CN107155533B - 一种联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统及方法，属于农业收获机械技术领域。该控制系统含有液压部分和电控部分；液压部分包括驱动脱粒滚筒的液压马达和电液比例变量泵构成的闭式调速主工作回路，液压马达具有并联的换油控制回路，比例变量泵具有由串联比例方向阀和双作用液压变量缸构成的变量控制回路；电控部分包括安置在脱粒滚筒上的转速传感器以及安置在主工作回路的压力传感器，转速传感器以及压力传感器的信号输出端分别接PLC的对应信号输入端，PLC的控制电信号输出端经放大器件后接变量控制回路的控制信号输入端。本发明即解决了参数检测困难的问题，也避免了滞后性，可以保证始终脱粒滚筒处于稳定的理想工作状态。

Description

一种联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种联合收割机，尤其是一种联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统，同时还涉及相应的方法，属于农业收获机械技术领域。

背景技术

脱粒滚筒是联合收割机的关键部件，而滚筒转速则是直接关系到机具作业性能的重要参数,对应不同作物脱粒滚筒的最佳工作参数不尽相同。脱粒速度提高使脱粒元件对谷物的作用加强，相应的脱净率也随之提高；但速度过高，谷物和秸秆的破碎程度随之加剧，功率消耗也随之增大。脱粒速度过低，将出现脱不净的情况。因此，通过对脱粒过程综合分析确定最适合的脱粒速度，并自动保持滚筒转速稳定，对于保证联合收割机始终工作在最佳状态、减小滚筒堵塞的可能性、提高收获效率、减小驾驶员操作疲劳等，至关重要。现有联合收割机脱粒滚筒的传动方式大多是链传动和带传动。链传动可以通过更换链轮实现滚筒转速的调整，但耗时较多，且在田间工作时不能频繁进行链轮的更换；带传动调节转速时，皮带易打滑，而且皮带极易磨损，使用寿命短。

据申请人了解，现阶段对脱粒滚筒自动控制系统研究较多，但主要是通过检测喂入量、作物状态、滚筒负荷等参数反馈调节机具前进速度、进而稳定喂入量来控制滚筒负荷稳定滚筒转速(参考文献《基于RBF网络的联合收获机脱粒滚筒恒速控制》—秦云，赵德安，李发忠，姬伟.农业机械学报，2009,40(11)：59-63；《联合收割机脱粒滚筒恒速智能控制器设计》-李国栋，韩金仓,桑正中.控制工程，2007,14(2)：154-156,223；《单片机模糊控制在脱粒滚筒自动控制系统中的应用》-杨忠平，山西，西北农林科技大学，2006(博士论文)；《联合收割机脱粒滚筒的PID恒速控制》-李国栋，李勇智，张际先，桑正中.农业机械学报，2000,31(1)：49-50；联合收获机脱粒系统动力学模型及调速控制仿真与试验，宁小波，陈进，李耀明，王坤，王一帆，王学磊.农业工程学报2015，31(21):25-34.)。例如申请号为200910183593.9专利文献公开的“一种联合收割机负荷反馈自动控制装置及控制方法”通过检测滚筒转速、喂入量、输粮搅龙转速、损失量信号等参数，采用模糊控制算法及预测控制算法对机具前进速度进行控制，实现联合收割机工作负荷的自动控制。

实践证明，在实际操作过程中，喂入量的检测受作物种植密度、生长高度、留茬高度、割幅、含水率、机具前进速度等诸多因素影响十分繁杂，至今为止没有切实可行的方法能够准确检测出喂入量。此外，也有采集脱粒滚筒转速或扭矩来检测滚筒负载，进而调整机具前进速度控制喂入量，此方法滞后性明显，因为当滚筒已经出现载荷过大再降低前进速度无法减少已喂入到割台和输送槽的物料，在载荷变动较大时难以稳定滚筒转速且易引起滚筒堵塞。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种对脱粒滚筒转速直接自动调控的联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统，同时给出相应的方法，从而彻底解决传统控制方法的参数检测困难和滞后性问题，始终确保脱粒滚筒处于稳定的理想工作状态。

为了达到上述目的，本发明联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统含有液压部分和电控部分；

所述液压部分包括驱动脱粒滚筒的液压马达和电液比例变量泵构成的闭式调速主工作回路，所述液压马达具有并联的换油控制回路，所述比例变量泵具有由串联比例方向阀和双作用液压变量缸构成的变量控制回路；

所述电控部分包括安置在脱粒滚筒上的转速传感器以及安置在所述主工作回路的压力传感器，所述转速传感器以及压力传感器的信号输出端分别接PLC的对应信号输入端，所述PLC的控制电信号输出端经放大器件后接变量控制回路的控制信号输入端。

