玉米收獲機自動對行方向自校正系統的研究

陳 剛，孫宜田，李青龍，何青海，孫永佳，沈景新

(山東省農業機械科學研究院，濟南 250100)

0 引言

玉米收獲機自動對行作業可以減少因人工操作不當造成的錯行、漏收現象，提高作業質量，減小駕駛員的勞動強度。玉米收獲機自動對行方向自校正系統是玉米收獲機自動對行控制系統的執行單元，本文研究的玉米收獲機自動對行方向自校正系統采用電液比例控制技術調節收獲機轉向輪的偏轉角度，使轉向輪快速、穩定地達到給定角度，滿足不同作業速度下對不同偏轉角度的調整，從而實現對行作業方向的自校正。

1 系統組成及原理

自動對行方向自校正系統由控制器、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向液壓缸的液壓油流量保持恒定。

系統的控制信號(階躍信號)經過數字PID調節和PWM模塊轉化為PWM電壓信號，電壓信號經過比例放大模塊轉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。角度傳感器將轉向輪偏轉的角度信息動態地檢測并反饋到控制器，構成圖2所示的閉環控制系統[1-2]。

1.觸摸屏 2.控制器 3.三位四通電液比例換向閥 4.分流閥

圖2 閉環控制系統

2 系統設計

本系統以XC3S1200E芯片為核心元件構建控制系統,主要由檢測電路、驅動電路、通訊電路、報警電路等組成，如圖3所示。其中，檢測電路實現速度、轉向角度及對行狀態等信號的采集；驅動電路實現比例電磁閥控制信號的調節、轉化和放大；觸摸屏由報警、通訊等電路組成，主要實現參數設置、數據顯示及報警提示。

圖3 控制系統結構框圖

控制流程圖如圖4所示。

圖4 控制流程圖

系統的檢測和觸發信號為玉米收獲臺上安裝的對行檢測傳感器的反饋信號。系統啟動后，首先通過角度傳感器檢測轉向輪初始狀態。若轉向輪處于偏轉狀態，則調節比例換向閥，使轉向輪與機具前進方向平行。當對行作業自校正信號觸發時，控制器給比例換向閥通電，采用PID控制方式調節比例換向閥的閥芯開度[3]，控制液壓缸活塞桿的位移及速度，使轉向輪發生偏轉。轉向輪偏轉后，根據實時檢測的對行檢測傳感器信號來判斷轉向輪偏轉角度是否達到要求。若對行檢測傳感器無反饋信號，則轉向輪調節到位，然后調節轉向輪使其與機具作業方向平行，完成1次方向校正過程。

系統控制程序采用LabVIEW編寫，控制程序如圖5所示。

圖5 控制程序圖

3 試驗

3.1 系統參數確定

本系統安裝在4YZP-4D型玉米收獲機上，將圖1中的機具轉向機構簡化為四邊形機構，如圖6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向軸之間的距離，DC為液壓缸活動端到輪胎轉向軸的距離，AE為輪胎偏轉后液壓缸的長度。

圖6 轉向機構簡圖

根據圖6中機構的位置關系，液壓缸活塞桿移動距離L與輪胎轉角θ之間的關系為

(1)

(2)

LAE2=LAD2+LDE2-2LAD·LDE·cos∠ADE

(3)

LAD、LDC、∠ADC為已知量，由式(1)～式(3)可以得出

(4)

根據收獲機轉向系統的工作原理，應用AMESim軟件建立如圖7所示的電液比例閥控液壓缸轉向系統模型[4-6]，通過公式(4)可以將活塞桿位移量轉換為輪胎偏轉角度。對系統進行仿真，確定PID參數的取值范圍，為田間試驗提供數據依據。

圖7 比例閥控系統模型圖

仿真模型的主要參數為：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(如液體黏度系數、油溫等重要參數)是在常規狀態下考慮的，則選用AMESim軟件模型庫提供的首選參數即可滿足要求。

圖8、圖9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8、圖9可以看出:系統穩定無超調，響應時間越短，控制進行得越快，系統的品質就越好，但是提高系統快速性的同時還要兼顧系統的穩定性和準確性。應用AMESim的批處理功能分別對PID的3個參數進行批處理仿真，觀察參數的變化對電液比例閥控液壓缸轉向系統控制性能的影響，確定PID參數取值范圍。

