CN101653069A - 联合收割机负荷反馈自动控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种农业机械领域中的联合收割机负荷反馈调速装置及控制方法，该负荷反馈自动控制装置包括控制器和传感系统，且与具有自动和手动调速的调速执行机构连接，电机驱动器分别连接控制器和电机；控制器分别连接液晶显示器、声光报警系统和传感系统；控制器由单片机及其外围电路组成；传感系统多种传感器及其调理电路组成，由传感系统采集联合收割机工作状态信号进入控制器进行多信号融合模糊控制算法及预测控制算法等处理，选择相应的控制策略来驱动执行机构工作，从而实现联合收割机工作负荷的自动控制，同时实时显示机组工作状态，遇到故障时及时进行声光报警；结构简洁紧凑，功能灵活全面且便于扩展。

Description

联合收割机负荷反馈自动控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及农业机械领域，特别涉及一种联合收割机负荷反馈自动控制装置。

背景技术

联合收割机的收割效率与其作业负荷相关，作业负荷随喂入量、行驶速度、滚筒转速、输粮搅龙转速等因素而随机变化，作业负荷的波动直接影响联合收割机的工作状态稳定性和收割效率。行驶速度过快会使脱粒滚筒因为喂入量过大而过载，使脱粒滚筒转速下降而损失量增加，甚至造成脱粒滚筒和输粮搅龙堵塞，从而产生故障；而行驶速度过慢，负荷偏低，作业效率低下，因此要求在联合收割机作业时对负荷进行调控。目前，大部分联合收割机作业时，依靠机手的个人经验，通过调整行驶速度改变喂入量来调节负荷。这种作业方式对机手驾驶水平要求高，劳动强度大，难以降低故障率，作业速度和作业效率低。也有少量联合收割机主要是针对脱粒滚筒单地用PID或模糊控制等进行单一控制。随着现代农业技术的发展，对联合收割机的控制和收割效率提出了更高的要求，简单、单一变量的控制很难满足联合收割机实际控制的要求，现有联合收割机上缺乏对负荷全面有效的自动控制装置。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种联合收割机负荷反馈自动控制装置，通过对联合收割机前进速度的自动调控，满足联合收割机负荷调控的要求，提高联合收割机的工作效率，降低故障率。

本发明的另一目是提供该联合收割机负荷反馈自动控制装置的控制方法，可灵活、快速、实时地完成负荷反馈自动控制装置的全部功能。

本发明联合收割机负荷反馈自动控制装置所采用的技术方案是：包括具有自动和手动调速的调速执行机构，调速执行机构与联合收割机连接，该负荷反馈自动控制装置包括控制器和传感系统，且与调速执行机构连接，调速执行机构上的按钮开关分别连接电源、状态指示灯和电机驱动器；电机驱动器分别连接控制器和调速执行机构中的电机；控制器分别连接液晶显示器、声光报警系统和传感系统；控制器由单片机及其外围电路组成；传感系统由多种传感器及其调理电路组成。

本发明联合收割机负荷反馈自动控制装置的控制方法所采用的技术方案是采用如下步骤：

1)未按下按钮开关，联合收割机进入手动控制；按下按钮开关，接通电机驱动器的电源，联合收割机进入自动控制；

2)传感系统采集联合收割机的各种信号，经过调理电路滤波、稳定后输入到控制器建立多信息融合模糊控制模型；

3)控制器根据所建立的多信息融合模糊控制模型选择相应的控制策略控制电机驱动器工作，电机驱动器驱动电机转动，带动联合收割机中的液压无极变速系统实现对联合收割机行驶速度的自动控制。

本发明的有益效果是，在联合收割机现有的液压无极变速器手动调速机构的基础上，附加了负荷反馈控制装置，由传感系统采集联合收割机工作状态信号进入单片机控制器进行多信号融合模糊控制算法及预测控制算法等处理，选择相应的控制策略，来驱动执行机构工作，从而实现联合收割机工作负荷的自动控制，同时实时显示机组工作状态，遇到故障时及时进行声光报警；结构简洁紧凑，功能灵活全面且便于扩展。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

