谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)智能化技術(shù)研究進(jìn)展

趙男 金誠謙 王超 唐小涵 郭榛

摘要：清選系統(tǒng)作為谷物聯(lián)合收獲機的核心部件，直接影響著收獲機的作業(yè)效率和清選效果。目前我國谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)的智能化程度普遍較低，如何實現(xiàn)清選裝置高效智能化技術(shù)發(fā)展和提高清選系統(tǒng)工作性能是谷物聯(lián)合收獲機研究的難點。從清選系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)、損失監(jiān)測傳感器、信號處理電路以及自適應(yīng)控制系統(tǒng)研究等方面綜述分析國內(nèi)外谷物聯(lián)合收獲機清選損失監(jiān)測、自適應(yīng)調(diào)控等技術(shù)研究進(jìn)展，探究提高谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)損失監(jiān)測精度以及清選裝置自適應(yīng)調(diào)節(jié)效果，以期為實現(xiàn)谷物聯(lián)合收獲機整機智能化和信息化提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 谷物聯(lián)合收獲機；清選系統(tǒng)；智能化技術(shù)

中圖分類號：S225.3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：2095-5553 （2023） 03-0163-08

Abstract： As the core part of the combined harvester， the cleaning system directly affects the efficiency and the cleaning effect of the harvester. At present， the intellectualization degree of the cleaning system of the grain combined harvester is generally low in China. How to realize the development of efficient intellectualization technology of the cleaning device and improve the performance of the cleaning system are the difficulties in the research of the grain combined harvester. Therefore， this paper summarizes and analyzes the research progress of intelligent technology in the cleaning system of grain combined harvester at home and abroad from the basic structure of the cleaning system， loss monitoring sensor， signal processing circuit and adaptive control system， and explores the development direction of intelligent technology in the cleaning system of grain combined harvester. It is expected to provide theoretical basis for realizing the intelligence and information of the whole grain combined harvester.

Keywords： grain combined harvester; cleaning system; intelligent technology

0引言

農(nóng)業(yè)機械智能化技術(shù)研究對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域有著重要意義，智能化、自動化是國內(nèi)收獲機械的發(fā)展方向和必然趨勢。清選系統(tǒng)作為谷物聯(lián)合收獲機的關(guān)鍵部件，各結(jié)構(gòu)工作參數(shù)的調(diào)控對清選過程中籽粒損失率和含雜率有很大影響［12］。目前，我國谷物聯(lián)合收獲機械化水平逐漸提高，谷物收獲機械清選系統(tǒng)逐步走向信息化和智能化，但是智能化程度較低，而發(fā)達(dá)國家收獲機械化水平較高，智能化水平日益完善；為提高谷物機械收獲效率，實現(xiàn)高效生產(chǎn)收獲，谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)智能化技術(shù)研究成為提高收獲效率的研究重點。

本文從清選系統(tǒng)損失傳感器、信號處理電路、監(jiān)測裝置以及清選裝置自適應(yīng)控制系統(tǒng)等方面進(jìn)行綜述，分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，期望為谷物收獲機械清選系統(tǒng)智能化發(fā)展提供參考。

1清選系統(tǒng)的基本構(gòu)成

谷物聯(lián)合收獲機的清選系統(tǒng)通常可以分為兩大類：分別是氣流式清選裝置和風(fēng)篩式清選裝置。氣流式清選裝置的工作原理是按照谷粒的懸浮速度和空氣動力特性來進(jìn)行清選，常見的有氣吹式、氣吸式和旋風(fēng)分離式。其特點是構(gòu)造簡單、清選倉空間小、功率消耗低和噪聲小等。風(fēng)篩式清選裝置的工作原理是利用氣流和篩子之間的相互配合進(jìn)行清選，主要構(gòu)成部件有機架、風(fēng)機、篩子、抖動板、調(diào)節(jié)裝置和傳動系統(tǒng)等。兩者相比較風(fēng)篩式清選裝置的清選效果更好、效率更高，清選后得到的谷粒含雜率低、損失率低。氣流式清選裝置因為其功率小、結(jié)構(gòu)簡單，僅靠氣流作用在喂入量較大時難以達(dá)到理想的清選效果，所以風(fēng)篩式清選裝置應(yīng)用范圍更廣，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2清選系統(tǒng)損失監(jiān)測研究現(xiàn)狀

谷物聯(lián)合收獲機械清選系統(tǒng)實現(xiàn)谷物清選損失監(jiān)測是實現(xiàn)整機收獲智能化和有效降低收獲損失率的重要措施。清選損失監(jiān)測研究主要集中在監(jiān)測傳感器、信號處理電路和監(jiān)測裝置研究等方面。

2.1監(jiān)測傳感器研究現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家對清選籽粒質(zhì)量監(jiān)測的研究較早，且谷物清選損失監(jiān)測傳感器發(fā)展至今已實現(xiàn)商品化，Case 2366IH聯(lián)合收獲機等都配備了清選損失監(jiān)測傳感器，實時監(jiān)測谷物收獲過程中清選損失參數(shù)，幫助駕駛員及時掌握籽粒清選情況，及時進(jìn)行參數(shù)反饋調(diào)控。谷物收獲損失監(jiān)測裝置多數(shù)采用不同形式的傳感器，目前對于電聲式傳感器和壓力傳感器為主；原理是利用谷物清選脫出物成分性質(zhì)的不同，所產(chǎn)生的聲音信號或者振壓信號頻率也就不同，再通過濾波方法去除無用信號，實現(xiàn)谷物清選質(zhì)量的監(jiān)測。

