收獲機自動對行控制系統的研究范文

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摘要：

以自走式玉米聯合收獲機為載體，研制一種玉米聯合收獲機自動對行控制系統。系統采用TMS320F2407、XC3S500E作為核心控制芯片，通過觸摸屏設置控制參數，采用PID控制方式進行對行調節。試驗結果表明，該系統在PID調節速度環為800、輪向輪偏轉角度值為800、收獲機在一檔高速作業時自動對行的效果最佳。玉米聯合收獲機自動對行控制系統實現了收獲機割道與基準玉米行的自動對行功能，提高了收獲機的自動化程度。

關鍵詞：

自動對行；觸摸屏；PID控制；玉米聯合收獲機

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

1系統結構與工作原理

1．1系統結構如圖1所示，玉米聯合收獲機自動對行控制系統由觸發開關、控制器、觸摸屏、電液比例換向閥、液壓缸、角度傳感器等組成。觸發開關是對行動作的信號觸發元件，成對安裝在玉米聯合收獲機割道內，兩個觸發開關前端距離15cm左右；角度傳感器檢測轉向輪的偏轉角度，安裝在收獲機轉向輪的轉向軸上；控制器和觸摸屏是控制系統的核心部件，安裝在駕駛室內，方便駕駛員操作。

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

2控制系統設計

2．1硬件設計1）控制器。根據控制要求，開發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，算法執行速度快，芯片頻率可達250MHZ?？刂破靼―SP控制單元、串口通信單元、CAN通信單元、電平轉換單元、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，實現對收獲機轉向輪轉向角度的精確控制。控制器響應速度快，滿足系統對實時性的要求。控制器結構框圖如圖2所示。2）角度傳感器。本控制系統對角度傳感器的要求：適應農業生產的工作環境，密封性、防護性好；要有較快的響應；滿足通用性，能寬電壓供電。根據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。本系統使用的觸摸屏為＋6V～＋42V寬電壓供電，搭載迪文DGUS系統，并且集成了單路模擬CVBS格式視頻輸入，帶有數字視頻與音頻播放功能?？刂葡到y的控制參數和動作狀態可以通過觸摸屏設置和顯示。觸摸屏設置界面圖如圖3所示。4）觸發開關。本控制系統對觸發開關的要求：密封性、防護性要好；要有較快的響應。根據這些要求選用了歐姆龍WLNJ－55限位開關作為觸發開關，為了防止收獲機作業過程中雜草纏繞在觸發開關上，對限位開關的觸發桿進行了相應的改造。

2．2軟件設計本系統的控制程序采用LabVIEW編寫，控制程序流程圖如圖4所示。安裝控制系統的玉米聯合收獲機為后輪轉向，割臺偏轉方向與輪胎轉向調節的方向相反?？刂葡到y要求每次對行動作完成后收獲機轉向輪的方向必須與車體行駛方向一致，這就要求轉向輪在割臺對行完成后必須回正。收獲機轉向輪的偏轉與回正是自動對行控制系統的控制關鍵?？刂破髡{節比例換向閥，通過轉向液壓缸控制轉向輪的偏轉及回正，選取收獲機靜止回正狀態下轉向輪角度中位值為A，設定（A－Δh，A）為左偏轉動作區間，（A，A＋Δh）為右偏轉動作區間，Δh為轉向輪偏轉角度值。由于機械結構誤差及輪胎與地面之間的摩擦等因素影響，轉向輪回正時不容易定位在一個固定值，為此，自動對行控制系統轉向輪偏轉和回正調節過程采用離散PID控制方式。

3試驗研究

根據玉米收獲機駕駛員的經驗，玉米收獲機對行時在不同作業速度下要調整不同的轉向輪轉向角度和不同的轉向輪轉動速度。這要求自動對行控制系統中收獲機作業速度、轉向輪偏轉角度、轉向輪轉動速度這三個參數要相互匹配。因此，自動對行控制系統要實現自動對行調節需要設定的兩個主要參數是：PID調節速度環p；輪向輪偏轉角度值Δh。要設定這兩個參數，需要選取合適的參數值，并且要對參數取值的匹配性進行試驗驗證。