图1为联合收割机的调速执行机构18的结构图；

图2为联合收割机负荷反馈控制装置的结构连接示意图；

图3为图2中控制器21的多信息融合模糊控制原理图；

图4为图2中控制器21的主程序流程图；

图5为图4中控制器21的多信息融合模糊控制算法子程序流程图。

图中：1.手柄盖；2.按钮开关；3.手柄；4.移动架；5.螺栓；6.摩擦片；7.垫片；8.螺母；9.拉杆；10.双向超越离合器；11.电机；12.液压无级变速系统；13.连杆；14.摆杆；15.电源；16.状态指示灯；17.电机驱动器；18.调速执行机构；19.联合收割机；20.传感系统；21.控制器；22.液晶显示器；23.声光报警系统。

具体实施方式

如图1、2所示，联合收割机19的调速执行机构18由基于液压无极变速器的手动调速子机构和自动调速子机构组成。其中，手动调速子机构包括手柄盖1、手柄3、移动架4、螺栓5、摩擦片6、垫片7、螺母8、拉杆9、摆杆14、液压无级变速系统12和连杆13。自动调速子机构包括电机11、双向超越离合器10、摆杆14、液压无级变速系统12和连杆13。按钮开关2安装在手柄3上，手柄3上还配有橡胶手柄盖1，手柄3与移动架4铰接，移动架4通过螺栓5、摩擦片6、垫片7、螺母8与支座铰接，拉杆9分别与移动架4和摆杆14一端铰接，摆杆14另一端与连杆13铰接，摆杆14通过双向超越离合器10与电机11相联接，双向超越离合器10与电机11均通过螺栓固定在支座上。在机手操纵联合收割机作业时，通过扳动手柄3，使移动架4绕其与支座的铰接中心转动，通过拉杆9拉动摆杆14绕轴心摆动，从而经连杆13带动联合收割机19的液压无极变速系统12，实现联合收割机前进速度的手动调整。在摆杆14与电机11间安装的双向超越离合器10，可保证当电机11主动运动时，摆杆14也同步转动，通过电机11驱动摆杆14绕轴心摆动，自动调整联合收割机19的前进速度；而在机手扳动手柄3使摆杆14主动运动时，电机11不会随之运动，从而保证在自动调速状态下，操纵手柄3手动调速仍然有效，手动和自动调速任意切换且不产生二者的冲突。

如图2，本发明就附加在上述调速执行机构18上，由传感系统20、控制器21、电机驱动器17、液晶显示器22和声光报警系统23组成。其中，调速执行机构18上的按钮开关2分别连接电源15、状态指示灯16和电机驱动器17。电机驱动器17分别连接控制器21和调速执行机构18中的电机11。控制器21分别连接液晶显示器22、声光报警系统23和传感系统20。控制器21是由单片机及其外围电路组成。传感系统20由测量当前行驶速度、滚筒转速、输粮搅龙转速、喂入量、清选损失、夹带损失等信号的多种传感器及其调理电路组成，多种传感器安装在联合收割机19的相应部位。液晶显示器22实时显示联合收割机19的工作状态；声光报警系统23是由LED指示灯和蜂鸣器组成。通过传感系统20对联合收割机19的负荷进行监测，通过控制器21和电机驱动器17控制电机11的转动来实现联合收割机19前进速度的自动调整，同时通过液晶显示器22显示机组的工作状态。

本发明除包括上述硬件系统外，还包括软件系统，软件系统由信号检测程序、多信号融合模糊控制算法及电机控制程序等组成。

本发明的工作过程是：当没按下手柄3上的按钮开关2时，状态指示灯16不亮，联合收割机19进入手动控制，液晶显示器22会显示其工作状态，遇到故障时，声光报警系统23会发出声光报警提醒机手紧急停车，根据报警的指示灯检查相应部位的故障原因。当按下按钮开关2时，接通电机驱动器17的电源，状态指示灯16亮，联合收割机19进入自动控制状态，同时液晶显示器22显示联合收割机19的工作状态。联合收割机19负荷反馈自动调速时，通过传感系统20进行联合收割机19的喂入量、行驶速度、滚筒转速、输粮搅龙转速、清选损失、夹带损失等各种信息的采集，将采集的信号经过调理电路滤波、稳定后输入到控制器21进行处理，经过控制器21的控制算法的处理，选择相应的控制策略控制电机驱动器17工作，电机驱动器17驱动电机11转动，从而驱动摆杆14摆动，经连杆13带动联合收割机19的液压无极变速系统12，从而达到对联合收割机19的行驶速度的自动控制。

