收獲機自動對行控制系統(tǒng)的研究范文

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摘要：

以自走式玉米聯(lián)合收獲機為載體，研制一種玉米聯(lián)合收獲機自動對行控制系統(tǒng)。系統(tǒng)采用TMS320F2407、XC3S500E作為核心控制芯片，通過觸摸屏設(shè)置控制參數(shù)，采用PID控制方式進行對行調(diào)節(jié)。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)在PID調(diào)節(jié)速度環(huán)為800、輪向輪偏轉(zhuǎn)角度值為800、收獲機在一檔高速作業(yè)時自動對行的效果最佳。玉米聯(lián)合收獲機自動對行控制系統(tǒng)實現(xiàn)了收獲機割道與基準(zhǔn)玉米行的自動對行功能，提高了收獲機的自動化程度。

關(guān)鍵詞：

自動對行；觸摸屏；PID控制；玉米聯(lián)合收獲機

玉米收獲機在作業(yè)過程中，收獲機駕駛員需要不時的調(diào)整方向盤，保證割臺割道對準(zhǔn)玉米行，作業(yè)過程中不僅駕駛員勞動強度高，且對行準(zhǔn)確性易受人為因素影響，難以保證收獲作業(yè)的質(zhì)量。本文以福田雷沃生產(chǎn)的4YZ—4C玉米聯(lián)合收獲機為載體，開發(fā)專用控制器，構(gòu)建玉米聯(lián)合收獲機自動對行控制系統(tǒng)，實現(xiàn)玉米收獲機對行作業(yè)的自動控制，以提高對行作業(yè)的效率和質(zhì)量、降低操作者的工作強度。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

1．1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，玉米聯(lián)合收獲機自動對行控制系統(tǒng)由觸發(fā)開關(guān)、控制器、觸摸屏、電液比例換向閥、液壓缸、角度傳感器等組成。觸發(fā)開關(guān)是對行動作的信號觸發(fā)元件，成對安裝在玉米聯(lián)合收獲機割道內(nèi)，兩個觸發(fā)開關(guān)前端距離15cm左右；角度傳感器檢測轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)角度，安裝在收獲機轉(zhuǎn)向輪的轉(zhuǎn)向軸上；控制器和觸摸屏是控制系統(tǒng)的核心部件，安裝在駕駛室內(nèi)，方便駕駛員操作。

1．2工作原理玉米收獲機安裝有觸發(fā)開關(guān)的割道稱為對行割道，對行割道所對應(yīng)的玉米行稱為基準(zhǔn)玉米行，自動對行控制系統(tǒng)對行動作的成敗就是看對行割道是否偏出基準(zhǔn)玉米行。啟動自動對行控制系統(tǒng)，若玉米秸稈沒有碰觸到割道兩側(cè)的觸發(fā)開關(guān)，自動對行控制系統(tǒng)不動作。收獲機對行割道與基準(zhǔn)玉米行發(fā)生偏離時（未偏出），觸發(fā)開關(guān)與玉米秸稈碰觸，觸發(fā)信號反饋給控制器，控制器隨即控制電液比例換向閥［1］，使收獲機后部的轉(zhuǎn)向輪向與被觸發(fā)的觸發(fā)開關(guān)相反的方向轉(zhuǎn)動，角度傳感器將檢測到的轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度信號反饋到控制器［2］；當(dāng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度達到設(shè)定值后，控制器控制電液比例換向閥使轉(zhuǎn)向輪回正；當(dāng)轉(zhuǎn)向輪回正到設(shè)定的中位值時，電液比例換向閥停止動作，控制系統(tǒng)完成一次自動對行動作。

