一種智能收割控制系統(tǒng)的設計與應用

林家平，章二平

（廣西柳工農(nóng)業(yè)機械股份有限公司，廣西 柳州 545007）

甘蔗收割機是一種代替人工收割甘蔗的機器，在國內(nèi)產(chǎn)糖地區(qū)廣西、廣東兩省應用非常廣泛。由于甘蔗收割動作復雜，所以控制功能比較多，目前存在駕駛員操作困難，工作強度大，不利于長期作業(yè)，影響機器收割效率。本文針對收割機操作繁雜問題設計了智能收割控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種控制收割機按設定參數(shù)工作的控制系統(tǒng)。通過預先設定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、行走速度、割刀轉(zhuǎn)速、通道轉(zhuǎn)速和除雜風機轉(zhuǎn)速，當按下智能收割按鍵后，控制收割機按設定參數(shù)進行收割。該系統(tǒng)采用參數(shù)化收割模式，具有操作簡便和智能化作業(yè)的效果，采用通道堵塞保護方式，具有保護割刀和提高收割效率的效果。目前研究內(nèi)容主要集中在參數(shù)的設定值和通道堵塞保護方式兩個研究方向上。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

智能收割系統(tǒng)包括智能收割按鍵1、控制器2、顯示器3、發(fā)動機4、行走電磁閥5、割刀電磁閥6、通道電磁閥7、除雜風機電磁閥8、壓力傳感器9、割臺高度顯示裝置10；其中智能收割開關1與控制器2電性連接，控制器2分別與顯示器3、發(fā)動機4、行走電磁閥5、割刀電磁閥6、通道電磁閥7、除雜風機電磁閥8、壓力傳感器9、割臺高度顯示裝置10電性連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)顯示器上的智能收割參數(shù)設置界面，可以設定發(fā)動機轉(zhuǎn)速、行走電磁閥電流、割刀電磁閥電流、通道電磁閥電流、除雜風機電磁閥電流等參數(shù)，控制器輸出設定參數(shù)到發(fā)動機、行走電磁閥、割刀電磁閥、通道電磁閥、除雜風機電磁閥，當按下智能收割按鍵后，控制收割機按設定參數(shù)進行智能收割；當通道堵塞時，根據(jù)壓力傳感器和發(fā)動機轉(zhuǎn)速反饋信號，降低行走速度；并根據(jù)割臺顯示裝置反饋信號調(diào)節(jié)割臺高度。工作原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)中的控制器內(nèi)置通道防堵塞程序，當通道堵塞時，控制器根據(jù)發(fā)動機和壓力傳感器反饋的信號，降低行走速度和調(diào)節(jié)割臺高度。通道防堵塞過程：①只要滿足割刀壓力高、通道壓力高、發(fā)動機轉(zhuǎn)速掉速中任一條件，則降低行走速度；②行走速度降低后，只要滿足割刀壓力高、通道壓力高、割刀轉(zhuǎn)速低中任一條件，則升高割刀；③當同時滿足割刀壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常時，割刀高度恢復設定值；④當同時滿足割刀壓力正常、通道壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常、發(fā)動機轉(zhuǎn)速正常時，行走速度恢復設定值；⑤只要滿足割刀壓力高報警、通道壓力高報警、割刀轉(zhuǎn)速低報警中任一條件時，收割機停止前進；⑥當同時滿足割刀壓力正常、通道壓力正常、割刀轉(zhuǎn)速正常、發(fā)動機轉(zhuǎn)速正常、行駛手柄回中位時，收割機恢復行駛功能[1]。

3 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)和工作流程

3.1 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)電路由電源電路、中央處理器、A/D輸入電路、PWM輸出電路、CAN總線電路構(gòu)成。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

3.1.1 電源電路

電源電路是控制器的供電模塊，把整車電源DC24V轉(zhuǎn)化為+5V、+3.3V,其中+5V為內(nèi)部組成電路的電源，+3.3V為電源模塊的基準電壓，通過反饋電壓Vf與基準電壓Vcc的比較保證電源穩(wěn)定輸出。電路如圖4所示。

圖4 電源電路

3.1.2 中央處理器

中央處理器（CPU=Central Processing Unit）為控制器的數(shù)據(jù)運算和存儲模塊，是控制器核心元件。控制器根據(jù)輸入?yún)?shù)要求，通過CPU邏輯運算轉(zhuǎn)化為相應的輸出信號，控制機器的行走速度、通道轉(zhuǎn)速、割刀高度、除雜風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)智能收割控投制。

