脫粒滾筒轉速電液比例控制系統的設計與試驗

韓樹欽，吳崇友，金 梅

(農業部南京農業機械化研究所，南京 210014)

0 引言

脫粒裝置的作業性能直接影響整機的工作質量及生產效率[1]。脫粒速度過高，籽粒和莖稈的破碎程度加重，功率消耗大；脫粒速度過低會降低脫粒質量，夾帶損失嚴重[2]。因此，對于不同工作環境，收獲不同種類作物，應確定收割機最佳脫粒速度并使滾筒轉速穩定在最佳值附近，以改善脫粒性能，減小滾筒堵塞的可能性，保證聯合收割機始終工作在最佳狀態，提高作業效率[3-5]。

目前，脫粒滾筒的傳動方式主要有鏈傳動、帶傳動和液壓傳動。鏈傳動下的轉速調節可通過更換鏈輪實現;但田間操作耗時較多，且不能頻繁進行。帶傳動以驅動滑輪變速，但其壽命短，易打滑，維護成本高[6];而液壓驅動脫粒滾筒在過載保護、無極調速、自動控制和功率質量比等方面具有明顯優勢[7-8]。

國外聯合收割機大都采用液壓驅動、電子監測和自動化控制系統，結合GPS輔助系統進行收獲作業綜合管理。我國聯合收割機在整機自動控制和作業自動化方面，與國外相比差距較大，不能使聯合收割機的使用效能達到最佳化[9-15]。

對以上問題，以PLC(可編程邏輯控制器)為核心設計了脫粒滾筒轉速電液比例控制系統，給出了系統的硬件構成及馬達轉速PLC控制程序、轉速PID控制參數，并設計了人機操作監控界面，實現了對液壓馬達轉速的自適應控制。

1 電液比例控制系統設計

脫粒裝置作為聯合收割機的重要組成部分，要求其適應性廣泛，可以滿足不同種類、不同品種、不同狀態作物的收獲要求；工作性能好，在脫凈的同時，不能有過多的谷粒損失；功率消耗低，生產率高。根據脫粒裝置的技術要求，研究選用電液比例泵控馬達系統來控制轉速。電液比例控制系統既有液壓元件傳遞功率大、響應快的優勢，又有電器元件處理和運算信號方便、易于實現信號遠距離傳輸(遙控)的優勢[16-19]。而且，泵控系統效率較高、發熱量小，系統剛度較好,一般用于功率較大的場合。圖1為系統原理圖。

圖1 電液比例泵控馬達系統原理圖

1.1 液壓系統設計

研究以雷沃谷神GE60(4LZ-6E2)小麥聯合收割機為參照，其主要工作參數如表1所示。

表1 聯合收割機主要工作參數

根據聯合收割機的工作參數，計算選取液壓泵和液壓馬達的型號[20]。液壓系統的壓力取30MPa，計算得到馬達的排量為90mL/r,確定馬達型號及主要工作參數如表2所示。

表2 液壓馬達的主要技術參數

取泵的輸入轉速為1 600r/min，根據選定的馬達的參數，計算得到泵的排量在60mL/r左右，確定泵型號及主要參數如表3所示。

表3 液壓泵的主要技術參數

圖2為泵控馬達系統的液壓工作原理圖。圖2中，電液比例泵1和液壓馬達5組成閉式液壓回路，通過變量機構調整泵的排量，控制馬達的輸出轉速。1是軸向柱塞比例變量泵，其排量與輸入信號在任一工作壓力下成正比。變量機構由比例方向閥3和雙作用液壓變量缸2組成，通過對位于閥3上的比例電磁鐵a、b輸入電信號，改變閥芯位移和變量缸2的活塞桿位置，調整泵1的斜盤傾角，可實現泵排量的無級調整，從而控制馬達5的輸出速度。

圖2 泵控馬達系統液壓原理圖

1.2 電控系統設計

電控系統硬件主要由轉速傳感器、壓力傳感器、PLC、比例放大器及PC機等組成，如圖3所示。

1.PLC 2.比例放大器 3.電流表

其工作過程為：PC機控制端選擇收獲作物種類或設定脫粒滾筒的工作轉速，同時設定PID控制參數，通過轉速傳感器和壓力傳感器檢測轉速和系統壓力；PLC采集傳感器信號并處理后，輸出控制電流，電流經比例放大器放大后，給到比例閥以改變泵的斜盤傾角，實現泵排量的無級調整，從而達到控制馬達轉速即滾筒轉速的目的；同時，PLC將采集到的轉速和壓力值傳遞到組態控制端，實現滾筒轉速及液壓系統壓力的監測顯示。

1.3 PLC程序設計

PLC程序設計是電液比例控制系統的核心部分，通過TIA Portal V13工作平臺中STEP7編程軟件，采用梯形圖語言，編寫了包括參數設定、數據采集、數據處理及PID控制等模塊[21]。

為了減少執行器的動作次數，對PID控制器設置了死區，即轉速偏差在死區范圍內，PID輸入偏差為0；超過死區后，輸入偏差才從0開始計算[22]。圖4為死區設置程序段。圖5為PID控制器程序段。

