大豆收獲機割臺高度自動控制系統設計與試驗*

劉崗微，倪有亮，楊騰祥，齊彥棟，金誠謙

(農業農村部南京農業機械化研究所,南京市,210014)

0 引言

大豆是典型的低結莢作物,機械化收獲過程中,需要實時調節割臺高度。若割臺高度設置過高,易產生底莢漏割,形成“馬耳莢”,導致割臺損失率較高,同時導致割茬高度較高,不利于后續作物耕種;若割臺高度設置過低,易產生割臺鏟土現象,形成“泥花豆”,嚴重降低大豆收獲品質和割臺壽命[1]。

美國約翰·迪爾、凱斯和德國克拉斯等農機企業研制了配備撓性切割器的仿形割臺,可實現微地貌仿形,滿足大豆低割收獲要求。國外學者Tulpule等[2]采用基于靈敏度的綜合魯棒優化設計方法,Kassen等[3]運用魯棒反饋線性化方法提高了割臺高度自動控制系統的魯棒性。Xie等[4-5]在分析聯合收獲機割臺高度控制系統可用帶寬主要限制因素的基礎上,采用機械系統與控制器整體設計的方法提高了割臺高度控制系統的閉環性能。國內學者楊銀輝[6]、朱劍[7]等采用PID算法,程念等[8]采用模糊控制算法設計了割臺高度自動控制系統;莊肖波等[9]提出一種基于魯棒反饋線性化的割臺高度自動控制策略,遺憾的是上述研究未進行田間試驗,割臺高度控制效果有待進一步驗證。周冬冬等[10]基于模糊邏輯算法設計了割臺高度模糊控制系統,張聰[11]研究了基于模糊自適應PID算法的割臺仿形系統,具有較好的準確性和穩定性。Yang等[12]提出一種EVPIVS-PID算法以提高割臺高度自動控制系統穩定性,田間試驗表明割茬高度誤差不超過2 cm。Ni等[13]提出一種基于土壤-機器系統的大豆收獲機割臺高度計算模型,在此基礎上研究的割臺仿形系統控制精度達92%,取得了理想效果,但采用工控機作為控制器,成本較高。

CODESYS軟件是一款工業自動化領域的編程開發系統,支持IEC 61131-3標準編程語言、C語言等高級編程語言[14],功能強大、易于開發。胡濤[15]研發了基于CODESYS的自動裝車機器人控制系統,在現場測試中驗證了控制系統的可靠性、高效性。農業機械作業環境惡劣,基于CODESYS系統開發農機自動控制器能夠有效提高農業機械作業可靠性和效率。

針對現有大豆收獲機割臺高度自動控制系統成本較高、可靠性差、割臺高度控制精度低的問題,本文在已有研究的基礎上,采用惡劣環境運動控制器,基于CODESYS軟件開發了大豆收獲機割臺高度自動控制系統,并設計了人機交互界面,同時進行田間試驗驗證,以期為聯合收獲機割臺仿形技術研究提供新的思路和技術方法。

1 總體結構與工作原理

1.1 總體結構

大豆收獲機割臺高度自動控制系統總體結構如圖1所示,由4LZ-1.5大豆收獲機(主要參數如表1所示)、ECU控制單元、HMI觸摸屏、割臺電控手柄、割臺、主—副板壓緊式割臺仿形機構、割臺升降液壓油缸和液壓閥組組成。

表1 4LZ-1.5大豆收獲機主要參數Tab.1 Main parameters of 4LZ-1.5 soybean harvester

圖1 大豆收獲機割臺高度自動控制系統總體結構Fig.1 Overall structure of automatic height control system for soybean harvester header1.4LZ-1.5大豆收獲機 2.ECU控制單元 3.HMI觸摸屏 4.割臺電控手柄 5.割臺 6.主—副板壓緊式割臺仿形機構 7.割臺升降液壓油缸 8.液壓閥組

ECU控制單元用于采集并處理割臺高度信號,根據割臺高度調控策略輸出控制指令。HMI顯示屏用于人機交互,設置、顯示和保存系統主要作業參數。主—副板壓緊式割臺仿形機構用于感知田間地形起伏變化,測量割臺作業高度,為提高割臺對田間橫向地形的感知能力,在割臺底板下方左、右兩側分別安裝一副仿形機構。

1.2 工作原理

為提高大豆收獲機割臺高度自動控制系統的適用性,設計了手動調控和自動調控2種工作模式,系統原理圖如圖2所示,包括液壓執行系統原理圖和割臺高度閉環控制原理。

圖2 割臺高度自動控制系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of automatic height control system for soybean harvester header

