甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗

宮元娟 金忠博 白曉平 王思佳 吳 玲 黃婉媛

(1.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，沈陽 110866；2.中國科學(xué)院沈陽自動化研究所，沈陽 110169)

0 引言

甘蔗是一種廣泛種植于我國南部的宿根類作物[1-2]，收獲作業(yè)后留在蔗樁上的蔗芽在適宜的溫濕條件下可以萌芽出新苗繼續(xù)生長。我國雖是甘蔗種植大國，但機(jī)械化收獲率和收獲質(zhì)量并不高，且甘蔗收獲機(jī)智能化水平偏低，關(guān)鍵部件及技術(shù)存在瓶頸，致使宿根破頭率增高，影響作物羿年出芽率，嚴(yán)重制約著我國蔗糖產(chǎn)業(yè)發(fā)展[3-6]。綜上，提高甘蔗收獲機(jī)自動化、智能化水平，降低宿根破頭率，提高收割質(zhì)量[7-8]，對保障我國戰(zhàn)略原料安全具有重要意義。

甘蔗收獲機(jī)工作時主要包括扶禾、壓倒、切割、切斷、輸送及切梢等環(huán)節(jié)，在實際生產(chǎn)工作過程中，切割環(huán)節(jié)是最難控制的工序之一[9-10]。甘蔗收獲機(jī)工作時的割臺高度是影響收獲質(zhì)量和宿根破頭率的關(guān)鍵參數(shù)，割臺過高，會使破頭率增高，降低收獲質(zhì)量和作物產(chǎn)量；割臺過低，會對收割機(jī)及割臺關(guān)鍵部件造成一定損害[11-12]，嚴(yán)重影響收獲效率，且容易傷害作物宿根，使作物無法正常生長，造成生產(chǎn)成本增加和勞動強(qiáng)度增大。割臺高度控制技術(shù)主要有4種：機(jī)械式、電液式、自動控制式和圖像采集式。目前國外用于甘蔗種植的土地面積大、坡度小且平坦，對于割臺高度自動控制的要求不高，對該方面研究較少，具有割臺高度控制功能的收獲機(jī)不適用于我國國情，在國內(nèi)應(yīng)用較少[13]。而目前國內(nèi)甘蔗收獲機(jī)以機(jī)械式割臺高度控制技術(shù)為主，即采用平行四桿機(jī)構(gòu)控制割臺高度，可根據(jù)實際使用需求人為任意調(diào)節(jié)收割裝置距離地面的高度，但機(jī)械式平行四桿機(jī)構(gòu)實時仿形精度低、控制穩(wěn)定性也較差。其他種類都處于研發(fā)階段，文獻(xiàn)[14]基于非接觸式紅外光電傳感器，在碧浪4LZ-1.2型履帶自走式聯(lián)合收獲機(jī)上設(shè)計安裝了一種割臺高度自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但光電傳感器易受到灰塵、雜草及復(fù)雜工作環(huán)境的影響，造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確，且未進(jìn)行田間試驗，相關(guān)試驗數(shù)據(jù)不充足。文獻(xiàn)[15]設(shè)計了一種甘蔗收割機(jī)刀盤浮動控制系統(tǒng)，通過角位移傳感器配合改進(jìn)的新型液壓系統(tǒng)來調(diào)整割臺高度，但缺少整機(jī)測試數(shù)據(jù)，僅停留在理論階段。文獻(xiàn)[16]提出了一種基于圖像處理技術(shù)的倒伏小麥檢測方法，根據(jù)攝像頭采集的圖像實現(xiàn)割臺高度的控制，但攝像頭易受田間復(fù)雜環(huán)境影響，造成檢測結(jié)果不準(zhǔn)確。綜上，我國甘蔗收獲機(jī)所采用的這些割臺高度控制技術(shù)不能滿足實際生產(chǎn)需求，亟需改進(jìn)和突破。

