基于雙閉環(huán)PID 控制的撥禾鏈轉速控制系統(tǒng)研究

劉大欣， 胡 偉， 付明剛， 于春生， 周德義， 吳寶廣

（吉林大學生物與農(nóng)業(yè)工程學院，吉林 長春 130022）

0 引言

玉米聯(lián)合收獲機是農(nóng)業(yè)機械化的重要組成部分，對提高我國玉米的收獲質量，保證國家糧食安全都有至關重要的作用[1-3]。玉米聯(lián)合收獲機工作時的第1 道工序是割臺，其主要由分禾器、撥禾鏈、摘穗板、拉莖輥和攪龍等組成。玉米莖稈被分禾器分行后，經(jīng)過撥禾鏈的引導進入拉莖輥的間隙，并被不斷拉向下方。莖稈上直徑較大的玉米果穗無法通過間隙，被摘穗板摘下后由撥禾鏈推至后方的攪龍。隨著攪龍的旋轉，玉米果穗被集中后推入輸送槽，并輸送至剝皮脫粒機構。

撥禾鏈速度是割臺的重要工作參數(shù)，它與收獲機車速、農(nóng)作物種植密度和莖稈含水率等因素有關。當其速度不匹配時，會造成玉米莖稈喂入不及時，甚至折彎推倒玉米莖稈，導致收獲損失率增大。耿端陽等[4]通過調節(jié)對行方式和撥禾鏈高度降低了植株的推倒率。張廣軍等[5]設計了雙層撥禾鏈的結構實現(xiàn)了不對行收獲。潘方江等[6]改進的“八”字形撥禾鏈可提高倒伏玉米的收獲質量。此類割臺的傳動機構以鏈傳動或帶傳動為主，缺乏調速機構，導致?lián)芎替溵D速相對固定，難以自動調節(jié)[7-8]。

針對以上問題，本研究設計了撥禾鏈轉速自動控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)采用液壓驅動方式，以玉米收獲機車速為參考值，使用撥禾鏈轉速和扭矩作為反饋信號，組成雙閉環(huán)PID 轉速控制系統(tǒng)。對關鍵參數(shù)進行計算后，在AMESim 軟件中進行了建模與仿真。仿真結果表明，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)收獲機作業(yè)速度自動調整撥禾鏈轉速，同時能夠克服撥禾阻力引起的轉速波動。

1 雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)構成

傳統(tǒng)割臺動力系統(tǒng)的動力由發(fā)動機經(jīng)變速箱輸出后，以鏈傳動或帶傳動的形式輸出至割臺系統(tǒng)，由于割臺遠離發(fā)動機，傳動鏈長度過長，布置受到多種限制。而液壓傳動具有功率密度大、反應速度快及具有過載保護等優(yōu)點，當使用電液聯(lián)合控制時，容易實現(xiàn)撥禾鏈轉速的自動控制[9-10]。控制系統(tǒng)采用液壓作為動力傳遞方式，使用變量泵與定量馬達組合的方式實現(xiàn)動力傳遞，使用比例換向閥作為控制部件實現(xiàn)撥禾鏈的自動調速。

控制系統(tǒng)動力傳動路線如圖1 所示，發(fā)動機動力經(jīng)變速箱分配后，驅動變量泵工作。變量泵產(chǎn)生的液壓動力經(jīng)過比例換向閥后驅動液壓馬達旋轉，液壓馬達輸出的驅動力輸出至分動箱進行動力分配，經(jīng)過扭矩轉速傳感器的測量后驅動多組撥禾鏈進行作業(yè)。在此過程中，控制器獲取車速和撥禾鏈的扭矩和轉速信息，進行PID 計算后控制變量泵的流量和比例換向閥的開度，從而實現(xiàn)撥禾鏈轉速的自動控制。

圖1 撥禾鏈轉速控制系統(tǒng)動力傳遞路線Fig.1 Power transmission route of reel chain speed control system

控制系統(tǒng)原理如圖2 所示，控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)PID 控制方式。車速信號經(jīng)過比例換算后，獲得撥禾鏈理論轉速，作為控制值輸入速度控制器。經(jīng)過速度控制器運算后，輸出作為變量泵流量的控制信號，同時進入扭矩控制器。在扭矩控制器再次進行PID 運算后，輸出至比例換向閥從而控制液壓馬達。在液壓馬達和撥禾鏈之間，安裝有扭矩和轉速傳感器，測量得到的扭矩信號和轉速信號作為反饋值分別進入扭矩控制器和速度控制器，從而組成雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)。

圖2 雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)原理Fig.2 Schematic diagram of double closed loop pid control system

2 關鍵參數(shù)計算

2.1 撥禾鏈轉速

作業(yè)時收獲機車速為Vh，割臺傾角為ɑ，撥禾鏈運行線速度為Vc，則它們之間的關系可以簡化為圖3 所示，即Vh=Vccosɑ。撥禾鏈水平速度分量應>Vh，以產(chǎn)生相對速度，將玉米莖稈帶入割臺。

