CN102077730A - 一种联合收割机作业速度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合收割机作业速度控制系统及方法。该系统包括：计算单元，用于对接收到的数据进行处理并发出以预期作业速度为目标的控制指令；测控箱，用于采集传感器组获取的数据并传递给计算单元，以及将计算单元的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器；电机驱动器，用于接收所述脉冲控制信号并控制执行机构依据控制指令工作；传感器组，用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。本系统能够确定联合收割机的最佳作业速度，使其自动满足不同谷物干湿度、草谷比、地面状况及喂入量等收获质量影响因素的要求。

Description

一种联合收割机作业速度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及农业机械领域，特别是涉及一种联合收割机作业速度智能控制系统。

背景技术

联合收割机可以减少谷物损失量，降低工作强度，提高工作效率，目前国内主要粮食作物，如玉米、水稻、小麦等的机械化收获程度已达80％。作物籽粒收获质量的好坏与联合收割机本身的工作状态、操作水平、作物属性及田间地貌等有密切相关。大的作业速度可以提高生产效率，但作业速度太快，会使脱粒滚筒过载，甚至造成堵塞，提高作物脱粒损失率，增加总损失量。为了将收获总损失量控制在允许范围内，机手在操作联合收割机过程中，需要密切关注机器工作状态，但目前只能凭借个人经验，依靠视觉和听觉识别故障，手动调节作业速度，综合调整各性能参数，无法满足大面积收获作业的需要。因而实现联合收割机的自动控制对农业生产有着重要的意义。

联合收割机作业速度自动控制的目的是使脱粒滚筒负荷稳定，保持合理、均匀的喂入量，使整机损失量不超过允许值。目前，基于喂入量的联合收割机作业速度自动控制系统研究较多、应用较广。现有技术公开的机-液式作业速度控制系统的结构和原理，如图1所示：传感器11测量倾斜输送器链条的浮动量，当其超过一定值时，拉丝12拉动分配阀14，使作业机构的圆盘16的油缸15动作，改变变速器的传动比，从而使喂入量稳定在设定值附近。另一种现有技术设计了一种单片机核心的作业自动控制系统，通过检测喂入主动轴的扭矩间接测定喂入量，基于喂入量的变化，由单片机发出指令控制液压油路电磁阀开闭，进而控制作业无级变速器，实现对收割机作业速度的自动控制。

上述现有技术存在以下不足：田间地貌环境复杂，收获作业的震动和起伏较大，如图1所示，要求机械感应传感器的灵敏度应较低，导致感受喂入量变化的能力较差。且传动机构和速度调节装置为机械连接，时滞性较大，不能及时对喂入量变化作出反应。该系统的速度调节区间较小。

第二种现有技术采用了自动化程度较高的控制系统设计，具有一定的实用价值。但电磁液压阀控制时间存在间隔，调节精度有限，频繁启停易造成电磁阀过热；且电磁液压阀对油路介质洁净度要求较高，劣质油会严重影响系统可靠性和使用寿命。

综合上述两种现有技术，单纯以喂入量作为衡量标准控制作业速度，不能很好的体现如谷物干湿度、草谷比、地面状况等复杂因素影响，控制准确度不高。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提高联合收割机作业速度的控制准确度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，提供一种联合收割机作业速度控制系统，包括：

计算单元，用于对接收到的数据进行处理获得理想作业速度，并根据所述理想作业速度发出控制指令；

测控箱，用于采集传感器组获取的数据并传递给计算单元，以及将计算单元的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器；

电机驱动器，用于接收所述脉冲控制信号并控制执行机构依据控制指令工作；

传感器组，用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。

优选地，所述测控箱包括：

控制模块，用于将计算单元的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器；

数据采集模块，用于采集传感器组的数据，并将所述数据传送给计算单元。

优选地，所述执行机构，包括依次连接的步进电机、转向器、无级变速油缸和无级变速圆盘。

优选地，所述步进电机与所述转向器之间通过联轴器连接。

优选地，所述传感器组包括脱粒滚筒扭矩传感器、脱粒滚筒转速传感器、发动机转速传感器、作业速度传感器和无级变速油缸行程传感器，分别用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。

