聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

周冬冬 金誠(chéng)謙 倪有亮

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)聯(lián)合收獲機(jī)調(diào)整割臺(tái)高度實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性差的問(wèn)題，提出1種基于模糊邏輯算法來(lái)控制割臺(tái)高度的方法。通過(guò)研究割臺(tái)角位移測(cè)試原理，建立割臺(tái)高度測(cè)試模型。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)基于割臺(tái)高度模型的聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度模糊控制系統(tǒng)。對(duì)改裝的星光至尊型試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行割臺(tái)高度自動(dòng)控制田間試驗(yàn)，結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，且能較為準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地調(diào)整割臺(tái)高度，使其達(dá)到設(shè)定范圍。

關(guān)鍵詞：聯(lián)合收獲機(jī);割臺(tái)高度;模糊控制;田間試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：S225 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號(hào)：1002-1302（2019）13-0264-04

研制性能優(yōu)越、自動(dòng)化程度高的聯(lián)合收獲機(jī)將成為當(dāng)今農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中一個(gè)重點(diǎn)研究方向。聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，往往因割臺(tái)高度調(diào)整不當(dāng)，可能使谷物割茬高度過(guò)高或過(guò)低，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致聯(lián)合收獲機(jī)出現(xiàn)漏割、錯(cuò)割以及割臺(tái)鏟土等情況，影響收獲谷物的質(zhì)量與聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)的質(zhì)量和效率，嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致機(jī)器故障，不能繼續(xù)進(jìn)行收獲作業(yè)。因此，研究割臺(tái)高度智能控制系統(tǒng)尤為重要。

在此之前，有許多研究者研究模糊控制技術(shù)在聯(lián)合收獲機(jī)上的應(yīng)用，如倪軍等設(shè)計(jì)脫粒滾筒自調(diào)整模糊控制器，通過(guò)仿真試驗(yàn)表明，所設(shè)計(jì)的自調(diào)整模糊控制器具有良好的動(dòng)態(tài)性與較強(qiáng)的適應(yīng)性[1]。陳進(jìn)等以切縱流聯(lián)合收獲機(jī)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)1種基于聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度的模型參考模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)，通過(guò)田間水稻收獲試驗(yàn)表明，其所設(shè)計(jì)的模糊自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)的自適應(yīng)控制，提高田間收獲效率[2-3]。介戰(zhàn)等設(shè)計(jì)全球定位系統(tǒng)（GPS）聯(lián)合收獲機(jī)模糊控制器，田間試驗(yàn)結(jié)果雖然未取得較為理想的效果，但為后來(lái)學(xué)者研究喂入量模糊控制奠定了基礎(chǔ)[4]。除此之外，尤惠媛等設(shè)計(jì)聯(lián)合收獲機(jī)脫粒滾筒與喂入量的模糊控制系統(tǒng)，均取得了較為理想的結(jié)果[5-6]。

本研究在分析上述模糊控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度模糊控制技術(shù)，通過(guò)研究割臺(tái)高度角位移測(cè)試原理（地面對(duì)割臺(tái)的作用力轉(zhuǎn)換為角位移傳感器電壓），建立割臺(tái)高度測(cè)試模型、闡述當(dāng)量割臺(tái)高度測(cè)試方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度模糊控制系統(tǒng)，進(jìn)行田間試驗(yàn)驗(yàn)證割臺(tái)高度模糊控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。

1 割臺(tái)高度實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)

割臺(tái)高度是割臺(tái)自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要參數(shù)。聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，割臺(tái)高度能實(shí)時(shí)、在線檢測(cè)就會(huì)使割茬高度控制在一定合理范圍，進(jìn)而降低割臺(tái)損失率，提高收獲效率與作業(yè)質(zhì)量。

割臺(tái)高度的控制通常采用手工控制液壓閥門操縱液壓油缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)控制割臺(tái)高度就是在此基礎(chǔ)上再增設(shè)傳感機(jī)構(gòu)、液壓電磁閥和電氣控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。其原理為傳感器機(jī)構(gòu)檢測(cè)割臺(tái)高度，當(dāng)檢測(cè)到割臺(tái)高度大于或小于設(shè)定范圍時(shí)，電氣控制系統(tǒng)下達(dá)指令控制液壓電磁閥左或右繼電器通電，液壓缸回油或進(jìn)油，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)割臺(tái)高度降低或升高，最終割臺(tái)高度達(dá)到設(shè)定范圍。一些學(xué)者研究了割臺(tái)高度的測(cè)試方法，其中較為突出的是基于超聲波測(cè)距傳感器[7-9]、磁吸式傳感機(jī)構(gòu)[10-11]、觸點(diǎn)式傳感機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)試割臺(tái)高度[12-13]。

