葡萄防寒布平整卷收速度控制系統設計與試驗

牛 叢，徐麗明，袁全春，馬 帥，閆成功，趙詩建

葡萄防寒布平整卷收速度控制系統設計與試驗

牛 叢，徐麗明※，袁全春，馬 帥，閆成功，趙詩建

（中國農業(yè)大學工學院，北京 100083）

針對中國新疆地區(qū)葡萄防寒布平整卷收難的問題，該研究分析了防寒布平整卷收原理，并設計了葡萄防寒布平整卷收速度控制系統。該系統可自動檢測防寒布的卷收狀態(tài)，在平整卷收狀態(tài)時采用增量式PID算法輸出PWM（Pulse Width Modulation）信號，基于機具前進速度和布輥半徑實現防寒布卷收速度的實時調節(jié)；在偏斜卷收狀態(tài)時通過調節(jié)卷布輥軸轉速改變卷布輥軸實時轉速相對于目標轉速的超前或滯后關系，使防寒布恢復平整卷收狀態(tài)。通過在Simulink中建立電機PID控制模型進行仿真。通過直流電機轉速靜態(tài)標定試驗得到電機轉速與PWM信號占空比的對應關系。防寒布自動調偏性能試驗驗證了本文方法的可行性，優(yōu)化得到激光開關傳感器與防寒布邊緣的距離為20 mm。由直流電機轉速調節(jié)性能試驗對仿真試驗結果進行校驗，得到優(yōu)化后的穩(wěn)態(tài)響應時間約為0.4 s，響應延遲約為0.1 s。田間試驗結果表明，防寒布卷收平整度均大于90%，平均為92.78%，滿足防寒布卷收作業(yè)要求。研究結果可為葡萄防寒布回收機的設計與優(yōu)化提供技術參考。

農業(yè)機械；設計；自動化；葡萄；防寒布回收；PID控制；自動調偏

0 引 言

中國北方葡萄產區(qū)冬季寒冷干燥且多風，容易造成葡萄藤凍害和風干[1-3]。新疆地區(qū)部分葡萄園改變傳統的埋土防寒模式，冬季采用防寒布輔助埋土防寒，該模式的防寒效果和清土作業(yè)難度均優(yōu)于直接埋土防寒[4-6]。

根據前期研究[7]，防寒布輔助埋土防寒模式處于推廣應用初期，春季清土作業(yè)模式不完善[8-11]，清土與防寒布回收機[7,12-14]發(fā)展不成熟，防寒布回收裝置作業(yè)時卷布輥軸轉速難以匹配機具前進速度和布輥半徑的變化造成防寒布平整卷收困難，同時防寒布受力不均勻、變形等干擾防寒布的卷收狀態(tài)，從而影響防寒布的卷收質量。紡織機械[15]中采用變量控制技術實現織物恒張力或恒線速調節(jié)，如朱耀麟等[16]采用S型曲線速度算法實時控制紡紗機轉速，解決了傳動機械結構導致的紗線斷裂問題。PID控制技術作為變量控制中常用的技術手段在各領域具有廣泛的應用，Varshney等[17]采用傳統PID控制算法和模糊PID算法比較了無刷直流電機在變載時的動態(tài)速度響應情況。Sui等[18]采用PID控制算法調節(jié)三相變頻調速電機的轉速將吸收性縫線的張力誤差控制在±0.1 N范圍內；Park等[19]在建筑3D打印模擬器的噴嘴系統中采用PID控制算法對硅材料實行勻速噴淋。韓豹等[20]采用PID控制算法實現了大豆苗間除草部件松土深度的穩(wěn)定控制，降低了傷苗率和埋苗率；任玲等[21]采用模糊PID控制技術對兩項混合式步進電機的角速度進行控制，達到了自動取苗機械手的定位精度要求。變量控制技術是解決防寒布平整卷收速度控制問題的有效手段，但在該領域的研究應用較少。

本文針對防寒布平整卷收難的問題，根據平整卷收原理，設計平整卷收速度控制系統，通過仿真試驗對控制系統關鍵參數進行優(yōu)化，通過田間試驗測試控制系統的作業(yè)性能。旨在為后續(xù)葡萄防寒布回收機的設計提供技術參考。

