CN107873278A - 一种秆茎喂入切碎装置及其控制方法 - Google Patents

一种秆茎喂入切碎装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种秆茎喂入切碎装置，包括：第一喂入滚筒，其固定设置；第二喂入滚筒，其竖直设置在所述第一喂入滚筒正上方，可沿竖直方向运动；切割滚筒，其设置在所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒竖直中心出料侧且与所述第二喂入滚筒转动方向相同；出料段，其入口设置在所述第一喂入滚筒下方，其出口沿所述入口呈弧形向斜上延伸。本发明所述的秆茎喂入切碎装置，能够将秆茎喂入切碎装置，并且调控切割滚筒转速，避免切割堵塞，效率高。本发明还提供一种秆茎喂入切碎装置的控制方法，能够实时监控农作物喂入状态、喂入量以及切碎量，主动调控切割滚筒转速，不会造成切割堵塞且工作效率高。

Description

一种秆茎喂入切碎装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及农作物收割技术领域，更具体的是，本发明涉及一种秆茎喂入切碎装置及其控制方法。
背景技术
我国是一个农业大国，全国农作物种植面积约为2400多万公顷。但是秆茎类农作物收获机械化水平与发达国家相比，差距较大。目前，我国秆茎类农作物机收面积仅占种植面积的3％左右。近几年随着国家对农业的支持力度越来越大，广大农民对农业生产机械化的要求越来越迫切。
联合收获打捆机可以一次将联合收割机收获后的秸秆进行收集、切碎、打捆作业，减轻了农民整地的劳动强度，同时节约了资源。由于秸秆站立倒伏等不同状态、秸秆单位面积数量、秸秆直径等因素的复杂性，现有的联合收获打捆机普遍存在各个工步无法监测以及喂入切割装置堵塞的问题，效率较低。
发明内容
本发明的一个目的是设计开发了一种秆茎喂入切碎装置，能够将秆茎喂入切碎装置，避免切割堵塞。
本发明的另一个目的是设计开发了一种秆茎喂入切碎装置的控制方法，能够实时监控农作物喂入状态、喂入量以及切碎量，主动调控切割滚筒转速，不会造成切割堵塞且工作效率高。
本发明提供的技术方案为：
一种秆茎喂入切碎装置，包括：
第一喂入滚筒，其固定设置；
第二喂入滚筒，其竖直设置在所述第一喂入滚筒正上方，可沿竖直方向运动；
切割滚筒，其设置在所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒竖直中心出料侧且与所述第二喂入滚筒转动方向相同；
出料段，其入口设置在所述第一喂入滚筒下方，其出口沿所述入口呈弧形向斜上延伸。
优选的是，所述切割滚筒包括：
滚筒；以及
多个滚刀架，其沿圆周方向均匀设置在所述滚筒的外圆周上，所述滚刀架的上表面具有与滚筒的外圆周切线方向呈一定角度的安装面；
多个切碎刀，其为平行四边形的平板刀片，所述切碎刀可拆卸的安装在所述滚刀架的安装面上。
优选的是，还包括进料段，其水平设置且上表面与所述第一喂入滚筒上表面位于同一水平面。
优选的是，所述出料段出口处切线与水平面呈60°夹角。
优选的是，还包括：
位移传感器，其分别设置在所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心处，用于检测第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离；
转速传感器，其分别设置在所述第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒的旋转轴上，用于检测转速；
压力传感器，其设置在所述出料段中间位置，用于检测该处压力；
控制器，其分别与所述位移传感器、转速传感器、压力传感器、第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒连接，用于接收所述位移传感器、转速传感器和压力传感器的检测数据并控制所述第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒旋转。
相应地，本发明还提供一种秆茎喂入切碎装置的控制方法，包括：
传感器检测所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速、其圆心的竖直距离、出料段中间位置处压力以及切割滚筒转速，控制器控制切割滚筒的转速为：
其中，n为切割滚筒转速，ω为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速，r为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的半径，L为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的宽度，P为出料段中间位置处的压力，P0为出料段中间位置处的理想压力，d为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离。
优选的是，还包括模糊控制器，当切割滚筒的转速大于割滚筒转速的理想转速时：
将切割滚筒的转速n与第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d输入模糊控制器，所述切割滚筒的转速n和圆心的竖直距离d分为7个等级；
模糊控制器输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω，输出分为7个等级；
所述切割滚筒的转速n的模糊论域为[0,1]，其量化因子为1300；所述圆心的竖直距离d的模糊论域为[0,1]，量化因子为0.5；输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω的模糊论域为[0,1]，量化因子为1200；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括模糊PID控制器：
输入第i个喂入过程的第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速误差补偿控制。
优选的是，
所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为0.5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
优选的是，还包括金属检测器，其设置在所述进料段，当检测到有金属时，控制器控制体统停止工作。
