電力控制系統在拖拉機耕深控制中的應用研究

王 淼,伍志丹,黃 鶯

(柳州鐵道職業技術學院,廣西 柳州 545616)

0 引言

近年來,隨著社會發展和時代變遷,我國從事農業的人口數量大幅減少,可用的土地資源也日益萎縮,農業生產面臨的形勢極為嚴峻。目前,我國的農業生產模式開始從小規模分散經營向種植大戶集中經營轉變,為農業機械的推廣應用創造了條件。我國對各種農業機械上研究相比發達國家起步較晚,但是發展迅速,農業生產的機械化率得到了顯著的提升,一些主要糧食作物已實現了全程機械化生產。因此,在現有基礎上,吸收新型技術提高農業機械的整體性能和適應性,對農業的可持續發展具有重要意義。

拖拉機是數量最多且通用性最好的農業機械,可以獨自用于物資的運輸,也能作為農業機械的牽引動力。在很多相關的研究中,拖拉機都是各種新型農機技術的測試平臺,以驗證新型技術方法的實用性。土地耕作是拖拉機的一項重要作業內容,耕作質量主要用耕深來反映。耕作深度對農作物的根系生長和產量有決定性的影響,耕作太深會破壞大田的土壤結構,耕作太淺又會減弱根系對養分的吸收。因此,需要在滿足作物正常生長的基礎上選擇合適的耕作深度,才能達到最佳的經濟效益[1]。拖拉機行進過程中會受到地勢起伏和土壤不均勻的影響,導致耕作深度發生變化,甚至偏離設定值較大的范圍。耕深變化降低了拖拉機的作業質量,增加油耗和農機器具的磨損,是耕作面臨的主要問題[2]。

傳統的耕深控制方法主要為力調節、位調節和高度調節,但是高度調節使用相對較少。力調節是根據犁入土越深則拖拉機所受阻力越大的原理,改變拖拉機的附著性能,使耕深和輸出功率保持穩定;但是,當土壤結構不均勻時,相同耕深下的阻力也不同,這就需要通過位調節來進行彌補[3]。位調節是將位移傳感器安裝在拖拉機的作業部件上監測耕深,與設定值比較后根據結果進行反饋調節,使耕深迅速恢復到合適的區間內[4-5]。此外,吳國楨等對基于液壓伺服系統的耕深位控制進行了研究,闡明了該系統的優點和適應性[6]。杜巧連等和商高高等分別測試了電液耕深控制方法在位控制和力控制中的效果,發現該方法的控制精確度高,穩定性好,具有很大的應用價值[7-8]。李博等為了適應山地和丘陵地區小面積田塊的耕作需求,設計了一個微耕機的耕深自動調節系統,能夠有效地控制和穩定耕深,提高了小型耕作機械的性能[9]。

目前的拖拉機耕深控制方法大多為液壓式或電液混合式,具有控制準確和可靠性高的優點,但由于采用了閉環控制和液壓傳動,控制的實時性無法增強,對耕深的調節存在一定的滯后,影響了機械的智能化水平。針對當前我國精準農業發展的現狀,引入電力控制系統可以較好地解決上述的問題。電力控制系統具有穩定的電力運行狀態,可以協調不同設備的動作和響應時間,實現對控制過程的優化[10]。在工業領域,電力控制系統與監控軟件結合,引領了工業控制技術的發展趨勢[11]。張曉莉等提出基于步進電機的控制算法,提高了冶金電力控制的準確性[12]。符曉芬和奚秀芳的研究表明:與傳統的方式相比,電力系統在拖拉機的驅動效能、位置確定和轉角控制方面具有明顯的優勢[13-14]。

目前,電力控制系統已經開始應用到拖拉機上,但是還缺少耕深控制相關的研究和報導。為此,以電力控制系統為核心,對拖拉機的耕深進行控制,以期提高耕深控制的實時性和準確性。

1 農業機械平臺

農機平臺為東方紅LX604型拖拉機,該型拖拉機的前后輪距分別是165cm和210cm,離地高度35cm,額定輸出功率45kW,行駛速度為2.0～33.5km/h,能為各種作業機械提供牽引動力。用于耕作的犁為東方紅1L-425鏵式懸掛犁組,由拖拉機牽引,工作幅寬110cm,耕作深度在12～20cm之間。