1 葡萄防寒布平整卷收原理

葡萄防寒布機械回收以卷收為主，主要分為平行卷收和傾斜卷收2種方式，前者卷布輥軸位于土壟正上方，其軸線與防寒布邊緣垂直；后者依靠防寒土的流動性使防寒布卷收方向與前進方向保持一定夾角，實現換向傾斜卷收。本文以傾斜卷收的防寒布為研究對象，對其平整卷收原理進行分析。平行卷收是傾斜卷收的極限狀態(tài)（=0），因此所研究內容同樣適用。根據葡萄防寒布卷收要求，當卷收寬度接近防寒布寬度時卷收質量較高，認為防寒布處于平整狀態(tài)（即理想狀態(tài)）；反之，在外部因素干擾下，防寒布卷收寬度超出預設值，則認為防寒布處于偏斜狀態(tài)，需要通過調偏恢復平整狀態(tài)以保證卷收質量。

1.1 理想狀態(tài)的平整卷收原理

防寒布傾斜卷收如圖1所示，初始時防寒布邊緣垂直于卷布輥軸并固定于其上，布輥外周線速度1為

1=2π（1）

當卷布輥軸轉速為0、機具前進速度不為0時，以卷布輥軸為參考，卷布輥軸將防寒布從土壟中拉扯出來而不卷收。增大，減小，防寒布向卷布輥軸左側偏斜，如圖1中1所示，點以速度沿機具前進反方向遠離卷布輥軸，1點與點之間新增距離為

當機具前進速度為0、卷布輥軸轉速不為0時，卷布輥軸將防寒布從土壟中拉扯出來并卷收。減小，增大，防寒布向卷布輥軸右側偏斜，如圖1中2所示，點以速度1沿機具前進方向靠近卷布輥軸，點與點之間減小距離為

1.布輥 2.卷布輥軸 3.防寒土 4.防寒布

1.Cloth roll 2.Shaft of cloth roller 3.Cold-proof soil 4.Cold-proof cloth

注：為卷布輥軸半徑，mm；為布輥半徑，mm；為卷布輥軸轉速，r·s-1；為機具前進速度，m·s-1；、1和2分別為平整、左偏和右偏狀態(tài)的防寒布；、′和″分別為、1和2狀態(tài)下防寒布下部恰好離開底部葡萄藤與地面的位置；為防寒布恰好接觸布輥的位置；、′和″分別為、1和2狀態(tài)下點與點之間的距離，mm；、′和″為、1和2狀態(tài)下防寒布與機具前進方向夾角，(°)。

Note:is the radius of the shaft of cloth roller, mm;is the radius of the cloth roll, mm;is the rotation speed of the shaft of cloth roller, r·s-1;is the forward speed of the machine, m·s-1;,1and2are respectively the cold-proof cloth with the smooth state, left offset state and right offset state;,′and″are respectively the positions of the lower part of the cold-proof cloth right away from the bottom grapevine and the ground under the states of,1and2;is the position where the cold-proof cloth just touches the cloth roll;,′and″are respectively the distances between pointsandunder the states of,1and2, mm;,′and″are respectively the angles between the cold-proof cloth and the forward direction of the machine under the states of,1and2, (°).

圖1 防寒布傾斜卷收示意圖

Fig.1 Schematic diagram of cold-proof cloth slanted winding

當機具前進速度與布輥外周線速度1相等且均不為0時，點距離卷布輥軸保持不變。為常數，不變，防寒布邊緣始終垂直于卷布輥軸，可實現防寒布平整穩(wěn)定卷收，即防寒布平整穩(wěn)定卷收時卷布輥軸轉速為

1.2 偏斜狀態(tài)的自動調偏原理

偏斜狀態(tài)的自動調偏包括防寒布偏斜狀態(tài)檢測與防寒布糾偏2個方面。

1.2.1 防寒布偏斜狀態(tài)檢測

防寒布偏斜狀態(tài)檢測主要基于激光開關傳感器[22]和防寒布在不同偏斜狀態(tài)下的位置特征，如圖2所示，根據防寒布卷收發(fā)生偏斜時的位置變化，將2個激光開關傳感器1、1分別設置在平整卷收的防寒布上方左右兩端，在防寒布法線方向上始終與防寒布保持一定距離，該距離小于激光開關傳感器的有效檢測距離，在水平橫向上與防寒布邊緣保持一定距離（后文簡稱“安裝距離”）。

首先，假定激光開關傳感器在其有效檢測距離范圍內發(fā)射的激光束被遮擋時表示能夠檢測到防寒布，以0表示，反之則以1表示。當防寒布平整卷收時，激光開關傳感器1和1均能檢測到防寒布，二者反饋值均為0；當防寒布發(fā)生左偏時，激光開關傳感器1和1的反饋值分別為0和1，右偏時則相反。激光開關傳感器1和1的反饋值共同反映了防寒布的卷收狀態(tài)。

1.卷布輥軸 2.防寒布 3.激光開關傳感器14.激光開關傳感器1

1.Shaft of cloth roller 2.Cold-proof cloth 3.Laser switch sensor14.Laser switching sensor1

注：為激光開關傳感器與防寒布邊緣之間的距離，簡稱安裝距離，mm。下同。

Note:is the distance between laser switching sensor and the edge of the cold-proof cloth, referred to as the mounting distance, mm. The same below.