國外學(xué)者早期研制了一種電聲式谷物清選損失監(jiān)測傳感器，如圖2所示，該傳感器將收集的籽粒和莖稈等物料撞擊到感應(yīng)板上的聲波信號，用靈敏度較高的麥克風(fēng)進(jìn)行監(jiān)測，籽粒信號通過電聲原理和濾波處理技術(shù)獲得。Deniz等［3］通過用PW4C3-300壓力傳感器對籽粒進(jìn)行損失檢測，通過傳感器上的籽粒產(chǎn)生的響應(yīng)，對谷粒損失程度進(jìn)行分辨，從而獲得損失情況。Gierz等［4］采用PVDF壓電材料制作了壓電傳感器，在播種機中對兩種小麥籽粒進(jìn)行了模擬研究。對比了相鄰時間下寬度不同的兩個窗口，在原有信號記錄基礎(chǔ)上更新了粒子計數(shù)的算法，記錄混合信號的窗口時間間隔為10 μms，記錄籽粒撞擊信號的窗口時間間隔為2 μms。通過連續(xù)測試確定出發(fā)閾值以及單獨窗口閾值大小，利用高通濾波器減少周期噪聲影響。

Dickhans等［5］早期研制了一種谷粒檢測敏感板，該敏感板材料選用金屬材質(zhì)，利用傳感器來檢測金屬板上谷粒撞擊時產(chǎn)生的振動信號，如圖3所示；澳大利亞學(xué)者利用薄金屬板結(jié)合壓電陶瓷設(shè)計一種谷物損失傳感器，但存在金屬板表面靈敏度分布極不均勻的問題，而限制了監(jiān)測裝置的頻率上限；Yilmaz等［6］等采用PVDF壓電薄膜傳感器對鷹嘴豆籽粒進(jìn)行了檢測，并且建立了損失監(jiān)測系統(tǒng)。通過計算鷹嘴豆與秸稈比值確定了籽粒含量，利用烘干機確定3種含水量來確定電壓閾值，如果超過設(shè)定閾值則判斷為鷹嘴豆撞擊信號。試驗表明水分含量增加時鷹嘴豆閾值會增加，籽粒含量增大時閾值會降低。

TeeJet LH765型［7］糧食損失監(jiān)測裝置所采用的籽粒清選損失傳感器，由兩部分組成，分別是集成Walker傳感器（抗干擾能力強、測量精度準(zhǔn)確）和全寬型Sieve傳感器。Liang等［8］對谷物損失傳感器陣列化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化：結(jié)果發(fā)現(xiàn)監(jiān)測儀器板的最優(yōu)尺寸為：長度150 mm、寬度40 mm、厚度10 mm，可以明顯地提高對籽粒檢測和識別的效果。Zhao等［9］設(shè)計的一種基于壓電陶瓷的顆粒碰撞傳感器可對谷物沖擊進(jìn)行實時監(jiān)測。此傳感器用粘貼在敏感板中心位置的圓形YT-5L壓電陶瓷作為敏感元件，并且優(yōu)化了減振方式消除了機具自身振動帶給敏感板的振動干擾。周利明等［10］設(shè)計了一款陣列式PVDF傳感器，該傳感器的敏感材料選用聚偏二氯乙烯（PVDF）壓電薄膜，該結(jié)構(gòu)包括兩層PET保護(hù)層，中間層為PVDF壓電薄膜，下層為阻尼材料和鋁合金基體層，可以對傳感器進(jìn)行阻尼和支撐。

在較早時期，電聲式傳感器是最先出現(xiàn)應(yīng)用于清選籽粒損失的監(jiān)測，但在實際應(yīng)用過程中由于振動、噪聲等影響干擾，導(dǎo)致其監(jiān)測精度較差。為提高清選過程的監(jiān)測效率，許多學(xué)者通過采用不同材料的敏感片來實現(xiàn)傳感器的監(jiān)測，通過對新型材料的研發(fā)，有效降低了機械振動所導(dǎo)致的噪聲影響，提高監(jiān)測系統(tǒng)的測頻上限。

對于清選損失監(jiān)測傳感器的研究，國外技術(shù)水平相對成熟，國內(nèi)起步晚，也有許多國內(nèi)學(xué)者在原有傳感器基礎(chǔ)上加以改進(jìn)，不斷提高傳感器的準(zhǔn)確度，并研發(fā)出精準(zhǔn)高效的清選損失監(jiān)測裝置。