為了實(shí)時(shí)測(cè)試聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)的高度，可通過(guò)割臺(tái)高度傳感器靜態(tài)標(biāo)定、臺(tái)架目標(biāo)割臺(tái)高度標(biāo)定試驗(yàn)，研究割臺(tái)高度、角位移傳感器的電壓之間的關(guān)系。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立割臺(tái)高度測(cè)試的數(shù)學(xué)模型。因此，采用臺(tái)架標(biāo)定割臺(tái)角位移傳感器電壓測(cè)試割臺(tái)高度，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以此模型進(jìn)行割臺(tái)高度的測(cè)試與轉(zhuǎn)換（當(dāng)量割臺(tái)高度），既可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度的實(shí)時(shí)測(cè)試，又可以進(jìn)一步對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，以保證聯(lián)合收獲機(jī)作業(yè)時(shí)，割臺(tái)高度控制在合理范圍內(nèi)。

2 割臺(tái)高度模型的建立

采用角位移傳感器來(lái)檢測(cè)割臺(tái)高度，其檢測(cè)原理為地面與割臺(tái)之間的高度與地面作用于仿形板的壓力成反比，即割臺(tái)距離地面的高度越高，其受到地面的作用力越小。地面對(duì)割臺(tái)仿形板的壓力轉(zhuǎn)換為角位移傳感器的角度，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苽鞲衅鞯碾妷?，最終轉(zhuǎn)換為割臺(tái)高度。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)標(biāo)定試驗(yàn)，建立割臺(tái)高度、角位移傳感器電壓的數(shù)學(xué)模型y=33.33x-23.64[y為當(dāng)量割臺(tái)高度（mm），x為角位移傳感器電壓（V）]。

3 割臺(tái)高度模糊控制策略

聯(lián)合收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，收獲作物狀態(tài)、地形狀況等是隨機(jī)變化的，對(duì)于影響割臺(tái)高度的因素，很難建立一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型。田間作業(yè)時(shí)的聯(lián)合收獲機(jī)是一個(gè)非線性、大延時(shí)的復(fù)雜系統(tǒng)，很難采用經(jīng)典的控制理論與技術(shù)對(duì)割臺(tái)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，應(yīng)用模糊控制是解決這一問(wèn)題的較好途徑。

3.1 模糊控制原理

對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制的方法有多鐘，采用控制液壓電磁閥左右繼電器通電時(shí)間最為便捷可靠，液壓電磁閥是實(shí)施割臺(tái)高度控制有效的執(zhí)行部件[14-15]。

對(duì)聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度實(shí)施模糊控制時(shí)，應(yīng)用割臺(tái)高度角位移傳感器電壓測(cè)試原理和當(dāng)量割臺(tái)高度測(cè)試模型，采用割臺(tái)高度傳感器采集收獲機(jī)實(shí)際作業(yè)時(shí)割臺(tái)距離地面的瞬時(shí)高度，并與控制系統(tǒng)設(shè)定的割臺(tái)高度期望值（目標(biāo)高度）進(jìn)行比較，得到割臺(tái)高度的偏差以及偏差變化率;經(jīng)模糊控制器的模糊推理、判斷運(yùn)算、控制輸出等環(huán)節(jié)，通過(guò)控制液壓電磁閥左右繼電器通電時(shí)間對(duì)割臺(tái)作業(yè)高度（當(dāng)量高度）進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。其工作原理如圖1所示。

圖1中e為割臺(tái)高度偏差[16];E、Ec分別為割臺(tái)高度偏差和偏差變化率的模糊變量;u為模糊控制器的控制輸出，即液壓電磁閥的左右繼電器通電時(shí)間;y為控制系統(tǒng)輸出，經(jīng)標(biāo)定和變換后即為實(shí)際割臺(tái)高度Q′（即當(dāng)量割臺(tái)高度）。模糊控制器控制聯(lián)合收獲機(jī)工作在所設(shè)定的割臺(tái)高度Q范圍內(nèi)。

3.2 割臺(tái)高度偏差和偏差變化率的隸屬度

若大豆聯(lián)合收獲機(jī)設(shè)定割臺(tái)高度Q為85 mm，擬控制精度為±20 mm，割臺(tái)高度偏差e的基本論域?yàn)閇-2，2];對(duì)于模糊控制器的輸入量偏差E與偏差的變化率Ec[17]，考慮都在論域中取{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}這11個(gè)元素中，并且都取{PB，PM，PS，ZO，NS，NM，NB}這7個(gè)模糊量，則有相應(yīng)的模糊量的隸屬度函數(shù)（表1）。

