稻麥?zhǔn)斋@機(jī)割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計

山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院 李曉偉 刁培松

前言

我國是農(nóng)業(yè)大國，連續(xù)十年糧食產(chǎn)量全球第一，在多種作物機(jī)械化收獲過程中，割臺高度是非常重要的參數(shù)指標(biāo)；割臺高度過高時，不易收獲完整植株，會造成作物損失率偏高；割臺高度過低時，易過多收獲到麥穗以下部分，可能會造成割臺觸地、堵塞攪攏等問題，嚴(yán)重影響收獲機(jī)作業(yè)效率。

金誠謙團(tuán)隊設(shè)計了一種仿形裝置。該裝置由主要有角度傳感器，主、副板構(gòu)成，當(dāng)遇到地面起伏仿形裝置的角度傳感器會產(chǎn)生對應(yīng)比例旋轉(zhuǎn),從而控制割臺高度[1]。姬魁洲團(tuán)隊研制了一種機(jī)械連桿式仿形裝置，仿形機(jī)構(gòu)壓板會隨地面起伏程度不同而旋轉(zhuǎn)不同角度，裝置中的角度傳感器可隨時測量角度變化，控制系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)模型推算出田間地表的起伏變化情況從而控制割臺高度。該結(jié)構(gòu)具有可靠性和穩(wěn)定性[2]。

1 割臺高度監(jiān)測裝置設(shè)計及工作原理

本次使用的角度傳感器霍爾效應(yīng)來監(jiān)測轉(zhuǎn)軸角度變化。角度傳感器中的霍爾元件角度傳感器由一個半導(dǎo)體霍爾元件和一個磁場源組成[3]。通過測量霍爾電壓的變化可以確定轉(zhuǎn)軸的角度變化，從而判斷地面的起伏程度。在實際現(xiàn)場試驗中，對割臺距離地面高度和割臺反饋高度進(jìn)行了標(biāo)定。經(jīng)試驗表明，本次設(shè)計的地面起伏監(jiān)測裝置能夠有效地提取田間地面起伏變化的信號，并在保證信號準(zhǔn)確和穩(wěn)定的前提下更易于安裝，該裝置適用的機(jī)型范圍更廣泛，價格更低廉[4]。

1.1 割臺高度監(jiān)測裝置

撥禾輪高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)地面仿形裝置采用機(jī)械接觸式測量法，主要工作組件包括角度傳感器、仿形板、拉力彈簧、液壓缸位移傳感器等[5]。傳感器實時監(jiān)測液壓缸的位移參數(shù)與作業(yè)地面的起伏程度，使得作物與撥禾輪的相對距離不變，撥禾齒可以垂直入禾且留茬高度不變。

圖1 割臺高度仿形機(jī)構(gòu)示意圖

使用仿形板來監(jiān)測地面的起伏狀態(tài)，仿形板布置在割臺底部，當(dāng)仿形板隨地面起伏旋轉(zhuǎn)時，角度傳感器會發(fā)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)動[6]。通過PLC 控制，利用角度傳感器的偏轉(zhuǎn)角度反饋值來控制割臺的升降高度，以保證割臺不會觸底避免損壞。經(jīng)過試驗標(biāo)定，可得到割臺高度x 與角度傳感器轉(zhuǎn)動角度β 關(guān)系為:

根據(jù)以上位置參數(shù)，可推理得到割臺高度x 與液壓缸伸長量l 的數(shù)學(xué)模型：

其中，l 為液壓缸的伸長量（cm）；x為割臺高度（cm）。

2 割臺高度自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 控制原理

本文設(shè)計了一種基于模糊PID 控制割臺高度的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。通過將模糊邏輯與PID 控制相融合，控制性能穩(wěn)定性將得到很大提升。系統(tǒng)通過仿形板角度傳感器獲取割臺高度數(shù)值，結(jié)合最初標(biāo)定割臺高度初始值，計算控制偏差E(t)。利用模糊控制算法，系統(tǒng)確定輸出控制量，并將其發(fā)送至比例電磁閥的驅(qū)動模塊。