2.2信號處理電路研究現(xiàn)狀

清選監(jiān)測裝置傳感器信號處理電路工作原理是：清選過程中籽粒沖擊敏感元件產(chǎn)生信號后，由電荷等效電路和電壓放大器將收到的信號進(jìn)行輸出，將電荷轉(zhuǎn)變成輸出信號，利用籽粒和其他雜物產(chǎn)生的干擾信號頻率不同，通過帶通濾波將不同頻率的干擾信號進(jìn)行區(qū)分，從而識別輸出籽粒沖擊信號。模擬信號處理電路組成主要包括電壓放大器、帶通濾波器、精密全波整流電路、包絡(luò)檢波電路等元件串聯(lián)，如圖4所示。

周賢龍［11］設(shè)計一種谷物清選損失監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)運用一種多觸點感應(yīng)膜來監(jiān)測籽粒信號，谷物沖擊時，感應(yīng)膜形成閉合回路，獲得脈沖信號；無谷物沖擊時，感應(yīng)膜為開路狀態(tài)，并且能區(qū)別出谷粒和雜質(zhì)信號。唐飛龍［12］提取出水稻籽粒撞擊敏感板的信號與噪聲信號，并進(jìn)行對比分析設(shè)計了電荷放大、高通濾波、檢波與電壓比較的信號處理電路，采用水稻籽粒進(jìn)行臺架試驗，結(jié)果表示該裝置監(jiān)測精度在95%左右，監(jiān)測效果較好。關(guān)佳軍［13］運用多傳感器融合多組信息，通過FastICA算法將混疊信號中的籽粒撞擊信號識別并分離，預(yù)濾波后使用奇異值分解算法求解出源數(shù)值m為8，隨機選取8組數(shù)據(jù)作為濾波觀測信號，成功將籽粒碰撞信號分離。王鶴［14］設(shè)計了一種谷物流量檢測傳感器，采用PVDF敏感元件，提出了一種以EMD（經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解）算法為基礎(chǔ)的去噪方法，有效解決了谷物流量檢測中出現(xiàn)的噪聲問題。同時對混疊信號進(jìn)行EMD預(yù)處理獲得IMF分量，從而確定信噪分界點為最小能量分量，有效實現(xiàn)了信噪分離，提高了谷物流量檢測的精確性。高建民等［15］為了降低谷物清選損失監(jiān)測系統(tǒng)制作成以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，運用混沌算法對籽粒信號進(jìn)行處理，建立了仿真模型，通過加入籽粒信號和白噪聲，檢測出兩個系統(tǒng)的信噪比，得出結(jié)論：Duffing振子檢測系統(tǒng)可以明顯地提高對微弱信號的檢測效果，相對于傳統(tǒng)的時域監(jiān)測方法更高效，并且通過仿真證明該算法對于谷物聯(lián)合收獲機清選損失的檢測是可行的。李耀明等［16］研制了一種由清選損失監(jiān)測傳感器、高精度二次儀表和信號調(diào)制電路組成的谷物損失監(jiān)測裝置，該裝置利用清選損失傳感器接收籽粒撞擊敏感板的信號，然后通過信號調(diào)理電路過濾干擾信號，再由指示燈和報警儀器將損失狀況反饋給收獲機操作人員。

對于清選系統(tǒng)監(jiān)測裝置信號處理電路研究，國內(nèi)學(xué)者通過采用更為靈敏的感應(yīng)膜、濾波算法和檢測系統(tǒng)等對采集的籽粒信號進(jìn)行優(yōu)化處理，并且利用LS-DYNA、simulink和EVC程序等電腦軟件驗證其在監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用的可行性，提高了監(jiān)測裝置的精準(zhǔn)度。

2.3監(jiān)測裝置研究現(xiàn)狀

2.3.1監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)

谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及運動參數(shù)對于谷物清選損失有很大影響，國外清選系統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)較為成熟，但存在價格較高且適用性差等問題，在國外大型谷物收獲機械基本都裝配清選工作監(jiān)測裝置，對清選系統(tǒng)各機構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測調(diào)控，像風(fēng)機轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板傾角及損失含雜監(jiān)測等；國內(nèi)學(xué)者在現(xiàn)有監(jiān)測傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上，對清選系統(tǒng)監(jiān)測裝置研究；表1是國內(nèi)對監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)及工作原理部分研究介紹。

2.3.2監(jiān)測裝置安裝位置

谷物聯(lián)合收獲機清選監(jiān)測裝置的安裝位置對實現(xiàn)監(jiān)測裝置功能有很大影響，通過對安裝位置的研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，探究清選裝置工作過程的谷物狀態(tài)、各清選結(jié)構(gòu)工作參數(shù)情況等；許多學(xué)者通過實際實驗確定了監(jiān)測裝置在清選室的最佳安裝位置，提高了清選監(jiān)測的準(zhǔn)確度，降低清選過程監(jiān)測裝置的相對誤差。原蘇聯(lián)將谷物損失監(jiān)視器分別安裝在篩子、逐稿器后面和魚鱗篩下面，實現(xiàn)同時監(jiān)測夾帶損失量、損失量和收獲量。Maertens等［21］為了實時監(jiān)測谷物損失的目的，提出了在振動篩后方排出口的位置安裝設(shè)計的谷物損失監(jiān)測傳感器的方法，研制的谷物損失監(jiān)測傳感器能實時監(jiān)測單位時間內(nèi)的谷物損失情況。MR［22］將谷物清選損失監(jiān)測傳感器安裝在John Deere 955聯(lián)合收獲機振動篩的后方，提出將傳感器監(jiān)測信息結(jié)合谷物含水率、產(chǎn)量、機器速度獲得收獲損失的監(jiān)測方法。Maertens［23］和Geert［24］等對聯(lián)合收獲機監(jiān)測裝置安裝位置進(jìn)行了研究，并建立了清選裝置不同位置清選損失預(yù)測數(shù)學(xué)模型，通過試驗證明在清選篩尾后安裝傳感器是監(jiān)測清選損失的最佳位置。