針對國內(nèi)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)割臺高度無法自動控制和收獲后破頭率高等問題，本文基于廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司的4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)設(shè)計一種割臺隨動控制系統(tǒng)，所設(shè)計的自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)可以不依賴外力貼附于地表行走，且可依靠外廓曲面減小收獲機(jī)倒退時地面對自身的沖擊，建立收獲機(jī)割臺高度與傳感器信號間的數(shù)學(xué)模型，基于PID控制理論設(shè)計割臺高度控制方法，完成割臺隨動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計，綜合運(yùn)用傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)，實現(xiàn)對地面高度的實時監(jiān)測和收獲機(jī)割臺高度的自動控制。

1 割臺隨動控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計

為了實現(xiàn)收獲機(jī)割臺高度的自動控制，降低收獲機(jī)在生產(chǎn)過程中的破頭率，設(shè)計了甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)。隨動控制系統(tǒng)包括手動控制和自動控制兩種工作模式，駕駛員可以根據(jù)實際使用需求通過按鍵切換工作模式。手動控制是駕駛員根據(jù)工作經(jīng)驗通過操作手柄對割臺高度實施控制；自動控制則是在收獲機(jī)工作過程中，根據(jù)地面起伏變化甘蔗收獲機(jī)自動完成對割臺高度的調(diào)控。

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要由自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)、STM32控制器、位移傳感器、上位機(jī)模組、按鍵模塊、電磁閥及驅(qū)動模組組成。

圖1 甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)安裝于車體底部，通過機(jī)械結(jié)構(gòu)與地面直接接觸并貼合，隨地面起伏變化而擺動，因甘蔗種植過程中需要二次培土，且壟臺較寬，為避免單個仿形機(jī)構(gòu)無法準(zhǔn)確檢測割臺距離地面的高度，在同一直線上均布設(shè)置了3個仿形機(jī)構(gòu)用于檢測地形變化趨勢，仿形機(jī)構(gòu)將采集到的地面高度變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號傳輸至控制系統(tǒng)。位移傳感器采用WXXY公司的WXY31系列產(chǎn)品，精確度較高，通過標(biāo)定試驗確定液壓缸伸長量與割臺高度的比例關(guān)系，將采集到的液壓執(zhí)行部件的伸縮量轉(zhuǎn)換為電信號輸入控制系統(tǒng)。STM32f4系列單片機(jī)作為主要控制單元，具有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，能夠滿足使用需求[17-19]。上位機(jī)模組采用10.1英寸LCD液晶顯示屏，方便駕駛員設(shè)置有關(guān)割臺高度控制的相關(guān)參數(shù)及實時監(jiān)測隨動控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。割臺高度執(zhí)行部件采用液壓控制技術(shù)，主要由液壓缸、電磁閥及驅(qū)動模組組成。割臺隨動控制系統(tǒng)組成如圖2所示。

圖2 割臺隨動控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

割臺隨動控制系統(tǒng)工作原理圖如圖3所示，駕駛員將工作模式調(diào)整為自動控制模式，啟動割臺隨動控制系統(tǒng)并開始執(zhí)行收獲作業(yè)，仿形機(jī)構(gòu)實時檢測地面起伏變化，將角度傳感器所采集到的電信號傳遞給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)根據(jù)控制算法輸出電磁閥控制信號，驅(qū)動液壓缸工作并帶動割臺刀盤上下浮動，控制割刀距離地面的高度，同時安裝在液壓缸上的位移傳感器將液壓缸的伸縮量信息在一定時間內(nèi)反饋給控制器，控制器根據(jù)實時檢測的信號來判斷割臺刀盤距地面高度是否達(dá)到控制要求，上述工作流程構(gòu)成割臺高度控制的閉環(huán)系統(tǒng)，保證割臺高度的精確控制。

圖3 隨動控制系統(tǒng)工作原理圖

2 隨動控制系統(tǒng)檢測部件設(shè)計

2.1 自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)前期的研究及對仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計可知，圖4所示滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單，但易生銹，在工作一段時間后需要頻繁更換扭簧及其他零部件，若長時間工作會因蔗地的潮濕環(huán)境使泥土附著在表面，并隨時間的增長而增加，使采集的地面高度信息不準(zhǔn)確，降低仿形精度，甚至導(dǎo)致仿形失效。

