基于BRF的自動插秧機電氣控制系統優化

江　玲

(湖北理工學院，湖北 黃石　435000)

0　引言

隨著電氣智能控制系統的廣泛應用與進步，我國水稻種植已由傳統的插秧工具向現代的自動插秧工具演變。日本作為最早進行水稻插秧機發明的國家，插秧水平位于世界前列，我國水稻種植產業在借鑒其技術的基礎上，亦不斷開發和研制具有自己獨特功能、適合中國田地作業的插秧機。針對目前大多數插秧機在進行插秧作業時存在的插秧深度不一致與不均勻性問題，筆者從電氣控制精準度出發，基于應變傳遞與控制理論，采用BRF傳感器向控制裝置傳遞信號，并對關鍵電氣控制系統的軟硬件組成與工作環節進行優化設計，進而控制插秧機協調動作，完成自動插秧。自動插秧機三維圖如圖1所示。

圖1　自動插秧機外觀圖

1　電氣控制系統概述

自動插秧機包括秧箱、電氣控制部件、取秧部件、機械插秧部件及整體機架等。其工作原理可以簡要描述為：在自動控制系統控制下，插秧機向前運動，取秧部件獲取動作信號；在插秧預先設計的軌跡控制機構的指令下，對秧箱中整齊存放的秧苗進行有序取秧，并在機械插秧部件的作用下植入田間土壤。其植入的深度與均勻性對于秧苗的存活率及后續的水稻產出率起到至關重要的作用，因此電氣控制系統的設計為核心內容。

電氣控制系統的控制要求在于：

1)硬件及系統容量和響應時間的選擇；

2)對主控制器PLC進行合理選型，主電氣線路設計與布置，輔助電氣線路設計與布置，I/O地址分配；

3)對檢測和傳遞信號的傳感器部件進行相應配置，相應的步進電機的參數設置；

4)電氣控制柜及主要電器相應功能單元；

5)自動插秧、轉向系統的設計等。

2　電氣控制系統優化

2.1　優化設計理論

針對傳感器有效感應這一環節進行重點優化，考慮插秧機在作業時BRF的應變傳遞與控制信息及相關反饋因子和函數的檢測與測量，利用調制、解調功能在預先設置好的自動導航控制系統下不斷糾正偏差，關注導航控制的有效性、對于作業環境進行識別并及時做出田間響應的速度性，進行插秧作業。為適應實際田間作業，將電氣控制與自動插秧作業理論相結合，側重于主控操作的電控化與智能化，對各個作業環節(如導航環節、轉向糾偏環節、插秧精準控制與動作環節等)多次試驗模擬演繹插秧過程，實現插秧機的核心結構的完善，最終達到整機電氣控制系統的最優化。

2.2　關鍵優化裝置

對于插秧機的導航(轉向)控制系統，建立并改進導航機構，其簡易控制硬件圖如圖2所示。其中，配置BRF的導航測量單元在此系統中作為主要優化源之一。

圖2　自動插秧機導航控制系統簡圖

軟件控制如圖3所示。基于控制中心，設置參數、信息溝通、故障處理及中斷服務等功能模塊同時，系統進行優良行程識別、測量與同步控制插秧裝置的插秧作業位姿的制定。此控制環節加入視覺、位置、速度等傳遞感應電氣控件，根據其在自動插秧機所發揮的功能進行多項組合，經精密可靠的濾波處理，可達到預期設定位姿。此控制裝置的設置建立在自動插秧機插秧作業的運動軌跡基礎之上，其各個方位的運動存在一定的聯系，形成了準確的理論運動算法，涉及慣性及角速度等參數，如圖4所示。

圖3　自動插秧機軟件控制簡圖

通過應用BRF傳感器理論，依據專業算法，在建立自動插秧機理論插秧作業軌跡坐標的基礎上，得出整機在電控作用下的路徑簡圖，如圖5所示。

自動插秧機的速度控制系統采用無級調速作業方式，機械液壓結合電控方式調節速度組合。系統采取不等距的插秧模式，可以有效提高插秧的效率，配合插秧機作業的流程與各個關鍵控制點精確到位，提高水稻插秧的質量。本文根據傳遞扭矩、輸出功率及所承受的植入水稻秧苗的反作用力要求，確定電機的關鍵技術參數?？紤]液壓馬達、傳動軸的傳遞效率及源動力泵的型號匹配等，利用上位機更改電氣控制程序，調整秧苗株距。電氣自動控制流程圖如圖6所示。