唐忠等［25］通過對籽粒和脫出物雜余的分布規(guī)律進(jìn)行了分析，確定了 PVDP 陣列晶體傳感器的安裝位置，使夾帶損失傳感器的檢測精度得到了有效提高，使其精度保持在4.5%～5.26%。梁振偉等［26］研制了一種全寬型的籽粒損失監(jiān)測傳感器，其結(jié)構(gòu)是雙向隔振，距離尾篩中心線300 mm、角度為45°的位置安裝到軸流式聯(lián)合收獲機上（如圖5所示），建立了籽粒清選損失監(jiān)測的數(shù)學(xué)模型并其通過田間試驗來驗證此模型，結(jié)果表明該數(shù)學(xué)模型可靠，籽粒清選損失監(jiān)測的最大相對誤差為3.26%。魏純才［27］提出在油菜聯(lián)合收獲機振動篩后方橫向布置一體多塊式清選損失監(jiān)測傳感器，通過壓電原理計數(shù)損失籽粒，以監(jiān)測量和籽粒損失量作為自變量建立清選損失數(shù)學(xué)模型，可以實時獲取清選損失量。

通過以上研究可知，許多學(xué)者不斷探究籽粒損失監(jiān)測裝置的新技術(shù)和新方法，設(shè)計優(yōu)化清選監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對清選系統(tǒng)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)的自動調(diào)節(jié)，并且結(jié)合試驗找到了監(jiān)測裝置的最佳安裝位置，提高了籽粒損失信號的監(jiān)測精度和可靠性。

3清選系統(tǒng)自適應(yīng)控制策略研究現(xiàn)狀

清選裝置自適應(yīng)控制系統(tǒng)的研發(fā)對于清選系統(tǒng)智能化有著重要意義，在國外，隨著清選監(jiān)測裝置商品化的發(fā)展，自動化控制技術(shù)的日益提高，許多大型農(nóng)業(yè)機械公司都實現(xiàn)了谷物收獲機械的智能化控制，對谷物聯(lián)合收獲機清選裝置配備自適應(yīng)控制系統(tǒng)，以保證收獲機械在工作過程中清選系統(tǒng)適應(yīng)不同的收獲環(huán)境、質(zhì)量要求以及谷物特性等條件。

紐荷蘭型CX6.80谷物聯(lián)合收獲機的清選系統(tǒng)采用了最新的OpiFan風(fēng)機轉(zhuǎn)速自動控制系統(tǒng)和Smart Sieve型智能清選篩?？梢詫崿F(xiàn)谷物聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時遇到的不同實際情況，對清選系統(tǒng)內(nèi)的相關(guān)工作部件的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而達(dá)到理想的清選要求和效果。LEXION 700系列聯(lián)合收獲機［28］配備有CEMOS AUTOMATIC自動匹配功能，該系統(tǒng)可以對清選和分離作業(yè)進(jìn)行實時持續(xù)調(diào)控，從而使收割機在不同的收割條件下也能很好地進(jìn)行對谷物的清選，有效提高了谷物收獲過程的清選效率和清選質(zhì)量，機器會自動設(shè)置風(fēng)機轉(zhuǎn)速、上篩板開口和下篩板開口等作業(yè)參數(shù)。Case 4088型聯(lián)合收割機裝配有一種新型智能調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)［2930］，可以根據(jù)聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時的實際需求，自動調(diào)節(jié)風(fēng)機的轉(zhuǎn)速和振動篩曲柄轉(zhuǎn)速，使其作業(yè)參數(shù)保持在理想值。John Deere L70系列［31］谷物聯(lián)合收獲機配備的監(jiān)測系統(tǒng)可以根據(jù)作物各種不同的屬性，自動調(diào)節(jié)清選裝置參數(shù)（風(fēng)機轉(zhuǎn)速、篩子開度、振動篩頻率等）。