圖4 滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)

為了解決此問題設(shè)計了一種自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)，主要由觸地部件、連接套筒、左固定連接板、機(jī)架、右固定連接板及角度傳感器等組成，如圖5所示，其主要作用是對地壟表面進(jìn)行仿形，實時檢測地面起伏變化信息并傳遞至控制器。

圖5 自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)示意圖

自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)在自重的作用下貼附于地面，隨地面的起伏變化而動作，帶動連接套筒轉(zhuǎn)動；角度傳感器通過連接套筒的花型孔與之緊密相連，控制器通過判斷連接套筒的旋轉(zhuǎn)角度，計算并解析數(shù)據(jù)驅(qū)動電磁閥及驅(qū)動模組動作，以實現(xiàn)對割臺高度的自動調(diào)控。

滾輪式側(cè)位仿形機(jī)構(gòu)中的橡膠輪為關(guān)鍵部件，整體呈圓形，使用初期可以為控制器提供較平滑穩(wěn)定的地面高度變化信息，基于此，自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件亦可設(shè)計為圓弧形態(tài)并可加大圓弧半徑使所采集數(shù)據(jù)曲線更為平滑，由原有的滾動摩擦更改為滑動摩擦，所產(chǎn)生的摩擦力會大大降低泥土附著在關(guān)鍵部件的可能性。

圖6為自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)原理圖。圖中O為仿形機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心；L為仿形機(jī)構(gòu)理論廓線圓心至點O的距離；R為仿形機(jī)構(gòu)理論廓線半徑；H為初始地面高度；θ0為仿形機(jī)構(gòu)初始角度。

圖6 自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)原理圖

因所試驗樣機(jī)的仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)架位置距離地面高度為610 mm，為了適應(yīng)甘蔗收獲機(jī)實際工作情況，仿形機(jī)構(gòu)中的觸地部件作為關(guān)鍵部件，整體采用圓弧結(jié)構(gòu)，直徑為206 mm，寬度為45 mm。為了防止觸地部件損壞，觸地部件材料選用45鋼，密度為7.85×103kg/m3。

對觸地部件的危險截面所能承受的最大彎曲應(yīng)力進(jìn)行計算，驗證所設(shè)計寬度是否合理，觸地部件的危險截面為矩形，寬度b為45 mm，高度h為25 mm。

查閱《機(jī)械設(shè)計手冊》，45鋼的許用彎曲應(yīng)力[σw]為270 MPa，彎曲強(qiáng)度計算公式為

(1)

式中σw——彎曲應(yīng)力，MPa

Mw——仿形機(jī)構(gòu)所受彎矩，N·mm

Wz——抗彎截面系數(shù)

F2——倒車時地面對仿形機(jī)構(gòu)的最大碰撞力，N

Lf——碰撞力到仿形機(jī)構(gòu)矩心的距離，mm

計算得出倒車時地面對仿形機(jī)構(gòu)的最大碰撞力F2≤2 260 N，滿足設(shè)計要求，該結(jié)果可為后續(xù)仿真試驗提供參考。

自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)上端通過螺栓與收獲機(jī)相連接，整體位置可根據(jù)實際使用需求調(diào)整。連接套筒通過軸承與左、右固定連接板連接，觸地部件上端有一排間距相等的垂直通孔與連接套筒的單個孔配合，采用螺栓連接，調(diào)整方便，以適應(yīng)不同地面的收獲需求及不同的機(jī)架高度。觸地部件隨地面起伏變化而運(yùn)動，帶動連接套筒在固定連接板前端的梯形塊限制下做圓周運(yùn)動。為保證角度傳感器的檢測結(jié)果精確，利用花型孔結(jié)構(gòu)將連接套筒與角度傳感器固定，角度傳感器將地面起伏變化信息傳遞至控制器。自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自身的機(jī)械結(jié)構(gòu)始終保持整體機(jī)構(gòu)重心處于末端，使觸地部件與地面緊密貼附，同時其尾端結(jié)構(gòu)也可以適應(yīng)地形狀況，在執(zhí)行倒車操作時，避免地面對仿形機(jī)構(gòu)產(chǎn)生沖擊及破壞。