圖8 活塞桿位移曲線

圖9 活塞桿速度曲線

Ki和Kd保持不變、Kp取值逐漸增大時，液壓缸活塞桿位移仿真結果如圖10所示。由圖10可以看出：Kp取值越大，階躍響應時間越短，活塞桿移動速度越快。根據轉向輪偏轉動作的時間要求，Kp取值范圍確定為500～1 000。圖11是Kp和Kd保持不變、Ki不同取值對活塞桿位移加速度的影響由圖11所示。由圖11可以看出：Ki取值為0.1時，系統振蕩時間較長，穩定性差，ki取值范圍確定為0.5～2。Kp和Ki保持不變，Kd不同取值對活塞桿位移加速度的影響如圖12所示。由圖12可以看出：Kd值為0.001、0.01時，超調量較大且系統響應速度慢，Kd取值范圍確定為0.1～10。

圖10 (Ki和Kd不變)活塞桿位移仿真曲線

圖11 (Kp和Kd不變)活塞桿加速度仿真曲線

圖12 (Kp和Ki不變)活塞桿加速度仿真曲線

3.2 試驗分析

試驗區玉米無嚴重倒伏，玉米行距為32～47cm，株距為11～31cm。試驗分別在4YZP-4D型玉米收獲機6、7、8km/h等3個擋位作業速度下進行試驗，每次試驗測試距離為1 000m。試驗過程以試驗距離內收獲機自動對行方向校正失效次數N為衡量參數。

根據操作經驗，影響對行方向校正效果的因素主要是轉向輪偏轉角度大小、偏轉速度及機具作業速度，而轉向輪偏轉角度大小和偏轉速度受PID參數的影響。因此，采用標準的四因素三水平的正交試驗表，制定試驗方案，如表1所示。4個因素分別為Kp(A)、Ki(B)、Kd(C)、作業速度v(D)，PID參數值在仿真結果確定的參數范圍內選取。

表1 因素水平表

試驗結果如表2所示。其中，極差R表明各因素水平對試驗結果的影響情況。R越大，表明該因素水平的變化對試驗結果影響顯著，故極差最大的因素為主要影響因素。分析極差大小關系可知：各因素水平對試驗結果影響的主次順序為D、A、C、B。就單個因素而言，因素A對結果的影響順序為A1、A3、A2(A1與A3相同)，因素B對結果的影響順序為B3、B2、B1，因素C對結果的影響順序為C3、C1、C2。

表2 試驗結果

續表2

試驗表明：作業速度v對試驗結果影響最大，參數Kp次之，參數Ki、Kd對試驗結果的影響較小。在PID參數為KP=800、Ki=0.5、Kd=0.1及作業速度為7km/h時，該自動對行方向自校正系統控制效果最好。

根據人工對行作業時的經驗，機具作業速度越快，轉向輪調節速度也越快，因此控制系統中不同的PID控制參數需要與不同的作業速度相匹配。根據表2數據，忽略次要因素，分析參數Kp與作業速度v的匹配關系，如圖13所示。

圖13 v與Kp的匹配關系

1)KP=500時，作業速度越快，轉向輪調節需要的時間越短，控制參數Kp與作業速度v的匹配性越差，導致方向校正失效次數增多。由圖13可以看出：v=6km/h時，方向校正失效次數最少，因此試驗機具低速作業時，KP取值為500比較合適。

2)KP=800、作業速度為7km/h時，方向校正失效次數最少。由圖13可以看出：試驗機具在低擋位或高擋位作業時，Kp與作業速度的匹配性都比較差。KP=800時，適合試驗機具在中等作業速度下進行自動對行作業。

3)KP=1 000、作業速度為6km/h時，方向校正失效次數最多；作業速度為7km/h、8km/h時，方向校正失效次數相等。因此，參數取KP=1 000時，比較合適試驗機具在中高速擋位下作業。

4 結論

本文研究的玉米收獲機自動對行方向自校正系統采用PID算法控制比例換向閥，實現了玉米收獲機自動對行方向校正過程的實時閉環調節。系統以4YZP-4D型玉米收獲機為載體，田間試驗表明：PID參數為KP=800、Ki=0.5、Kd=0.1，以及作業速度為7km/h時，系統控制效果最好。該系統還需要在不同型號收獲機上進行試驗，不斷優化控制參數和系統結構參數。相信該系統能夠得到推廣和應用，屆時將大大降低收獲作業勞動強度，提高收獲質量和效率。