液壓執行系統由電磁比例換向閥、抗衡閥、調速閥、溢流閥和液壓油缸等組成。溢流閥用于設定液壓系統工作壓力,抗衡閥能夠為液壓油缸提供回油背壓,與調速閥配合調節割臺下降速度,防止割臺在重力作用下快速下落。電磁換向比例閥可實現連續控制,平滑性較好,用于調控液壓油缸伸縮,從而控制割臺升降。電磁換向比例閥左位得電時,液壓油經抗衡閥和調速閥內部的單向閥流入液壓缸,活塞桿伸出,割臺上升;電磁換向比例閥右位得電時,抗衡閥打開,液壓油經調速閥流回油箱,活塞桿縮回,割臺平穩下降。

手動調控模式優先級高于自動調控模式,作業過程中遇到突發情況時,由駕駛員通過割臺電控手柄主動調節割臺高度,避免割臺損壞。

由圖2可知,割臺高度自動調控模式下,割臺、仿形機構、ECU控制單元和液壓系統形成閉環反饋控制。當前方地形下陷或凸起,引起割臺離地高度變大或減小時,左、右兩側仿形機構檢測到割臺高度變化并發送到ECU,ECU控制單元向電磁比例換向閥輸出控制電流,保證割臺始終處于設定高度范圍內,實現割臺高度自動控制功能。

2 仿形機構設計

割臺仿形機構是割臺高度自動控制系統的關鍵部件,作業過程中,仿形機構應能較靈敏且較準確地感知田間地形變化。根據4LZ-1.5大豆收獲機割臺主要參數,設計了如圖3所示的主—副板壓緊式割臺仿形機構。

圖3 主—副板壓緊式割臺仿形機構Fig.3 Main-subplate pressing profiling mechanism of header1.割臺 2.副仿形板 3.彈簧 4.主仿形板 5.連桿 6.搖桿 7.角度傳感器 8.地面

主—副板壓緊式割臺仿形機構主要由割臺、主仿形板、副仿形板、彈簧、連桿、搖桿和角度傳感器組成。主仿形板上端與割臺底板鉸接于割刀下方,下端與副仿形板鉸接,主、副仿形板之間由兩條對稱布置的彈簧連接,主仿形板與角度傳感器之間通過鉸鏈四連桿機構傳動。

割臺仿形機構作業時,副仿形板上端在彈簧拉力作用下與割臺底板保持接觸,主仿形板下端在自身重力和彈簧拉力共同作用下與地面保持接觸。地面凸起時,主仿形板在地面支持力作用下順時針轉動,角度傳感器轉角減小,檢測到割臺高度降低;地面凹陷時,主仿形板逆時針轉動,角度傳感器轉角變大,檢測到割臺高度升高。根據已有研究基礎[16],主—副板壓緊式割臺仿形機構主要設計參數如表2所示,割臺高度測量范圍為50～105 mm。

表2 割臺仿形機構主要參數Tab.2 Main parameters of header profiling mechanism

3 割臺高度自動控制系統設計

3.1 硬件電路

根據大豆收獲機割臺高度自動控制系統總體結構及工作原理,設計了如圖4所示的控制系統硬件電路。大豆收獲機作業工況惡劣,灰塵、震動等不利因素對控制系統可靠性影響較大。本文選用碩博電子SPC-SFMC-X2214型惡劣環境運動控制器作為ECU控制單元,其具有抗震動、抗干擾、過熱保護等特點,可靠性高。SPC-SFMC-X2214控制器內置PWM高邊輸出IO,最大驅動電流為3 A,且帶電流反饋控制,可直接驅動電磁比例換向閥,簡化了硬件電路,節約硬件成本。

圖4 控制系統硬件電路Fig.4 Hardware circuit of control system

角度傳感器將割臺離地高度轉換為模擬量信號,并輸出到SPC-SFMC-X2214控制器模擬量端口。本文選用WXXY品牌GTC系列霍爾非接觸式角位移傳感器(機械角度為0°～90°,供電方式為DC5V,輸出信號為0～5 V),具有反應靈敏、使用壽命長的優點。

根據圖4,SPC-SFMC-X2214控制器、割臺電控手柄和人機交互界面由車載電源供電。為提高角度傳感器工作穩定性,由SPC-SFMC-X2214控制器+5 V輸出端口為其供電。

3.2 人機交互界面設計

為便于設置系統主要作業參數和記錄歷史作業數據,本研究采用上海繁易信息科技公司研制的F007型工業觸摸屏作為人機交互終端,設計人機交互界面如圖5所示。

圖5 人機交互界面Fig.5 Human-computer interaction interface

F007型觸摸屏通過RS232串口與ECU控制單元進行全雙工通信。人機交互界面中設計了割茬高度、自動調控閾值數值輸入框及自動調控開關按鈕,用于設置自動控制系統作業參數。同時,人機交互界面中設計了歷史數據表格及數據采樣控制按鈕,作業時ECU將割臺左側、右側高度等數據實時發送到觸摸屏,作業結束后點擊“保存數據”按鈕,即可將歷史作業數據保存到U盤內,便于查詢和分析割臺高度自動控制系統作業情況。