2.2 模糊PID 控制算法

控制器將輸出一個代表電磁閥通電時間u 的精確數(shù)值，從而確保系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行。割臺實時離地高度x 已確定。通過將測量得到的割臺高度x 與預(yù)設(shè)的理想割臺高度進(jìn)行比較，計算出高度偏差e(t)及其變化率△e。設(shè)置割臺高度誤差e、ec 的可行區(qū)間分別為[-50 cm,50 cm]和[-10 cm/s,10 cm/s]。為了建立一個有效的控制系統(tǒng)，定義了輸入變量e(t)、△e 以及輸出變量u 的論域為{-3，3}定義為7 級，其中輸入和輸出變量的模糊集合分別定義為{NB NMNS ZO PS PMPB}?？刂破鲗⒉捎脜^(qū)間[0,1]內(nèi)的數(shù)值以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二進(jìn)制邏輯中的0 或1。在轉(zhuǎn)速自適應(yīng)控制系統(tǒng)實際工作控制過程中，kp,ki,kd三個系數(shù)擔(dān)任不同的職責(zé)[8]。對于撥禾輪轉(zhuǎn)速控制來說，模糊PID 控制器的設(shè)計，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的實時反饋精細(xì)調(diào)整參數(shù)。

圖2 Ki 隸屬度函數(shù)

作為模糊控制器的重要組成部分，模糊控制規(guī)則的設(shè)計至關(guān)重要。為了確定輸出變量u 的控制規(guī)則，通過對割臺高度的實際調(diào)節(jié)過程和經(jīng)驗進(jìn)行總結(jié)，結(jié)合偏差變化率和模糊控制規(guī)則，可以得出如下模糊控制規(guī)則表（表1）。

表1 模糊控制規(guī)則表

表2 實驗結(jié)果分析表

3 割臺高度自適控制系統(tǒng)仿真

3.1 RecurDyn 割臺接觸板仿真

地面仿形板設(shè)計完成后，為優(yōu)化仿形板與地面的適配程度, 利用RecurDyn 進(jìn)行仿真時有效的約束關(guān)系Joint 和動力學(xué)驅(qū)動配置是關(guān)鍵。添加轉(zhuǎn)動副約束，在接觸類型Contact 設(shè)置中，在仿形板和地面之間添加了實體接觸類型Solid To Solid，在安裝架和地面之間的移動副上配置了平移驅(qū)動Motion，使得機(jī)構(gòu)能夠沿預(yù)定的軌跡移動。

3.2 仿真結(jié)果分析

初步設(shè)定機(jī)具的前進(jìn)速度為2.5m/s，隨著扭簧扭矩的增加，當(dāng)扭矩達(dá)到20N·m 時，這些問題得到了顯著改善。位移曲線的波動減少，仿形板的貼合地面能力得到了加強(qiáng)。20N·m 的扭矩設(shè)置為仿形板提供了最佳的性能表現(xiàn)。然而，當(dāng)扭矩進(jìn)一步增加到30N·m 時，并未觀察到位移曲線的顯著改善。

圖3 仿形板貼合軌跡圖

通過比較實際路面軌跡與仿真板軌跡，可以明顯觀察到，設(shè)計的仿形板在仿形過程中與地面的貼合效果良好，實際路面與仿真軌跡的波動誤差在10mm 以下，能夠有效地反映地形的變化。

圖4 地面軌跡與仿形板運(yùn)動軌跡示意圖

4 田間試驗

2023 年6 月，在山東省日照市莒縣小麥試驗田進(jìn)行田地試驗，試驗田地形起伏差異較大，可以用來檢驗割臺高度自動調(diào)控的性能。試驗機(jī)型為迅迪公司生產(chǎn)的4LZ-6.0 型多作物聯(lián)合收獲機(jī)。田間試驗時,用旗桿每隔10m 設(shè)置一個停機(jī)測量點測量割臺高度，試驗人員用卷尺測量割臺離地面的實際位置高度并記錄數(shù)據(jù)收割小麥的測試結(jié)果如下表所示。

試驗結(jié)果表明：在收割小麥時,割臺高度調(diào)節(jié)的誤差小于13mm；最大誤差不超過15mm，滿足收獲要求。因此，所設(shè)計的割臺高度調(diào)控系統(tǒng)可以滿足小麥聯(lián)合收獲機(jī)田間作業(yè)需求。