向校正過程的實(shí)時(shí)閉環(huán)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)以4YZP-4D型玉米收獲機(jī)為載體，田間試驗(yàn)表明：PID參數(shù)為KP=800、Ki=0.5、Kd=0.1，以及作業(yè)速度為7km/h時(shí)，系統(tǒng)控制效果最好。該系統(tǒng)還需要在不同型號收獲機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，不斷優(yōu)化控制參數(shù)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)。相信該系統(tǒng)能夠得到推廣和應(yīng)用，屆時(shí)將大大降低收獲作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度，提高收獲質(zhì)量和效率。