圖2 防寒布偏斜狀態(tài)檢測原理示意圖

Fig.2 Schematic diagram of detection principle of cold-proof cloth deflection state

1.2.2 防寒布糾偏

根據公式（4）計算防寒布平整卷收時卷布輥軸的目標轉速，結合1.1節(jié)分析可知改變布輥外周線速度與機具前進速度的相對關系即改變卷布輥軸實時轉速與目標轉速的相對關系，既可以防止防寒布偏斜以保持平整卷收，也可以使防寒布向某一方向主動發(fā)生偏斜，進而使偏斜的防寒布恢復平整狀態(tài)，實現糾偏。

激光開關傳感器與防寒布邊緣之間的距離（安裝距離）影響調偏響應時間和頻率。安裝距離越小，調偏頻率越高，單次調偏時間相對越短，防寒布在卷收過程中越容易發(fā)生皺縮；反之，調偏頻率越低，調偏時間相對越長，防寒布偏斜程度越大，卷收質量越差。因此，安裝距離既不能過大也不能過小，需要通過試驗確定。

2 防寒布平整卷收速度控制系統

依據上述原理設計防寒布平整卷收速度控制系統，包括葡萄防寒布卷收裝置結構、控制系統硬件和軟件設計。

2.1 防寒布卷收裝置結構

2.1.1 總體結構

防寒布卷收裝置主要由機架、卷布機構、布輥測速機構、偏斜狀態(tài)檢測機構、測速地輪、限深輪等組成，如圖3所示，主要技術參數如表1所示。該裝置通過三點懸掛與拖拉機連接，直流電機與減速器相連，減速增扭后驅動卷布輥軸轉動卷收防寒布。卷布機構的豎直角度和水平角度可調，可實現防寒布傾斜卷收或平行卷收；布輥測速機構采用齒輪嚙合原理，通過測量測速橡膠輪外周線速度測量布輥外周線速度和半徑。偏斜狀態(tài)檢測機構利用2個激光開關傳感器檢測防寒布的邊緣位置變化以檢測防寒布的偏斜狀態(tài)。測速地輪在扭簧作用下緊貼地面，可準確測量機具前進速度。限深輪安裝在機架右側，控制作業(yè)高度。電瓶為12 V直流電源，為直流電機、直流電機驅動器以及控制系統供電；直流電機驅動器根據PWM（Pulse Width Modulation）信號調節(jié)直流電機轉速，適應機具前進速度和布輥半徑的變化。

表1 防寒布卷收裝置主要技術參數

2.1.2 布輥測速機構

由于防寒布的拉伸特性，其厚度隨受力會產生變化，且防寒布表面附著土壤顆粒，導致布輥半徑變化不具有規(guī)律性，同時防寒布卷收作業(yè)在中斷重啟后布輥半徑是未知的，而布輥外周線速度和實時半徑是防寒布卷收速度控制的重要參數，因此布輥測速機構需要實時測量布輥半徑和外周線速度。

布輥測速機構采用編碼器輔助的機械測距方式測量布輥實時半徑，結構如圖4a所示，根據齒輪嚙合原理，測速橡膠輪與布輥相切處線速度相等，如圖4b和圖4c所示，測速橡膠輪半徑1保持不變，測速橡膠輪轉速1由編碼器II實時測得，由式（5）計算測速橡膠輪外周實時線速度1，即可獲得布輥外周實時線速度為

1.固定架 2.彈簧 3.測速支架 4.編碼器II 5.安裝架 6.測速橡膠輪 7.橡膠輪軸 8.布輥

1.Fixed bracket 2.Spring 3.Speed measurement bracket 4.Encoder II 5.Mounting bracket 6.Speed measurement rubber wheel 7.Rubber wheel shaft 8.Cloth roll

注：軸為水平面內平行于布輥軸線的方向；軸為水平面內垂直于布輥軸線的方向；軸為豎直平面內垂直于布輥軸線的方向；I、II分別為布輥測速機構在布輥半徑較小和較大時的位置；為測速支架繞固定架轉動的鉸接點；1、1分別為位置I和II處安裝架繞測速支架轉動的鉸接點；1為測速橡膠輪半徑，mm；、分別為位置I和II處布輥的半徑，mm；1、2分別為位置I和II處測速橡膠輪的轉速，r·s-1；、分別為位置I和II處測速支架對安裝架的作用力，N；y、y分別為和沿軸的分力，N。

