聯合收割機碎草裝置無極調速和負荷反饋系統優化設計

周　茉，劉志剛，鮑秀蘭

(1.湖北工業大學工程技術學院 電氣信息系，武漢　430068；2.南昌工學院，南昌　330108；3.華中農業大學 工學院，武漢　430070)

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聯合收割機碎草裝置無極調速和負荷反饋系統優化設計

周茉1，劉志剛2，鮑秀蘭3

(1.湖北工業大學工程技術學院 電氣信息系，武漢430068；2.南昌工學院，南昌330108；3.華中農業大學 工學院，武漢430070)

摘要：碎草分離裝置是農作物聯合收割機的核心部件之一。碎草裝置阻塞問題是聯合收割機工作過程中常出現的問題，決定了機器的工作質量和生產率。為了解決這個問題，提出了一種新的負荷反饋無極調速系統。該系統采用無極變速和PID負荷反饋調節的方法，對喂入裝置進行優化設計，可以根據農作物的密集程度，自適應的調節喂入速度，從而降低了收割機碎草裝置阻塞的概率，大大提高了收割機的作業效率。為了驗證裝置的有效性和可靠性，通過數值仿真和虛擬樣機實驗的方法對該系統進行了測試。仿真結果表明：該方法可以有效地縮短作業時間，降低碎草長度，提高了碎草裝置的作業性能，為聯合收割機的優化設計提供了技術參考。

關鍵詞：聯合收割機；碎草裝置；無極調速；負荷反饋；PID控制；阻塞率

0引言

聯合收割機作為水稻、小麥、玉米和甘蔗等農作物收獲的主要機械設備，近年來得到了快速的發展;但國內聯合收割機電子化和自動化水平普遍較低，在作業過程中故障率高、效率低、維修不便等問題已經嚴重制約聯合收割機的發展。 特別是碎草裝置的阻塞問題，是影響聯合收割機脫粒效率的關鍵因素，如果能有效地 解決碎草裝置的阻塞問題，不僅可縮短脫粒的時間，而且能提高脫粒的質量及聯合收割機的使用性能。

本研究以全喂入聯合收割機為研究對象，在碎草裝置中引入了無極調速和PID控制系統，并在碎草端使用傳感器對碎草力的負荷進行采集，實現了聯合收割機負荷的反饋調節。系統可以根據碎草力的大小判斷農作物的疏密程度，利用無極變速調整喂入速度，降低了碎草機構的堵塞概率，提高了碎草機構的工作效率，提升了農作物碎草的質量。

1聯合收割機碎草裝置優化總體設計

聯合收割機碎草裝置的優化設計分為兩部分，包括收割機碎草的長度優化和喂入速度的優化。由于碎草長度和喂入速度具有直接的聯系，因此可以通過調整喂入速度來實現碎草長度的變化，提高碎草質量。優化控制系統共分為兩部分，首先是PWM無極調速系統，其次是負荷反饋系統。該裝置根據力學反饋信號對喂入就機構進行速度控制。

圖1為負荷反饋系統的優化設計框架示意圖。該系統主要利用力學傳感器對喂入機構的碎草力進行采集，并通過數據處理中心設計閾值范圍，將采集得到的力數據傳輸到無極調速系統中。

圖1　負荷反饋系統設計框架示意圖

圖2為無極調速的總體設計框架圖。由圖2可以看出：通過反饋系統采集得到碎草力，當碎草力在某一閾值范圍內時，系統自動判斷該力所對應的無極調控速度，裝置會通過PWM進行無極調速，并通過負荷的不斷反饋，對系統進行優化，使裝置達到最佳工作狀態。

圖2　無極調速設計框架示意圖

2PWM無極調速負荷反饋優化控制設計

2.1PID負荷反饋調節

采集負荷的準確率是影響轉速調節的關鍵因素，需要通過不斷自動調整力學信號的準確性，實現喂入速度的精準控制。為了有效地采集碎草裝置傳感器的負荷，實現負荷的反饋調節過程，本文運用PID控制原理對采集力進行優化。PID控制系統控制方程為

(1)

其中，Y(t)是系統的輸出數值， e(t)是系統輸出值和設定值的偏差， Kp是比例調節系數，Ti是時間積分系數，Td是時間微分系數。為了實現對負荷信號的PID調節控制，首先需要對負荷信號進行識別，本文利用小波算法理論首先求取負荷信號的特征值矩陣，有

(2)

該力學信號矩陣的求解需要借助于協方差矩陣，求解協方差矩陣公式為

(3)

對負荷力信號的特征值進行求解，則有

Mα=λjα

(4)

判斷力負荷是否在某閾值內，有

(5)

利用負荷的特征值疊加的形式，可以判斷總負荷是否在某一閾值內，并利用PID控制器不斷調整負荷信號的結果。

2.2PWM無極調速和PID反饋調節

碎草裝置的無極調速可以通過改變直流電動機電樞的電壓，實現速度的連續變化。在實際的操作過程中，可以通過開關管來對直流電機進行PWM調速，其原理如圖3所示。

當開關管輸入高電平，直流電動機電樞的電壓為Us；當開關管輸入低電平，直流電動機電樞的電壓為0，電動機兩端的電壓平均值U0為

(6)

其中，α為占空比，改變α的數值就可以改變電動機兩端的電壓平均值，從而達到調速的目的。利用負荷反饋系統得到的載荷可以求出速度的閾值，當速度超過一定閾值時，需要利用調速的方式使速度重新歸于某一閾值，實現碎草裝置的智能調控。

如圖4所示，為了實現速度的自動調節，使用速度PID反饋調節機制，對速度進行自適應控制，設定相應的力和速度對應的閾值范圍，通過系統的自適應功能，實現碎草裝置的力學反饋調節。

