2022年2022年联合收割机自动控制研究现状与展望 .pdf

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1、第19卷第2期1998年3月江苏理工大学学报JournalofJiangsu U niversityofScience andT echnologyV ol119N o12M ar.1998联合收割机自动控制研究现状与展望张认成桑正中张际先摘要 总结国内外联合收割机自动控制研究成果及存在问题,指出联合收割机智能模糊控制的发展趋势,提出适应我国国情的联合收割机智能模糊控制新模式为集中控制与分散监测相结合关键词联合收获机自动控制展望中图分类号 S22513我国是一个农业大国,稻麦作为主要的粮食作物,种植面积广、收割周期短、劳动强度大 联合收割机的广泛使用,减少了谷物损失量,提高了劳动效率,为本茬作

2、物高质量收获和下茬作物的及时耕种提供了极为有利的条件 在发达国家,谷物收割已基本实现了机械化 美国 70年代初机械收割面积已达95%,1目前联合收割机已向大型化、高速化和自动化方向发展;日本 70 年代中期研制出适应本国小块水田的小型联合收割机,并很快大量投入应用,基本上实现了收获过程机械化,1目前在工作部件的状态监测与自动控制方面取得了不少科研成果 我国的联合收割机也有较大的发展,尤其是近几年来联合收割机市场连续走俏,表明政府对农业政策的宏观调控已取得了初步成效,农民已充分认识到机械化对农业生产的重要性,这为我国联合收割机的快速发展提供了一个良好的契机从发展的角度来看,联合收割机的应用规模、

3、收获性能及自动化程度已成为现代化农业的一个重要衡量指标性能良好的收割机,应在不超过允许损失量的前提下发挥最大的收获效率 收获质量的好坏与收割机本身的工作状态、操作水平、作物性质及地面形貌等密切相关大的行走速度可以提高生产效率,但行走速度的提高要受到众多因素的限制 首先,行走速度太快,会使脱粒装置过载,脱粒滚筒转速下降导致损失量增加,甚至造成堵塞;其次,大的喂入量会使分离损失指数增加从而引起总损失量超标;此外,田间情况不佳,行走功率也在不断变化,有必要对行走速度加以调整,以防止发动机过载熄火联合收割机工作时,驾驶员要密切注视机器的工作状态,从各部件发出的噪声中分辨异常声音,以及早发现并排除故障

4、随着联合收割机日益向大型化、高速化发展,仅用人的听力和视力去识别故障将变得越来越困难,这就迫切需要研究相应的故障监测手段与自动控制方法,对联合收割机各性能参数进行综合调整,这在客观上也决定了联合收割机向以计算机为辅助的机电一体化方向发展;2另外,相关学科如自动控制理论、微机技术、动态测试与传感器技术的高速发展,必然将其成果渗透于农业机械,从而加快农业机械化进程因而实现联合收割机自收稿日期:1997207203张认成桑正中张际先江苏理工大学机械设计工程学院镇江市212013名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 6 页 -动控制对农业生产有着重要的意义1联合收割机自动控制现

5、状联合收割机自动控制的目的是在不超过脱粒装置的额定喂入量和允许损失量的前提下,具有稳定的最大前进速度从而使联合收割机始终工作在最佳状态,即:联合收割机具有高的工作质量和生产率;及早发现机器的故障并报警,或对机器状态进行适当调整,减轻操作人员的劳动强度,实现一人一机制 收割机自动控制研究的对象主要有行走速度、喂入深度、割茬高度、滚筒转速和负荷等目前采用的控制方法主要有机2液式、电2液式机构,控制的是被控量的上下极限偏差 1.1自动调平机构联合收割机自动控制是从工作部件超载自动报警和减轻操作人员劳动强度的自动控制装置开始的 坡地上的自动调平机构是最早用于生产的联合收割机自动控制装置,35它利用U型

