基于雙閉環(huán)PID 控制的撥禾鏈轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)研究

劉大欣， 胡 偉， 付明剛， 于春生， 周德義， 吳寶廣

（吉林大學(xué)生物與農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

0 引言

玉米聯(lián)合收獲機(jī)是農(nóng)業(yè)機(jī)械化的重要組成部分，對(duì)提高我國(guó)玉米的收獲質(zhì)量，保證國(guó)家糧食安全都有至關(guān)重要的作用[1-3]。玉米聯(lián)合收獲機(jī)工作時(shí)的第1 道工序是割臺(tái)，其主要由分禾器、撥禾鏈、摘穗板、拉莖輥和攪龍等組成。玉米莖稈被分禾器分行后，經(jīng)過(guò)撥禾鏈的引導(dǎo)進(jìn)入拉莖輥的間隙，并被不斷拉向下方。莖稈上直徑較大的玉米果穗無(wú)法通過(guò)間隙，被摘穗板摘下后由撥禾鏈推至后方的攪龍。隨著攪龍的旋轉(zhuǎn)，玉米果穗被集中后推入輸送槽，并輸送至剝皮脫粒機(jī)構(gòu)。

撥禾鏈速度是割臺(tái)的重要工作參數(shù)，它與收獲機(jī)車(chē)速、農(nóng)作物種植密度和莖稈含水率等因素有關(guān)。當(dāng)其速度不匹配時(shí)，會(huì)造成玉米莖稈喂入不及時(shí)，甚至折彎推倒玉米莖稈，導(dǎo)致收獲損失率增大。耿端陽(yáng)等[4]通過(guò)調(diào)節(jié)對(duì)行方式和撥禾鏈高度降低了植株的推倒率。張廣軍等[5]設(shè)計(jì)了雙層撥禾鏈的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了不對(duì)行收獲。潘方江等[6]改進(jìn)的“八”字形撥禾鏈可提高倒伏玉米的收獲質(zhì)量。此類(lèi)割臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以鏈傳動(dòng)或帶傳動(dòng)為主，缺乏調(diào)速機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致?lián)芎替溵D(zhuǎn)速相對(duì)固定，難以自動(dòng)調(diào)節(jié)[7-8]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了撥禾鏈轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動(dòng)方式，以玉米收獲機(jī)車(chē)速為參考值，使用撥禾鏈轉(zhuǎn)速和扭矩作為反饋信號(hào)，組成雙閉環(huán)PID 轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)。對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計(jì)算后，在AMESim 軟件中進(jìn)行了建模與仿真。仿真結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)收獲機(jī)作業(yè)速度自動(dòng)調(diào)整撥禾鏈轉(zhuǎn)速，同時(shí)能夠克服撥禾阻力引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)。

1 雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)構(gòu)成

傳統(tǒng)割臺(tái)動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)力由發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)變速箱輸出后，以鏈傳動(dòng)或帶傳動(dòng)的形式輸出至割臺(tái)系統(tǒng)，由于割臺(tái)遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，布置受到多種限制。而液壓傳動(dòng)具有功率密度大、反應(yīng)速度快及具有過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)使用電液聯(lián)合控制時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)撥禾鏈轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制[9-10]?？刂葡到y(tǒng)采用液壓作為動(dòng)力傳遞方式，使用變量泵與定量馬達(dá)組合的方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，使用比例換向閥作為控制部件實(shí)現(xiàn)撥禾鏈的自動(dòng)調(diào)速。

控制系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)路線(xiàn)如圖1 所示，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力經(jīng)變速箱分配后，驅(qū)動(dòng)變量泵工作。變量泵產(chǎn)生的液壓動(dòng)力經(jīng)過(guò)比例換向閥后驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，液壓馬達(dá)輸出的驅(qū)動(dòng)力輸出至分動(dòng)箱進(jìn)行動(dòng)力分配，經(jīng)過(guò)扭矩轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)量后驅(qū)動(dòng)多組撥禾鏈進(jìn)行作業(yè)。在此過(guò)程中，控制器獲取車(chē)速和撥禾鏈的扭矩和轉(zhuǎn)速信息，進(jìn)行PID 計(jì)算后控制變量泵的流量和比例換向閥的開(kāi)度，從而實(shí)現(xiàn)撥禾鏈轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。