Omid等［32］設(shè)計了一種模糊邏輯控制器（FLC），使收獲機在秸稈行走器和上篩位置檢測籽粒損失，從而對機器的作業(yè)速度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和凹板篩間隙進(jìn)行調(diào)整，使聯(lián)合收獲機作業(yè)時達(dá)到理想損失效果。Dimitrov 等［33］對聯(lián)合收獲機可調(diào)作業(yè)參數(shù)中作業(yè)速度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和離心風(fēng)機轉(zhuǎn)速進(jìn)行了模糊專家系統(tǒng)建模，構(gòu)造了隸屬函數(shù)，計算了專家模型的一致性指標(biāo)，并在分析的基礎(chǔ)上選擇了最優(yōu)模型，研究發(fā)現(xiàn)可應(yīng)用于聯(lián)合收獲機復(fù)雜多變的田間作業(yè)。Tsarev等［34］將電動控制技術(shù)應(yīng)用到聯(lián)合收獲機使用的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，使聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時面對不同工況變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)作業(yè)參數(shù)，實現(xiàn)聯(lián)合收獲機的風(fēng)機轉(zhuǎn)速、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速和魚鱗篩篩片開度等作業(yè)參數(shù)的電動和液壓驅(qū)動調(diào)節(jié)。Gundoshmian等［35］提出了一種三層感知器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合反向傳播（BP）訓(xùn)練算法，建立聯(lián)合收獲機性能模型，應(yīng)用試錯法和不同結(jié)構(gòu)的試驗研究確定了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，利用該模型研究了小麥產(chǎn)量、作物含水率、割臺高度、脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、凹板篩間隙、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、穎殼篩開度和下篩開度對聯(lián)合收獲機性能的影響。

在國內(nèi)，蔡陽陽［36］設(shè)計了一種基于電路設(shè)計控制裝置采用ARM S3C2440A處理器和以Linux操作系統(tǒng)為軟件平臺控制的聯(lián)合收獲機多功能操控手柄控制裝置，此操縱桿可以對風(fēng)機、分風(fēng)板和魚鱗篩等作業(yè)部件進(jìn)行調(diào)控。蔣瑞鋒［37］通過對聯(lián)合收割機電驅(qū)動智能控制系統(tǒng)研究，設(shè)計離心風(fēng)扇模糊控制器，并進(jìn)行了仿真模型調(diào)試，結(jié)果表明所設(shè)計的控制算法及模糊控制器能根據(jù)聯(lián)合收割機的不同作業(yè)情況及時調(diào)整和控制所需的作業(yè)參數(shù)，使聯(lián)合收割機發(fā)揮最大工作效率。蘇航［38］構(gòu)建以聯(lián)合收割機關(guān)鍵部件脫粒與清選裝置為研究對象的參數(shù)匹配技術(shù)研究平臺，設(shè)計一種基于知識的參數(shù)匹配方法，實現(xiàn)脫粒與清選裝置結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)的合理匹配，利用知識庫構(gòu)建參數(shù)化模型，運用二次開發(fā)技術(shù)實現(xiàn)脫粒與清選裝置模型參數(shù)化、模型驅(qū)動等設(shè)計功能。

張琨［39］以PLC為核心控制器，以電子觸摸屏作為監(jiān)測和調(diào)節(jié)界面，設(shè)計了一種清選監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示，對相關(guān)工作部件的作業(yè)參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)測，同時對液壓執(zhí)行元件的參數(shù)根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，通過模糊控制的方法得到作業(yè)速度的改變量，達(dá)到清選裝置保證可靠性的同時提高工作效率。

唐飛龍［12］設(shè)計了一種谷物聯(lián)合收獲機清選損失監(jiān)測系統(tǒng)，能夠及時地反饋谷物聯(lián)合收獲機在進(jìn)行清選作業(yè)時產(chǎn)生的損失情況，方便操作人員及時了解收獲的損失狀況，并做出相應(yīng)的應(yīng)對措施。也可以通過實時監(jiān)測系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析生成控制信號，用來控制聯(lián)合收獲機在田間作業(yè)時的前進(jìn)速度、風(fēng)機轉(zhuǎn)速、魚鱗篩開度或振動頻率等。從而進(jìn)一步提高谷物聯(lián)合收獲機的自動化，及時降低谷物聯(lián)合收獲機的清選損失率。仇解［40］采用一種灰色預(yù)測模糊控制模型理論算法，設(shè)計了一種清選損失檢測的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)選用單片機為控制器，不僅解決了清選損失自適應(yīng)系統(tǒng)中的滯后問題，還能及時地對篩子的開度進(jìn)行控制，使清選損失率達(dá)到理想效果。蔣慶等［41］根據(jù)仿人智能控制原理，建立了自適應(yīng)控制策略數(shù)學(xué)模型算法，構(gòu)建了清選系統(tǒng)智能調(diào)控模式，并利用Matlab對該智能控制算法進(jìn)行仿真試驗分析。李偉［42］利用一種增量式模糊控制算法模型，基于無人機遙感圖像的智能聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)實現(xiàn)了清選系統(tǒng)中風(fēng)機轉(zhuǎn)速、分風(fēng)板和魚鱗篩篩片開度的智能調(diào)控。申昊［43］以PLC為關(guān)鍵控制器，采用液壓驅(qū)動的方式制定了玉米收獲機整機控制系統(tǒng)方案，實現(xiàn)了清選裝置液壓執(zhí)行元件的實時調(diào)控。魯業(yè)安等［44］研制了電氣控制的水稻縱軸流收獲機風(fēng)篩式清選裝置試驗臺，通過計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，可以對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行實時收集以及對篩子振幅、曲柄轉(zhuǎn)速等作業(yè)參數(shù)的實時調(diào)控。