联合收割机19负荷控制的目的是在不超过最大损失量、脱粒滚筒最大负荷和输粮搅龙转速正常的前提条件下，具有最大稳定的前进速度，发挥最佳的工作效率。联合收割机19在工作过程中是一个非线性时变且有大延时的复杂系统，各部件的性能状态，以及作物的性质、地面状况等随时都在变化，联合收割机19负荷或总损失量很难与其影响因素之间建立精确的数学模型，这就给传统控制理论应用带来很大的困难，模糊控制理论基于专家经验、规则和自学习功能，根据被控对象测量值及变化量进行推理，使控制目标稳定在预期值附近，而不必要知道被控对象的数学模型，从而为解决联合收割机19的控制问题提供有效途径。如图3所示，本发明将模糊控制技术应用于联合收割机19的负荷反馈控制系统，联合收割机19的控制系统是个多输入控制系统，建立多信息融合模糊控制模型。利用多种传感器分别测得喂入量、脱粒滚筒转速、输粮搅龙转速、损失量、当前的前进速度等信号并进行预处理后与各自的设定值做比较，建立各自的模糊控制器，也即图3中的脱粒滚筒转速模糊控制器、喂入量模糊控制器、输粮搅龙转速模糊控制器、损失量模糊控制器；根据其对系统的匹配程度加以不同的权值，以喂入量和滚筒转速作为主要的输入控制量，输粮搅龙转速和损失量的值作为监测量，经过优化处理和判断决策来控制联合收割机的行驶速度。

控制器21根据所建立的多信息融合模糊控制模型选择相应的控制策略控制电机驱动器17工作，基本控制策略是：当联合收割机19喂入量过大，脱粒滚筒转速急剧下降时做停机报警处理；当联合收割机19喂入量增大，滚筒转速下降到最佳转速的90％时，做减速观察调整操作，采用降低前进速度来减少喂入量，释放脱粒滚筒的负荷，达到减少故障发生率；当脱粒滚筒和输粮搅龙未满负荷工作时，及时增加前进速度，提高工作效率；当喂入量、脱粒滚筒、输粮搅龙都工作在最佳工作状态，损失量未超标时控制系统保持当前速度，使机组工作在最佳状态。其中，前进速度的调整情况由多信息融合模糊控制算法决定。

以下以脱粒滚筒转速模糊控制器的设计为例来说明多个控制器的设计过程。

脱粒滚筒转速控制策略选取二维模糊控制器，输入量为转速偏差RE和偏差变化率REC，输出量为联合收割机19的行驶速度的调节量U₁。定义脱粒滚筒转速偏差RE和脱粒滚筒转速偏差变化率REC的模糊集为{NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，取E、EC的基本论域为[-6 6]，U₁的基本论域为[0 1]，隶属函数选用trimf型，根据RE和REC采用Mamdani模糊模型建立模糊控制规则如表1所示，经模糊控制的模糊化、模糊推理和反模糊化输出到控制对象。

表1

同理，建立二维的喂入量模糊控制器，根据实际精度需要来选取不同的模糊集，喂入量的偏差RE和偏差变化率REC的模糊集为{NL，NS，ZO，PS，PL}，取E、EC的基本论域为[-33]，U₂的基本论域为[0 1]，根据RE和REC采用Mamdani模糊模型建立模糊控制规则；输粮搅龙转速模糊控制器和损失量模糊控制器其偏差RE和偏差变化率REC的模糊集为{NL，NS，ZO，PS，PL}，取E、EC的基本论域为[-3 3]，U₃和U₄的基本论域为[0 1]，根据E和EC采用Mamdani模糊模型建立模糊控制规则，根据U_i对系统的匹配程度加以不同的权值，进入优化处理后选择相应的控制策略调节联合收割机的前进速度，实现负荷反馈自动控制。