圖4　自動插秧機理論軌跡坐標

圖5　基于BRF的自動插秧機路徑簡圖

插秧機的電控裝置帶動硬件執行機構，需考慮變速準確、迅速，且對于變速離合及各擋位的設置和變換要做到轉矩最大化、離合作用干脆化，離合裝置與控制進行合理布局。在此過程中，需要設置相應約束條件,包括邊界條件、傳遞函數及初始參數等，最終得出主離合的轉矩為

T=θTMAX=fFZRM

(1)

RM=2(R3-r3)/[3(R2-r2)]

(2)

式中θ—離合裝置備用因數；

f—離合裝置摩擦因數；

F—主摩擦面作用拉緊力；

Z—摩擦作用面的個數；

R—離合裝置作用面的外圓半徑；

r—離合裝置作用面的內圓半徑。

圖6　自動插秧機程序控制流程圖

自動插秧機的執行機構、電氣控制優化設置完成后，編寫程序控制段，包括輸入段與返回段，程序如下：

struct input_value

{char C;

Unsigned long n;

char T;

char ID0;

float Tcmd;

…

Float Ufeed;

};

struct return_value

{char F;

Unsigned long n;

char T;

float Tcmd;

char Tm;

float Tp[Tm];

…

Unsigned int check;

};

3　優化效果分析

進行優化試驗，假設基礎要求為：①選取田間土壤條件一致；②面積大小一致；③自動插秧機作業狀態一致。

1)通過利用自動追蹤控制功能，對插秧行進過程中的插秧機進行實時監控，通過監控程序調出其實際運行軌跡及不斷調整的過程圖片段。由圖7可以看出：由于整機作業時為電氣自動控制，不存在人工操縱，故其偏離插秧路線的可能性會發生。基于BRF理論改善后的插秧機，通過對作業前方的路況圖像識別、處理及有效傳輸， 控制系統可在即將偏離預設路線或者偏離超出一定范圍內，通過控制中心及時發出調整偏離路線指令，進行有序的插秧作業。調整裝置主要依賴于PID控制調節方式，其具體參數可依據表1的PID調節經驗公式進行選定。優化此控制后，其系統的響應及動作時間會變得迅速，可以很好地進行插秧機插秧軌跡過程偏差的調控。

圖7　自動插秧機實際運動軌跡誤差

調節項目主要調節參數比例度/%調節時間t微分時間TDP2δk∞0PI2.2δk0.833TK0PID1.67δk0.5TK0.125TK

表2　自動插秧機電氣控制系統優化前后效果對比數據

2)對融入BRF理論之后的電氣控制系統效果進行對比，并記錄數據，如表2所示。通過提升轉向控制、行進作業控制、插秧具體動作控制的速度與準確度，驗證改善的可行性。結果表明：優化后的自動插秧機作業效果較優化前可提升8%左右。

3)試驗表明：自動插秧機可按照優化后的電氣控制系統執行相應的行進、轉向、倒退、插秧等機具動作，設置合理的電機步進參數、控制最佳的電機轉速，進而使自動插秧機具有良好的作業效果。

4　結論

針對自動插秧機的電氣自動控制作業環節，基于BRF傳感器理論準確獲取插秧田地作業信息，通過對電氣控制系統裝置進行優化，實時對插秧機的動作部件適當調整，實現多傳感器組合控制。同時，優化了電控系統的控制算法，保證了自動插秧的插秧深度隨著田間土壤地形的不規則性而保持一致；強化智能反饋與智能作業，并分析優化后的插秧效果，表明BRF理論的融入更利于提高插秧機電氣自動控制水平的精確性和穩定性，更利于高效率進行水稻自動插秧作業，是一種值得推廣的優化方法。