從以上研究可知，在清選系統(tǒng)智能化技術(shù)研究方面，國內(nèi)學(xué)者主要針對清選損失的實時監(jiān)測和自適應(yīng)控制策略兩個方面進(jìn)行研究；清選損失的實時檢測方面，主要是利用相關(guān)的傳感器采集清選作業(yè)時谷粒撞擊到傳感器上產(chǎn)生的信號，從而實現(xiàn)對收獲機清選過程中的谷物損失率和相關(guān)工作結(jié)構(gòu)部件參數(shù)的實時監(jiān)測；清選系統(tǒng)的自適應(yīng)控制策略方面，主要是指調(diào)控風(fēng)篩式清選裝置關(guān)鍵工作部件的作業(yè)參數(shù)，如風(fēng)機轉(zhuǎn)速、篩子開度、振動篩振頻、風(fēng)門開度等。根據(jù)收獲機在田間作業(yè)時遇到的不同環(huán)境和不同作物的屬性結(jié)合信息反饋，進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，但是人工手動調(diào)節(jié)參數(shù)的精度不夠且勞動強度和難度較大。現(xiàn)階段清選系統(tǒng)作業(yè)時的損失率監(jiān)測和清選作業(yè)關(guān)鍵部件工作參數(shù)的自動調(diào)控技術(shù)并未得到全國范圍內(nèi)的推廣和應(yīng)用。所以應(yīng)該加大對谷物收獲機自適應(yīng)控制技術(shù)的研發(fā)力度，實現(xiàn)清選系統(tǒng)工作參數(shù)和清選作業(yè)質(zhì)量的在線監(jiān)測、清選工作構(gòu)件作業(yè)參數(shù)的自動調(diào)控，提高清選作業(yè)參數(shù)調(diào)節(jié)精度，可以有效提高聯(lián)合收獲機的智能化水平，加快促進(jìn)我國收獲機械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

4發(fā)展趨勢

1） 提高清選系統(tǒng)工作效率。隨著谷物聯(lián)合收獲機喂入量不斷增大，清選系統(tǒng)的工作性能不斷提高，伴隨著清選系統(tǒng)智能化技術(shù)的發(fā)展，對于清選系統(tǒng)的調(diào)控更加快速便捷，大大降低人為因素的干擾，實現(xiàn)清選裝置結(jié)構(gòu)工作參數(shù)精準(zhǔn)優(yōu)化，使得清選過程高效化。

2） 提高清選系統(tǒng)監(jiān)測設(shè)備通用性。實現(xiàn)谷物實時監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)通用化，通過更換不同裝置部件和信號處理電路，實現(xiàn)大豆、谷子、小麥、水稻等不同特性谷物清選過程的監(jiān)測，研制出高精準(zhǔn)度谷物監(jiān)測傳感器，提升清選過程谷物監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3） 提高清選系統(tǒng)的信息化、智能化和自動化程度。建立完善的谷物收獲云端系統(tǒng)，對不同谷物在清選過程中籽粒及其雜物產(chǎn)生的信號頻率實時監(jiān)測并記錄上傳，實時計算顯示清選過程的損失率和含雜率。研發(fā)出完備的清選裝置自動反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過對清選裝置各部件的作業(yè)參數(shù)（風(fēng)機轉(zhuǎn)速、篩子振幅、魚鱗篩開度和分風(fēng)板傾角等）實時監(jiān)測反饋，調(diào)節(jié)系統(tǒng)自動根據(jù)設(shè)置的清選損失率和含雜率標(biāo)準(zhǔn)對清選裝置參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)清選過程智能化和自動化。

參考文獻(xiàn)

［1］郭紅星， 金誠謙， 印祥， 等. 谷物聯(lián)合收獲機清選系統(tǒng)研究現(xiàn)狀［J］. 中國農(nóng)機化學(xué)報， 2020， 41（6）： 26-36.

Guo Hongxing， Jin Chengqian， Yin Xiang， et al. Research status of clearing system of grain combine harvester ［J］. Journal of Chinese Agricultural Mechanization， 2020， 41（6）： 26-36.

［2］劉鵬， 金誠謙， 楊騰祥， 等. 多參數(shù)可調(diào)可測式清選系統(tǒng)設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2020， 51（S2）： 191-201.

Liu Peng， Jin Chengqian， Yang Tengxiang， et al. Design and experiment of multi parameter adjustable and measurable cleaning system ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2020， 51（S2）： 191-201.

［3］Daniz Y. Development of measurement system for grain loss of some chickpea varieties ［J］. Measurement， 2015， 73-79.

［4］Gierz U， Paszkiewicz B K. PVDF piezoelectric sensors for seeds counting and coulter clogging detection in sowing process monitoring ［J］. Journal of Engineering， 2020（1）： 1-7.

［5］Dickhans N. Automatic steering mechanism and method for harvesting machine ［P］. United States Patent： 6101795， 2000-8-15.

［6］Yilmaz D， Sagiroglu H C. Development of measurement system for grain loss of some chickpea varieties ［J］. Measurement， 2015， 66： 73-79.

［7］冉軍輝， 吳崇友. 傳感器在谷物聯(lián)合收獲機中的應(yīng)用進(jìn)展及發(fā)展方向［J］. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2019， 47（22）： 23-29.