圖7為仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖，假設(shè)以速度v向前運(yùn)動，仿形機(jī)構(gòu)的觸地部件沿著壟面由點A運(yùn)動至點B，仿形機(jī)構(gòu)繞著回轉(zhuǎn)中心O轉(zhuǎn)動，A、B兩點的壟面高度變化值為H2，仿形機(jī)構(gòu)角度變化值為Δθ；同時，觸地部件與垂直面間的夾角從θ1變化為θ2，則A、B兩點處仿形機(jī)構(gòu)安裝點距壟面的高度H0、H1與轉(zhuǎn)角θ1、θ2的關(guān)系為

圖7 仿形機(jī)構(gòu)工作示意圖

(2)

壟面高度變化量H2和仿形機(jī)構(gòu)角度變化量為

(3)

理論廓線的圓心距仿形機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)中心點O的長度為理論廓線半徑L，因此L=103 mm，由此可得H2為

H2=H0-H1=103(sinθ2-sinθ1)

(4)

當(dāng)θ2>0°，θ1<θ2時，H2>0，表明地壟高度升高，則需要增大收獲機(jī)割臺距壟面高度；當(dāng)θ2<0°，θ1>θ2時，H2<0，表明地壟高度下降，則需縮小收獲機(jī)割臺距壟面高度。

2.2 角度傳感器選型

角度傳感器采用Elobau公司的424A型傳感器，采用霍爾原理的非接觸式測量，使用壽命長且可靠，IP67 防護(hù)等級，適用于惡劣的工作環(huán)境。可以檢測30°～120°的角度變化，并將其轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬電壓，經(jīng)過處理后輸入A/D轉(zhuǎn)換電路，如圖8所示，可實現(xiàn)8路0～10 V模擬電壓信號的A/D轉(zhuǎn)換，最后直接輸出至控制器中的微型處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換電路

2.3 基于ADAMS仿真的自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

仿形機(jī)構(gòu)能否正常工作直接關(guān)系到地形高度檢測是否精準(zhǔn)，為了使仿形機(jī)構(gòu)適應(yīng)復(fù)雜的田間環(huán)境，對其受力情況和工作過程進(jìn)行分析，仿形機(jī)構(gòu)的受力分析如圖9所示。圖中O1為仿形機(jī)構(gòu)矩心；F為固定連接板對仿形機(jī)構(gòu)的支持力，N；G為仿形機(jī)構(gòu)重力，N；F1為地面的支持力，N；f1為前進(jìn)時地面對仿形機(jī)構(gòu)的摩擦力，N。

圖9 仿形機(jī)構(gòu)受力分析

仿形機(jī)構(gòu)在工作過程中，F(xiàn)1會受田間復(fù)雜環(huán)境影響而不斷變化，在不施加外力的作用下，若所設(shè)計的仿形機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)不能很好適應(yīng)地表的起伏變化，仿形機(jī)構(gòu)則會產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致檢測信號不穩(wěn)定，致使檢測失效；此外，甘蔗收獲機(jī)割臺可提供安裝仿形機(jī)構(gòu)的盈余空間遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他各類型收獲機(jī)，仿形機(jī)構(gòu)只能安裝于割臺后側(cè)，因此甘蔗收獲機(jī)在執(zhí)行倒車操作時，仿形機(jī)構(gòu)不能隨割臺向上抬起，若F2過大會對仿形機(jī)構(gòu)造成沖擊或者損壞，嚴(yán)重影響仿形精度。為驗證所設(shè)計的仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重緊貼附于地面行走并確定合適的尾端半徑，利用ADAMS/View軟件對其運(yùn)動過程進(jìn)行仿真分析。

在仿真試驗開始前，對仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡化，以提高試驗效率[20-22]。利用SolidWorks按照1∶1比例建立簡化三維模型，保存為.X_T格式并導(dǎo)入ADAMS/View。簡化后的模型主要包括左固定連接板、連接套筒、右固定連接板、觸地部件、橫梁及仿真地面。