根据以上设计的各个模糊控制器的输出为U_i，其对系统的匹配程度加以不同的权重为λ_i，系统的总输出为U，建立融合模型：

U＝∑λ_iU_I＝λ₁U₁+λ₂U₂+λ₃U₃+λ₄U₄    (1)

式(1)中

U₁、λ₁为脱粒滚筒模糊控制器的输出值和匹配权重

U₂、λ₂为喂入量模糊控制器的输出值和匹配权重

U₃、λ₃为输粮搅龙模糊控制器的输出值和匹配权重

U₄、λ₄为损失量模糊控制器的输出值和匹配权重

如图4所示，联合收割机19的负荷反馈控制器主程序进行系统初始化后，首先调用数据采集子程序、调用液晶显示子程序且调用判断报警子程序，进行数据采集、显示和故障判断，若有故障则报警，若无故障则判断调速执行机构18是采用手动还是自动工作方式，如果选择自动工作方式，则调用多信息融合模糊控制算法子程序，如图5所示，多信息融合模糊控制算法子程序依序为：调用输入量模糊化子程序、调用规则库和数据库、调用模糊推理子程序、调用输出量反模糊化子程序、调用多信号融合子程序和调用控制策略。然后根据算法结果判断是否需要调整前进速度，若需要调整前进速度，则调用电机控制子程序对前进速度进行合理调控，从而完成联合收割机19的负荷反馈自动控制的功能。

Claims (4)

1.一种联合收割机负荷反馈自动控制装置，包括具有自动和手动调速的调速执行机构(18)，调速执行机构(18)与联合收割机(19)连接，其特征在于：该负荷反馈自动控制装置包括控制器(21)和传感系统(20)，且与调速执行机构(18)连接，调速执行机构(18)上的按钮开关(2)分别连接电源(15)、状态指示灯(16)和电机驱动器(17)；电机驱动器(17)分别连接控制器(21)和调速执行机构(18)中的电机(11)；控制器(21)分别连接液晶显示器(22)、声光报警系统(23)和传感系统(20)；控制器(21)由单片机及其外围电路组成；传感系统(20)由多种传感器及其调理电路组成。

2、一种权利要求1的控制方法，其特征在于采用如下步骤：

1)未按下按钮开关(2)，联合收割机(19)进入手动控制；按下按钮开关(2)，接通电机驱动器(17)的电源，联合收割机(19)进入自动控制；

2)传感系统(20)采集联合收割机(19)的各种信号，经过调理电路滤波、稳定后输入到控制器(21)建立多信息融合模糊控制模型；

3)控制器(21)根据所建立的多信息融合模糊控制模型选择相应的控制策略控制电机驱动器(17)工作，电机驱动器(17)驱动电机(11)转动，带动联合收割机(19)中的液压无极变速系统(12)实现对联合收割机(19)行驶速度的自动控制。

3、根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：建立多信息融合模糊控制模型的步骤为：先利用多种传感器分别测得各种信号并进行预处理后与各自的设定值比较，建立各自的模糊控制器，再根据其对系统的匹配程度加以不同的权值，最后经过优化处理和判断决策来控制行驶速度。

4、根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：所述控制策略选择方法为：当联合收割机(19)喂入量过大，联合收割机(19)的脱粒滚筒转速急剧下降时做停机报警处理；当联合收割机(19)喂入量增大，联合收割机(19)的滚筒转速下降到最佳转速的90％时，做减速观察调整操作；当联合收割机(19)的脱粒滚筒和输粮搅龙未满负荷工作时，增加前进速度；当联合收割机(19)的喂入量、脱粒滚筒、输粮搅龙都工作在最佳工作状态，损失量未超标时保持当前速度。

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