穗莖兼收玉米收獲機自動對行方向自校正系統(tǒng)的研究

張希升 由盛昌

九方泰禾國際重工（青島）股份有限公司 山東青島 266500

玉米是我國重要糧食作物，同時玉米秸稈也是主要畜牧飼料。隨著我國糧食加工業(yè)和畜牧業(yè)的發(fā)展，玉米和玉米秸稈需求量不斷增加，但目前秸稈利用率較低，大量秸稈被付之一炬或丟棄，不僅對環(huán)境造成污染，同時也是資源的極大浪費。因此我國穗莖兼收玉米收獲機械迫切需要一場革命性發(fā)展。

1 系統(tǒng)組成及原理

自動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)。

圖2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

2 系統(tǒng)設(shè)計

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)動電路、通訊電路、報警電路等組成。其中，檢測電路實現(xiàn)速度、轉(zhuǎn)向角度及對行狀態(tài)等信號的采集；驅(qū)動電路實現(xiàn)比例電磁閥控制信號的調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)化和放大；觸摸屏由報警、通訊等電路組成，主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示及報警提示。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)向輪與機具前進方向平行。當(dāng)對行作業(yè)自校正信號觸發(fā)時，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，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)實時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)向輪使其與機具作業(yè)方向平行，完成1次方向校正過程。

3 試驗

3.1 系統(tǒng)參數(shù)確定

本系統(tǒng)安裝在4YZP-4D型玉米收獲機上，將圖1中的機具轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡化為四邊形機構(gòu)，如圖3所示。其中，AD為未動作時液壓缸的長度，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3 轉(zhuǎn)向機構(gòu)簡圖

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4、圖5分別為Kp=200、Ki=0．1、Kd=0．01時液壓缸活塞桿位移、速度曲線圖。由圖4、圖5可以看出：系統(tǒng)穩(wěn)定無超調(diào)，響應(yīng)時間越短，控制進行得越快，系統(tǒng)的品質(zhì)就越好，但是提高系統(tǒng)快速性的同時還要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準確性。應(yīng)用AMESim的批處理功能分別對PID的3個參數(shù)進行批處理仿真，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4 活塞桿位移曲線

圖5 活塞桿速度曲線

4 結(jié)語

本文研究的玉米收獲機自動對行方向自校正系統(tǒng)采用PID算法控制比例換向閥，實現(xiàn)了玉米收獲機自動對行方向校正過程的實時閉環(huán)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)以4YZP-4D型玉米收獲機為載體，田間試驗表明：PID 參數(shù)為 KP=800、Ki=0．5、Kd=0．1，以及作業(yè)速度為7km/h時，系統(tǒng)控制效果最好。該系統(tǒng)還需要在不同型號收獲機上進行試驗，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，屆時將大大降低收獲作業(yè)勞動強度，提高收獲質(zhì)量和效率[1]。