2控制系統(tǒng)設(shè)計

2．1硬件設(shè)計1）控制器。根據(jù)控制要求，開發(fā)的自動對行專用控制器，該控制器為0～＋24V寬電壓供電，采用TMS320F2407、XC3S500E作為核心控制芯片，算法執(zhí)行速度快，芯片頻率可達250MHZ。控制器包括DSP控制單元、串口通信單元、CAN通信單元、電平轉(zhuǎn)換單元、傳感器信號處理單元、模擬量輸出單元等單元模塊。CAN通信單元實現(xiàn)與觸摸屏的實時通訊［3］。模擬量輸出模塊控制電磁比例換向閥閥芯位移的大小，實現(xiàn)對收獲機轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度的精確控制。控制器響應(yīng)速度快，滿足系統(tǒng)對實時性的要求。控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。2）角度傳感器。本控制系統(tǒng)對角度傳感器的要求：適應(yīng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的工作環(huán)境，密封性、防護性好；要有較快的響應(yīng)；滿足通用性，能寬電壓供電。根據(jù)這些要求我們選用了HoneyWell角位移傳感器。該傳感器測量范圍為－45°～＋45°，傳感器在0．5～4．5V之間線性輸出。3）觸摸屏。本系統(tǒng)使用的觸摸屏為＋6V～＋42V寬電壓供電，搭載迪文DGUS系統(tǒng)，并且集成了單路模擬CVBS格式視頻輸入，帶有數(shù)字視頻與音頻播放功能。控制系統(tǒng)的控制參數(shù)和動作狀態(tài)可以通過觸摸屏設(shè)置和顯示。觸摸屏設(shè)置界面圖如圖3所示。4）觸發(fā)開關(guān)。本控制系統(tǒng)對觸發(fā)開關(guān)的要求：密封性、防護性要好；要有較快的響應(yīng)。根據(jù)這些要求選用了歐姆龍WLNJ－55限位開關(guān)作為觸發(fā)開關(guān)，為了防止收獲機作業(yè)過程中雜草纏繞在觸發(fā)開關(guān)上，對限位開關(guān)的觸發(fā)桿進行了相應(yīng)的改造。

2．2軟件設(shè)計本系統(tǒng)的控制程序采用LabVIEW編寫，控制程序流程圖如圖4所示。安裝控制系統(tǒng)的玉米聯(lián)合收獲機為后輪轉(zhuǎn)向，割臺偏轉(zhuǎn)方向與輪胎轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)的方向相反。控制系統(tǒng)要求每次對行動作完成后收獲機轉(zhuǎn)向輪的方向必須與車體行駛方向一致，這就要求轉(zhuǎn)向輪在割臺對行完成后必須回正。收獲機轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)與回正是自動對行控制系統(tǒng)的控制關(guān)鍵。控制器調(diào)節(jié)比例換向閥，通過轉(zhuǎn)向液壓缸控制轉(zhuǎn)向輪的偏轉(zhuǎn)及回正，選取收獲機靜止回正狀態(tài)下轉(zhuǎn)向輪角度中位值為A，設(shè)定（A－Δh，A）為左偏轉(zhuǎn)動作區(qū)間，（A，A＋Δh）為右偏轉(zhuǎn)動作區(qū)間，Δh為轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值。由于機械結(jié)構(gòu)誤差及輪胎與地面之間的摩擦等因素影響，轉(zhuǎn)向輪回正時不容易定位在一個固定值，為此，自動對行控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)和回正調(diào)節(jié)過程采用離散PID控制方式。

3試驗研究

根據(jù)玉米收獲機駕駛員的經(jīng)驗，玉米收獲機對行時在不同作業(yè)速度下要調(diào)整不同的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向角度和不同的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度。這要求自動對行控制系統(tǒng)中收獲機作業(yè)速度、轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動速度這三個參數(shù)要相互匹配。因此，自動對行控制系統(tǒng)要實現(xiàn)自動對行調(diào)節(jié)需要設(shè)定的兩個主要參數(shù)是：PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p；輪向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh。要設(shè)定這兩個參數(shù)，需要選取合適的參數(shù)值，并且要對參數(shù)取值的匹配性進行試驗驗證。

3．1PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p與轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度Δh選取根據(jù)4YZ—4C收獲機的機械特性及收獲機駕駛員收獲作業(yè)時的操作經(jīng)驗，Δh值的取值范圍為500～1000。通過LabVIEW仿真，p值的取值范圍為700～1200，PID仿真程序如圖6所示。選取PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh取值范圍內(nèi)的值進行匹配性驗證，具體方法是在收獲機靜止?fàn)顟B(tài)下，通過使能對行觸發(fā)開關(guān)，使轉(zhuǎn)向輪執(zhí)行偏轉(zhuǎn)和回正動作，若p和Δh兩個參數(shù)值相匹配則轉(zhuǎn)向輪回正時無振蕩。在這種情況下若轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間越少則說明p和Δh兩個參數(shù)值的匹配性越好。試驗中每個數(shù)據(jù)測量5次取平均值，以轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t（s）和轉(zhuǎn)向輪回正時在中位值位置振蕩的次數(shù)n為衡量參數(shù)，試驗數(shù)據(jù)如表1所示。從表1可以看出：PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p不變時，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh越大，轉(zhuǎn)向輪回正時的振蕩次數(shù)n越少，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t越長；轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh不變時，PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p越大，轉(zhuǎn)向輪回正時的振蕩次數(shù)n越多，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t越短；振蕩次數(shù)n越多，轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間t越長。試驗數(shù)據(jù)表明，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度越大越不容易發(fā)生超調(diào)，但需要較長的調(diào)整時間；PID調(diào)節(jié)速度環(huán)越大轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)向動作越迅速，但容易發(fā)生超調(diào)，轉(zhuǎn)向輪回正時容易在中位值位置產(chǎn)生振蕩。當(dāng)轉(zhuǎn)向輪回正時的振蕩次數(shù)小于2、轉(zhuǎn)向輪完成偏轉(zhuǎn)和回正動作的時間小于2s時，可以判定自動控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)效果良好。根據(jù)試驗結(jié)果，自動對行控制程序中PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p可以選用800、900、1000、1100四個數(shù)值，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh可以選用700、800、900、1000四個數(shù)值。選取的數(shù)值在收獲機田間作業(yè)時是否合適還需要通過田間試驗來驗證。