圖3 撥禾鏈速度與車速關系Fig.3 Relationship of reel chain speed and vehicle speed

撥禾鏈的主動鏈輪、被動鏈輪、導向鏈輪和張緊鏈輪均采用相同尺寸。設節(jié)距為p，齒數(shù)為z，則節(jié)圓直徑為

綜合可得鏈輪轉速為

式中nc——撥禾鏈轉速，r/min

Vh——收獲機車速，km/h

ɑ——割臺傾角，（°）

z——撥禾鏈輪齒數(shù)

p——撥禾鏈節(jié)距，m

2.2 液壓馬達驅動力矩

液壓馬達通過撥禾鏈分動箱傳動后，驅動多組撥禾鏈驅動輪運轉。分動箱傳動比為i、工作效率為η、撥禾阻力為F。則可計算出單個撥禾鏈輪驅動扭矩為

綜合可得驅動分動箱的驅動力矩為

式中Md——單個撥禾鏈輪驅動扭矩，N·m

Mt——液壓馬達總驅動扭矩，N·m

n——割臺行數(shù)

F——撥禾阻力，N

i——分動箱傳動比

η——分動箱效率

2.3 液壓馬達排量

馬達的排量與進出口壓差和扭矩有關，設液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力為ps、液壓馬達的回油壓力為pr、機械效率為ηm。計算可得馬達排量為

式中q——馬達排量，mL/r

ps——系統(tǒng)壓力，MPa

pr——回油壓力，MPa

ηm——機械效率，一般取0.8

3 控制系統(tǒng)建模與仿真

3.1 仿真模型建立

撥禾鏈轉速控制系統(tǒng)可用AMESim 軟件的機械庫、液壓庫和信號庫3 組子庫組合建模。根據(jù)控制系統(tǒng)框圖，選擇相應的子模型進行建模，完成后的AMESim仿真系統(tǒng)模型如圖4 所示。仿真模型中信號源為車速信號，可以用來檢測控制系統(tǒng)對車輛速度變化的響應。信號源（撥禾負載信號）模擬撥禾鏈在田間作業(yè)時，由玉米莖稈種植密度及含水率不同引起的負載波動。過載保護溢流閥的作用是防止撥禾鏈意外卡死引起的高壓過載。

圖4 雙閉環(huán)轉速控制系統(tǒng)AMESim 仿真模型Fig.4 AMESim simulation model of double closed-loop speed control system

3.2 仿真參數(shù)設置

依據(jù)上述計算公式，對仿真系統(tǒng)中關鍵子模型的參數(shù)進行設置，如表1 所示。

表1 AMESim 模型參數(shù)設置Tab.1 AMESim model parameter settings

3.3 系統(tǒng)仿真結果分析

為了對雙閉環(huán)控制系統(tǒng)進行仿真分析，分別設置車速信號和撥禾負載信號為階躍信號，車速信號的階躍時間點為0 s，撥禾阻力信號的階躍時間點為5 s，這樣可以更加直觀反映出控制系統(tǒng)對不同階躍信號的控制特性。

在撥禾阻力矩穩(wěn)定時，分別設置車速信號的階躍值為2、3、4，仿真后可以得到的車速與撥禾鏈轉速關系如圖5 所示。從仿真結果可以計算得出，3 種車速信號下，撥禾鏈轉速的穩(wěn)態(tài)值分別為243.1、304.0 和364.5 r/min，響應時間分別為0.71、0.77 和0.87 s，3 次響應中的最大超調量2.63%。

圖5 車速信號與撥禾鏈轉速仿真結果Fig.5 Simulation results of vehicle speed and reel chain

在車速信號穩(wěn)定后，設置撥禾阻力信號的階躍值分別為–5、–10 和–15，仿真后可得到撥禾鏈轉速與撥禾阻力矩關系如圖6 所示。3 種阻力矩下?lián)芎替溵D速均出現(xiàn)了下降。相對于阻力信號變化前，撥禾鏈轉速分別下降0.82%、2.92%和6.34%。

圖6 撥禾鏈轉速與撥禾阻力矩仿真結果Fig.6 Simulation results of reeling chain speed and reeling resistance moment

在車速信號與撥禾阻力矩信號穩(wěn)定情況下，獲得變量泵輸出流量與壓力結果如圖7 所示。

圖7 變量泵輸出流量與壓力仿真結果Fig.7 Simulation results of flow and pressure of pump

由圖7 可知，變量泵啟動后，受到速度控制器的PID 信號控制，輸出流量快速增加至22.5 L/min，撥禾鏈速度達到穩(wěn)定值后，流量隨之下降，并逐漸穩(wěn)定并維持在5.14 L/min，而輸出壓力穩(wěn)定在11.06 MPa。根據(jù)變量泵的輸出流量和輸出壓力，計算可得，單組撥禾鏈消耗功率約0.947 kW。相對于使用純機械傳動的撥禾鏈消耗功率1 kW，降低5.3%[11]。

4 結束語

（1）以玉米收獲機車速為輸入量、撥禾鏈轉速和扭矩為反饋值，設計的雙閉環(huán)PID 控制的撥禾鏈轉速控制系統(tǒng)，可以實現(xiàn)撥禾鏈轉速的自動控制。

（2）使用AMESim 軟件對控制系統(tǒng)進行建模并設置參數(shù)進行仿真。結果表明，雙閉環(huán)PID 控制系統(tǒng)對轉速信號的階躍響應時間最大為0.87 s，最大超調量為2.63%。控制系統(tǒng)受到撥禾鏈阻力矩階躍信號影響時，轉速最大下降6.34%。

（3）轉速控制器的輸出量可以對變量泵進行流量控制，變量泵輸出功率相對于純機械傳動降低了5.3%，有效降低了系統(tǒng)能耗。