小麥收獲機行駛速度自動控制系統設計研究

劉萌萌

摘 ?要：隨著從事農業生產的人口減少，提高收獲效率，加大滾筒直徑和清選篩面積迫在眉睫。我國農機產品也在逐漸升級，農機手對國產收獲機的自動化水平也提出了較高的要求。本文研究了收獲機的運作機理，研究影響收獲機效率的因素，并確定自動控制系統需要實現根據橫軸流滾筒轉速自動控制收獲機行駛速度的功能。該研究有效滿足了高效和自動化地收割的要求，提高了收獲機的自動化水平，使收獲機工作時始終處于或接近于最大收獲能力，具有實踐意義。

關鍵詞：收獲機;自動控制;行駛速度

1 背景

隨著社會老齡化和從事糧食生產人員的減少，保證玉米、稻谷和小麥三種谷物產量的重點在于機械化。耕作，種植，中間管理[1]和收獲四個生產階段的機械化程度直接決定了中國的糧食生產力在政府的大力支持和鼓勵下，中國糧食生產機械化水平不斷提高。

我國收獲機單機每年作業量較少，既有收獲效率低下，也有通用性差的原因。收獲效率低下主要原因是我國收獲機只滿足了基本的收獲功能，在自動化、智能化、機電一體化等方面做的遠遠不夠。收獲機械是非常復雜的機械，而其收獲作業又受農藝、溫度、濕度、成熟度、土地坡度等因素的影響較大，因此提高收獲效率和收獲質量需要隨時根據影響因素的變化而及時調整收獲機的各種參數。而其中最重要的參數是車輛行駛速度，如果能夠根據收獲機的堵塞程度自動調整收獲機行駛速度，就可以讓收獲機始終保持最高的收獲效率，充分發揮收獲機的性能。

當前收獲機的行駛速度必須依靠駕駛員人為調整。由于人類操控精度差，波動大，所以手動調整存在調整不足或者超調，進一步帶來收獲機性能發揮不充分或堵塞停機等問題。如何調整，何時調整，都需要人類憑經驗判斷。人類的經驗不充分或者經驗水平參差不齊更會導致調整不及時、過分調整、調整錯誤等問題。另外，駕駛員在駕駛收獲機時需要保持高度緊張，實時查看各主要部件的工作狀況，工作強度非常大所以就需要設計一款自動調整系統來輔助駕駛員自動完成一些部件的調整。

2功能需求分析

稻麥收獲機整體結構比較復雜，而工作環境多變，因此收獲機作業時就有很多的不可控因素。比如因劇烈震動導致結構件斷裂，連接件松動;田間石塊，樹粧等障礙物和收割機碰撞造成的碰撞損壞;因雨水過多，土地松軟，導致的陷車。但是收獲機最常見，對收獲效率影響最大的故障就是堵塞。收獲機的堵塞故障發生在很多部位，常見的由軸流滾筒、復脫器、過橋和升運器等。其中影響最嚴重的發生在軸流滾筒處的堵塞故障，一旦堵塞需要拆卸滾筒側壁，從一端將堵塞物清理干凈。操作空間[2]狹窄，堵塞后作物緊實，很難清理，往往耽誤半天到一天的時間。

造成軸流滾筒堵塞的原因有好多種，常見的行駛速度太快、早上和晚上濕度較大，中間軸與發動機和軸流滾筒連接的兩組皮帶部分或全部打滑，割臺放置過低收進泥土等。

3速度控制系統的總體架構

本文研究的收獲機自動控制系統由轉速信號采集裝置、控制器、驅動系統和報警顯示裝置組成。轉速信號采集裝置將收獲機軸流滾筒轉速和收獲機行駛速度采集出來，發送給控制器。控制器根據內部控制邏輯計算需要輸出到控制模塊的控制量[3]。控制模塊控制電磁鐵鐵芯的伸縮量，通過柱塞泵上面伺服閥和伺服油缸間接控制泵的排量，馬達、變速箱和驅動輪等部件將驅動力最終傳遞到地面得到需要的行駛速度。