3．2收獲機作業(yè)速度v的選取4YZ—4C玉米收獲機有三個檔位，其中三檔為行駛檔位（v＝15km／h），工作檔位為一檔高速（v＝5．5km／h）、二檔低速（v＝6．5km／h）和二檔中速（v＝7．5km／h）。選用三個工作檔位分別進行試驗。3．3試驗分析收獲機在不同作業(yè)速度下需要不同的p和Δh值與之相匹配，為了得到自動對行控制系統(tǒng)在4YZ―4C收獲機上的最佳工作參數(shù)，需要在不同工作速度下對試驗選取的參數(shù)值進行驗證。試驗中以100m距離內(nèi)收獲機對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行的次數(shù)N為檢驗標(biāo)準(zhǔn)，以3次試驗結(jié)果的平均值作為試驗數(shù)據(jù)。表2為自動對行控制系統(tǒng)田間試驗數(shù)據(jù)。從表2可以看出：1）收獲機作業(yè)速度v和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh不變，PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p越大則對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行的次數(shù)N越多。原因是p值越大，轉(zhuǎn)向輪回正時振蕩次數(shù)增多，對行調(diào)節(jié)的時間變長，導(dǎo)致對行動作還未完成時對行割道已偏出基準(zhǔn)玉米行。2）收獲機作業(yè)速度v和PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p不變，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh大于700時，對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行的次數(shù)N隨著Δh值的增大而增多。原因是Δh越大，轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)和回正動作需要的時間越長，同時，Δh變大，收獲機割臺偏轉(zhuǎn)的角度也變大，割臺偏轉(zhuǎn)的角度過大容易使對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行。轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh等于700時，雖然轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度較小，但轉(zhuǎn)向輪回正時容易出現(xiàn)振蕩，對行調(diào)節(jié)的時間變長，導(dǎo)致對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行的次數(shù)增多。3）PID調(diào)節(jié)速度環(huán)p和轉(zhuǎn)向輪偏轉(zhuǎn)角度值Δh不變，收獲機作業(yè)速度v越快則對行割道偏出基準(zhǔn)玉米行的次數(shù)N越多。原因是收獲機作業(yè)速度越快，要求完成對行調(diào)節(jié)動作的時間越短，若在這段時間內(nèi)對行動作無法完成，對行割道就容易偏出基準(zhǔn)玉米行。通過試驗可以看出，4YZ―4C玉米收獲機安裝自動對行控制系統(tǒng)后，收獲機一檔高速作業(yè)，控制程序參數(shù)設(shè)定為p＝800、Δh＝800時，自動對行效果最好。在兼顧對行效果和收獲機作業(yè)效率的情況下，可以選用p＝800、Δh＝800、二檔低速作業(yè)狀態(tài)。

4結(jié)束語

通過試驗，本文設(shè)計的玉米收獲機自動對行控制系統(tǒng)在PID調(diào)節(jié)速度環(huán)為800，輪向輪偏轉(zhuǎn)角度值為800，收獲機在一檔高速作業(yè)狀態(tài)下自動對行效果最佳。該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、控制靈活、擴展性好等特點。本文設(shè)計的玉米收獲機自動對行控制系統(tǒng)只在一臺玉米收獲機上進行了試驗，通過程序優(yōu)化和建立控制參數(shù)數(shù)據(jù)庫，相信該控制系統(tǒng)能夠在不同類型玉米收獲機上得到推廣和應(yīng)用，屆時玉米收獲機對行操作將通過自動對行控制系統(tǒng)完成，這將大大降低操作者的勞動強度，提高玉米收獲作業(yè)的質(zhì)量和效率。

作者：陳剛 李青龍 孫宜田 孫永佳 沈景新 何青海 單位：山東省農(nóng)業(yè)機械科學(xué)研究院