进一步，所述换油控制回路含有三位三通换油阀，当所述三位三通换油阀处于对应液压马达旋转方向的换油工位时，与液压马达形成换油回路。

再进一步，所述比例方向阀的进油端接补油泵的输出端，所述补油泵的输出端还通过单向阀接所述主工作回路的低压侧。

更进一步，所述单向阀与高压溢流阀并联。

还进一步，所述补油泵的输出端还经溢流阀接油源。

本发明系统中的PLC以如下步骤实现脱粒滚筒转速控制：

第一步、采集来自转速传感器的脱粒滚筒实时工作转速；

第二步、将实时工作转速与控制转速进行比较；

第三步、当比较结果的偏差绝对值大于设定的阈值时，输出相应的控制电信号，通过调整电液比例变量泵的输出流量调节脱粒滚筒转速，直至偏差绝对值小于阈值；当比较结果的偏差绝对值小于设定的阈值时，维持脱粒滚筒转速。

上述控制转速的获取除了输入之外，更可以通过以下自适应步骤得到：

存储步骤——存储脱粒滚筒对应各种作物的转速上限和转速下限界定的优选工作转速范围以及相应的液压部分压力上限和压力下限界定的正常工作压力范围；

初控步骤——以转速上限和转速下限的平均值作为脱粒滚筒的初控转速，并以压力上限和压力下限的平均值作为初设压力；

采集步骤——以预定时间间隔从压力传感器采集预定次数的液压部分实时压力，并求得预定次数次实时压力的平均压力值；

比较步骤——将平均压力值与压力下限和压力上限界定的正常工作压力范围相比较：

当平均压力值大于等于压力下限并小于等于压力上限时，以初始工作转速与转速增量之和作为控制转速，所述转速增量等于转速上限与转速下限之差除以压力上限与压力下限之差、再乘以平均压力值与初设压力之差；

当平均压力值小于压力下限时，以转速下限作为控制转速；

当平均压力值大于压力上限时，以转速上限作为控制转速。

理论和实践研究表明，脱粒驱动控制不外两种思路：一种是通过检测喂入量等信息控制喂入送进速度，进而控制滚筒载荷以防堵塞，这样理论上具有一定的预判性，可以预防堵塞，但是喂入量涉及的影响参数太多且检测方法不成熟，因此至今尚无实现该思路的可行技术方案。另一种是通过检测脱粒滚筒的转速或/和扭矩判断滚筒的负荷，再调整送进速度控制喂入量，其优点是能够得到准确的检测数据，但缺点是滞后性明显，因为当检测到滚筒负荷超过正常值时再反馈调整送进速度，只能减小此时即将进入的作物量，却无法改变已进入的物料量，因此依然容易引起滚筒作业参数波动和滞后性脱粒滚筒堵塞。而本发明则借助有机结合的电液控制系统，通过检测直接反映滚筒载荷的液压部分实时压力，由快速响应的电液比例系统实时调控脱粒滚筒，直接改变滚筒的处理能力，从而既解决了参数检测困难的问题，也避免了滞后性，当脱粒滚筒载荷变大时立即增加滚筒脱粒动力，在获得理想收获效果同时避免滚筒堵塞，保证始终脱粒滚筒处于稳定的理想工作状态。此外，本发明与传统机械传动相比，还具备以下优势：

1)电液比例泵控马达系统驱动联合收割机脱粒滚筒显著简化了机械传动结构；

2)无需更换机械部件即可实现不同作物收获，当收获条件变化时只要通过试收割即可自适应选择合理的脱粒滚筒控制转速；

3、系统自动维持脱粒滚筒转速稳定在理想收获转速，从而保证收获效果。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明一个实施例的系统构成框图。

图2为图1实施例的液压部分示意图。

图3为图1实施例电控部分的转速恒定控制模式流程图。

图4为图1实施例电控部分的滚筒转速自适应调节模式流程图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统构成及基本工作原理可用图1简单表示，实际由液压和电控两部分有机结合而成。其中的泵控马达系统由电液比例变量泵和液压马达组成了闭式主回路，通过变量机构调整泵的斜盘倾角，使泵的排量与输入的信号对应，控制马达的输出转速。电控部分含有转速传感器、压力传感器、PLC、比例放大器、触摸屏等。在触摸屏上可以选择收获作物种类或设定脱粒滚筒的工作转速，通过转速传感器和压力传感器检测转速和系统压力，PLC采集传感器信号处理后输出控制电流，电流经比例放大器放大后，控制变量机构改变电液比例变量泵的斜盘倾角，实现其排量的无级调整，从而达到控制滚筒转速的目的；同时PLC可将采集到的转速和压力值进行保存并传递到显示屏，实现滚筒转速及液压部分压力的监测显示。此外，触摸屏还可用于根据作物品种选择滚筒工作参数、对PID初始参数进行设定。

