聯(lián)合收獲機綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)研究,農(nóng)業(yè)機械化論文

聯(lián)合收獲機綜合監(jiān)測控制系統(tǒng)研究,農(nóng)業(yè)機械化論文近年來,世界收獲機械裝備技術(shù)正迅速地吸收和應(yīng)用電子信息科技發(fā)展的成果.這與農(nóng)業(yè)面對世界市場競爭的壓力以及集約化、當(dāng)代化對大型、復(fù)雜、高效、節(jié)能和環(huán)保型農(nóng)業(yè)機械化技術(shù)日益提高的要求密切相關(guān).從發(fā)展的角度來看,聯(lián)合收獲機的應(yīng)用規(guī)模、收獲性能及自動化程度已成為當(dāng)代化農(nóng)業(yè)的一個重要衡量指標(biāo).性能良好的收獲機,應(yīng)在不超過允許損失量的前提下發(fā)揮最大的收獲效率.收獲質(zhì)量的好壞與收獲機本身的工作狀態(tài)、操作水平、作物性質(zhì)及地面形貌等密切相關(guān).隨著聯(lián)合收獲機日益向大型化、技術(shù)化、智能化、高速化發(fā)展,駕駛員用耳朵很難聽到收獲機各部位的運轉(zhuǎn)異響及負荷變化情況,這就迫切需要研究相應(yīng)的故障監(jiān)測手段與自動控制方式方法,對聯(lián)合收獲機各性能參數(shù)進行綜合調(diào)整.因而,實現(xiàn)聯(lián)合收獲機綜合監(jiān)測控制對推進我們國家農(nóng)機化發(fā)展及實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)當(dāng)代化有著重要的意義.1聯(lián)合收獲機工作經(jīng)過以當(dāng)前廣為使用的新疆3聯(lián)合收獲機為例(見圖1),其工作經(jīng)過如下:撥禾輪將作物撥向切割器,切割器將作物割下后,由撥禾輪撥倒在割臺上;割臺攪龍將割下的作物推集到割臺中部,并由割臺攪龍上的伸縮扒指將作物轉(zhuǎn)向送入傾斜輸送器;然后,由傾斜輸送器的輸送鏈耙把作物喂入切流滾筒、軸流滾筒進行脫粒分離.脫粒分離后的大部分谷粒連同穎殼、雜穗和碎稿經(jīng)凹板的柵格篩孔落到抖動板上.當(dāng)經(jīng)過抖動板尾部的篩條時,谷粒和穎殼等先從篩條縫中落下,進入上篩,而短碎莖稈則被篩條托著,進一步被分離.谷粒和穎殼由抖動板落到上篩和下篩的經(jīng)過中,遭到風(fēng)機的氣流吹散作用,輕的穎殼和碎稈被吹出機外,干凈的谷粒落入籽粒升運器底攪龍,并由谷粒升運器輸送進入糧箱;未脫凈的雜余、斷穗通過下篩后部的篩孔落入復(fù)脫器底攪龍,并經(jīng)復(fù)脫器二次脫粒后再拋送回到抖動板上再次清選.2總體趨勢由聯(lián)合收獲機工作經(jīng)過能夠看出,收獲經(jīng)過需要多個工作部件的互相配合,其工作狀態(tài)直接影響收獲質(zhì)量的優(yōu)劣.聯(lián)合收獲機監(jiān)測系統(tǒng)就是對系統(tǒng)工況參數(shù)、谷物損失、喂入量、行駛速度、割茬高度及滾筒負荷等進行在線測量.建立監(jiān)測系統(tǒng)的主要目的有:①降低故障率,提高收獲質(zhì)量;②為自動控制系統(tǒng)的建立打下基礎(chǔ);③降低駕駛員疲憊度.2.1國外總體趨勢自20世紀(jì)90年代以來,當(dāng)代聯(lián)合收獲機廣泛采用各種電子儀表監(jiān)視裝置以及電器、液壓控制和液壓驅(qū)動等先進技術(shù),以提高機器的作業(yè)質(zhì)量并使其高效、安全、可靠工作,這是國外聯(lián)合收獲機發(fā)展的一個重要特點.如NewHolland、Deere等公司的收獲機上安裝了電子信息、電子駕駛操縱等系統(tǒng).CASE公司、MasseyFergusoh公司也都在這方面獲得了一定的研究成果.華而不實,Deere公司的60系列收獲機已應(yīng)用Green-Star系統(tǒng),配備了相關(guān)傳感器與控制系統(tǒng)實現(xiàn)了喂入量自動控制及自動繪制產(chǎn)量圖、糧食水分圖、地形等高圖等功能.