轉速信號采集裝置由轉速測量傳感器和控制器的一部分組成。用于采集軸流滾筒轉速和邊減傳動軸的轉速，并將脈沖信號轉化成轉速和行駛速度數據。

控制器由控制器和控制程序組成。用于分析數據、判斷收獲機工況、控制收獲機行駛速度等。驅動系統包括電控可變排量活塞泵，定量活塞馬達，齒輪箱，驅動軸，車輪減速器和驅動輪。由控制器控制，控制信號被轉換成相應的驅動速度。

顯示報警模塊由顯示器和部分程序組成，將控制器處理完的滾筒轉速和行駛速度顯示出來，在轉速過低時進行聲光報警。

4速度控制硬件設計

速度測量方法有很多種，包括光電編碼測量方法，霍爾元件測量方法，磁感應測量方法，離心測量方法，測速發電機測量方法，閃速測量方法，漏磁速度測量方法等。

由于收獲機的工作環境比較惡劣，粉塵十分嚴重，因此光電式測量方法不適合本文所研究的收獲機。測速發電機測量法需要在轉動軸末端裝用于測速的發電機，滾筒軸和驅動軸上都沒有足夠的空間，不能使用。離心式測量法測量精度差而且不能夠實時測量，因此不采用。霍爾元件測量法和磁感應測量法都是非接觸式、比較適應惡劣環境而且可以實現實時測量的方法。霍爾元件測量法頻率范圍較大，從直流到微波頻段都能夠測量，因此選擇霍爾元件法作為轉速信號采集的方法。

測速方法有測周期法和測頻率法兩種，需要根據目標轉速范圍確定適用何種測速方法。收獲機所用的控制器時間測量精度為1m/s，測周期法由于在開始和結束各有半個單位時間測量不準確，會導致有一定的測量誤差，而且每個周期中測得的時間間隔越短誤差就越大，此方法往往都用在轉速比較低的場合。測頻率法在開始和結束各有一個脈沖測量不準確，會導致有一定的測量誤差，而且單位時間內測得的脈沖數越少誤差就越大，因此該方法往往用在轉速比較高的場合。軸流滾筒轉速較高適合選用測頻率法，行駛速度測量的變速箱傳動軸的轉速，此軸轉速較低，適合選用測周期法。

行駛速度測量使用抱箍式塑料盤安裝磁鐵，專用支架安裝霍爾傳感器的方案。霍爾傳感器固定不動，磁鐵隨著傳動軸轉動。方案如圖1所示：

本文所研究控制系統選用的控制器為PLUS+1MC050，此控制器提供多功能的IO端口，輸入端口有6個數字輸入端口，4個數字和模擬通用輸入端口，6個數字，模擬和頻率通用輸入端口，4路模擬、溫度、電位器輸入;輸出口有3路數字量輸出口，3路數字量和PWM通用輸出口，IO路數字量、PWM和比例量通用輸出口，另外還有兩組通訊端口。

5 小結

簡要介紹收割機的工作原理和操作過程。根據收獲機的作業流程，并結合收獲機的作業環境、安全需要等因素，明確了自動控制系統功能和性能方面的設計要求。制定了收獲機自動控制系統的總方案。收割機自動控制系統由速度信號采集裝置，控制器，驅動系統等部件組成。轉速信號采集裝置將收獲機軸流滾筒轉速和收獲機行駛速度采集出來，發送給控制器。制定了速度控制邏輯，根據軸流滾筒的轉速變化。

參考文獻

[1] ?白學峰等.中國農業機械化現狀與發展模式研究[J].農機化研究.2017，10：256-262.

[2] ?張琨等.玉米籽粒聯合收獲機關鍵技術研究[J].農業技術與裝備.2016，07：77-81.

[3] ?余良俊，席東河，汪小志.基于多跳無線局域網絡的多聯合收獲機速度協同控制[J].農機化研究.2016，03：222-226.