圖3　直流電機無極調速原理

圖4　速度PID反饋調節示意圖

3聯合收割機碎草裝置虛擬樣機測試

3.1虛擬樣機仿真

為了驗證所設計的喂入機構優化算法的有效性和可靠性，本次研究采用SolidWorks軟件對喂入機構進行三維模型的創建，并使用ADAMS軟件對其進行動力學分析。由于要對所創建的三維模型進行動力學分析，所以在創建模型過程中需要對模型進行簡化，簡化后的模型如圖5所示。

根據農作物喂入的角度，對模型進行調整，對各部件的位置進行調整，減少以后在ADAMS中的移動。調整后的模型如圖6所示。

模型創建好之后，可以導入ADMAS進行動力學分析，根據碎草力的不同可以得到其相對應的速度。ADMAS模型的導入過程如圖7所示。

圖5　喂入機構簡化模型

圖6　碎草過程模擬

圖7　模型導入窗口

在模型導入之前，首先需要將SolidWorks創建的模型保存成Parasolid 格式，然后再打開ADAMS軟件，在可選框內選擇Import a file。宏是在ADAMS/View中可以完成一系列命令的指令，可以根據宏指令，創建多個運動變量。本文使用的碎草過程機構和農作物的碰撞宏命令主要程序如下：

for variable=ip start=6 end=8

contact create&

contact_name=.model_1.(eval("CONTACT_"http://c(ip)))

&i_geometry_name= BOX_1 &

c_geometry_name

= .model_1.(eval("BOX_"http://c(ip))) &

stiffness = 1.0E+006 &

damping = 8.0 &

exponent = 1.1 &

dmax = 0.2 &

coulomb_friction = on &

mu_static = 0.6 &

mu_dynamic = 0.2 &

stiction_transition_velocity = 200.0 &

friction_transition_velocity = 800.0

……

通過虛擬樣機的仿真，得到了如圖8所示的仿真曲線。由圖8可以看出：在不同的碎草力的作用下，喂入速度可以進行有效的調節，得到不同的電機控制速度，從而驗證了該系統的有效性。

圖8　喂入速度隨時間變化曲線

3.2虛擬系統測試結果

為了進一步研究虛擬樣機的碎草性能，通過對虛擬樣機的實驗，得到了碎草率和碎草時間等一系列結果。

圖9表示隨著優化次數的增加，碎草率的變化曲線。由圖9可以看出：通過PID負荷反饋調節作用后，喂入裝置通過無極變速實現了優化；隨著優化次數的增加，碎草率也隨著增加，說明了裝置優化的有效性。

圖10表示隨著優化次數的增加，碎草時間的變化曲線。由圖10可以看出：隨著優化次數的增加，碎草率時間大大縮短，碎草效率得到了明顯的提升。碎草質量的統計結果如表1所示。

通過8次碎草試驗，使用PID負荷優化控制的碎草機構和普通碎草機構的碎草長度存在很大的差異：使用PID負荷優化控制系統優化后的碎草長度明顯縮短，并且各次實驗間的數據差異性系數較大。這說明在負荷控制優化后，碎草的質量有了明顯的改善，而且系統的穩定性較好，大大提高了聯合收割機碎草脫粒機構的工作性能。

圖9　碎草率隨優化次數變化曲線

圖10　碎草時間隨優化次數變化曲線

cm

4結論

使用PID負荷反饋調節的方法和無極變速的方式對聯合收割機碎草分離裝置進行了優化設計，通過優化設計大大提高了碎草脫粒機構的工作效率，提高了收割機的電氣化和自動化程度。利用SolidWorks軟件建立了農作物聯合收割機碎草脫粒機構的簡化三維模型，并采用ADMAS軟件對機構進行了動力學仿真，通過仿真得到了喂入速度隨時間變化曲線，驗證了裝置速度調控的有效性。設計了裝置的虛擬樣機，并進行了測試。由碎草裝置的虛擬仿真結果可以看出：該裝置可有效地提高碎草率，縮短碎草時間，改善碎草的質量，為聯合收割機自動化設計提供了理論依據。

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System Optimization Design of Stepless Speed Regulation and Load Feedback for Straw-crushing Device in Combine Harvester

Zhou Mo1, Liu Zhigang2,, Bao Xiulan3

(1.Engineering and Technology College,Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：Chaff separation device is one of the core components of the crop of combine harvester.The device broken grass blocking problem is usually combine work problems,which determines the machine work quality and productivity. In order to solve this problem,it proposed a new load feedback stepless speed regulating system.By using the method of adjusting the shift and PID load feedback, it optimized the design of feeding device, according to the intensive crops, adaptive feeding speed, and reduces the probability of the harvester from straw crushing device blocking, greatly improving the operation efficiency of the harvester. In order to verify the validity and reliability of the device,by means of numerical simulation and virtual prototyping experiment of the system ,it tested by the straw crushing device.As to virtual simulation results,it can be seen that this method can effectively shorten the operation time, reduce broken grass length,and improves the operation performance of the device of crushed grass,which provides technical reference optimization designed for combined harvester.

Key words：combine harester; straw-crushing device ; stepless speed regulation; load feedback; PID control; blocking rate

文章編號：1003-188X(2016)03-0134-05

中圖分類號：S225；S11+6

文獻標識碼：A

作者簡介：周茉(1981-) ,女，湖北鄂州人，講師，碩士。通訊作者：劉志剛(1980-)，男，湖北天門人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金項目：湖北省自然科學基金項目(2014CFB322)

收稿日期：2015-02-04