［8］Liang Z W， Li Y M， Xu L Z， et al. Optimum design of an array structure for the grain loss sensor to upgrade its resolution for harvesting rice in a combine harvester ［J］. Biosystems Engineering， 2017（157）： 24-34.

［9］Zhao Z， Li Y， Chen J， et al. Grain separation loss monitoring system in combine harvester ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2011， 76（2）： 183-188.

［10］周利明， 張小超， 劉陽春， 等. 聯(lián)合收獲機谷物損失測量PVDF陣列傳感器設(shè)計與試驗［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2010（6）： 167-171.

Zhou Liming， Zhang Xiaochao， Liu Yangchun， et al. Design of PVDF sensor array for grain loss measuring ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010（06）： 167-171.

［11］周賢龍. 谷物聯(lián)合收獲機清選損失監(jiān)測系統(tǒng)研究［D］. 咸陽： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2010.

Zhou Xianlong. Study on cleaning loss monitoring system of grain combined harvester ［D］. Xianyang： Northwest A & F University， 2010.

［12］唐飛龍. 聯(lián)合收割機清選損失監(jiān)測裝置設(shè)計及試驗［D］. 成都： 西華大學(xué)， 2017.

Tang Feilong. Design and test of monitoring device of cleaningloss for combine harvester ［D］. Chengdu： Xihua University， 2017.

［13］關(guān)佳軍. 基于獨立分量分析的聯(lián)合收割機損失谷粒信號檢測［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2011.

Guan Jiajun. Detection of lost grain signal in combine harvester based on independent component analysis ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2011.

［14］王鶴. 聯(lián)合收割機谷物流量檢測與數(shù)據(jù)處理方法研究［D］. 北京： 中國科學(xué)院大學(xué)， 2015.

Wang He. Research on grain flow detection and data processing in combine harvester ［D］. Beijing： University of Chinese Academy of Sciences， 2015.

［15］高建民， 張剛， 喻露， 等. 聯(lián)合收割機清選損失傳感器谷粒沖擊信號的混沌檢測［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2011， 27（9）： 22-27.

Gao Jianmin， Zhang Gang， Yu Lu， et al. Chaos detection of grain impact at combine cleaning loss sensor ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2011， 27（9）： 22-27.

［16］李耀明， 陳義， 趙湛， 等. 聯(lián)合收獲機清選損失監(jiān)測方法與裝置［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2013， 44（S2）： 7-11.

Li Yaoming， Chen Yi， Zhao Zhan， et al. Monitoring method and device for cleaning loss of combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2013， 44（S2）： 7-11.

［17］梁振偉. 多風(fēng)道清選裝置設(shè)計方法及清選損失監(jiān)測與控制技術(shù)研究［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2018.

Liang Zhenwei. Study on designing method of multiduct airandscreen cleaning unit and grain sieve loss monitoring and controlling technology ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2018.

［18］李耀明， 梁振偉， 趙湛，等. 聯(lián)合收獲機谷物損失實時監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2011， 42（S1）： 99-102.

Li Yaoming， Liang Zhenwei， Zhao Zhan， et al. Realtime monitoring system of grain loss in combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2011， 42（S1）： 99-102.

［19］倪軍， 毛罕平， 李萍萍. 陣列式壓電晶體傳感器谷粒清選損失監(jiān)測儀設(shè)計［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2010， 41（8）： 175-177.

Ni Jun， Mao Hanping， Li Pingping. Design of intelligent grain cleaning losses monitor based on array piezocrystals ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2010， 41（8）： 175-177.

［20］毛罕平， 劉偉， 韓綠化， 等. 對稱傳感結(jié)構(gòu)的谷物清選損失監(jiān)測裝置研制［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（7）： 34-39.

Mao Hanping， Liu Wei， Han Lühua， et al. Design of intelligent grain cleaning losses monitor based on symmetry sensors ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（7）： 34-39.

［21］Maertens K， Ramon H， Baerdemaeker J D. An onthego monitoring algorithm for separation processes in combine harvesters ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2004（43）： 197-207.

［22］MR M S. Field evaluation of grain loss monitoring on combine JD 955 ［J］. Advance in Environmental Biology， 2010， 4（2）： 162-167.

［23］Maertens K， Ramon H， De Baerdemaeker J. An onthego monitoring algorithm for separation processes in combine harvesters ［J］. Computers and Electronics in Agriculture， 2004（43）： 197-207.

［24］Geert C， Josse B， Bart M， et al. Fuzzy control of the cleaning process on a combine harvester ［J］. Biosystems Engineering， 2010， 106（2）： 103-111.

［25］唐忠， 李耀明， 趙湛， 等. 夾帶損失傳感器不同安裝位置對籽粒檢測精度的影響［J］. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（10）： 46-52.

Tang Zhong， Li Yaoming， Zhao Zhan， et al. Effect of different installed location of entrainment loss sensor on grain testing accuracy ［J］. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering， 2012， 28（10）： 46-52.

［26］梁振偉， 李耀明， 趙湛， 等. 縱軸流聯(lián)合收獲機籽粒清選損失監(jiān)測數(shù)學(xué)模型研究［J］. 農(nóng)業(yè)機械學(xué)報， 2015， 46（1）： 106-111.