其新推出的S系列收獲機以提高性能和生產(chǎn)力為前提,增加如下功能:在液壓撓性割臺配置割臺高度傳感器,自動調(diào)節(jié)割臺高度及割刀在地面的重力;ProDrive行走速度系統(tǒng)用按鈕替代換擋桿,僅設(shè)置收獲與轉(zhuǎn)場兩個形式,并可實現(xiàn)動力換擋自動變速;AutoTracRowSense系統(tǒng)配置對行傳感器,實現(xiàn)自動對行,可收獲倒伏玉米;在駕駛室增加反吐與糧倉自動開合按鈕,實現(xiàn)自動反吐與糧倉自動開合.通過這些系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制,DeereS系列聯(lián)合收獲機即便在多變的收獲條件下也能有效地增大喂入量、提高效率,并降低油耗及收獲損失[1],為當(dāng)今收獲機自動監(jiān)測控制應(yīng)用的典范.2.2國內(nèi)總體趨勢當(dāng)前,國內(nèi)對聯(lián)合收獲機自動控制系統(tǒng)已經(jīng)開場進行研究,但僅僅停留在實驗室階段,得到實際應(yīng)用的為監(jiān)測系統(tǒng).監(jiān)測對象主要為脫粒滾筒轉(zhuǎn)速、行走速度、發(fā)動機工況等,如監(jiān)視軸流滾筒轉(zhuǎn)速、復(fù)脫器轉(zhuǎn)速及籽粒升運器軸轉(zhuǎn)速.其固然具有轉(zhuǎn)速故障報警功能,但不能實如今線調(diào)整報警限值,這使其使用范圍遭到較大限制.假如能在其基礎(chǔ)上加上報警限制在線輸入、轉(zhuǎn)速故障自動控制功能,將提高其實用性.由此可見,國內(nèi)對聯(lián)合收獲機自動控制的研究停留在系統(tǒng)參數(shù)的監(jiān)測水平上,還未牽涉到系統(tǒng)聯(lián)合收獲機系統(tǒng)工況的自動調(diào)整控制.各參數(shù)基本上是各自獨立處理,相互之間聯(lián)絡(luò)不密切.怎樣利用先進的控制理論與技術(shù),將多個參數(shù)綜合起來進行聯(lián)合收獲機作業(yè)經(jīng)過的綜合監(jiān)測,將是我們國家聯(lián)合收獲機智能監(jiān)測技術(shù)研究的發(fā)展趨勢.3監(jiān)測系統(tǒng)3.1谷物損失監(jiān)測谷物損失率是聯(lián)合收獲機的重要收獲參數(shù),鑒于收獲環(huán)境復(fù)雜,谷物損失檢測比擬困難.國外在幾十年前就努力于谷物損失傳感器監(jiān)測研究,如今已有成型的產(chǎn)品,如CASE、NewhollandTR98損失監(jiān)測單元,但只是顯示谷物損失率的變化,不測定詳細的損失率.江蘇大學(xué)的唐忠、李耀明等對夾帶損失進行分析,并設(shè)計了傳感器進行測量[2~3].我們國家一些監(jiān)測公司對谷物損失也進行了深切進入的研究,在割臺上安裝傳感器計算面積,進而計算單位面積的谷物損失量;但當(dāng)前都處于研究階段,還沒有推廣應(yīng)用.研究表示清楚,喂入量是影響谷物損失的主要因素,且在一定條件下,隨著喂入量的線性增長,谷物損失成指數(shù)規(guī)律增長[4].由于影響谷物損失的原因很多,穩(wěn)定的喂入量并不能獲得穩(wěn)定的谷物損失,這也就意味著,對喂入量的控制并不能直接表示清楚谷物損失也在控制之中.所以,假如將損失納入控制系統(tǒng),控制效果會更好,這也是聯(lián)合收獲機控制系統(tǒng)一直在研究的問題.3.2產(chǎn)量監(jiān)測聯(lián)合收獲機智能在線測產(chǎn)系統(tǒng)是精細農(nóng)業(yè)的重要組成部分,當(dāng)前世界上很多科學(xué)院校和農(nóng)業(yè)設(shè)備制造企業(yè)都在研制和開發(fā)應(yīng)用于不同作物的產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng),華而不實國外一部分測產(chǎn)系統(tǒng)已成功投入商品化生產(chǎn).其代表產(chǎn)品有:Deer的GreenStar系統(tǒng),Micro-Trak的Grain-Trak系統(tǒng),AgLeader公司的PFadvan-tage系統(tǒng),AGCO的FieldStar系統(tǒng),CASEIH的AFS系統(tǒng)等[5].