6、连通器原理感知机组横向倾斜量,当倾角大于允许值时,连通器膜片活塞接通电触点,经电磁液流分配阀驱动调平油缸,保持机组倾角处在一定的范围内实验证明,采用这种机构可使坡地上工作的联合收割机损失量大大下降1.2行走速度自动控制行走速度自动控制的目的是使滚筒负荷稳定,保持合理的、均匀的喂入量,使整机损失量不超过允许值 保持滚筒负荷稳定一般有三种途径:改变行走速度、改变割茬高度及改变割幅宽度 其中通过改变行走速度控制喂入量因易于实现、通用性强而得到广泛应用 图 1 是机 2液式行走速度控制原理图 5,6传感器测量倾斜输送器链条的浮动量,当其超过一定值时,拉丝拉动液流分配阀,使行走机构无级变速器的油缸动作,

7、改变变速器的传动比,从而使喂入量稳定在设定值附近 图 2 是电 2液式行走速度控制系统图 6谷物层厚度变化时,传感器随倾斜输送图1机 2液式行走速度控制原理图11传感器21拉丝31 调节杆41 分配阀51油缸61无级变速器圆盘图2电 2液式行走速度自动控制图11传感器21 横杆31 线圈41分配阀51 油缸61无级变速器圆盘器左右摆动,喂入量超过设定值时,触点a接通,电磁阀左线圈通电,压力油进入油缸下腔,驱动行走无级变速器,使行走速度下降;反之喂入量小于设定值时,b点接通,电磁阀右线圈通电,油缸上腔进油,行走速度加大,从而使喂入量稳定在一定的范围内,范围的大小由a、b两触21江苏理工大学学报1

8、998年3月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 6 页 -点的位置确定在久保田ZX3000 半喂入式联合收割机上,直接测量滚筒扭矩,通过电子回路,用电动机改变无级变速器中的油泵斜盘角度,从而调节行走速度,使负荷稳定 41.3喂入深度自动控制图3喂入深度自动控制图11 脱粒滚筒21 传感器(3只)31 喂入链41 喂入深度调节油缸51分配阀日本的半喂入联合收割机广泛使用了喂入深度自动控制装置,3,4,7YANM A R TC 系列收割机在滚筒入口处设置三个传感器,如图 3 所示 当第一个传感器探测到穗头进入滚筒时,后面的两个传感器开始工作,以判断穗头是否处在第二和第三两

9、个传感器之间,否则表明喂入深度不合适,系统发出指令,由油缸移动夹持链条的位置,直到合适的喂入深度1.4脱粒滚筒转速自动控制对于一特定的作物,脱粒滚筒转速与喂入量之间应有良好的匹配关系,当喂入量增大时滚筒转速应相应增加,以提高对作物的脱粒能力研究表明,对于潮湿谷物,采用转速自动控制后,谷粒损失量约减少 75%,而谷粒损伤率只提高0.7%,8 这种系统同时检测喂入量和滚筒转速,根据喂入量变化及实际转速相对于设定转速的偏差,通过液压系统和无级变速器控制滚筒转速 6,9 这种方案当发动机过载时会导致控制失效以上控制方法都是当被控量超过设定极限值时,系统才起调节作用,由于联合收割机系统存在大延时,误差变

10、化难以及时掌握,往往使被控量在大范围内起伏变化,系统控制指标产生振荡,易于引起控制目标超差或滚筒堵塞,而且监测多用机械方式,不便于实现自动控制1.5割茬高度自动控制在大中型联合收割机上,采用仿形液压板控制割茬高度,以使割茬高度均匀在小型联合收割机上,一般在分禾器下设置检测滑撬或位置开关,以控制割台油缸动作 4,达到同样的目的如前所述,控制割茬高度的另一个目的是使滚筒负荷稳定在一定的范围内先用传感器检测出株高,对应于株高,由液压系统调整割台高度,使其不至于过低而增加脱粒与分离负担,又不至于过高而漏割穗头 4 除以上所述外,日本针对小型联合收割机的特点,研究了自动操向、自动装袋、自动停车等问题,并