Liang Zhenwei， Li Yaoming， Zhao Zhan， et al. Monitoring mathematical model of grain cleaning losses on longitudinalaxial flow combine harvester ［J］. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery， 2015， 46（1）： 106-111.

［27］魏純才. 油菜聯(lián)合收獲機清選損失監(jiān)測方法與裝置研究［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2018.

Wei Chuncai. Study on the monitoring method and device for cleaning loss of the rapeseed combine harvester ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2018.

［28］Geert Craessaerts， Wouter Saeys， Bart Missotten， et al. A genetic input selection methodology for identification of the cleaning procession combine harvester ［J］. Biosystem Engineering， 2007： 166-175.

［29］吳清分. 國外聯(lián)合收割機的最新發(fā)展趨勢［J］. 拖拉機與農(nóng)用運輸車， 2019， 46（4）： 1-4， 10.

Wu Qingfen. Latest development trend of foreign combine harvesters ［J］. Tractor & Farm Transporter， 2019， 46（4）： 1-4， 10.

［30］Miu P I， Kutzbach H D. Modeling and simulation of grain threshing and separation in threshing units ［J］. Computers and Electronics in Agriculture 2008： 96-104.

［31］Baruah D C， Panesar B S. Energy requirement model for a combine harvester ［J］. Biosystern Engineering. 2005， 90（1）： 9-25.

［32］Omid M， Lashgari M， Mobli H， et al. Design of fuzzy logic control system incorporating human expert knowledge for combine harvester ［J］. Expert Systems With Applications， 2010， 37（10）： 7080-7085.

［33］Dimitrov V， Borisova L， Nurutdinova I. Modelling of fuzzy expert information in the problem of a machine technological adjustment ［J］. MATEC Web of Conferences， 2017， 132： 04009.

［34］Tsarev Y， Adamcikova E， Najie M. Automatization of settings of working organs of technological process of combine harvester ［J］. MATEC Web of Conferences， 2018， 224： 05019.

［35］Gundoshmian T M， Ghassemzadeh H R， Abdollahpour S， et al. Application of artificial neural network in prediction of the combine harvester performance ［J］. Journal of Food Agriculture & Environment， 2010， 8（2）： 721-724.

［36］蔡陽陽. 聯(lián)合收割機多功能一體化操控手柄控制裝置的研制［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2016.

Cai Yangyang. Development of multifunctional and integrated operating handle control device of combine harvester ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2016.

［37］蔣瑞鋒. 電驅(qū)動聯(lián)合收割機智能控制系統(tǒng)的研究［D］. 咸陽： 西北農(nóng)林科技大學(xué)， 2015.

Jiang Ruifeng. The research on intelligent control system of the combine driven by electricity ［D］. Xianyang： Northwest A & F University， 2015.

［38］蘇航. 脫粒與清選裝置參數(shù)匹配技術(shù)與方法研究［D］. 哈爾濱： 東北農(nóng)業(yè)大學(xué)， 2019.

Su Hang. Research on parameter matching technology and method of threshing and cleaning device ［D］. Haerbin：Northeast Agricultural University， 2019.

［39］張琨. 玉米聯(lián)合收獲機脫粒清選監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］. 濟(jì)南： 濟(jì)南大學(xué)， 2017.

Zhang Kun. Research on monitoring and control system of threshing and clearing for maize combine harvester ［D］. Jinan： University of Jinan， 2017.

［40］仇解. 油菜籽粒清選損失自適應(yīng)控制系統(tǒng)的設(shè)計與試驗［D］. 鎮(zhèn)江： 江蘇大學(xué)， 2020.

Qiu Jie. Development and experiment of adaptive control system for rapeseed seed cleaning loss ［D］. Zhenjiang： Jiangsu University， 2020.

［41］蔣慶， 王儒敬. 稻麥聯(lián)合收獲機清選智能調(diào)控模型仿真與試驗［J］. 系統(tǒng)仿真學(xué)報， 2022， 34（11）： 2485-2496.

Jiang Qing， Wang Rujing. Simulation and experiment of an intelligent control model for the cleaning of a ricewheat combine harvester ［J］. Journal of System Simulation， 2022， 34（11）： 2485-2496.

［42］李偉. 基于無人機圖像的智能稻麥聯(lián)合收割機清選系統(tǒng)研究［D］. 北京： 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 2019.

Li Wei. Research on the cleaning system of intelligent combine harvester based on unmanned aerial vehicle image ［D］. Beijing：University of Science and Technology of China， 2019.

［43］申昊. 玉米聯(lián)合收獲機整機液壓控制系統(tǒng)研發(fā)［D］. 濟(jì)南： 濟(jì)南大學(xué)， 2019.

Shen Hao. Research and development of hydraulic control system for corn combine harvester ［D］. Jinan： University of Jinan， 2019.

［44］魯業(yè)安， 馬玲， 張義峰. 清選裝置電氣控制系統(tǒng)設(shè)計［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)， 2012， 40（32）： 15979-15981.

Lu Yean， Ma Ling， Zhang Yifeng. Design of electric control system for cleaning device ［J］. Journal of Anhui Agricultural Sciences， 2012， 40（32）： 15979-15981.