3.3 模糊控制規(guī)則

根據(jù)多個(gè)因子的模糊模型，控制量U=TE+（1-T）Ec，式中：T是加權(quán)因子[18-20]，當(dāng)偏差E較小時(shí)，對(duì)偏差變化率Ec的加權(quán)大于對(duì)偏差E的加權(quán)，以利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性;當(dāng)偏差E較大時(shí)，對(duì)偏差E的加權(quán)大于對(duì)偏差變化率Ec的加權(quán)，以利于提高系統(tǒng)的響應(yīng)[21-24]。其模型機(jī)構(gòu)如下：

經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)驗(yàn)室、田間試驗(yàn)，T1、T2、T3、T4、T5、T6分別取0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7。模糊控制器的輸出為上式絕對(duì)值進(jìn)一法取整數(shù)，系統(tǒng)有穩(wěn)定的控制輸出，得到的模糊控制規(guī)則如表2所示。

4 田間試驗(yàn)

為了實(shí)施大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度的模糊控制，在安徽濉溪縣的一處農(nóng)場(chǎng)，以星光至尊大豆聯(lián)合收獲機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)研制的割臺(tái)高度智能控制系統(tǒng)進(jìn)行田間試驗(yàn)。

4.1 樣機(jī)的改裝

將星光至尊大豆聯(lián)合收獲機(jī)使用的手動(dòng)單回路液壓控制改為由電磁閥手自動(dòng)一體的雙回路液壓控制，且手動(dòng)控制優(yōu)于自動(dòng)控制，并安裝了屏幕顯示系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)顯示當(dāng)前割臺(tái)高度。

4.2 試驗(yàn)條件

此次田間試驗(yàn)中，按照GB 8097—1987《谷物收獲機(jī)械 試驗(yàn)方法》中的有關(guān)規(guī)定與要求，進(jìn)行田間情況調(diào)查即試驗(yàn)區(qū)大豆底莢高度的測(cè)定。試驗(yàn)地大豆品種為冀豆17號(hào)，不倒伏，底莢平均高度為150 mm，籽粒含水率為15%～26%。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

在田間試驗(yàn)中，大豆聯(lián)合收獲機(jī)收獲的面積較大，地塊分散，因此物料狀況有較大差異。根據(jù)不同地塊長(zhǎng)短以及大豆長(zhǎng)勢(shì)情況，選擇測(cè)區(qū)長(zhǎng)度為100 m，并設(shè)置5 m的緩沖區(qū)。大豆聯(lián)合收獲機(jī)前進(jìn)速度為一擋，即0.95～1.69 m/s，割幅為2.3 m。設(shè)定目標(biāo)割臺(tái)高度為85 mm，用秒表計(jì)時(shí)，當(dāng)聯(lián)合收獲機(jī)行駛完100 m時(shí)停止計(jì)時(shí)，測(cè)區(qū)收獲大豆所用時(shí)長(zhǎng)為79.97 s，為便于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理與轉(zhuǎn)換，所用時(shí)長(zhǎng)四舍五入為80 s。

大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度智能監(jiān)控儀表實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)記錄見表3所示，根據(jù)表格數(shù)據(jù)繪制如圖2所示的系統(tǒng)反饋信號(hào)曲線。

為驗(yàn)證顯示屏上所顯示的割臺(tái)高度以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，在100 m測(cè)區(qū)內(nèi)每隔5 m取1次留茬高度。其數(shù)據(jù)如表4所示。

為便于對(duì)比系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與實(shí)時(shí)性繪制如圖3所示的留茬高度模擬曲線。

4.4 試驗(yàn)分析

由圖2、圖3可以看出，其變化趨勢(shì)近乎相同，表明系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性。通過(guò)表3、表4試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合圖2、圖3的變化趨勢(shì)對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)其最大誤差為4 mm，最大誤差率為4.5%，表明系統(tǒng)具有較好的準(zhǔn)確性。

可以看出，大部分?jǐn)?shù)據(jù)在84到90之間浮動(dòng)，表明系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。在模糊控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，擬控制精度為 ±20 mm，由圖2看出其最大變化范圍為（-2，9），則表明系統(tǒng)能很好地達(dá)到控制要求。

5 結(jié)論

本研究針對(duì)傳統(tǒng)大豆聯(lián)合收獲機(jī)割臺(tái)高度調(diào)整存在實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性較差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了1套模糊控制系統(tǒng)。通過(guò)進(jìn)行田間驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比分析，得出所建立的割臺(tái)高度模型較為準(zhǔn)確，設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，達(dá)到了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。但本研究具有一定的局限性，所設(shè)計(jì)的模糊控制系統(tǒng)對(duì)于大豆收獲機(jī)適用，但對(duì)于稻麥等其他谷物收獲機(jī)是否適用有待驗(yàn)證。

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