將三維模型導(dǎo)入后根據(jù)實際使用情況設(shè)置相關(guān)仿真參數(shù)及添加約束關(guān)系，以保證試驗結(jié)果準(zhǔn)確。觸地部件選用45鋼，其他零部件材料均設(shè)置為普通碳鋼。仿真地面材料為土壤，密度7.8×10-3kg/m3，泊松比0.29，彈性模量2.07×105N/mm2[23]。分析各零件之間的運(yùn)動關(guān)系，利用旋轉(zhuǎn)副實現(xiàn)觸地部件于左、右固定連接板之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；利用滑移副和滑移驅(qū)動實現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的水平前進(jìn)運(yùn)動；利用固定副將仿真地面與大地(ground)固定，并在仿形機(jī)構(gòu)與仿真地面間建立接觸約束以實現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的運(yùn)動過程[24-25]。仿真模型如圖10所示，仿真之前利用ADAMS/View中的Model Verify工具對模型進(jìn)行驗證，對自由度、未定義構(gòu)件以及過約束等情況進(jìn)行觀察，若有錯誤方便進(jìn)行修改。

圖10 仿形機(jī)構(gòu)工作過程仿真模型

為了驗證仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重與地面保持穩(wěn)定接觸，并為控制器提供穩(wěn)定的地面變化數(shù)據(jù)，試驗以仿形機(jī)構(gòu)前進(jìn)速度為影響因素，根據(jù)甘蔗收獲機(jī)作業(yè)時常用前進(jìn)速度，選擇1.0 km/h(278 mm/s)、1.5 km/h(417 mm/s)、2.0 km/h(550 mm/s)共3個水平，以仿形機(jī)構(gòu)的前進(jìn)方向為X軸正向，以垂直于仿真地面下表面向上的方向為Y軸正向，觀察仿形機(jī)構(gòu)Y軸方向質(zhì)心變化趨勢，探究不同前進(jìn)速度對仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動趨勢的影響。

Y軸方向仿形機(jī)構(gòu)質(zhì)心位移曲線如圖11所示。在不同的前進(jìn)速度下，仿形機(jī)構(gòu)可以在不施加外力的作用下與地面保持較好的貼附，雖然隨著前進(jìn)速度的加大，抖動情況也呈微小的正相關(guān)變化，誤差均在±3 mm內(nèi)，整體趨勢變化與仿真地面相符，這說明仿形機(jī)構(gòu)可以依靠自重貼附于地面對地形高度信息進(jìn)行采集，且所采集的數(shù)據(jù)是穩(wěn)定的、有效的，可以為控制器提供較準(zhǔn)確的檢測數(shù)據(jù)，滿足自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)的設(shè)計要求。

圖11 不同前進(jìn)速度對仿形機(jī)構(gòu)運(yùn)動的影響

在此基礎(chǔ)上優(yōu)化仿形機(jī)構(gòu)尾端結(jié)構(gòu)，以避免執(zhí)行倒車操作時產(chǎn)生的沖擊力使觸地部件發(fā)生彎折。根據(jù)式(1)計算可知，當(dāng)仿形機(jī)構(gòu)倒退時產(chǎn)生的最大碰撞力F2≤2 260 N時，仿形機(jī)構(gòu)的觸地部件不會產(chǎn)生破壞。綜上，進(jìn)行仿真試驗，設(shè)置前進(jìn)速度為2 km/h(550 mm/s)，分別選擇尾端半徑75、85、95、105 mm總計4個水平，添加驅(qū)動函數(shù)以實現(xiàn)仿形機(jī)構(gòu)的往復(fù)運(yùn)動，設(shè)置總仿真時間5 s，步數(shù)為500步，仿形機(jī)構(gòu)受力曲線如圖12所示。

圖12 不同尾端半徑對仿形機(jī)構(gòu)受力的影響

由圖12可知，當(dāng)尾端半徑dw為105 mm時，地面對仿形機(jī)構(gòu)造成的最大碰撞力為1 976 N，隨著仿形機(jī)構(gòu)觸地部件尾端半徑的增大，倒車時對仿形機(jī)構(gòu)造成的最大碰撞力變小，當(dāng)尾端半徑dw=105 mm時，最大碰撞力小于彎曲強(qiáng)度校核公式所計算的2 260 N，符合仿形機(jī)構(gòu)設(shè)計要求，最終確定尾端半徑dw=105 mm。