（1）A/D輸入電路。A/D輸入電路由開關量信號模塊和模擬量信號模塊組成。開關量信號模塊功能是通過設計外圍電容充電檢測電路，把輸入信號轉(zhuǎn)化為0(0V)或1(24V)，這樣中央處理器CPU就能夠識別和運算相關信號。如：當電路中的開關閉合時，充電電容開始充電，當兩端電壓到達24V時，則CPU判斷輸入信號為1；反之，當電路中的開關斷開時，充電電容開始放電，當兩端電壓到達0V時，則CPU判斷輸入信號為0。如果電路中的輸入信號不穩(wěn)定，一般使用延時計數(shù)方法采集信號以濾除干擾。電路如圖5所示。

圖5 開關量輸入電路

開關信號電路工作流程如圖6所示。

圖6 開關信號工作流程

模擬量信號模塊功能是通過設計+3.3V電壓檢測電路，把輸入的物理量轉(zhuǎn)化為相應的電信號，這樣中央處理器CPU就能夠識別和運算相關信號。如：割臺高度傳感器是電阻性信號，當接入3.3V電壓檢測電路時，不同的電阻信號轉(zhuǎn)化對應的電壓信號，CPU根據(jù)輸入電量的變化再轉(zhuǎn)化為高度顯示。電路如圖7所示。模擬信號電路工作流程如圖8所示。

圖7 模擬量輸入電路

圖8 模擬信號工作流程

（2）PWM輸出電路。PWM輸出電路主要由諧振電路、電壓比較器和功率管構(gòu)成。CPU控制諧振電路的占空比，占空比為脈沖正周期時間與脈沖整個周期的比例；當占空比大時，輸出電壓高，當占空比小時，輸出電壓小。功率管為開關元件，作用是控制輸出信號的通斷狀態(tài)。電壓比較器的作用根據(jù)反饋電壓Vf與基準電壓Vss比較結(jié)果調(diào)節(jié)占空比，當Vf＞Vss時，降低占空比；當 Vf＜Vss時，提高占空比；保證電源的穩(wěn)定輸出。電路如圖9所示。

圖9 PWM輸出電路

PWM電路工作流程如圖10所示。

圖10 PWM電路工作流程

（3）CAN總線電路。CAN總線電路由CAN通訊模塊構(gòu)成，主要作用是數(shù)據(jù)通信的物理接口。CAN通信線路由CAN_H和CAN_L組成，CAN_H的信號為2.5V-3.5V，CAN_L的信號為1.5V-2.5V；一般使帶屏蔽層的平線雙絞線進行連接，并在首尾安裝終端匹配電阻（120Ω）；CAN總線通信按J1939協(xié)議進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。電路如圖11所示。

圖11 電路圖

CAN總線電路接收數(shù)據(jù)工作流程如圖12所示。

圖12 CAN接收數(shù)據(jù)流程

CAN總線電路發(fā)送數(shù)據(jù)工作流程如圖13所示。

圖13 CAN發(fā)送數(shù)據(jù)流程

4 系統(tǒng)的應用

該智能收割系統(tǒng)已在廣西柳工生產(chǎn)的小型甘蔗收割機上成功運用，實現(xiàn)了一鍵智能收割作業(yè)的操作，并驗證了防止通道堵塞的保護功能。

4.1 控制系統(tǒng)布置

控制系統(tǒng)布置如圖14所示。

圖14 控制系統(tǒng)布置圖

4.2 顯示器主界面

顯示器是人機交互界面，駕駛員可以通過讀取顯示值了解機器的工作狀態(tài)是否符合當前的工況要求，并進行收割參數(shù)設置。界面如圖15所示。

圖15 顯示器主界面

4.2.1 參數(shù)設置界面

參數(shù)設置界面是機器收割工作參數(shù)的輸入窗口，共2個頁面。

頁面1是電磁閥電流設置界面，包括除雜風機轉(zhuǎn)速、割刀電磁閥電流、通道電磁閥電流、行走電磁閥電流等參數(shù)。界面如表1所示。

表1 參數(shù)設置表

頁面2是壓力報警值、割臺自動調(diào)整量、發(fā)動機轉(zhuǎn)速等參數(shù)設置界面。界面如表2所示。

表2 參數(shù)設置表

5 結(jié) 論

目前智能收割控制系統(tǒng)在實際應用中，一般出現(xiàn)設定發(fā)動機轉(zhuǎn)速過高，造成油耗大；設定行駛速度過快，造成通道堵塞；設定除雜風機轉(zhuǎn)速低，收割含渣率高等問題。為了彌補這個缺陷，通過反復試驗進行參數(shù)的改進，實現(xiàn)發(fā)動機油耗低、收割通道通暢、收割干凈的效果。通道堵塞保護控制方式，目前通過降低行走速度和提高割臺高度方式實現(xiàn)；其存在的問題是通道堵塞故障的判斷是否準確。在后續(xù)工作中將對出現(xiàn)的問題繼續(xù)進行研究。