11、在实验室内试制出无人驾驶联合收割机样机,在自动检测与报警方面,主要研究了滚筒、二次处理装置、输粮搅龙的过载报警及损失量检测传感器总之,以往联合收割机自动报警或自动控制,基本上是各自独立处理,各参数之间彼此联系不密切,如何利用先进的控制理论,将多个参数综合起来进行协调控制已成为今后联合收割机自动控制的一个研究方向31第2期张认成等联合收割机自动控制研究现状与展望名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 6 页 -2联合收割机自动控制发展趋势联合收割机工作过程中,各部件的性能状态、作物性质及地面形态无时无刻不在变化,脱粒机负荷或总损失量与这些影响因素之间很难建立一个精确的数学模

12、型,收获过程中收割机是一个非线性时变且有大延时的复杂系统 而现代控制理论必须依赖于被控对象的数学模型,所以它很难用于联合收割机自动控制中新兴的智能模糊控制理论是根据经验、规则和自学习,通过对被控量偏差的大小与变化趋势的模糊推理,给被控对象施加合适的控制量,并通过模拟人的智能对控制器常数或控制规则进行优化调整,使目标函数稳定在设定值附近,而无须知道被控对象的数学模型 目前它已成为解决非线性时变复杂系统控制问题的有效手段之一同时,智能模糊控制也已逐渐成为联合收割机自动控制的发展方向从我国具体情况出发,发展无人驾驶收割机尚不实际,联合收割机自动控制应走集中控制与分散监测相结合的道路 将直接影响整机工

13、作质量、相互之间又密切相关的量集中在一个智能控制系统中进行协同控制,保证收割机高效高质量作业,又减轻驾驶员劳动强度这主要考虑行走速度与脱粒滚筒负荷、逐稿器损失量和发动机功率之间的匹配,即在充分发挥发动机功率、不超过脱粒装置额定喂入量和允许损失量的前提下,提高行走速度,以发挥最大生产率 将影响收割机工作质量或局部性能,但彼此联系不紧密或在空间上比较分散的量分别进行监测与自动报警,或在局部进行自动控制,如割台高度自动控制、工作部件过载自动报警等图4联合收割机集中控制系统图集中控制是联合收割机高效、高质量收获的关键,显然这是一个多变量系统 为减少模糊控制的规则数目,可以采用分层控制方案,如图 4 所

14、示内层以高频控制行走速度,使喂入量稳定在设定值附近;中层以中频对喂入量设定值进行修正,使滚筒转速稳定在指令值附近;外层在中层和内层稳定的情况下,根据实际损失量对喂入量的设定值进行进一步修正,力图使损失量也稳定在其允许值附近 可见这种控制的过程是:中层和外层根据实测转速和损失量对喂入量不断进行动态修正,力图使各自的控制指标稳定在对应的允许值上,内层则以较高的频率控制行走速度,使喂入量不断稳定在被修改了的新的水平上如此经过若干循环后,不论初始指令喂入量多大,最终都可以逼近到一个稳定的最大喂入量,并且损失量与滚筒转速也稳定于各自的指令值,初始指令喂入量不影响最终控制效果,仅影响系统达到稳态的时间由于

15、联合收割机是一个复杂系统,控制量与控制效果之间有较大的延时,所以在模糊控制器中应附加性能测量、自适应学习、规则调整等环节,以增加系统的智能和鲁棒性41江苏理工大学学报1998年3月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 6 页 -3联合收割机智能控制研究的关键问题智能模糊控制作为一个新的理论应用于联合收割机,有许多跨学科的具体问题需要研究:(1)中层转速控制环节研究本层涉及的脱粒系统是收割机的核心,它决定了整机的性能,所以本层控制的实现是联合收割机集中控制的基础和关键内容之一(2)控制系统中大滞后的补偿大滞后一直是工业过程控制中公认的难题之一,克服纯滞后是过程控制的一个关