3 隨動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 隨動控制系統(tǒng)方法

割臺隨動控制系統(tǒng)需要根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)所檢測到的地面起伏變化實時調(diào)整割臺高度，系統(tǒng)控制策略的優(yōu)劣直接影響整套系統(tǒng)的調(diào)控性能[26]。因此，研究收獲機(jī)割臺高度與仿形機(jī)構(gòu)采集信號的關(guān)系模型，用以設(shè)計割臺高度控制PID算法，利用Matlab軟件中的Simulink模塊建立PID控制仿真模型，對PID控制器比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd等控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

3.1.1PID控制器設(shè)計

根據(jù)仿形機(jī)構(gòu)標(biāo)定試驗，角度傳感器輸出的模擬電壓信號呈線性，由此得到仿形機(jī)構(gòu)偏移角與輸出電壓的數(shù)學(xué)模型為

U=k1α

(5)

式中U——角度傳感器輸出電壓，V

k1——角度傳感器輸出電壓與偏移角的標(biāo)定系數(shù)

α——仿形機(jī)構(gòu)偏移角，(°)

割臺高度與仿形機(jī)構(gòu)偏移角之間的數(shù)學(xué)模型為

Hs=k2cosα+q

(6)

式中Hs——收獲機(jī)割臺高度，m

k2——收獲機(jī)割臺高度與偏移角度的標(biāo)定系數(shù)

q——常數(shù)，m

結(jié)合式(5)、(6)可知，收獲機(jī)割臺實際高度為

(7)

其中，割臺隨動控制系統(tǒng)通過自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)檢測地形的起伏變化，再與預(yù)設(shè)高度和位移傳感器的反饋值比較得到控制偏差e(t)，采用PID控制方法得到割臺高度控制的輸出值，控制器發(fā)送信號至電磁閥驅(qū)動模組，驅(qū)動電磁閥工作，控制割臺液壓執(zhí)行元件伸縮，并與位移傳感器的反饋信號進(jìn)行比較，檢測割臺是否到達(dá)預(yù)設(shè)高度，由此實現(xiàn)收獲機(jī)割臺高度的自動控制。PID控制原理圖如圖13所示。

圖13 收獲機(jī)割臺自動控制PID控制原理圖

3.1.2割臺隨動控制系統(tǒng)仿真

為了優(yōu)化控制系統(tǒng)工作參數(shù)，驗證控制策略的可靠性，實時觀察系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)上述所設(shè)計的割臺隨動控制系統(tǒng)，利用Matlab軟件中的Simulink模塊搭建仿真模型，如圖14所示。

圖14 PID控制仿真模型

搭建仿真模型后，設(shè)置仿真時間為3 s，采樣時間為0.015 s，對PID控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。根據(jù)經(jīng)驗公式多次調(diào)整PID控制參數(shù)，再通過tune運(yùn)算優(yōu)化后得知，當(dāng)比例系數(shù)Kp=0.41，積分系數(shù)Ki=0.76，微分系數(shù)Kd=0.009時，PID控制器輸出量穩(wěn)態(tài)值為92.6 mm，最大值為98.7 mm，穩(wěn)定時間為0.95 s，超調(diào)量為6.83%。超調(diào)量小，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，滿足割臺隨動控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，控制器階躍響應(yīng)曲線如圖15所示。

圖15 PID控制器階躍響應(yīng)曲線

3.2 控制系統(tǒng)程序設(shè)計

割臺隨動控制系統(tǒng)中，左、中、右3個仿形機(jī)構(gòu)的角度傳感器輸出0～5 V模擬電壓信號，用于反饋割臺高度的位移傳感器輸出4～20 mA模擬電流信號，信號經(jīng)過濾波、保護(hù)電路處理后分別接入A/D轉(zhuǎn)換電路的接口VIN0、VIN1、VIN2和IIN0，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，通過SPI串行通信接口傳輸?shù)絊TM32控制器，隨動控制系統(tǒng)的控制流程如圖16所示。