圖1 撥禾鏈轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)動(dòng)力傳遞路線(xiàn)Fig.1 Power transmission route of reel chain speed control system

控制系統(tǒng)原理如圖2 所示，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID 控制方式。車(chē)速信號(hào)經(jīng)過(guò)比例換算后，獲得撥禾鏈理論轉(zhuǎn)速，作為控制值輸入速度控制器。經(jīng)過(guò)速度控制器運(yùn)算后，輸出作為變量泵流量的控制信號(hào)，同時(shí)進(jìn)入扭矩控制器。在扭矩控制器再次進(jìn)行PID 運(yùn)算后，輸出至比例換向閥從而控制液壓馬達(dá)。在液壓馬達(dá)和撥禾鏈之間，安裝有扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器，測(cè)量得到的扭矩信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)作為反饋值分別進(jìn)入扭矩控制器和速度控制器，從而組成雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)。

圖2 雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of double closed loop pid control system

2 關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 撥禾鏈轉(zhuǎn)速

作業(yè)時(shí)收獲機(jī)車(chē)速為Vh，割臺(tái)傾角為ɑ，撥禾鏈運(yùn)行線(xiàn)速度為Vc，則它們之間的關(guān)系可以簡(jiǎn)化為圖3 所示，即Vh=Vccosɑ。撥禾鏈水平速度分量應(yīng)>Vh，以產(chǎn)生相對(duì)速度，將玉米莖稈帶入割臺(tái)。

圖3 撥禾鏈速度與車(chē)速關(guān)系Fig.3 Relationship of reel chain speed and vehicle speed

撥禾鏈的主動(dòng)鏈輪、被動(dòng)鏈輪、導(dǎo)向鏈輪和張緊鏈輪均采用相同尺寸。設(shè)節(jié)距為p，齒數(shù)為z，則節(jié)圓直徑為

綜合可得鏈輪轉(zhuǎn)速為

式中nc——撥禾鏈轉(zhuǎn)速，r/min

Vh——收獲機(jī)車(chē)速，km/h

ɑ——割臺(tái)傾角，（°）

z——撥禾鏈輪齒數(shù)

p——撥禾鏈節(jié)距，m

2.2 液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩

液壓馬達(dá)通過(guò)撥禾鏈分動(dòng)箱傳動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)多組撥禾鏈驅(qū)動(dòng)輪運(yùn)轉(zhuǎn)。分動(dòng)箱傳動(dòng)比為i、工作效率為η、撥禾阻力為F。則可計(jì)算出單個(gè)撥禾鏈輪驅(qū)動(dòng)扭矩為

綜合可得驅(qū)動(dòng)分動(dòng)箱的驅(qū)動(dòng)力矩為

式中Md——單個(gè)撥禾鏈輪驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m

Mt——液壓馬達(dá)總驅(qū)動(dòng)扭矩，N·m

n——割臺(tái)行數(shù)

F——撥禾阻力，N

i——分動(dòng)箱傳動(dòng)比

η——分動(dòng)箱效率

2.3 液壓馬達(dá)排量

馬達(dá)的排量與進(jìn)出口壓差和扭矩有關(guān)，設(shè)液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為ps、液壓馬達(dá)的回油壓力為pr、機(jī)械效率為ηm。計(jì)算可得馬達(dá)排量為

式中q——馬達(dá)排量，mL/r

ps——系統(tǒng)壓力，MPa

pr——回油壓力，MPa

ηm——機(jī)械效率，一般取0.8

3 控制系統(tǒng)建模與仿真

3.1 仿真模型建立

撥禾鏈轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)可用AMESim 軟件的機(jī)械庫(kù)、液壓庫(kù)和信號(hào)庫(kù)3 組子庫(kù)組合建模。根據(jù)控制系統(tǒng)框圖，選擇相應(yīng)的子模型進(jìn)行建模，完成后的AMESim仿真系統(tǒng)模型如圖4 所示。仿真模型中信號(hào)源為車(chē)速信號(hào)，可以用來(lái)檢測(cè)控制系統(tǒng)對(duì)車(chē)輛速度變化的響應(yīng)。信號(hào)源（撥禾負(fù)載信號(hào)）模擬撥禾鏈在田間作業(yè)時(shí)，由玉米莖稈種植密度及含水率不同引起的負(fù)載波動(dòng)。過(guò)載保護(hù)溢流閥的作用是防止撥禾鏈意外卡死引起的高壓過(guò)載。