Note:-axis is the direction parallel to the axis of cloth roll in the horizontal plane;-axis is the direction perpendicular to the axis of cloth roll in the horizontal plane;-axis is the direction perpendicular to the axis of cloth roll in the vertical plane; I and II are respectively the positions of the cloth roll speed measurement mechanism when the radius of the cloth roll is small and large;is the joint point at which the speed measurement bracket rotates around the fixed bracket;1and1are respectively the joint point at position I and II where the mounting bracket rotates around the speed measurement bracket;1isthe radius of the speed measurement rubber wheel, mm;andare respectively the radius of the cloth roll at position I and II, mm;1and2are respectively the rotation speed of the speed measurement rubber wheel at position I and II, r·s-1;andare respectively the forces exerted by the speed measurement bracket on the mounting bracket at position I and II, N;yandyare respectively the components ofandalong the-axis, N.

圖4 布輥測速機構結構與工作原理

Fig.4 Structure and working principle of cloth roll speed measurement mechanism

布輥轉速即卷布輥軸轉速由編碼器III測得，聯合式（5）可求得布輥實時半徑為

由圖4a和圖4b可知，當布輥外徑由增大到′，測速支架在彈簧拉力作用下繞鉸接點順時針轉動，安裝架受測速支架作用力貼緊布輥表面，安裝架繞鉸接點1轉動，雙排測速橡膠輪對稱結構提供雙支點，保證測速橡膠輪均與布輥相切且橡膠輪軸始終平行于布輥軸。由圖4a和圖4c可知，每排測速橡膠輪與布輥呈穩(wěn)定的三角結構，當布輥外徑由增大到?，安裝架受測速支架作用力F使兩個測速橡膠輪內側同時與布輥相切，相比于單輪結構，可有效防止測速橡膠輪打滑或脫離布輥，提高測速的準確性。

2.2 控制系統硬件

控制系統結構如圖所5示，硬件組成包括控制器、檢測模塊、測速模塊、執(zhí)行機構、電源模塊?？刂破鬟x用STM32f103單片機（72 M主頻，100引腳，供電電源DC5 V，I/O引腳輸入電壓3.3 V），具有4個通用定時器、2個高級定時器和2個基本定時器，滿足定時、計數脈沖和輸出PWM信號的功能要求。檢測模塊選擇M18漫反射型激光開關傳感器，工作電壓DC10～30 V；感應距離50 cm內可調；激光束可見，帶有動作指示燈；NPN常開型，輸出開關量信號，檢測到物體時輸出低電平。測速模塊選用E6B2-CWZ3E增量式光電旋轉編碼器，脈沖為1000 P/R，通過記錄設定時間內編碼器脈沖數計算轉速。執(zhí)行機構包括直流無刷電機、減速器和直流電機驅動器,選用57BL115S21直流無刷電機（電壓DC24 V，額定功率210 W，額定轉矩0.7 N·m，額定轉速3 000 r/min），減速器減速比為1:20，減速增扭；選用ZM-6615驅動器，可外接PWM信號驅動直流無刷電機調速。電源模塊包括12 V直流電源、12 V轉5 V降壓模塊、12 V轉3.3 V光耦隔離轉換模塊和12 V轉24 V升壓模塊，拖拉機自帶電瓶為12 V直流電源，可直接為激光開關傳感器供電。

2.3 控制系統軟件

依據防寒布平整卷收原理對控制系統進行設計。首先對防寒布的卷收狀態(tài)進行檢測，然后根據卷收狀態(tài)采用相應的控制方法調節(jié)卷布輥軸轉速，具體控制流程如圖6所示。防寒布不同卷收狀態(tài)對應激光開關傳感器的不同動作狀態(tài)，向控制器的I/O引腳輸入不同的開關量信號，控制器循環(huán)掃描I/O引腳的電平狀態(tài)，獲得激光開關傳感器1、1的順序反饋值，進而判定防寒布的卷收狀態(tài)。平整卷收狀態(tài)時采用PID控制算法調節(jié)卷布輥軸轉速，控制框圖如圖7所示，控制器根據TIM2、TIM3和TIM4記錄并存儲的各編碼器脈沖數計算卷布輥軸理論轉速和實時轉速，并將其作為增量式PID控制算法的輸入量進行計算并輸出PWM信號，控制直流電機調速。偏斜卷收狀態(tài)時控制器根據激光開關傳感器1、1的順序反饋值獲得防寒布偏斜狀態(tài)起始信號和偏斜方向，然后依次等量減小或增大PWM信號占空比，以驅動電機調速，每次占空比更新前判斷防寒布偏斜狀態(tài)，直至防寒布由偏斜狀態(tài)調整為平整狀態(tài)。