華而不實,Micro-Trak的測產(chǎn)系統(tǒng)能夠顯示產(chǎn)量、車速、面積、每小時收割面積等,存儲卡的數(shù)據(jù)能夠?qū)隤C機進行復(fù)雜數(shù)據(jù)處理[6].當(dāng)前國內(nèi)還沒有商品化的測產(chǎn)系統(tǒng),只要一些國內(nèi)院校和研究所進行了一些探尋求索性工作研究.北京小湯山精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)示范工程引進測產(chǎn)系統(tǒng)等先進技術(shù),進行試驗研究.上海精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)有限公司開發(fā)的水稻聯(lián)合收獲機配套電子測產(chǎn)系統(tǒng)獲得了一定成績.2000年,中國科學(xué)院與上海交通大學(xué)合作對谷物聯(lián)合收獲機測產(chǎn)系統(tǒng)進行了大量研究.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)1998年成立了精細農(nóng)業(yè)研究中心,2002年成立由汪懋華牽頭的當(dāng)代精細農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點開放試驗室對測產(chǎn)系統(tǒng)與產(chǎn)量分布圖進行了研究,整個系統(tǒng)還處于試驗階段[7].可見,國內(nèi)機構(gòu)普遍采用國外類似機構(gòu)進行改良,國產(chǎn)化研究當(dāng)前技術(shù)還不成熟,價格高,離實際應(yīng)用尚有一段時間要走.3.3喂入量監(jiān)測喂入量是聯(lián)合收獲機的主要設(shè)計參數(shù)和性能參數(shù).收割經(jīng)過中割臺喂入是短暫、時變的,喂入量很難直接測得,通常采用間接方式方法表示.當(dāng)前,通常采用喂入相對平穩(wěn)的傾斜輸送器和脫粒滾筒來反映喂入量的大小.利用傾斜輸送器來反映喂入量時可檢測喂入輥扭矩與轉(zhuǎn)速、底板的壓力來反映喂入量變化:BruceAlanCoers,KarlLudwig與StaiertRichardW3人中前者與后兩者分別利用測傾斜輸送器喂入輥負荷與轉(zhuǎn)速來檢測喂入量的變化[8-10].陳進利用喂入主動軸扭矩來實時反響傾斜輸送器喂入量,并通過DF-1.5型試驗臺建立了喂入量和喂入主動軸扭矩間的回歸關(guān)系方程[11].介戰(zhàn)采用谷物對傾斜輸送器地板的壓力來監(jiān)測喂入量[12].利用脫粒滾筒來反映喂入量時可采用脫粒滾筒扭矩和轉(zhuǎn)速來反映喂入量:BudzichT設(shè)計不同的扭矩測量構(gòu)造,測量滾筒負荷,建立喂入量模型并對喂入量進行控制[13].RandolphG等在變速機構(gòu)設(shè)計惰輪,利用電位計監(jiān)測惰輪的位移進而監(jiān)測傾斜輸送器與脫粒滾筒負荷變化,建立喂入量控制系統(tǒng)[14].張任成采用滾筒轉(zhuǎn)速建立脫粒滾筒功耗模型[15],拉開了利用脫粒滾筒轉(zhuǎn)速建立喂入量控制系統(tǒng)的序幕[16-17].陳度等研究脫粒滾筒扭矩傳感器,利用脫粒滾筒扭矩檢測喂入量,建立了喂入量與谷物損失模型[18].秦云利用脫粒滾筒負荷建立了行走速度控制系統(tǒng)[19].唐忠等建立試驗臺,利用扭矩傳感器測量脫粒滾筒扭矩,建立喂入量模型[20].由以上分析可知,在喂入量模型研究初期,研究人員希望盡可能及時檢測到喂入量變化,即采用傾斜輸送器喂入輥轉(zhuǎn)速或者扭矩來測量喂入量.隨著研究發(fā)現(xiàn),脫粒系統(tǒng)是比擬平穩(wěn)的,反映喂入量相對及時,利于喂入量模型的建立,近年來大部分研究者利用脫粒滾筒轉(zhuǎn)速或扭矩來建立喂入量模型.當(dāng)前,國內(nèi)加強了對脫粒滾筒扭矩與喂入量之間的模型研究.4控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)在狀況聯(lián)合收獲機自動控制的目的是發(fā)揮其最大收獲效益,即在不超過各部件額定負荷與允許損失量的前提下,獲得穩(wěn)定的最大喂入量,讓聯(lián)合收獲機始終工作在最佳狀態(tài).華而不實,喂入量自動控制是聯(lián)合收獲機自動控制的核心.