3．1PID調節速度環p與轉向輪偏轉角度Δh選取根據4YZ—4C收獲機的機械特性及收獲機駕駛員收獲作業時的操作經驗，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調節速度環p和轉向輪偏轉角度值Δh取值范圍內的值進行匹配性驗證，具體方法是在收獲機靜止狀態下，通過使能對行觸發開關，使轉向輪執行偏轉和回正動作，若p和Δh兩個參數值相匹配則轉向輪回正時無振蕩。在這種情況下若轉向輪完成偏轉和回正動作的時間越少則說明p和Δh兩個參數值的匹配性越好。試驗中每個數據測量5次取平均值，以轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t（s）和轉向輪回正時在中位值位置振蕩的次數n為衡量參數，試驗數據如表1所示。從表1可以看出：PID調節速度環p不變時，轉向輪偏轉角度值Δh越大，轉向輪回正時的振蕩次數n越少，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t越長；轉向輪偏轉角度值Δh不變時，PID調節速度環p越大，轉向輪回正時的振蕩次數n越多，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t越短；振蕩次數n越多，轉向輪完成偏轉和回正動作的時間t越長。試驗數據表明，轉向輪偏轉角度越大越不容易發生超調，但需要較長的調整時間；PID調節速度環越大轉向輪轉向動作越迅速，但容易發生超調，轉向輪回正時容易在中位值位置產生振蕩。當轉向輪回正時的振蕩次數小于2、轉向輪完成偏轉和回正動作的時間小于2s時，可以判定自動控制系統調節效果良好。根據試驗結果，自動對行控制程序中PID調節速度環p可以選用800、900、1000、1100四個數值，轉向輪偏轉角度值Δh可以選用700、800、900、1000四個數值。選取的數值在收獲機田間作業時是否合適還需要通過田間試驗來驗證。

3．2收獲機作業速度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在4YZ―4C收獲機上的最佳工作參數，需要在不同工作速度下對試驗選取的參數值進行驗證。試驗中以100m距離內收獲機對行割道偏出基準玉米行的次數N為檢驗標準，以3次試驗結果的平均值作為試驗數據。表2為自動對行控制系統田間試驗數據。從表2可以看出：1）收獲機作業速度v和轉向輪偏轉角度值Δh不變，PID調節速度環p越大則對行割道偏出基準玉米行的次數N越多。原因是p值越大，轉向輪回正時振蕩次數增多，對行調節的時間變長，導致對行動作還未完成時對行割道已偏出基準玉米行。2）收獲機作業速度v和PID調節速度環p不變，轉向輪偏轉角度值Δh大于700時，對行割道偏出基準玉米行的次數N隨著Δh值的增大而增多。原因是Δh越大，轉向輪偏轉和回正動作需要的時間越長，同時，Δh變大，收獲機割臺偏轉的角度也變大，割臺偏轉的角度過大容易使對行割道偏出基準玉米行。轉向輪偏轉角度值Δh等于700時，雖然轉向輪偏轉角度較小，但轉向輪回正時容易出現振蕩，對行調節的時間變長，導致對行割道偏出基準玉米行的次數增多。3）PID調節速度環p和轉向輪偏轉角度值Δh不變，收獲機作業速度v越快則對行割道偏出基準玉米行的次數N越多。原因是收獲機作業速度越快，要求完成對行調節動作的時間越短，若在這段時間內對行動作無法完成，對行割道就容易偏出基準玉米行。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后，收獲機一檔高速作業，控制程序參數設定為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效率的情況下，可以選用p＝800、Δh＝800、二檔低速作業狀態。

4結束語

通過試驗，本文設計的玉米收獲機自動對行控制系統在PID調節速度環為800，輪向輪偏轉角度值為800，收獲機在一檔高速作業狀態下自動對行效果最佳。該系統具有穩定性好、控制靈活、擴展性好等特點。本文設計的玉米收獲機自動對行控制系統只在一臺玉米收獲機上進行了試驗，通過程序優化和建立控制參數數據庫，相信該控制系統能夠在不同類型玉米收獲機上得到推廣和應用，屆時玉米收獲機對行操作將通過自動對行控制系統完成，這將大大降低操作者的勞動強度，提高玉米收獲作業的質量和效率。

作者：陳剛 李青龍 孫宜田 孫永佳 沈景新 何青海 單位：山東省農業機械科學研究院