本发明至少具备以下有益效果：
(1)本发明所述的秆茎喂入切碎装置，能够将秆茎喂入切碎装置，并且调控切割滚筒转速，避免切割堵塞，效率高。
(2)本发明所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，能够实时监控农作物喂入状态、喂入量以及切碎量，主动调控切割滚筒转速，不会造成切割堵塞且工作效率高。
(3)当切割滚筒转速大于切割滚筒的理想转速时，基于模糊控制方法控制第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速进而控制喂入速度，使得切割滚筒尽可能处于理想转速，第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离为理想距离，提高切割滚筒的使用寿命，高效率切割秆茎且不会造成堵塞。
附图说明
图1为本发明所述秆茎喂入切碎装置的结构示意图。
图2为本发明所述切割滚筒的结构示意图。
图3为本发明所述控制器的模块结构示意图。
图4是本发明所述的模糊控制器和模糊PID控制器的控制示意图。
图5是本发明所述的模糊控制器的输入切割滚筒的转速n的隶属度函数图。
图6是本发明所述的模糊控制器的输入圆心的竖直距离d的隶属度函数图。
图7是本发明所述的模糊控制器的输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω的隶属度函数图。
图8是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图9是本发明所述的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图10是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图11是本发明所述的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图12是本发明所述的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
本发明可以有许多不同的形式实施，而不应该理解为限于再次阐述的实施例，相反，提供这些实施例，使得本公开将是彻底和完整的。在附图中，为了清晰起见，会夸大结构和区域的尺寸和相对尺寸。
如图1-3所示，本发明提供一种秆茎喂入切碎装置，包括：第一喂入滚筒110，其固定设置；第二喂入滚筒120，其竖直设置在所述第一喂入滚筒正上方，可沿竖直方向运动，即根据进料段秆茎的进料量而沿竖直方向运动，进而可以根据第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120圆心的竖直距离判断进料量的大小，本实施例中，所述第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120在进料口处相向运动切转速相同，以使秆茎可以进入并向后运送；切割滚筒130，其设置在所述第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120竖直中心出料侧且与所述第二喂入滚筒120转动方向相同，可以将运送进来的秆茎切断并向下运送；出料段140，其入口设置在所述第一喂入滚筒110下方，其出口沿所述入口呈弧形向斜上延伸，以使得切碎的秆茎向上扬。
作为本发明的另一实施例，所述切割滚筒130包括：滚筒131；以及多个滚刀架132，其沿圆周方向均匀设置在所述滚筒131的外圆周上，所述滚刀架132的上表面具有与滚筒131的外圆周切线方向呈一定角度的安装面；多个切碎刀133，其为平行四边形的平板刀片，所述切碎刀133可拆卸的安装在所述滚刀架132的安装面上；还包括进料段150，其水平设置且上表面与所述第一喂入滚筒110上表面位于同一水平面，以使秆茎可以平稳运送到第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120的进料口处。本实施例中，所述出料段140出口处切线与水平面呈60°夹角。
作为本发明的另一实施例，还包括：位移传感器161，其分别设置在所述第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120圆心处，用于检测第一喂入滚筒110和第二喂入滚筒120圆心的竖直距离；转速传感器162，其分别设置在所述第一喂入滚筒110、第二喂入滚筒120和切割滚筒130的旋转轴上，用于检测转速；压力传感器163，其设置在所述出料段140中间位置，用于检测该处压力；控制器160，其分别与所述位移传感器161、转速传感器162、压力传感器163、第一喂入滚筒110、第二喂入滚筒120和切割滚筒130连接，用于接收所述位移传感器161、转速传感器162和压力传感器163的检测数据并控制所述第一喂入滚筒110、第二喂入滚筒120和切割滚筒130旋转。
本发明所述的秆茎喂入切碎装置，能够将秆茎喂入切碎装置，并且调控切割滚筒转速，避免切割堵塞，效率高。
本发明提供一种秆茎喂入切碎装置的控制方法，包括：
传感器检测所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速、其圆心的竖直距离、出料段中间位置处压力以及切割滚筒转速，控制器控制切割滚筒的转速为：
其中，n为切割滚筒转速，ω为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速，r为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的半径，L为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的宽度，P为出料段中间位置处的压力，P0为出料段中间位置处的理想压力，d为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离。
当切割滚筒的转速大于割滚筒转速的理想转速时(本实施例中理想转速n＝1000r/min)，如图4所示，控制器还包括模糊控制器和模糊PID控制器，包括以下步骤：