當(dāng)喂入量降低時,破碎率上升,破碎的谷物被吹出機外,增加損失;喂入量增加時,會使清選和分離系統(tǒng)超負荷工作,增加夾帶與清選損失.研究表示清楚[4],在一定的條件下,隨著喂入量的增加,谷物損失成比例增長;當(dāng)喂入量到達臨界狀態(tài)時,略微增加,就會造成很大的谷物損失率,甚至引起機具故障.喂入量自動控制可獲得穩(wěn)定的最大喂入量,降低谷物損失率及機械故障率,提高收獲效益,降低駕駛員勞動強度.影響喂入量的主要因素有:谷物密度、割茬高度、割幅寬度和行走速度.華而不實,谷物密度由作物長勢決定.收割時,一般都希望滿割幅工作,割茬高度一旦調(diào)定也很少變化.通過改變行走速度來控制喂入量能彌補由于谷物密度、割幅寬度、割茬高度帶來的差異,只要能實時監(jiān)測到收獲機實際喂入量,就能實現(xiàn)對喂入量的自動控制.喂入量自動控制一直是國外研究主要組成部分[23-25].在喂入量調(diào)整方面,Deer60到S系列收獲機通過監(jiān)測谷物損失、滾筒負荷、發(fā)動機負荷,根據(jù)預(yù)定的控制算法來計算實時最佳的前進速度,進而通過靜液壓自動控制系統(tǒng)來調(diào)整整機前進速度,到達優(yōu)化收獲機喂入量,使整機工作在較大喂入量、較小谷物損失的最佳工作狀態(tài).據(jù)報道,通過這套喂入量自動控制套件的使用,收獲機的工作效率提高20%[25].在喂入量自動控制方面,國內(nèi)收獲機專家也獲得了突破性進展,主要是利用脫粒滾筒的轉(zhuǎn)速或者扭矩通過一定控制方式建立了喂入量自動控制系統(tǒng)[16-22],不過都處在實驗室階段,還沒有得到實際應(yīng)用.5發(fā)展趨勢由以上監(jiān)測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的分析可知,聯(lián)合收獲機各工作部件工作參數(shù)的監(jiān)測單元多為基于8、16、32位處理器,且具有獨立處理信息與控制功能的微機智能監(jiān)測節(jié)點.這就需要構(gòu)筑聯(lián)合收獲機機內(nèi)數(shù)據(jù)通信鏈路,將直接影響整機工作質(zhì)量、互相之間又密切相關(guān)的量集中在一個基于高端處理器的嵌入式系統(tǒng)中進行綜合監(jiān)測,即現(xiàn)場總線技術(shù).CAN總線技術(shù)代表了自動控制技術(shù)的發(fā)展方向,是當(dāng)前國外最普及和實時性最高的現(xiàn)場總線,在歐洲大中型農(nóng)業(yè)機械的內(nèi)部電子監(jiān)視與控制系統(tǒng)中也得到了一定的應(yīng)用.聯(lián)合收獲機機電一體化的發(fā)展迅速跟蹤了電子信息科技的進步,其監(jiān)控系統(tǒng)迅速趨向智能化,由單元控制發(fā)展到分布式控制,由單機作業(yè)系統(tǒng)向與管理決策系統(tǒng)集成的方向發(fā)展.國內(nèi)對于變量作業(yè)機械的設(shè)計以及控制終端的研究都只處于起步階段,需要不斷地跟蹤學(xué)習(xí)、消化吸收國外的先進技術(shù),自主開發(fā)合適在本國使用的農(nóng)業(yè)機械裝備,將先進的電子信息技術(shù)、現(xiàn)場總線技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中去.不管是在國外還是在國內(nèi),在農(nóng)業(yè)機械裝備上集成各智能化電子控制單元,使用CAN總線通信技術(shù)并且采用國際標(biāo)準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)總線通信協(xié)議,使接口通用化、標(biāo)準(zhǔn)化,進而總體實現(xiàn)智能控制將是將來農(nóng)業(yè)機械裝備技術(shù)的發(fā)展趨勢.6結(jié)論1)國內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)與國外差距較大,當(dāng)前國內(nèi)僅僅處在監(jiān)測水平,控制系統(tǒng)還沒有得到實際應(yīng)用.2)將監(jiān)測系統(tǒng)與控制系統(tǒng)結(jié)合,進行綜合監(jiān)控,最大限度實現(xiàn)操作方便、增大喂入量、提高效率、降低油耗及收獲損失是聯(lián)合收獲機自動控制發(fā)展方向.3)將CAN總線技術(shù)應(yīng)用在聯(lián)合收獲機上,使監(jiān)控系統(tǒng)由單元控制發(fā)展到分布式控制,由單機作業(yè)系統(tǒng)向與管理決策系統(tǒng)集成的方向發(fā)展,并最終實現(xiàn)智能控制.