联合收割机碎草装置无极调速和负荷反馈系统优化设计

周　茉，刘志刚，鲍秀兰

(1.湖北工业大学工程技术学院 电气信息系，武汉　430068；2.南昌工学院，南昌　330108；3.华中农业大学 工学院，武汉　430070)



联合收割机碎草装置无极调速和负荷反馈系统优化设计

周茉1，刘志刚2，鲍秀兰3

(1.湖北工业大学工程技术学院 电气信息系，武汉430068；2.南昌工学院，南昌330108；3.华中农业大学 工学院，武汉430070)

摘要：碎草分离装置是农作物联合收割机的核心部件之一。碎草装置阻塞问题是联合收割机工作过程中常出现的问题，决定了机器的工作质量和生产率。为了解决这个问题，提出了一种新的负荷反馈无极调速系统。该系统采用无极变速和PID负荷反馈调节的方法，对喂入装置进行优化设计，可以根据农作物的密集程度，自适应的调节喂入速度，从而降低了收割机碎草装置阻塞的概率，大大提高了收割机的作业效率。为了验证装置的有效性和可靠性，通过数值仿真和虚拟样机实验的方法对该系统进行了测试。仿真结果表明：该方法可以有效地缩短作业时间，降低碎草长度，提高了碎草装置的作业性能，为联合收割机的优化设计提供了技术参考。

关键词：联合收割机；碎草装置；无极调速；负荷反馈；PID控制；阻塞率

0引言

联合收割机作为水稻、小麦、玉米和甘蔗等农作物收获的主要机械设备，近年来得到了快速的发展;但国内联合收割机电子化和自动化水平普遍较低，在作业过程中故障率高、效率低、维修不便等问题已经严重制约联合收割机的发展。 特别是碎草装置的阻塞问题，是影响联合收割机脱粒效率的关键因素，如果能有效地 解决碎草装置的阻塞问题，不仅可缩短脱粒的时间，而且能提高脱粒的质量及联合收割机的使用性能。

本研究以全喂入联合收割机为研究对象，在碎草装置中引入了无极调速和PID控制系统，并在碎草端使用传感器对碎草力的负荷进行采集，实现了联合收割机负荷的反馈调节。系统可以根据碎草力的大小判断农作物的疏密程度，利用无极变速调整喂入速度，降低了碎草机构的堵塞概率，提高了碎草机构的工作效率，提升了农作物碎草的质量。

1联合收割机碎草装置优化总体设计

联合收割机碎草装置的优化设计分为两部分，包括收割机碎草的长度优化和喂入速度的优化。由于碎草长度和喂入速度具有直接的联系，因此可以通过调整喂入速度来实现碎草长度的变化，提高碎草质量。优化控制系统共分为两部分，首先是PWM无极调速系统，其次是负荷反馈系统。该装置根据力学反馈信号对喂入就机构进行速度控制。

图1为负荷反馈系统的优化设计框架示意图。该系统主要利用力学传感器对喂入机构的碎草力进行采集，并通过数据处理中心设计阈值范围，将采集得到的力数据传输到无极调速系统中。

图1　负荷反馈系统设计框架示意图

图2为无极调速的总体设计框架图。由图2可以看出：通过反馈系统采集得到碎草力，当碎草力在某一阈值范围内时，系统自动判断该力所对应的无极调控速度，装置会通过PWM进行无极调速，并通过负荷的不断反馈，对系统进行优化，使装置达到最佳工作状态。

图2　无极调速设计框架示意图

2PWM无极调速负荷反馈优化控制设计

2.1PID负荷反馈调节

采集负荷的准确率是影响转速调节的关键因素，需要通过不断自动调整力学信号的准确性，实现喂入速度的精准控制。为了有效地采集碎草装置传感器的负荷，实现负荷的反馈调节过程，本文运用PID控制原理对采集力进行优化。PID控制系统控制方程为

(1)

其中，Y(t)是系统的输出数值， e(t)是系统输出值和设定值的偏差， Kp是比例调节系数，Ti是时间积分系数，Td是时间微分系数。为了实现对负荷信号的PID调节控制，首先需要对负荷信号进行识别，本文利用小波算法理论首先求取负荷信号的特征值矩阵，有

(2)

该力学信号矩阵的求解需要借助于协方差矩阵，求解协方差矩阵公式为

(3)

对负荷力信号的特征值进行求解，则有

Mα=λjα

(4)

判断力负荷是否在某阈值内，有

(5)

利用负荷的特征值叠加的形式，可以判断总负荷是否在某一阈值内，并利用PID控制器不断调整负荷信号的结果。

2.2PWM无极调速和PID反馈调节

碎草装置的无极调速可以通过改变直流电动机电枢的电压，实现速度的连续变化。在实际的操作过程中，可以通过开关管来对直流电机进行PWM调速，其原理如图3所示。

当开关管输入高电平，直流电动机电枢的电压为Us；当开关管输入低电平，直流电动机电枢的电压为0，电动机两端的电压平均值U0为

(6)

其中，α为占空比，改变α的数值就可以改变电动机两端的电压平均值，从而达到调速的目的。利用负荷反馈系统得到的载荷可以求出速度的阈值，当速度超过一定阈值时，需要利用调速的方式使速度重新归于某一阈值，实现碎草装置的智能调控。

如图4所示，为了实现速度的自动调节，使用速度PID反馈调节机制，对速度进行自适应控制，设定相应的力和速度对应的阈值范围，通过系统的自适应功能，实现碎草装置的力学反馈调节。