圖16 控制流程圖

因在同一水平線布置了3個仿形機(jī)構(gòu)，因此控制器需對仿形機(jī)構(gòu)所采集到的信號進(jìn)行處理，在工作過程中，若其中某一個仿形機(jī)構(gòu)突然抬升幅度過大且大于其他兩仿形機(jī)構(gòu)的角度和，可判定為受到復(fù)雜環(huán)境影響而產(chǎn)生的瞬時變化，控制系統(tǒng)將其采集的數(shù)據(jù)忽略，并計算其余兩仿形機(jī)構(gòu)角度的平均值作為輸出信號，但抬起高度超出規(guī)定范圍且時間超過3 s則向上抬起割臺，避免割臺與地面發(fā)生碰撞。以下兩種情況下判定地面整體起伏產(chǎn)生變化：①若兩個或兩個以上仿形機(jī)構(gòu)同時大幅度抬升或下降且超過一定時間。②3個仿形機(jī)構(gòu)同時抬升且所采集的地形高度數(shù)據(jù)差值小于5 cm，控制器驅(qū)動電磁閥工作帶動割臺上浮或下降。

隨動控制系統(tǒng)啟動后，上位機(jī)顯示系統(tǒng)狀態(tài)，系統(tǒng)初始化。若檢測到系統(tǒng)處于復(fù)位狀態(tài)，首先停止液壓執(zhí)行元件動作，并發(fā)送聲光報警指令，檢修、重新通電后系統(tǒng)運(yùn)行。若駕駛員對工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，則根據(jù)設(shè)定要求設(shè)置調(diào)整仿形機(jī)構(gòu)初始工作角度θ0。若收到停止指令，工作標(biāo)志位置為0，系統(tǒng)停止工作重新初始化；若收到啟動指令后，工作標(biāo)志位置為1，仿形機(jī)構(gòu)實時采集地面高度數(shù)據(jù)，根據(jù)式(2)，若仿形機(jī)構(gòu)變化角度θ2≥3°，則記錄數(shù)據(jù)并通過A/D轉(zhuǎn)換電路將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸送至STM32控制器。控制系統(tǒng)根據(jù)上文的控制規(guī)則，對采集信號進(jìn)行處理再通過控制器數(shù)據(jù)解析后，與設(shè)定值比較，再經(jīng)STM32分析處理，若為地面上升信號則通過電磁閥驅(qū)動模組使液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作，帶動刀盤上浮，反之，則驅(qū)動刀盤下降，再將當(dāng)前割臺高度控制的輸出值與位移傳感器的反饋信號進(jìn)行比較，誤差小于等于1 cm時，完成割臺高度調(diào)整動作，進(jìn)而實現(xiàn)對割臺高度的自動調(diào)整和控制。

4 田間試驗

4.1 試驗條件

為了檢測甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)性能、可靠性及控制精度，2021年12月在廣西壯族自治區(qū)武鳴區(qū)甘蔗試驗基地進(jìn)行田間實地收獲試驗，試驗壟長度大于120 m。收獲作業(yè)機(jī)具為廣西農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院有限公司研制的4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)，割臺寬度為700 mm，功率為130 kW，田間試驗情況如圖17所示。

圖17 田間試驗

4.2 試驗方法

參照標(biāo)準(zhǔn)JB/T 6275—2007《甘蔗收獲機(jī)械》規(guī)定及其他相關(guān)農(nóng)業(yè)機(jī)械試驗方法設(shè)計收獲試驗流程。試驗在兩種不同狀態(tài)下進(jìn)行，分別為收獲機(jī)啟動割臺隨動控制系統(tǒng)和不啟動割臺隨動控制系統(tǒng)。首先，駕駛員啟動機(jī)具，啟動割臺隨動控制系統(tǒng)進(jìn)行收獲作業(yè)，設(shè)定切割高度，收獲3壟，隨后，關(guān)閉割臺隨動控制系統(tǒng)進(jìn)行收獲作業(yè)，設(shè)定切割高度，收獲3壟，二者交替進(jìn)行，每收獲一壟觀察留茬高度，記錄試驗數(shù)據(jù)，設(shè)定收獲速度為1.5 km/h(0.42 m/s)。最后，測量地面至甘蔗被切點距離及計算破頭率，用以考察割臺隨動控制系統(tǒng)和整機(jī)的性能。破頭率是指完成收獲作業(yè)后破頭甘蔗宿根數(shù)量與該壟甘蔗有效株數(shù)百分比。