更具体而言，液压部分如图2所示，包括驱动脱粒滚筒的液压马达8和电液比例变量泵1构成的闭式调速主工作回路，比例变量泵1具有由串联比例方向阀3和双作用液压变量缸2构成的变量控制回路。比例方向阀3两端的比例电磁铁线圈分别接控制信号输入。由于比例变量泵1具有排量与控制信号在任一工作压力下成正比的特性，因此通过变量控制回路可以调整比例变量泵1的斜盘倾角，使其排量与输入的控制信号相应，从而控制液压马达8的输出转速。具体而言，当对比例方向阀3上的比例电磁铁线圈a、b输入控制电信号，可以改变其阀芯位移和液压变量缸2的活塞杆位置，从而调整比例变量泵1的斜盘倾角，实现其排量的无级调整，达到通过调控液压马达8输出转速进而控制脱粒滚筒转速的目的。

液压马达8具有并联的换油控制回路，换油控制回路主要含有液压马达8左侧的三位三通换油阀，当三位三通换油阀处于对应旋转方向的换油工位时，与液压马达8形成换油回路，这样可以通过换油将热油及时换出，降低油温，避免闭式液压回路过热产生各种。

比例方向阀3的进油端接与比例变量泵1具有相同机械动力输入的补油泵7输出端，该补油泵7的输出端还分别通过单向阀4、5接主工作回路的低压侧，从而实现对回路低压侧的补油。单向阀4、5分别与两个起限压作用的高压溢流阀并联，从而防止主工作回路压力冲击或者过载，该补油泵7的输出端还经溢流阀6接油源，构成限压回路，从而控制主工作回路的压力。图2中的X1、X2为伺服缸压力口，Ps为控制压力供油口，用于各油路的检测。

电控部分包括安置在脱粒滚筒上的转速传感器以及安置在主工作回路的压力传感器Ma、Mb。转速传感器以及压力传感器的信号输出端分别接PLC的对应信号输入端，PLC的控制电信号输出端经放大器件后接变量控制回路的控制信号输入端，具体而言，接变量控制回路种比例方向阀3上的比例电磁铁线圈a、b。

如图3所示，本实施例中的PLC以如下步骤实现脱粒滚筒转速控制：

第一步、采集来自转速传感器的脱粒滚筒实时工作转速；

第二步、将实时工作转速与输入或自适应获取的控制转速n进行比较；

第三步、当比较结果的偏差绝对值e(k)大于设定的阈值eo时，输出相应的控制电信号，通过调整电液比例变量泵的输出流量调节脱粒滚筒转速，直至偏差绝对值小于阈值；当比较结果的偏差绝对值小于设定的阈值时，维持脱粒滚筒转速。

上述控制转速n的自适应获取步骤包括：

存储步骤——存储脱粒滚筒对应各种作物的转速上限Nmax和转速下限Nmin界定的优选工作转速范围以及相应的液压部分压力上限Pmax和压力下限Pmin界定的正常工作压力范围；

初控步骤——以转速上限Nmax和转速下限Nmin的平均值作为脱粒滚筒的初控转速No＝(Nmax-Nmin)/2，并以压力上限Pmax和压力下限Pmin的平均值作为初设压力Po＝(Pmax-Pmin)/2；

采集步骤——以预定时间间隔t从压力传感器采集预定次数f的液压部分实时压力Pi，并求得f次实时压力Pi(i＝1、2、…f)的平均压力值Pf；

比较步骤——将平均压力值Pf与压力下限Pmin和压力上限Pmax界定的正常工作压力范围相比较：

当平均压力值Pf大于等于压力下限Pmin并小于等于压力上限Pmax时，以初始工作转速No与转速增量之和作为控制转速n，所述转速增量等于转速上限Nmax与转速下限Nmin之差除以压力上限Pmax与压力下限Pmin之差、再乘以平均压力值Pf与初设压力Po之差；

当平均压力值Pf小于压力下限Pmin时，以转速下限Nmin作为控制转速n；

当平均压力值Pf大于压力上限Pmax时，以转速上限Nmax作为控制转速n。

由于通过前期大量的田间试验、台架试验以及理论研究，已获取各种常见作物收获时的最佳脱粒滚筒转速范围，该转速范围内能够保证最佳脱粒效果，同时也获取了液压部分正常工作时的压力范围，因此根据作物品种在触摸屏上直接选择对应品种获取最佳滚筒转速，或者通过经验直接设定转速适应收获条件；若某作物与正常收获条件相差较大控制系统通过自适应模型调整最佳转速。恒速控制系统采用带死区的PID控制，避免控制动作过于频繁，消除频繁动作所带来的振荡。