本发明还提供了一种联合收割机作业速度控制方法，包括步骤：

S1，由传感器组采集联合收割机的脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速和作业速度数据；

S2，利用测控箱获取所述数据；

S3，利用计算单元对上述数据进行处理，得到理想作业速度值，并根据所述理想作业速度值向电机驱动器发出控制指令；

S4，电机驱动器接收所述控制指令并控制执行机构依据所述控制指令工作。

优选地，当测控箱检测到的实际作业速度与所述理想作业速度值不符，则计算单元发出控制指令，步进电机驱动转向器旋转，以调整油路方向和油缸内油量。

(三)有益效果

本系统能够确定联合收割机的最佳作业速度，使其自动满足不同谷物干湿度、草谷比、地面状况及喂入量等收获质量影响因素的要求。本系统能够提示机手及时换挡，自动控制联合收割机达到并维持最佳作业速度。通过本系统的使用，减少机手操作次数，降低劳动强度，缩短非最佳作业速度运行时间，提高工作效率，改善收获质量。

附图说明

图1是现有技术的机-液式作业速度控制系统的结构示意图；

图2是依据本发明实施方式的联合收割机速度智能控制系统的结构框图；

图3是依据本发明实施方式的联合收割机速度智能控制系统的执行机构的结构框图；

图4是依据本发明实施方式的联合收割机速度智能控制系统的结构示意图。

其中，11：传感器；12：拉丝，13：调节杆，14：分配阀；15：油缸；16：圆盘；21：计算单元；22：测控箱；23：电机驱动器；24：执行机构；25：传感器组；221：控制模块；222：数据采集模块；241：步进电机；242：转向器；243：无级变速油缸；244：无级变速圆盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图2所示，本发明提供的联合收割机作业速度控制系统包括计算单元21，用于对接收到的数据进行处理并发出以预期作业速度为目标的控制指令；测控箱22，用于采集传感器组25获取的数据并传递给计算单元21，以及将计算单元21的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器23；电机驱动器23，用于接收所述脉冲控制信号并控制执行机构24依据控制指令工作；传感器组25，用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。如图2和图3所示，测控箱22包括：控制模块221，用于将计算单元21的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器23；和数据采集模块222，用于采集传感器组25的数据，并将所述数据传送给计算单元21。执行机构24，包括依次连接的步进电机241、转向器242、无级变速油缸243和无级变速圆盘244。步进电机241与转向器242之间可以通过联轴器连接。步进电机241接收来自电机驱动器23的控制脉冲，电机轴旋转并带动转向器242。电机每接受一个脉冲旋转特定角度，即“步距角”，步距角越小则控制精度越高。转向器242用于控制油路流动方向和无级变速油缸243的油量，进而改变无级变速油缸243活塞杆的伸出长度。步进电机241转动时，带动转向器242内部阀芯与阀套产生相对转角，当该转角约为1.5°时，油路开始接通。步进电机241转过某一角度不变时，转向器242内部阀芯与阀套之间相对转角变为0°，油路关闭。无级变速油缸243内供油量的多少与步进电机241的旋转角度成正比。转向器242内部阀芯与阀套之间相对转角上限随转向器类型不同而有所区别。无级变速圆盘244的传动比与无级变速油缸243活塞杆的伸出长度有关，用于实现联合收割机在某一速度区间的无级变速。伸出越长则传动比越小，作业速度越低；伸出越短则传动比越大，作业速度越高。传感器组25包括脱粒滚筒扭矩传感器、脱粒滚筒转速传感器、发动机转速传感器、作业速度传感器和无级变速油缸行程传感器，分别用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。

本发明还提供了一种联合收割机作业速度控制方法，包括步骤S1，利用测控箱22获取由传感器组25采集的脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度数据；S2，利用计算单元21对上述数据进行处理，得到理想作业速度值，并根据所述理想作业速度值向电机驱动器23发出控制指令；S3，电机驱动器23接收所述控制指令并控制执行机构24依据所述控制指令工作。当测控箱22检测到的实际作业速度与所述理想作业速度值不符，则计算单元21发出控制指令，步进电机241驱动转向器242旋转，以调整油路方向和油缸内油量。

联合收割机在收获某一确定谷物时，首先依据联合收割机厂家的推荐收获档位，采用手动操作方式，进行正常收获，同时利用本系统专用测控箱22进行收获过程信息采集，包括脱粒滚筒扭矩T、脱粒滚筒转速ω、发动机转速ω_发动机和作业速度v等。然后通过计算单元21对上述信息进行处理，分析当前的田间状况和谷物属性，获得最佳的脱粒滚筒功率P。将此时的作业速度设定为作业速度智能控制的理想值，本系统则以本理想值来控制输出信号，同时通过脱粒滚筒扭矩传感器、脱粒滚筒转速传感器、发动机转速传感器等检测联合收割机工作状态，通过无级变速油缸行程传感器等对是否达到无级变速油缸243的活塞杆伸出上限(或下限)进行判定，通过作业速度传感器检测实际作业速度v，再通过计算机的比较计算后对输出信号进行调整，实现作业速度的闭环控制；其控制算法采用PID控制。