16、键技术(3)脱粒系统负荷特性研究行走速度决定了割台喂入量,脱粒滚筒的负荷并不是割台负荷的简单延时,输送器上的谷物经挤压、随机错动后才送到滚筒滚筒负荷相对于割台负荷不仅在相位上有延迟,而且在波形上也产生很大的变异 因而必须通过试验和理论分析建立滚筒与割台负荷之间的随机动态数据模型和负荷传递系统的力学模型,以便根据目前割台喂入量预报将来滚筒的负荷,实现延时系统的预报控制(4)适应于模糊控制的喂入量、损失量、负荷等测量方法及模糊传感器的研究,这也是传感技术的一个发展方向(5)适用于联合收割机自动控制的执行机构研究等4结 束 语本文概述了联合收割机自动控制的现状,论证了联合收割机自动控制的发展趋势是智

17、能模糊控制,指出了我国目前收割机自动控制应走集中控制与分散监测相结合的道路,并归纳了联合收割机智能模糊控制所急需研究的课题是脱粒系统智能控制、系统大滞后补偿、脱粒系统负荷特性研究、模糊传感器与执行机构研究参考文献1华南农学院农机教研室.水稻联合收割机原理与设计.北京:中国农业机械出版社,1981.2曾长河.半喂入联合收割机的发展动向.世界机械工业,1986(7):143喜多毅,赵杰文 1 微型计算机在联合收割机上的应用.国外农机,1994(6):16204金盛芳.日本半喂入联合收割机的自动化.农机情报资料,1978(11):9245吴守一.农业机械学.北京:机械工业出版社,1992.6卡那沃依

18、斯基.收获机械.北京:中国农业机械出版社,1983.7玲木正肚,江崎春雄.谷粒自动装袋装置开发研究.农业机械学会志,1981(43):588Eim er M.Funk tion und A rbeitsgualitatder D rehzah lgeregeten D resehtromm el.Grundld L andtech,1973(6):5235269赵清等.4L 225型联合收割机脱粒滚筒无级变速器承载能力的试验研究.吉林工业大学学报,1985(1):758310吕秋谨.联合收割机的新动向.国外农机,1984(7):3051第2期张认成等联合收割机自动控制研究现状与展望名师资料总结

19、-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 6 页 -11于秋.联合收割机上的自动控制装置.国外农机,1984(11):333412彭珂珊.中国农业现代化建设的难点与走出困境再思考.大自然探索,1996(3):858913玲木光雄.农业机械技术.油压技术,1982,21(5):192614A ndrew s S B,Siebenmo rgen T J.Effectsof Com bine OperatingParam eters on H arvest L oss and Q ualityin R ice.T ransacti ons of the A SA E,1993,36(6):1

20、599160715Glasbey C A,M cgehan MB.T hresh ing L oss StochasticV ariabilityon H arvesters.J A gri Engng R es,1983,28(2):16317416L eflufy M J,Stone G T.Speed Contro l of A Com bine H arvesterto M aintaina Specific L evel of M easuredT hreshing L oss.J A gri Res,1983,28(6):53754317Cale C E.A utom atic L

21、 igh t Contro ls of a Stri pper H arvester U sing a TastileSensor to D etect the Crop.J A gri Res,1995,61(4):21722618J i m K ruse.ComputerContro ls fo r the Com bine.A gric Eng,1983,64(2):7919ReedW B,GrovumM A et al.Com bine HarvesterGrain L ossM onito r.A gric Eng,1969,50(9):524525,52820W ang G,Zoe

22、rbG C.A N ew Concep t in Com bine Separati on A nalysis.T ransacti ons of A SA E,1987,30(4):89990321W ang G,ZoerbG C.A Com bine Separati on L ossM onito r.T ransacti ons of A SAE,1988,31(3):69269422U pchurchB L,T ennes B R et al.A M icrop rocesso r2based SteeringContro ller.T ransacti ons oftheA SA

23、E,1983,26(1):2932State2of2A rt and Pro spect on Com bineA utomatic Con tro lZhang R enchengSang ZhengzhongZhang JixianAbstract T he research on combine automatic contro l has been summarized.The developing trend using the intelligen t and fuzzy contro l in combine harvesterhas been proposed.Being suitable for our country,a new automatic contro l modelof combine harvester,w hich is the combination of central contro l w ith scatteringmonito rs,has been pu t forw ard.Key wordscombine harvesters;automa tic control;prospect61江苏理工大学学报1998年3月名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 6 页 -