耕作深度采用位調節和力調節共同控制,由米郎KTC型位移傳感器測定懸掛犁提升臂的位移方向和距離,瑞爾特T302型拉壓傳感器測定懸掛犁組受到的土壤阻力。拖拉機的導向輪上安裝JLl8A3型霍爾傳感器用于測量拖拉機的行駛速度,3種傳感器的數據經AD6673型轉換器轉換為數字信號傳送給電力控制系統;電力控制系統接收傳感器的實時數據,將分析結果與設定的耕深數據比較,確定耕深的修正量后發出指令;指令經過伺服放大器后到達步進電機,電機按照控制指令正反轉動;分配室內的油液在電機驅動下重新分配,改變犁體提升臂的位置,以達到調節耕深的目的。步進電機的驅動芯片為東芝TA8435型,結構簡單,可靠性好,具有二相驅動的功能。作業前,根據實際情況設定相應的耕深,當地勢起伏或土壤濕度、硬度出現變化導致拖拉機行進的阻力不均勻時,電力控制系統則自動設定電機速度調節耕作深度。農機平臺總體設計如圖1所示。

2 電力控制系統

電力控制系統由拖拉機的發電機提供電源,根據參數要求選擇無刷直流電機作為動力源部件,電力的變換電路為全橋式逆變器。系統的主控單元為微芯PIC18F23K型芯片,運行速度快,能耗低,內部集成了增強型CCP模塊和用于通信的USART模塊。芯片具有模糊控制算法理論和PID自動調節功能,從而實現對耕深的自動控制。系統采集犁體提升臂的位移信號和力信號,結合拖拉機的行駛速度,以模糊算法基于知識推理庫確定耕深的調整量和響應時間,形成閉環調節模式,具有較好的適應性。系統中安裝顯示屏,用于反映傳感器采集的數據信息、系統運行狀態和耕深控制情況。電力控制系統結構如圖2所示。

圖1 農機平臺的總體設計

圖2 電力控制系統的結構

電力控制系統的軟件參考奚秀芳的研究進行設計,建立行駛速度、提升臂位移和拉壓力等監測參數與步進電機轉速之間的關系模型,以便精確獲得耕深的控制量。核心芯片在計算耕深調整量的過程中引入了傳感器采集到的速度、位移、拉壓力等自變量,因此對性能指標的迭代收斂具有良好的效果,實現電力控制系統對耕深的實時準確調節。

3 耕深控制流程

耕深控制系統啟動后,首先進行初始化,然后傳感器采集數據。位移傳感器安裝在拖拉機上,通過杠桿結構與反映耕深的連桿連接,隨著連桿的位移產生相應信號。位移傳感器產生的模擬信號與耕深成正比,通過負反饋與給定信號形成閉環控制模型。拉壓傳感器安裝在犁組的應變片上,采集上拉桿的受力信號。拉壓傳感器產生的模擬信號與犁耕阻力成正比,通過例反饋與給定信號形成第二反饋回路。

核心芯片將反饋的耕深數據與設定值比較,若實際耕深在設定的范圍內,則繼續進行監測;若實際耕深超出設定的范圍,則進行調節。對耕深的調節以位調節為主,以力調節為輔,使耕深回歸到設定的范圍內。當實際耕深大于設定值時,步進電機正向轉動,反之則反向轉動。在步進電機的驅動下,液壓油流進或流出分配室的油缸,從而帶動犁體提升臂的升降,最終達到控制耕深的效果。耕深自動控制流程如圖3所示。

圖3 耕深自動控制的流程

4 試驗結果與分析

為了檢測電力控制系統對拖拉機耕作深度的控制效果,在本單位的試驗基地中進行作業。試驗田塊為旱地,形狀較為規則,地勢略有起伏,選擇田塊中100m長的地段,用拖拉機耕作。拖拉機設置4個耕作速度分別為3.0 、3.3、3.6、4.0km/h,設置兩個耕作深度分別為14cm和18cm,共8個耕作條件。在每個耕作地段上均勻選擇10個點,記錄顯示屏上的系統監測耕深,并測量實際耕深,分析與設定值之間的差異。

試驗結果如表1所示。

表1 系統對耕深控制的準確性

續表1

當耕深分別設置為14cm和18cm時,不同速度下的實際耕深在13.8～14.3cm和17.7～18.3cm之間,偏離設置值很小。系統對耕深的監測也很準確,最大偏差僅為0.4cm。因此,電力控制系統對耕深具有很好的控制效果。

5 結論

在東方紅LX604型拖拉機上安裝電力控制系統,對牽引的鏵式懸掛犁組耕深進行控制。系統以微芯PIC18F23K型芯片為核心,接收傳感器的實時數據,分析結果與設定的耕深數據進行比較,確定耕深的修正量。對耕深的調節以位調節為主、力調節為輔,步進電機按照控制指令轉動。分配室內的油液在電機驅動下重新分配,改變犁體提升臂的位置,以達到調節耕深的效果。在不同的試驗條件下,實際耕深偏離設置值很小,系統對耕深的監測也很準確,表明電力控制系統可以用來提高耕深控制的實時性和準確性。