当实际速度仍低于理想作业速度值，且无级变速油缸243活塞杆伸出长度已接近下限时，计算单元21发出报警，机手可采用人工干预的方式，手动换档至更高档位。本系统则自动通过传感器的反馈改变输出信号，调整油路方向和油缸内油量，从而尽快接近或达到理想作业速度值。

相反，当实际速度仍高于理想作业速度值，且油缸243活塞杆伸出长度已接近上限时，计算机单元也会发出报警，机手采用人工干预方式，手动换档至较低档位。本系统自动通过传感器的反馈改变输出信号，调整油路方向和油缸内油量，从而尽快接近或达到理想作业速度值。

本系统采用了影响喂入量和谷物属性的多参数检测作为控制依据，包括脱粒滚筒扭矩T、脱粒滚筒转速ω、发动机转速ω_发动机和作业速度v等，上述参数均能准确获得。其中脱粒滚筒功率P＝脱粒滚筒扭矩T×脱粒滚筒转速ω，能够更全面地反映谷物属性信息，该参数处于合适的值域内时，联合收割机具有良好的收获质量、较高的收获效率，较低的能源消耗率和收获损失率。

由以上实施例可以看出，本发明实施例通过对脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速和作业速度等多参数进行准确检测，分析并确定联合收割机最佳作业速度，降低干湿度、草谷比等谷物属性、地面状况及喂入量的影响。利用计算机自动控制联合收割机作业速度，反应时间短，控制准确。利用计算机实时监控工作状态，必要时发出报警，机手可手动干预，手动干预始终具有最高控制权。在原有联合收割机基础上添加全液压转向器，利用步进电机驱动全液压转向器，实现液压油路方向和油量的准确控制。改装简便，易于实现。本自动控制系统可有效降低机手劳动强度，提高工作效率，改善收获质量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种联合收割机作业速度控制系统，其特征在于，包括：

计算单元(21)，用于对接收到的数据进行处理获得理想作业速度，并根据所述理想作业速度发出控制指令；

测控箱(22)，用于采集传感器组(25)获取的数据并传递给计算单元(21)，以及将计算单元(21)的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器(23)；

电机驱动器(23)，用于接收所述脉冲控制信号并控制执行机构(24)依据控制指令工作；

传感器组(25)，用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程数据。

2.如权利要求1所述的联合收割机作业速度控制系统，其特征在于，所述测控箱(22)包括：

控制模块(221)，用于将计算单元(21)的控制指令转化为脉冲控制信号，并输出给电机驱动器(23)；

数据采集模块(222)，用于采集传感器组(25)的数据，并将所述数据传送给计算单元(21)。

3.如权利要求1所述的联合收割机作业速度控制系统，其特征在于，所述执行机构(24)，包括依次连接的步进电机(241)、转向器(242)、无级变速油缸(243)和无级变速圆盘(244)。

4.如权利要求3所述的联合收割机作业速度控制系统，其特征在于，所述步进电机(241)与所述转向器(242)之间通过联轴器连接。

5.如权利要求1所述的联合收割机作业速度控制系统，其特征在于，所述传感器组(25)包括脱粒滚筒扭矩传感器、脱粒滚筒转速传感器、发动机转速传感器、作业速度传感器和无级变速油缸行程传感器，分别用于获取脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速、作业速度和无级变速油缸行程。

6.一种联合收割机作业速度控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1，由传感器组(25)采集联合收割机的脱粒滚筒扭矩、脱粒滚筒转速、发动机转速和作业速度数据；

S2，利用测控箱(22)获取所述数据；

S3，利用计算单元(21)对上述数据进行处理，得到理想作业速度值，并根据所述理想作业速度值向电机驱动器(23)发出控制指令；

S4，电机驱动器(23)接收所述控制指令并控制执行机构(24)依据所述控制指令工作。

7.如权利要求6所述的联合收割机作业速度控制方法，其特征在于，当测控箱(22)检测到的实际作业速度与所述理想作业速度值不符，则计算单元(21)发出控制指令，步进电机(241)驱动转向器(242)旋转，以调整油路方向和油缸内油量。

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