3 基于Simulink的PID參數仿真

3.1 電機函數與PID控制模型建立

葡萄防寒布平整卷收的速度控制系統實質上是無刷直流電機的轉速控制，采用增量式PID控制算法，關鍵在于PID參數的整定[23-24]。無刷直流電機以電樞電壓和轉速作為電機的輸入量和輸出量，假設直流無刷電機的工作在理想狀態(tài)下，則電機平衡方程[25-26]為

式中0為電樞電壓，V；為電樞電感，mH；為電樞電流，A；0為線電阻，Ω；k為反電勢常數，V·s/rad；0為電機轉速，r/min；T為電機電磁力矩，N·m；為轉子慣量，kg·m2；T為負載力矩，N·m。

根據式（7）并參考文獻[25-26]，可得直流電機微分方程為

式中T為電磁時間常數，ms；T為機械時間常數，ms。對式（8）進行拉式變換可得電機傳遞函數為

式中為復數變量，無量綱。

代入57BL115S21直流無刷電機[27]的技術參數（表2）可得電機函數模型如式（10）所示。

表2 57BL115S21直流無刷電機技術參數

在Simulink中建立電機PID控制模型，如圖8所示。

3.2 仿真分析

在Simulink中依次改變比例、積分和微分系數進行仿真，以獲取較優(yōu)的PID控制參數組合，為PID參數的實際整定提供參考。

首先，設置不同的比例系數K，保持積分系數K和微分系數K為0，輸入幅值為1的階躍響應信號[23,28-29]，得到階躍響應曲線如圖9a所示。隨K增大，響應速度變化較小，響應穩(wěn)態(tài)值增大，穩(wěn)態(tài)誤差減小，上升時間減小，超調量增大，當K>0.4時，超調量急劇增大；K=0.3與K=0.4相比穩(wěn)態(tài)誤差相近，超調量相對更小，綜合考慮選取K=0.3。

其次，設置不同積分系數K，保持比例系數K和微分系數K分別為0.3和0，輸入幅值為1的階躍響應信號[23,28-29]，得到階躍響應曲線如圖9b所示。加入K，響應速度增大，隨K增大，響應穩(wěn)態(tài)值增大，穩(wěn)態(tài)誤差基本消除，上升時間基本不變，超調量較增加K前稍有增大；K<0.2時，系統響應在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩頻率高，K=0.2時，系統響應較為穩(wěn)定，在幅值附近振蕩較小，K>0.2時，超調量急劇增大；綜合考慮選取K=0.2。

最后，設置不同微分增益系數K，保持比例增益系數K和積分增益系數K分別為0.3和0.2，輸入幅值為1的階躍響應信號[23,28-29]，得到階躍響應曲線如圖9c所示。加入K，響應速度增大，隨K減小，超調量減?。?i>K變化對穩(wěn)態(tài)誤差及上升時間影響較?。?i>K>0.0001時，系統響應在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩頻率高，K≤0.0001時，系統響應較為穩(wěn)定，在穩(wěn)態(tài)幅值附近振蕩較?。痪C合考慮選取K=0.000 05。

將控制模型的輸入信號更改為如式（11）所示的正弦波信號，得到增量式PID正弦響應曲線如圖10所示。控制系統可以根據輸入信號的變化做出較快的反應，在開始階段輸出信號波動較大，輸出信號與輸入信號的誤差較大，然后逐漸減小，0.2 s后輸出信號能夠較好地跟隨輸入信號而變化，誤差基本維持在0.02以內，控制精度較高，穩(wěn)定性較好。

()=0.5sin+0.6（11）

4 田間試驗

試驗于2020年8月在中國農業(yè)大學工學院土槽試驗臺和河北省高陽縣龐口鎮(zhèn)進行，試驗時在地表鋪設0.2 mm厚、900 mm寬、42 m長的防寒布并覆土，構建長42 m、寬1 000 mm、高150 mm的土壟。

4.1 電機轉速靜態(tài)標定試驗

直流電機轉速由占空比可變的PWM信號控制，防寒布卷收速度控制系統需要根據電機目標轉速實時改變PWM信號占空比，因此需要對不同占空比對應的轉速進行標定[30]。歐旗454輪式拖拉機自帶12 V直流蓄電池為控制系統供電，使用DT-2236B型測速儀測量直流電機轉速，標定試驗結果如圖11所示。

由圖11可知，占空比為30%時，電機轉速最低，為19.8 r/min，占空比低于30%時轉速為0；當占空比為100%時，轉速未達到減速后的額定轉速150 r/min，這是由于輸入電壓未達到額定值，故PWM信號占空比實際范圍為30%～100%。占空比與轉速之間的擬合2接近1，說明擬合程度高。