以下為參考文獻:[1]Johndeere.Agriculture:S-SeriesCombines[EB/OL].[2020-10-30].[2]XuJiaojiao,LiYaoming.APvdfSensorforMonitoringGrainLossinCombineHarvester[C]//ComputerandComputingTechnologiesinAgricultureIII.2018,BeijingChina,SpringerBerlinHeidelberg,2018.[3]唐忠,李耀明,趙湛,等.切縱流聯(lián)合收獲機小麥夾帶損失檢測試驗與分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2020,28(1):11-16.[4]DuaneHZiegler,CharlesPBarbaro,DKeithDewey,etal.Automaticspeedcontrolsystemforaharvestingassembly:U-nitedStatesPatent4967544A[P].1990-11-06.[5]AgLeadTechnology.PrecisionFarmingSystem-PF3000ProCottonYieldMonitorOperatorsManual[K].2202SouthRiversideDriveP.O.Box2348Ames:AgLeadTechnolo-gy,2003.[6]Micro-TrakSystem.GrainTrakReferenceManual[K].111E.LeRayAvenueP.O.Box99,EagleLake,USA:Mi-cro-TrakTechnology,1999.[7]武佳,李民贊,鄭立華,等.谷物聯(lián)合收獲機測產(chǎn)系統(tǒng)性能試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2020,43(Z1):95-99.[8]BruceAlanCoers,DanielJamesBurke.Automaticcontrolinitiationforaharvester:UnitedStatesPatent6834484B2[P].2004-12-28.[9]KarlLudwigSaemann.CombineControlSystem:UnitedStatesPatentUS3470681A[P].1969-10-07.[10]EugeneJKrukow,RichardW.Staiert.Combinefeederdrivecontrol:UnitedStatesPatent.4332127A[P].1982-06-01.[11]陳進,李耀明,季彬彬.聯(lián)合收獲機喂入量測量方式方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2006,37(12):76-78.[12]介戰(zhàn),周學(xué)健.喂入量傳感器測試模型研究[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2001,32(5):53~55.[13]BudzichTadeusz.ControlinHarvestingMachine:UnitedStatesPatent.3138908A[P].1964-06-30.[14]Friesen,OH,GCZoerb,FWBigsby.ControllingFee-drateAutomatically[J].AgriculturalEngineer,1996,47(8):434.[15]張認(rèn)成,桑正中.軸流脫粒滾筒功耗模型的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,1999,15(4):121-125.[16]姬江濤,王榮先,符麗君.聯(lián)合收獲機喂入量灰色預(yù)測模糊PID控制