小麥自動(dòng)收割機(jī)電氣及調(diào)速控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

胡志榮

(江西新能源科技職業(yè)學(xué)院，江西 新余 338000)

0 引言

針對(duì)常規(guī)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)系統(tǒng)存在的作業(yè)速率自適應(yīng)調(diào)整水平較低、收割損失率較高等技術(shù)難題，基于西門子PLC和PID算法研制一款小麥自動(dòng)收割機(jī)電氣及調(diào)速控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)編碼器及時(shí)采集收割作業(yè)時(shí)電機(jī)的速率，并反饋給PLC進(jìn)行處理，在PID算法的精準(zhǔn)控制下，可根據(jù)作業(yè)的具體要求自適應(yīng)地調(diào)節(jié)收割作業(yè)的速率，達(dá)到能量輸出最優(yōu)和收割效果最佳的雙贏工作模式。

1 收割機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整機(jī)采用往復(fù)式收割設(shè)計(jì)方案(見圖1)。實(shí)際作業(yè)時(shí)，將割刀調(diào)整至與田間小麥根部相一致的高度上，割刀進(jìn)行水平往復(fù)切割作業(yè)，整個(gè)作業(yè)過(guò)程具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、振動(dòng)幅度小等優(yōu)點(diǎn)。整機(jī)包括蓄電池、割刀、直流無(wú)刷電機(jī)、傳送帶、儲(chǔ)麥盒、控制器等機(jī)構(gòu)。整機(jī)在田間進(jìn)行小麥?zhǔn)崭钭鳂I(yè)時(shí)，由蓄電池向割刀運(yùn)轉(zhuǎn)直流無(wú)刷電機(jī)、運(yùn)轉(zhuǎn)輪電機(jī)和傳送帶電機(jī)提供動(dòng)能，割刀根據(jù)系統(tǒng)控制器預(yù)設(shè)的作業(yè)參數(shù)，自動(dòng)精準(zhǔn)地切割田間小麥，已切割好的小麥由傳送帶傳送到儲(chǔ)麥盒中。

1—扶手；2—儲(chǔ)麥盒；3—外殼；4～5—直流無(wú)刷電機(jī)；6～8—傳送帶；9—控制器；10～11—割刀；12～13—蓄電池；14—驅(qū)動(dòng)器；15—運(yùn)行輪；16—帶動(dòng)輪。

2 收割機(jī)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電氣系統(tǒng)框圖

收割機(jī)電氣系統(tǒng)框圖如圖2所示。選用西門子公司研發(fā)的S7-200型PLC為核心控制器，用以控制割刀和收割機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度；割刀轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)選用57BL75S10-225TF9高速直流無(wú)刷閉環(huán)電機(jī)，該電機(jī)的額定電壓為DC24 V，功率為100 W，額定轉(zhuǎn)速為2 500 r/min，額定扭矩為0.15 N·m，體積和尺寸適中，可方便地安裝在收割機(jī)內(nèi)部；選用旋轉(zhuǎn)編碼器檢測(cè)割刀轉(zhuǎn)速和收割機(jī)運(yùn)動(dòng)速度，并反饋給PLC；采用PWM脈沖寬度調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)割刀電機(jī)和運(yùn)動(dòng)電機(jī)的自動(dòng)控制；選用昆侖通泰MCGS觸摸屏設(shè)計(jì)收割機(jī)作業(yè)控制人機(jī)操作面板[1]。整個(gè)系統(tǒng)電氣控制方式簡(jiǎn)單實(shí)用，可滿足小麥自動(dòng)收割及設(shè)備調(diào)速的自動(dòng)化控制。

圖2 小麥自動(dòng)收割機(jī)電氣系統(tǒng)框圖

2.2 電氣控制原理

系統(tǒng)以PLC為控制核心，通過(guò)編訂自動(dòng)收割及調(diào)速程序?qū)崿F(xiàn)設(shè)備對(duì)田間小麥的自動(dòng)收割、存儲(chǔ)等作業(yè)，整套系統(tǒng)應(yīng)用PID思想設(shè)計(jì)割刀精準(zhǔn)調(diào)速控制算法[2]。各模塊電氣控制原理如下。

1)操作面板模塊。選用昆侖通泰MCGS觸摸屏為操作面板硬件核心，通過(guò)RS485[3]與PLC進(jìn)行通信，實(shí)際田間收割作業(yè)時(shí)，操作人員可直接在觸摸屏上點(diǎn)擊虛擬按鈕，控制設(shè)備啟停，并在觸摸屏界面設(shè)置割刀轉(zhuǎn)速、設(shè)備運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)。