4.2 防寒布自動調偏性能試驗

為驗證防寒布自動調偏方法的可行性并優(yōu)化激光開關傳感器的安裝距離，于中國農業(yè)大學土槽試驗臺構建土壟進行防寒布傾斜卷收試驗，土槽臺車以1 km/h的速度帶動防寒布卷收裝置前進。以調偏次數和單次調偏時間作為評價指標，依次設置激光開關傳感器的安裝距離為10、20、30、40和50 mm，每個水平重復試驗3次，共進行15次試驗。試驗時為了排除卷布輥軸轉速的PID控制方法對試驗結果的影響，作業(yè)初始由占空比為50%的PWM信號驅動電機運轉，防寒布由偏斜狀態(tài)恢復平整狀態(tài)后卷布輥軸的轉速取此次調偏過程初始轉速和終止轉速的中間值。

試驗結果如圖12和表3所示，試驗中系統對防寒布卷收狀態(tài)的檢測成功率為100%，且能做出正確的糾偏響應。為了便于分析，根據單次調偏時間的統計特征區(qū)分短期調偏（≤0.5 s）和長期調偏（>0.5 s）。

由圖12可知，隨激光開關傳感器的安裝距離增大，總調偏次數呈下降趨勢，長期調偏次數與短期調偏次數總體呈下降趨勢；短期調偏次數在總調偏次數中占比減少，長期調偏次數占比增大?？紤]防寒布的卷收質量，總調偏次數和長期調偏次數不能過多，安裝距離應該在20～50 mm之間。

表3 不同安裝距離下系統的平均單次調偏時間

由表3可知，隨激光開關傳感器的安裝距離增大，短期調偏時間變化較小且不具有規(guī)律性，長期調偏時間呈增長趨勢，且隨偏斜狀態(tài)不同而不同，具體表現為：安裝距離從10增大到50 mm，右偏和左偏的長期調偏時間分別增大1.9和6.2 s，右偏的長期調偏時間增長速率較左偏慢；安裝距離為20～50 mm時左偏的長期調偏時間均大于右偏，最小與最大差值為1.7和4.2 s。按照系統調偏響應快速的要求，安裝距離為20和30 mm時左偏與右偏的長期調偏時間均分別小于2.9和5.5 s，安裝距離為40和50 mm時左偏與右偏的長期調偏時間均分別大于2.9和5.5 s，前者的長期調偏時間較后者短，因此安裝距離應該在20和30 mm之間。安裝距離20與30 mm相比，長期調偏時間差異不大，短期調偏時間對調偏性能影響相對較小，從長期和短期調偏次數在總調偏次數中占比來看，安裝距離為20和30 mm時長期調偏次數在總調偏次數中占比分別為50%和71%，前者系統調偏響應更快速。綜上，激光開關傳感器的安裝距離選擇20 mm。

4.3 直流電機轉速調節(jié)性能試驗

為測試仿真試驗整定的PID參數的準確性，并校正仿真試驗結果與實際試驗結果的誤差，在空載條件下進行直流電機轉速調節(jié)性能試驗。設置拖拉機低速和高速2種作業(yè)工況，低速作業(yè)時，機具行進速度為1 km/h，布輥半徑為25 mm；高速作業(yè)時，機具行進速度為3 km/h，布輥半徑為105 mm。根據公式（4）確定低速作業(yè)時直流電機理論轉速為1.91 r/s，高速作業(yè)時直流電機理論轉速為1.27 r/s。STM32f103單片機通過串口通訊將直流電機的轉速數據實時發(fā)送到電腦端，用于數據記錄和分析。首先設置仿真試驗整定的PID參數進行試驗，然后調整PID參數繼續(xù)進行試驗直至電機實際轉速穩(wěn)定在理論轉速附近。

低速作業(yè)試驗結果如圖13所示，采用先比例、再積分、后微分的順序進行試驗。首先，以仿真結果K=0.3為中心取4個水平（0.2、0.3、0.4、0.5），K和K取0進行試驗，由結果可知，當K=0.3時轉速響應值在理論轉速附近波動較小，與仿真結果一致。其次，以仿真結果K=0.2為中心取4個水平（0.05、0.1、0.2、0.3），K=0.3，K=0進行試驗，由結果可知，當K=0.1時穩(wěn)態(tài)響應時間縮短，轉速響應值波動較小，優(yōu)于K=0.2時轉速響應變化。最后，以仿真結果K=0.000 05為中心取4個水平（0.000 01、0.000 05、0.000 1、0.001），K=0.3，K=0.1進行試驗，由結果可知，當K=0.000 05時轉速響應較優(yōu)，與仿真結果一致，但轉速響應變化不明顯。仿真試驗結果較為準確，PID參數K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，穩(wěn)態(tài)響應時間約為0.3 s，轉速超調量為0.5 r/s，靜差約為0。