步骤1：将切割滚筒的转速n、第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω进行模糊处理；在无控时，所述切割滚筒的转速n的模糊论域为[0,1]，其量化因子为1300；所述圆心的竖直距离d的模糊论域为[0,1]，量化因子为0.5；输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω的模糊论域为[0,1]，量化因子为1200；为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述切割滚筒的转速n与第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d分为7个等级；输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω，输出分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。其中，所述模糊控制器的控制规则为：
(2.1)切割滚筒的转速n一定，圆心的竖直距离d增大，需要减小第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω；
(2.2)圆心的竖直距离d一定，切割滚筒的转速n增大时，需要减小第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω；
模糊控制的具体控制规则详见表一。
表一第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速的模糊控制表
模糊控制器输入切割滚筒的转速n与第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d，用模糊控制规则表一得出模糊控制器的输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω，第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω利用重心法解模糊化。
步骤2：模糊PID控制器
将第i个喂入过程的所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差e、偏差变化率ec、输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数进行模糊处理，在无控时，偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为0.5；偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；PID的比例系数Kp的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数Ki的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数Kd的模糊论域为[-1,1]，其定量化因子为0.0001。为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中，所述模糊控制器中偏差e、偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，详见图5-12。其模糊控制规则为：
1、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
2、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
3、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表二、三和四。
表二PID的比例系数Kp的模糊控制表
表三PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表四PID的微分系数Kd的模糊控制表
输入第i个喂入过程所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数用高度法进行解模糊化，输入PID控制器进行第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速ω误差补偿控制，其控制算式为：
经实验反复确定，模糊PID控制器对第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速ω进行精确控制，第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速ω为模糊控制器的输出转速和PID控制器的转速误差补偿值的加和，使得第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速得以精确控制，使其偏差小于0.1％。
本实施例中，还包括金属检测器，其设置在所述进料段，当检测到有金属时，控制器控制体统停止工作，操作人员停车清除金属，避免机器损伤。
本发明所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，能够实时监控农作物喂入状态、喂入量以及切碎量，主动调控切割滚筒转速，不会造成切割堵塞且工作效率高；当切割滚筒转速大于切割滚筒的理想转速时，基于模糊控制方法控制第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速进而控制喂入速度，使得切割滚筒尽可能处于理想转速，第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离为理想距离，提高切割滚筒的使用寿命，高效率切割秆茎且不会造成堵塞。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种秆茎喂入切碎装置，其特征在于，包括：
第一喂入滚筒，其固定设置；
第二喂入滚筒，其竖直设置在所述第一喂入滚筒正上方，可沿竖直方向运动；
切割滚筒，其设置在所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒竖直中心出料侧且与所述第二喂入滚筒转动方向相同；
出料段，其入口设置在所述第一喂入滚筒下方，其出口沿所述入口呈弧形向斜上延伸。
2.如权利要求1所述的秆茎喂入切碎装置，其特征在于，所述切割滚筒包括：
滚筒；以及
多个滚刀架，其沿圆周方向均匀设置在所述滚筒的外圆周上，所述滚刀架的上表面具有与滚筒的外圆周切线方向呈一定角度的安装面；
多个切碎刀，其为平行四边形的平板刀片，所述切碎刀可拆卸的安装在所述滚刀架的安装面上。