图3　直流电机无极调速原理

图4　速度PID反馈调节示意图

3联合收割机碎草装置虚拟样机测试

3.1虚拟样机仿真

为了验证所设计的喂入机构优化算法的有效性和可靠性，本次研究采用SolidWorks软件对喂入机构进行三维模型的创建，并使用ADAMS软件对其进行动力学分析。由于要对所创建的三维模型进行动力学分析，所以在创建模型过程中需要对模型进行简化，简化后的模型如图5所示。

根据农作物喂入的角度，对模型进行调整，对各部件的位置进行调整，减少以后在ADAMS中的移动。调整后的模型如图6所示。

模型创建好之后，可以导入ADMAS进行动力学分析，根据碎草力的不同可以得到其相对应的速度。ADMAS模型的导入过程如图7所示。

图5　喂入机构简化模型

图6　碎草过程模拟

图7　模型导入窗口

在模型导入之前，首先需要将SolidWorks创建的模型保存成Parasolid 格式，然后再打开ADAMS软件，在可选框内选择Import a file。宏是在ADAMS/View中可以完成一系列命令的指令，可以根据宏指令，创建多个运动变量。本文使用的碎草过程机构和农作物的碰撞宏命令主要程序如下：

for variable=ip start=6 end=8

contact create&

contact_name=.model_1.(eval("CONTACT_"//c(ip)))

&i_geometry_name= BOX_1 &

c_geometry_name

= .model_1.(eval("BOX_"//c(ip))) &

stiffness = 1.0E+006 &

damping = 8.0 &

exponent = 1.1 &

dmax = 0.2 &

coulomb_friction = on &

mu_static = 0.6 &

mu_dynamic = 0.2 &

stiction_transition_velocity = 200.0 &

friction_transition_velocity = 800.0

……

通过虚拟样机的仿真，得到了如图8所示的仿真曲线。由图8可以看出：在不同的碎草力的作用下，喂入速度可以进行有效的调节，得到不同的电机控制速度，从而验证了该系统的有效性。

图8　喂入速度随时间变化曲线

3.2虚拟系统测试结果

为了进一步研究虚拟样机的碎草性能，通过对虚拟样机的实验，得到了碎草率和碎草时间等一系列结果。

图9表示随着优化次数的增加，碎草率的变化曲线。由图9可以看出：通过PID负荷反馈调节作用后，喂入装置通过无极变速实现了优化；随着优化次数的增加，碎草率也随着增加，说明了装置优化的有效性。

图10表示随着优化次数的增加，碎草时间的变化曲线。由图10可以看出：随着优化次数的增加，碎草率时间大大缩短，碎草效率得到了明显的提升。碎草质量的统计结果如表1所示。

通过8次碎草试验，使用PID负荷优化控制的碎草机构和普通碎草机构的碎草长度存在很大的差异：使用PID负荷优化控制系统优化后的碎草长度明显缩短，并且各次实验间的数据差异性系数较大。这说明在负荷控制优化后，碎草的质量有了明显的改善，而且系统的稳定性较好，大大提高了联合收割机碎草脱粒机构的工作性能。

图9　碎草率随优化次数变化曲线

图10　碎草时间随优化次数变化曲线

cm

4结论

使用PID负荷反馈调节的方法和无极变速的方式对联合收割机碎草分离装置进行了优化设计，通过优化设计大大提高了碎草脱粒机构的工作效率，提高了收割机的电气化和自动化程度。利用SolidWorks软件建立了农作物联合收割机碎草脱粒机构的简化三维模型，并采用ADMAS软件对机构进行了动力学仿真，通过仿真得到了喂入速度随时间变化曲线，验证了装置速度调控的有效性。设计了装置的虚拟样机，并进行了测试。由碎草装置的虚拟仿真结果可以看出：该装置可有效地提高碎草率，缩短碎草时间，改善碎草的质量，为联合收割机自动化设计提供了理论依据。

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System Optimization Design of Stepless Speed Regulation and Load Feedback for Straw-crushing Device in Combine Harvester

Zhou Mo1, Liu Zhigang2,, Bao Xiulan3

(1.Engineering and Technology College,Hubei University of Technology, Wuhan 430068, China; 2.Nanchang Institute of Science & Technology,Nanchang 330108, China; 3.College of Engineering,Huazhong Agricultural University,Wuhan 430070, China)

Abstract：Chaff separation device is one of the core components of the crop of combine harvester.The device broken grass blocking problem is usually combine work problems,which determines the machine work quality and productivity. In order to solve this problem,it proposed a new load feedback stepless speed regulating system.By using the method of adjusting the shift and PID load feedback, it optimized the design of feeding device, according to the intensive crops, adaptive feeding speed, and reduces the probability of the harvester from straw crushing device blocking, greatly improving the operation efficiency of the harvester. In order to verify the validity and reliability of the device,by means of numerical simulation and virtual prototyping experiment of the system ,it tested by the straw crushing device.As to virtual simulation results,it can be seen that this method can effectively shorten the operation time, reduce broken grass length,and improves the operation performance of the device of crushed grass,which provides technical reference optimization designed for combined harvester.

Key words：combine harester; straw-crushing device ; stepless speed regulation; load feedback; PID control; blocking rate

文章编号：1003-188X(2016)03-0134-05

中图分类号：S225；S11+6

文献标识码：A

作者简介：周茉(1981-) ,女，湖北鄂州人，讲师，硕士。通讯作者：刘志刚(1980-)，男，湖北天门人，副教授，博士，(E-mail)fiberhome@126.com。

基金项目：湖北省自然科学基金项目(2014CFB322)

收稿日期：2015-02-04