另外，即使同一种作物由于其收获时间和作物的含水率不同，对脱粒滚筒的转速要求也不同，当收获含水量较大的作物时，需要适当提高转速来提高分离率；而收获含成熟度较高或含水率较低的作物时，则应该适当的降低转速，以确保籽粒的完整，降低破碎率，本实施例的系统可根据特定作物不同收获条件实现滚筒转速自适应调节，保证脱粒性能、节约能耗，使脱粒滚筒在最佳作业参数下稳定工作，防止堵塞，保证作业性能，合理降低了能耗。

与传统机械传动的联合收割机相比，本实施例的系统采用电液比例泵控马达系统驱动联合收割机脱粒滚筒，实现了对脱粒滚筒转速的自动调节和控制。工作时，控制系统通过触摸屏设定作物品种或按照实际作物需求设定脱粒滚筒转速，完成高效脱粒；若遇到突变载荷，控制系统可自动稳定滚筒转速保证滚筒在最佳工作状态。

实验证明，本实施例的电液比例泵控马达系统驱动联合收割机脱粒滚筒，可以当滚筒负荷出现异常时，直接反馈给液压部分控制滚筒转速，有效解决了传统控制方法的滞后性问题。同时可在不更换任何机械零部件的情况下实现多种作物的收获。当作物收获条件与正常收获状态有较大差异时，控制系统可通过自适应调整滚筒转速以适应本次收获的需要。收获过程中若出现短暂载荷波动时，控制系统可稳定既定的滚筒转速，防止载荷增大后滚筒转速降低发生堵塞现象，使脱粒滚筒始终保持最佳的收获参数。

Claims (5)

1.一种联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统的控制方法，所述联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统含有液压部分和电控部分；

所述液压部分包括驱动脱粒滚筒的液压马达(8)和电液比例变量泵(1)构成的闭式调速主工作回路，所述液压马达具有并联的换油控制回路，所述比例变量泵具有由串联比例方向阀(3)和双作用液压变量缸(2)构成的变量控制回路；

所述电控部分包括安置在脱粒滚筒上的转速传感器以及安置在所述主工作回路(Ma、Mb)的压力传感器，所述转速传感器以及压力传感器的信号输出端分别接PLC的对应信号输入端，所述PLC的控制电信号输出端经放大器件后接变量控制回路的控制信号输入端；

其特征在于：所述PLC以如下步骤实现脱粒滚筒转速控制：

第一步、采集来自转速传感器的脱粒滚筒实时工作转速；

第二步、将实时工作转速与控制转速进行比较；

第三步、当比较结果的偏差绝对值大于设定的阈值时，输出相应的控制电信号，通过调整电液比例变量泵的输出流量调节脱粒滚筒转速，直至偏差绝对值小于阈值；当比较结果的偏差绝对值小于设定的阈值时，维持脱粒滚筒转速；

所述控制转速的获取步骤包括：

存储步骤——存储脱粒滚筒对应各种作物的转速上限和转速下限界定的优选工作转速范围以及相应的液压部分压力上限和压力下

限界定的正常工作压力范围；

初控步骤——以转速上限和转速下限的平均值作为脱粒滚筒的初控

转速，并以压力上限和压力下限的平均值作为初设压力；

采集步骤——以预定时间间隔从压力传感器采集预定次数的液压部

分实时压力，并求得预定次数次实时压力的平均压力值；

比较步骤——将平均压力值与压力下限和压力上限界定的正常工作压力范围相比较：

当平均压力值大于等于压力下限并小于等于压力上限时，以初始工作转速与转速增量之和作为控制转速，所述转速增量等于转速上限与转速下限之差除以压力上限与压力下限之差、再乘以平均压力值与初设压力之差；

当平均压力值小于压力下限时，以转速下限作为控制转速；

当平均压力值大于压力上限时，以转速上限作为控制转速。

2.根据权利要求1所述联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统的控制方法，其特征在于：所述换油控制回路含有三位三通换油阀，当所述三位三通换油阀处于对应液压马达旋转方向的换油工位时，与液压马达形成换油回路。

3.根据权利要求1或2所述联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统的控制方法，其特征在于：所述比例方向阀的进油端接补油泵的输出端，所述补油泵的输出端还通过单向阀接所述主工作回路的低压侧。

4.根据权利要求3所述联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统的控制方法，其特征在于：所述单向阀与高压溢流阀并联。

5.根据权利要求4所述联合收割机脱粒滚筒驱动控制系统的控制方法，其特征在于：所述补油泵的输出端还经溢流阀接油源。

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