2)核心控制器模塊。應(yīng)用西門子S7-200型PLC，為實(shí)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)基本電氣、調(diào)速和拓展功能，特選用I/O端口24/16數(shù)量的226型CPU內(nèi)核，通過(guò)編訂步進(jìn)順序控制梯形圖指令，實(shí)現(xiàn)“啟動(dòng)—設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速—收割運(yùn)動(dòng)作業(yè)—實(shí)時(shí)反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速—PID調(diào)整優(yōu)化轉(zhuǎn)速—停止”步進(jìn)順序化的收割作業(yè)自動(dòng)化控制。此外，還編訂了收割故障判定與自動(dòng)報(bào)警停止功能。

3)調(diào)速控制模塊。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、高速無(wú)刷直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼器等核心部件構(gòu)成。實(shí)際作業(yè)時(shí)，由旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)反饋割刀轉(zhuǎn)速給PLC，PLC進(jìn)行PID運(yùn)算后，輸出PWM[4]脈寬調(diào)制信號(hào)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成對(duì)割刀轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)調(diào)控。

2.3 PLC控制地址分配

系統(tǒng)選用PLC外部5個(gè)輸入端口和3個(gè)輸出端口，通過(guò)對(duì)所選I/O端口的數(shù)字化編程控制，實(shí)現(xiàn)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)的自動(dòng)作業(yè)和調(diào)速控制，具體的地址分配方式為：①輸入端口地址分配。I0.0為系統(tǒng)啟動(dòng)，I0.1為系統(tǒng)停止，I0.2為設(shè)備運(yùn)動(dòng)電機(jī)編碼器測(cè)速，I0.3為割刀運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)編碼器測(cè)速，I0.4為故障傳感器信號(hào)。②輸出端口地址分配。Q0.0為設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)輸出線圈，Q0.1為割刀電機(jī)輸出線圈，Q0.2為故障報(bào)警器。

3 收割機(jī)調(diào)速控制設(shè)計(jì)及試驗(yàn)

系統(tǒng)采用PID學(xué)習(xí)算法調(diào)速控制方案，調(diào)速控制框圖如圖3所示。調(diào)速原理為：當(dāng)小麥?zhǔn)崭顧C(jī)工作時(shí)，旋轉(zhuǎn)編碼器實(shí)時(shí)采集割刀轉(zhuǎn)速，并將采集到的速度值y與系統(tǒng)設(shè)置速度值r進(jìn)行相減運(yùn)算，得到偏差error和變化率e，將這2個(gè)值輸入PID控制學(xué)習(xí)算法方程中進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)節(jié)運(yùn)算，計(jì)算出Δkp、Δki和Δkd，得到整合優(yōu)化后的kp、ki和kd數(shù)值，之后傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)割刀電機(jī)轉(zhuǎn)速的精準(zhǔn)動(dòng)、靜態(tài)控制。

圖3 小麥自動(dòng)收割機(jī)PID調(diào)速控制框圖

具體調(diào)速傳遞函數(shù)為：G(S)=KP(1+1/T1S+TDS)。式中，KP為比例增益，T1為積分時(shí)間常數(shù)，TD是微分時(shí)間常數(shù)。其中，調(diào)節(jié)積分時(shí)間常數(shù)T1，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)割刀電機(jī)轉(zhuǎn)速增量變化速度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)微分時(shí)間常數(shù)TD，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)割刀電機(jī)反饋轉(zhuǎn)速響應(yīng)量的調(diào)整。通過(guò)設(shè)置合理的積分時(shí)間常數(shù)T1和微分時(shí)間常數(shù)TD，可達(dá)到對(duì)割刀電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)目的，實(shí)現(xiàn)對(duì)田間小麥自動(dòng)收割作業(yè)的最優(yōu)化速率控制。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完后進(jìn)行小麥?zhǔn)崭钤囼?yàn)作業(yè)，通過(guò)對(duì)比多組試驗(yàn)參數(shù)，結(jié)果顯示：當(dāng)割刀轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，收割成功率為100%，根部損失率為5%，割刀運(yùn)行在該速度下能獲得最佳收割效果。通過(guò)設(shè)置調(diào)節(jié)參數(shù)，測(cè)試割刀轉(zhuǎn)速在2 500 r/min時(shí)系統(tǒng)PID自適應(yīng)調(diào)速效果，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)溫度、濕度、作業(yè)地點(diǎn)、田間沙土含量等外部參量發(fā)生改變時(shí)，割刀轉(zhuǎn)速均能穩(wěn)定地保持2 500 r/min轉(zhuǎn)速，說(shuō)明本系統(tǒng)PID控制算法科學(xué)合理，達(dá)到了預(yù)期調(diào)速控制效果。