3.如权利要求1所述的秆茎喂入切碎装置，其特征在于，还包括进料段，其水平设置且上表面与所述第一喂入滚筒上表面位于同一水平面。
4.如权利要求1所述的秆茎喂入切碎装置，其特征在于，所述出料段出口处切线与水平面呈60°夹角。
5.如权利要求1所述的秆茎喂入切碎装置，其特征在于，还包括：
位移传感器，其分别设置在所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心处，用于检测第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离；
转速传感器，其分别设置在所述第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒的旋转轴上，用于检测转速；
压力传感器，其设置在所述出料段中间位置，用于检测该处压力；
控制器，其分别与所述位移传感器、转速传感器、压力传感器、第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒连接，用于接收所述位移传感器、转速传感器和压力传感器的检测数据并控制所述第一喂入滚筒、第二喂入滚筒和切割滚筒旋转。
6.一种秆茎喂入切碎装置的控制方法，其特征在于，包括：
传感器检测所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速、其圆心的竖直距离、出料段中间位置处压力以及切割滚筒转速，控制器控制切割滚筒的转速为：
<mrow> <mi>n</mi> <mo>=</mo> <mn>2.325</mn> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>l</mi> <mi>n</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>&amp;omega;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>r</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>L</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>r</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>P</mi> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>e</mi> <mi>d</mi> </msup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msup> <mi>&amp;omega;</mi> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </msup> </mrow>
其中，n为切割滚筒转速，ω为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速，r为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的半径，L为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的宽度，P为出料段中间位置处的压力，P0为出料段中间位置处的理想压力，d为第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离。
7.如权利要求6所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊控制器，当切割滚筒的转速大于割滚筒转速的理想转速时：
将切割滚筒的转速n与第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d输入模糊控制器，所述切割滚筒的转速n和圆心的竖直距离d分为7个等级；
模糊控制器输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω，输出分为7个等级；
所述切割滚筒的转速n的模糊论域为[0,1]，其量化因子为1300；所述圆心的竖直距离d的模糊论域为[0,1]，量化因子为0.5；输出第一喂入滚筒和第二喂入滚筒的转速ω的模糊论域为[0,1]，量化因子为1200；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
8.如权利要求7所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，其特征在于，还包括模糊PID控制器：
输入第i个喂入过程的第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差、偏差变化率，输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数，比例系数、比例积分系数和微分系数输入PID控制器进行第一喂入滚筒和第二喂入滚筒转速误差补偿控制。
9.如权利要求8所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，其特征在于，
所述第一喂入滚筒和第二喂入滚筒圆心的竖直距离d和圆心的理想竖直距离d0的偏差e的模糊论域为[-1,1]，量化因子为0.5；所述偏差变化率ec的模糊论域为[-1,1]，量化因子为1；
所述输出PID的比例系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；比例积分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.1；微分系数的模糊论域为[-1,1]，其量化因子为0.0001；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；所述输出PID的比例系数、比例积分系数和微分系数分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
10.如权利要求6所述的秆茎喂入切碎装置的控制方法，其特征在于，还包括金属检测器，其设置在所述进料段，当检测到有金属时，控制器控制体统停止工作。
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