3.3 軟件設計

3.3.1 割臺高度標定試驗

為消除仿形機構安裝誤差的影響,采用標定方法得到割臺高度計算公式。將大豆收獲機放置在水平地面上,使割臺處于不同高度,人工測量割刀離地高度并記錄角度傳感器模擬量值,采用Excel軟件擬合數據曲線,如圖6所示。

(a) 左側割臺高度標定曲線

HL=4×10-6x2-0.008 3x+58.533

RL2=0.989 2

(1)

式中：HL——左側割臺高度值;

RL2——相關系數;

x——角度傳感器模擬量值。

HR=5×10-6x2-0.010 9x+61.934

RR2=0.990 7

(2)

式中：HR——右側割臺高度值;

RR2——相關系數。

根據HL、HR,得到割臺高度

(3)

3.3.2 程序設計

本研究采用CODESYS V3.5軟件編寫割臺高度自動控制程序,控制系統工作流程如圖7所示,包括自動控制和手動控制。手動控制優先級高于自動控制,電控手柄按鍵按下時,立即中斷自動控制流程,根據手柄實際操作控制割臺升、降。

圖7 控制系統工作流程Fig.7 Workflow of control system

系統開機后,首先通過人機交互界面設定割茬高度H0和自動調控閾值ΔH。在自動調控模式下,ECU讀取角度傳感器信號,并根據式(1)、式(2)、式(3)分別計算HL、HR和H,若割臺高度H與設定割茬高度H0差值的絕對值小于自動調控閾值ΔH,則關閉上升閥、下降閥,否則根據H與H0大小自動控制上升閥、下降閥開閉。程序中調用CODESYS PID算法功能塊控制電磁比例換向閥,如圖8所示,根據田間調試結果,設定PID控制參數KP=20、TN=0.5、TV=0.01。

圖8 CODESYS PID功能塊Fig.8 Function block of PID in CODESYS

4 田間試驗

4.1 試驗條件

大豆收獲機割臺高度自動控制系統田間試驗于2021年10月進行,試驗地點為河北省滄州市農林科學院大豆育種試驗田,長度為60 m,寬度為40 m,地表平整,無明顯雜草,試驗大豆品種為滄豆1327,處于完熟期,植株無倒伏,籽粒含水率為11.3%。

4.2 試驗指標與方法

4.2.1 試驗指標

(4)

(5)

(6)

式中：n——人工測量的割茬高度總個數;

Li——第i次人工測量的割茬高度值,mm。

4.2.2 試驗方法

試驗時,根據滄豆1327植株特性,設定割茬高度為80 mm,設定自動調控閾值為25 mm,根據4LZ-1.5大豆收獲機作業性能,以1 m/s的作業速度駕駛聯合收獲機向前行駛15 m。在相同試驗條件下進行兩組試驗,一組作為試驗組,開啟割臺高度自動控制系統,另一組作為人工對照組,關閉割臺高度自動控制系統。每組試驗后,選取收獲作業的中間區域,采用直尺人工依次測量30株大豆植株割茬高度。

4.3 試驗結果與分析

田間試驗結果如表3所示。由表3可知,試驗組割茬平均高度為84 mm,人工對照組割茬平均高度為96 mm,試驗組割茬平均高度與設定的割茬高度偏差更小,提高了大豆割茬高度的整體穩定性。試驗組割茬高度變異系數為0.1,相比人工對照組降低了28.6%,割臺高度控制精度為93%,相比人工對照組提高了32.9%,表明本文研究的割臺高度自動控制系統工作穩定性較好,割臺仿形調控精度高。本研究割茬高度平均誤差為4 mm,小于文獻[12]試驗結果,能夠滿足大豆低割收獲要求。

表3 田間試驗結果Tab.3 Test results

5 結論

1) 為解決大豆收獲機割臺高度自動控制系統成本較高、可靠性較差的問題,本研究以惡劣環境運動控制器作為ECU控制單元,基于CODESYS軟件開發了割臺高度自動控制系統,基于工業觸摸屏設計了人機交互界面。

2) 對割臺高度自動控制系統進行了田間對比試驗。開啟該系統作業時,割茬平均高度與設定的割茬高度偏差4 mm,割茬高度變異系數為0.1,割臺高度控制精度為93%,說明該系統控制精度高,工作穩定性較好,能夠滿足大豆低割收獲要求。本研究可為農業機械其他自動控制系統設計提供參考。