高速作業(yè)試驗結果如圖14所示，試驗方案與低速作業(yè)工況下相同。由結果可知，K與K對轉速響應變化影響較顯著，而K影響不顯著；當K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，轉速響應變化穩(wěn)定，轉速響應值波動小，此時穩(wěn)態(tài)響應時間約為0.4 s，轉速超調量為0.7 r/s，靜差約為0。

綜上，PID參數為K=0.3，K=0.1，K=0.000 05時，田間試驗與仿真試驗結果誤差較小，同時適用于低速和高速2種作業(yè)工況，穩(wěn)態(tài)響應時間短，控制效果較好；由圖13和圖14可知，控制系統存在約0.1 s響應延遲，對作業(yè)效果影響相對較小。

4.4 防寒布傾斜卷收性能試驗

由于平行卷收防寒布時不涉及卷收偏斜問題，只需控制好卷布輥軸轉速即可，故本文僅進行防寒布傾斜卷收性能試驗。

4.4.1 試驗方法

葡萄防寒布卷收裝置掛接在歐旗454輪式拖拉機上，試驗開始前，啟動拖拉機并行駛到合適的作業(yè)位置，將預留的2 m防寒布卷繞在卷布輥軸上。試驗開始時，打開電源開關，拖拉機速度由0逐漸增加到3 km/h，沿構建的土壟開始傾斜卷收防寒布。在相同試驗條件下重復5次，試驗完成后觀察防寒布卷收效果并測量、記錄布輥寬度，防寒布卷收作業(yè)如圖15所示。

4.4.2 試驗結果與分析

試驗過程中拖拉機帶動機組隨機加減速，將系統計算的卷布輥軸實時目標轉速與實際轉速輸出到計算機，觀察不同速度下系統的實際控制效果，如圖16所示。通過觀察卷布輥軸轉速在加速階段（0～3.5 s、9.5～12 s）、保持階段（3.5～9.5 s）以及減速階段（12～15.6 s）的變化趨勢可知，在各個作業(yè)狀態(tài)下，該系統均可以根據機具前進速度以及布輥半徑的變化計算出卷布輥軸的理論轉速，并控制直流電機調速實現卷布輥軸根據目標轉速進行快速跟隨，控制效果較好，穩(wěn)定性較好。

每次作業(yè)完成后取下卷布輥軸，測量布輥的寬度，按公式（12）計算平整度。試驗結果如表4所示，防寒布卷收平整度均值為92.78%，5次試驗卷收平整度均在90%以上，表明防寒布傾斜卷收效果滿足作業(yè)要求。卷布輥軸轉速完全適應機具前進速度和布輥變徑的變化且防寒布不發(fā)生偏斜時，布輥寬度等于防寒布寬度，平整度為100%，為理想卷收效果。但實際作業(yè)中卷布輥軸實際轉速與理論轉速存在誤差且防寒布因受力不均等發(fā)生偏斜，導致布輥寬度大于防寒布寬度。卷布輥軸實際轉速與理論轉速的誤差越小，平整度越大，布輥寬度越接近防寒布寬度，布輥占據空間越小，在冬季埋藤防寒作業(yè)中越容易實現防寒布鋪設作業(yè)的機械化，耗費人力越少，因此防寒布卷收效果越好；反之，誤差越大，平整度越小，布輥占據空間越大，防寒布機械化鋪設作業(yè)越難以實現，需要更多的人力調整防寒布的鋪設狀態(tài)。

表4 防寒布傾斜卷收試驗結果

5 結 論

1）本文對防寒布平整卷收原理進行了分析，改變布輥外周線速度與機具前進速度的相對關系既可以使防寒布保持平整卷收狀態(tài)，也可以使防寒布向某一方向主動發(fā)生偏斜，使偏斜的防寒布恢復平整狀態(tài)。

2）基于防寒布平整卷收原理設計了葡萄防寒布平整卷收速度控制系統，可自動檢測防寒布的卷收狀態(tài)，于平整狀態(tài)時采用增量式PID算法實現卷布輥軸轉速基于機具前進速度和布輥半徑的實時調節(jié)；于偏斜狀態(tài)時調節(jié)卷布輥軸轉速以改變卷布輥軸實時轉速相對于目標轉速的超前或滯后關系，使防寒布恢復平整卷收狀態(tài)。

3）本文依據建立的電機傳遞函數模型，在Simulink中建立PID控制模型，通過仿真試驗整定PID參數，依次得到比例（K）、積分（K）和微分（K）系數分別為0.3、0.2和0.000 05。