圖4 PID死區設置程序段

圖5 PID控制器程序段

1.4 組態控制界面設計

WinCC是第一個完全基于32位內核的過程監控系統[23]，采用SIMATIC WinCC V7.3，通過裝載AS消息方式將S7-1200的變量添加到WinCC中直接與其通信。控制系統的監控主界面(模擬運行)如圖6所示。其中，單擊“收獲作物”下的4個按鈕后，可分別對應收獲小麥、水稻、油菜、大豆4種作物；“設定轉速”輸入/輸出域可根據實際情況，設置滾筒轉速，且實時顯示當前工作轉速；單擊“PID整定”按鈕，將彈出PID參數整定的窗口，可在手動模式下實時更改“采樣時間” “比例系數”“積分時間”“微分時間”等參數；選擇“保存數據”，系統將彈出轉速的表格顯示記錄窗口，可將記錄的數據導出并保存；單擊“退出系統”，將退出WinCC運行系統。

圖6 監控系統主界面

2 控制系統仿真

2.1 控制系統數學模型

電液比例泵控馬達系統的被控單元包括放大器、電液比例泵、定量馬達和速度傳感器等。系統的傳遞函數方框圖如圖7所示。

圖7 電液比例泵控馬達系統傳遞函數方框圖

系統的開環傳遞函數為

(1)

其中，Kv為控制系統的開環增益，Kv=KαKbvKqKφKqpKf/ADm。

系統的閉環函數為

(2)

其中，Ku為控制系統的閉環增益，Ku=KαKbvKqKφKqp/ADm。

確定各系統中各元件參數，得到系統的傳遞函數為

(3)

2.2 控制系統Simulink仿真

通過計算分析控制系統的數學模型和系統各部分參數，在Simulink環境中建立了電液比例泵控馬達系統[24]，如圖8所示。

圖8 PID控制仿真框圖

空載時，給系統輸入轉速為800r/min的階躍信號；在系統穩定的情況下，3s時給系統加入400N·m的外負載信號，系統的響應如圖9所示。

由圖9可以看出：空載時，系統具有較好的跟蹤性能，馬達輸出轉速峰值時間為0.23s，調整時間為2.5s；突加400N·m外負載，系統的轉速值降至781r/min，約經過0.2s跟蹤到輸入信號，調整時間不到1s；6s時，由于外負載信號突減為零，系統出現2.5%的超調量，后經1.8s回到設定轉速值。仿真結果表明：系統PID控制器可以滿足對轉速的控制要求。

圖9 在3s后加入400Nm擾動的系統PID階躍信號響應圖

3 轉速控制系統試驗

利用泵-馬達閉式試驗臺，對電液比例控制系統進行了臺架試驗。試驗泵轉速由電機控制，由加載泵回路實現對馬達的加載，如圖10所示。試驗調試階段，將PID控制的死區寬度設置為0，以得到比例系數、積分時間、微分時間的最優值。系統穩定后，分別做如下操作：①將轉速由800r/min提高到900r/min；②在加載泵回路中將壓力設置為30MPa，給馬達添加載荷；③將加載回路的壓力由30MPa提升至35MPa；④將加載回路壓力由35Mpa降至25MPa。觀察系統轉速的響應曲線圖，結果分別如圖11～圖14所示。

圖10 泵-馬達閉式試驗臺

由圖11可以看出：由于電控系統的延時，在控制界面改變設定值到顯示改變后的設定值之間需要0.6s的時間；馬達轉速經過0.4s開始調整，用時5s追蹤到輸入信號，系統繼續穩定工作。

由圖12可以看出：系統中加入了外負載，馬達轉速逐漸降低，最大偏差25r/min,系統經過3.7s恢復到設定值，繼續穩定工作。

由圖13可以看出：液壓回路中壓力由30MPa升高到35MPa時，馬達的轉速降低，最大偏差23r/min；而后轉速開始提高，經過4s回到設定值，系統繼續穩定工作。

由圖14可以看出：系統穩定在800r/min附近工作，當負載突然減小，馬達的轉速升高，經過3s達到最高轉速824r/min；后經過2s回到設定值，系統繼續穩定工作，調節時間共5s，最大超調量3.37%。

圖11 轉速由800r/min提高到900r/min系統的響應圖

圖12 加入負載后系統的響應圖

圖13 加載泵回路壓力由30MPa升至35MPa系統的響應圖

圖14 加載泵回路壓力由35MPa降至25MPa系統的響應圖

4 結論

針對聯合收割機脫粒滾筒的性能要求，研究開發了基于PLC、PID算法及WicCC組態監控界面的滾筒轉速電液比例控制系統，并對系統進行了仿真試驗和臺架試驗。試驗結果顯示：系統在轉速發生變化時的跟蹤性能良好；加載后的調節時間約3.7s，最大偏差25r/min；負載增加(加載泵回路壓力提高5MPa)，調整時間4s，最大偏差23r/min；負載減小(加載泵回路壓力減小10MPa)，調節時間約為5s，最大偏差27r/min。試驗結果表明：控制系統可以穩定工作，在轉速發生變化時，可以實現自動調整及設計目標，滿足控制要求，為聯合收割機的智能化發展提供了研究基礎。

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