圖4 雙閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)AMESim 仿真模型Fig.4 AMESim simulation model of double closed-loop speed control system

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

依據(jù)上述計(jì)算公式，對(duì)仿真系統(tǒng)中關(guān)鍵子模型的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如表1 所示。

表1 AMESim 模型參數(shù)設(shè)置Tab.1 AMESim model parameter settings

3.3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

為了對(duì)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，分別設(shè)置車(chē)速信號(hào)和撥禾負(fù)載信號(hào)為階躍信號(hào)，車(chē)速信號(hào)的階躍時(shí)間點(diǎn)為0 s，撥禾阻力信號(hào)的階躍時(shí)間點(diǎn)為5 s，這樣可以更加直觀反映出控制系統(tǒng)對(duì)不同階躍信號(hào)的控制特性。

在撥禾阻力矩穩(wěn)定時(shí)，分別設(shè)置車(chē)速信號(hào)的階躍值為2、3、4，仿真后可以得到的車(chē)速與撥禾鏈轉(zhuǎn)速關(guān)系如圖5 所示。從仿真結(jié)果可以計(jì)算得出，3 種車(chē)速信號(hào)下，撥禾鏈轉(zhuǎn)速的穩(wěn)態(tài)值分別為243.1、304.0 和364.5 r/min，響應(yīng)時(shí)間分別為0.71、0.77 和0.87 s，3 次響應(yīng)中的最大超調(diào)量2.63%。

圖5 車(chē)速信號(hào)與撥禾鏈轉(zhuǎn)速仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of vehicle speed and reel chain

在車(chē)速信號(hào)穩(wěn)定后，設(shè)置撥禾阻力信號(hào)的階躍值分別為–5、–10 和–15，仿真后可得到撥禾鏈轉(zhuǎn)速與撥禾阻力矩關(guān)系如圖6 所示。3 種阻力矩下?lián)芎替溵D(zhuǎn)速均出現(xiàn)了下降。相對(duì)于阻力信號(hào)變化前，撥禾鏈轉(zhuǎn)速分別下降0.82%、2.92%和6.34%。

圖6 撥禾鏈轉(zhuǎn)速與撥禾阻力矩仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results of reeling chain speed and reeling resistance moment

在車(chē)速信號(hào)與撥禾阻力矩信號(hào)穩(wěn)定情況下，獲得變量泵輸出流量與壓力結(jié)果如圖7 所示。

圖7 變量泵輸出流量與壓力仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results of flow and pressure of pump

由圖7 可知，變量泵啟動(dòng)后，受到速度控制器的PID 信號(hào)控制，輸出流量快速增加至22.5 L/min，撥禾鏈速度達(dá)到穩(wěn)定值后，流量隨之下降，并逐漸穩(wěn)定并維持在5.14 L/min，而輸出壓力穩(wěn)定在11.06 MPa。根據(jù)變量泵的輸出流量和輸出壓力，計(jì)算可得，單組撥禾鏈消耗功率約0.947 kW。相對(duì)于使用純機(jī)械傳動(dòng)的撥禾鏈消耗功率1 kW，降低5.3%[11]。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）以玉米收獲機(jī)車(chē)速為輸入量、撥禾鏈轉(zhuǎn)速和扭矩為反饋值，設(shè)計(jì)的雙閉環(huán)PID 控制的撥禾鏈轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)撥禾鏈轉(zhuǎn)速的自動(dòng)控制。

（2）使用AMESim 軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行建模并設(shè)置參數(shù)進(jìn)行仿真。結(jié)果表明，雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的階躍響應(yīng)時(shí)間最大為0.87 s，最大超調(diào)量為2.63%?？刂葡到y(tǒng)受到撥禾鏈阻力矩階躍信號(hào)影響時(shí)，轉(zhuǎn)速最大下降6.34%。

（3）轉(zhuǎn)速控制器的輸出量可以對(duì)變量泵進(jìn)行流量控制，變量泵輸出功率相對(duì)于純機(jī)械傳動(dòng)降低了5.3%，有效降低了系統(tǒng)能耗。