4）在直流電機轉速靜態(tài)標定試驗中得到了電機轉速與PWM信號占空比的對應關系；在防寒布自動調偏性能試驗中，驗證了自動調偏方法的可行性，得到激光開關傳感器與防寒布邊緣的距離為20 mm；在直流電機轉速調節(jié)性能試驗中對仿真試驗整定的PID參數進行了校驗，得到比例（K）、積分（K）和微分（K）增益系數分別為0.3、0.1和0.000 05時，穩(wěn)態(tài)響應時間約為0.4 s，響應延遲約為0.1 s；防寒布傾斜卷收性能試驗得到防寒布卷收平整度均大于90%，平均為92.78%，滿足作業(yè)要求。

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Design and experiments of smoothly winding speed control system of grape cold-proof cloth

Niu Cong, Xu Liming※, Yuan Quanchun, Ma Shuai, Yan Chenggong, Zhao Shijian

(,,100083,)

Cold-proof mode has widely been updated for some vineyards in Xinjiang Region of northern China. The cold-proof cloth is normally used to assist in soil buried operation for better insulation of heat and moisture in complete soil clearing. However, the machine is still lacking for the soil clearing of winter grape and cold-proof cloth recycling, particularly in the early stage of popularization and application for the cold-proof cloth assisted soil-buried mode. It is also difficult to realize the smooth winding of cold-proof cloth. In this study, a new speed control system was proposed for smooth winding of grape cold-proof cloth in spring in Xinjiang Region, China. The linear velocity of the cloth roll was set to be equal to the forward speed of the machine. This system automatically detected the winding state of the cold-proof cloth. In smooth winding of the cold-proof cloth, the theoretical rotation rate of the DC motor was calculated in real time, according to the real-time changes of forward speed in a machine and the radius of cloth roller. A PID controller was adopted to control the duty ratio of Pulse Width Modulation (PWM) signal, then to adjust the rotation rate of the DC motor, further to drive the cloth roller for winding the cold-proof cloth. As such, the forward speed of the machine was used to realize the real-time adjustment of rotation rate for the cloth roller. At the time of cold-proof cloth deflected winding, the rotation rate of the cloth roller was adjusted to advance or lag the target rotation rate so that the cold-proof cloth was to restore the smooth winding state. Specifically, this study included the structure design of grape cold-proof cloth winding device, the hardware and software design of the control system. A control model was established in Simulink module using the motor transfer function model. In the simulation, the PID parameters were set, where the coefficients of proportion, integral, and differential were 0.3, 0.2, and 0.000 05, respectively. A physical prototype was also processed for the speed system. The static calibration test was carried out for the rotation rate of the DC motor, in order to obtain the relation between the motor rotation rate and duty ratio of the PWM signal. A performance test was conducted to verify the feasibility of automatic deflection adjustment for the cold-proof cloth. The optimized mounting distance of 20 mm was achieved for the laser switching sensor. PID parameters in the simulation test were taken as the intermediate levels in the performance experiment for the rotation rate of the DC motor, where each coefficient was tested at 4 levels in turn. The optimized proportion, integral, and differential gain coefficient were 0.3, 0.1, and 0.000 05, respectively, indicating basic consistency with the simulated values. The steady-state response time of the control system was about 0.4 s with a response delay of about 0.1 s, indicating a relatively small influence and good control effect. The performance test of slant winding cold-proof cloth was carried out, where the flatness was taken as the evaluation index. It was found that the flatness of the cold-proof cloth was more than 90% and the average was 92.78%, suitable for the operational requirements. The speed system with better control performance can provide a technical reference for the design and optimization of recycling machinery for the grape cold-proof cloth.

agricultural machinery; design; automation; grape; cold-proof cloth recycling; PID control; automatic offset adjustment

牛叢，徐麗明，袁全春，等. 葡萄防寒布平整卷收速度控制系統設計與試驗[J]. 農業(yè)工程學報，2021，37(5)：77-86.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009 http://www.tcsae.org

Niu Cong, Xu Liming, Yuan Quanchun, et al. Design and experiments of smoothly winding speed control system of grape cold-proof cloth[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 77-86. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009 http://www.tcsae.org

2020-10-20

2021-02-16

現代農業(yè)產業(yè)技術體系建設專項資金資助（CARS-29）

牛叢，博士生，研究方向為生物生產自動化。Email：niucong0322@163.com

徐麗明，教授，博士生導師，研究方向為生物生產自動化技術與裝備。Email：xlmoffice@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.05.009

S224.9

A

1002-6819(2021)-05-0077-10