4.3 試驗結(jié)果

試驗結(jié)果如表1～3所示，偏差為實際高度與設(shè)定高度差值，結(jié)果取絕對值。

表1 預(yù)設(shè)留茬高度50 mm時自動控制性能測試結(jié)果

試驗結(jié)果表明：留茬高度為50 mm時，人工控制割臺高度的偏差平均值為18.7 mm，破頭率平均值為39%；自動控制割臺高度偏差平均值為7.0 mm，破頭率平均值為18%。留茬高度為100 mm時，人工控制割臺高度的偏差平均值為14.8 mm，破頭率平均值為38.5%；自動控制割臺高度偏差平均值為8.8 mm，破頭率平均值為18.5%。留茬高度為150 mm時，人工控制割臺高度的偏差平均值為16.4 mm，破頭率平均值為41%；自動控制割臺高度偏差平均值為8.3 mm，破頭率平均值為26.5%。啟用隨動控制系統(tǒng)后，3組試驗預(yù)設(shè)留茬高度所對應(yīng)的割茬實際測量高度的平均值分別為55.8、104.8、156.9 mm，破頭率得到有效控制，平均破頭率為21%，通過與人工控制收獲試驗對比，平均破頭率下降18.5個百分點。以上測量偏差均在合理范圍內(nèi)，滿足田間實際使用需求。由于安裝了割臺隨動控制系統(tǒng)，在實際收獲作業(yè)中收獲機(jī)可以根據(jù)地勢的起伏變化自動調(diào)整割臺刀盤與地面之間的相對位置，實現(xiàn)收獲作業(yè)的精準(zhǔn)控制，從而降低破頭率及人工勞動強(qiáng)度。

表2 預(yù)設(shè)留茬高度100 mm時自動控制性能測試結(jié)果

表3 預(yù)設(shè)留茬高度150 mm時自動控制性能測試結(jié)果

5 結(jié)論

(1)針對國內(nèi)現(xiàn)有甘蔗收獲機(jī)割臺高度調(diào)整困難且無法自動控制等問題，以4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)為載體，設(shè)計了甘蔗收獲機(jī)割臺隨動控制系統(tǒng)，取代原有人工操作，實現(xiàn)割臺高度的自動調(diào)控。

(2)為了實現(xiàn)割臺可以實時跟隨地面起伏變化而自動調(diào)節(jié)高度，設(shè)計了自重擺動式仿形機(jī)構(gòu)，利用ADAMS仿真軟件對仿形機(jī)構(gòu)進(jìn)行受力及運(yùn)動過程分析，驗證了仿形機(jī)構(gòu)可以較好地貼附地面并對仿形機(jī)構(gòu)尾端結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，解決了收獲機(jī)在倒車操作時可能對仿形機(jī)構(gòu)造成沖擊或損壞的問題，當(dāng)仿形機(jī)構(gòu)觸地部件的尾端半徑為105 mm，倒車操作時地面對仿形機(jī)構(gòu)造成的碰撞力最小，為1 976 N。

(3)進(jìn)行田間試驗，結(jié)果表明4GZQ130-A型甘蔗收獲機(jī)安裝割臺隨動控制系統(tǒng)后，割茬高度與預(yù)設(shè)留茬高度偏差在20 mm內(nèi)；破頭率得到有效控制，平均破頭率為21%。通過與人工控制收獲試驗對比，平均破頭率下降18.5個百分點，進(jìn)一步提升了收獲機(jī)性能，割臺隨動控制系統(tǒng)整體性能滿足設(shè)計及使用需求。