CN118044407A - 控制捆包重量 - Google Patents

Abstract

本申请涉及控制由农业捆包机(10)形成的捆包的重量的方法。该方法包括：接收捆包重量设定点；接收作物参数数据；以及在形成捆包时：接收与捆包参数有关的捆包机操作数据；将作物参数数据和捆包机操作数据输入到重量预测模型中，以生成捆包的预测最终重量；以及基于预测捆包最终重量和捆包重量设定点改变捆包参数之一的捆包参数设定点。

Description

控制捆包重量

技术领域

本发明涉及一种控制由农业捆包机形成的捆包的重量的方法，本发明还涉及一种农业捆包机，其包括控制器，该控制器被配置为用以执行所述方法。

背景技术

农业捆包机用于加固和包装作物物料，以便于存储和搬运作物物料，供日后使用。例如，当作物是干草时，通常使用割草机来切割和调节作物物料，以便在阳光下进行风干。另一个例子是，当作物是秸秆时，联合收割机会从收割机后部排出限定了秸秆的非谷物作物物料，这些秸秆将被捆包机拾取。切割的作物物料通常会被干燥，然后由捆包机(例如大型方形捆包机或圆形捆包机)跨过风堆，沿着风堆行进，以拾取作物物料并将其形成捆包。

大型方形捆包机通常包括两个用于形成捆包的主腔室，即预压缩腔室和捆包腔室。作物物料被收集起来，推入到预压缩腔室中，在与压缩腔室中形成作物物料切片(slice)。预压缩腔室与捆包腔室相连，使得作物物料切片周期性地传送到捆包腔室中。在捆包腔室中，柱塞往复地来回运动，从而将随后送入的切片压成方形捆包，同时侧壁、顶壁和/或底壁对正在形成的捆包的各个表面施加受控量的压力。

当捆包完成时，用麻绳缠绕捆包，系结捆包以将捆包保持在一起。当在捆包腔室中形成新的捆包时，已完成的捆包被这个新的捆包推到捆包腔室的后面。捆包腔室的尺寸使得在形成捆包时，捆包腔室中通常至少有一个已完成的捆包，并且可能有两个或更多个已完成的捆包。最后，已完成的捆包被推过捆包腔室的后部处的出口，并且掉落在农业捆包机后面的田地上。在已完成的捆包已经离开捆包腔室之后并且在等待从捆包机中排出时，捆包的重量可由称重系统(例如秤)中的捆包重量传感器测量。

在实际操作中，由于例如驱动速度、作物密度和作物特性等因素的变化，并非所有的捆包都是相同的，因此不同的捆包重量也不同。不过，通常希望捆包机形成的捆包重量基本一致。

因此，捆包机控制器通常被编程为响应于捆包的测量重量、特别是响应于最终捆包的测量重量与目标重量之间的比较，来自动调节与捆包机相关的参数和/或与之相关的设定点(setpoint)。例如，如果测量重量低于目标重量，则一种选择是例如通过增加腔室载荷设定点来增加腔室载荷(即施加到捆包腔室内的捆包上的压力)，在形成过程中更大程度地压缩捆包，以增加捆包的密度。

然而，这种方法也有一定的缺点，其中最主要的是参数或设定点只能在每个形成的捆包中调节一次。由于这只能在称重后进行，这也意味着参数和/或设定点是基于最近称重的第三个捆包进行调节的。考虑到典型的捆包机可达到的速度在5至20km/h之间，而形成捆包通常需要50秒左右，因此在形成捆包的过程中，捆包机可能会行驶50至250m，甚至更远。考虑到由于捆包腔室中存在多个捆包而导致从捆包完成到称重之间会有延迟，因此捆包机也有可能在这段时间内行驶了这么远。由于与作物相关的参数、特别是作物湿度水平可能会在更短的距离内发生变化，因此这样的控制系统存在两个缺点：一是根据"旧"数据更改与捆包机相关的参数或设定点，二是无法以足够高的频率调节这些参数或设定点来缓解这种情况。

本发明旨在解决与现有技术相关的一个或多个缺点。

发明内容

在第一方面，本发明提供了一种控制由农业捆包机形成的捆包的重量的方法。该方法包括：接收捆包重量设定点；以及在形成捆包时：接收作物参数数据；接收与捆包参数有关的捆包机操作数据；将作物参数数据和捆包机操作数据输入到重量预测模型中，以生成捆包的预测最终重量；以及基于捆包的预测最终重量和捆包重量设定点改变捆包参数之一的捆包参数设定点。

通过利用模型来预测捆包的最终重量，并且通过根据预测最终重量和捆包重量设定点之间的差值来改变其中一个捆包参数设定点，本发明允许在形成捆包时调节影响捆包重量的因素。重要的是，确定捆包的预测最终重量的捆包机操作数据，以及因此而做出的调节，都与正在形成的捆包有关，而不是与之前的捆包有关，之前的捆包可能是在田间不同区域的不同作物条件下形成的。因此，本发明可以更精确地控制捆包重量。

捆包参数可以包括捆包机的腔室中的平均腔室载荷、捆包机中的柱塞的平均柱塞扭矩、表示捆包的切片厚度的切片厚度变化参数以及每个捆包切片数量。上述平均值可以是算术平均值，也可以是诸如中位值等的其它平均值。切片厚度变化参数可以是切片厚度的标准偏差，而作物参数数据可以包括作物类型数据和作物湿度水平数据。

改变捆包参数之一的捆包参数设定点可以包括：计算捆包的预测最终重量与捆包重量设定点之间的差值；基于该差值使用模型计算设定点修正值；将设定点修正值乘以增益系数，生成修改的捆包设定点修正值；以及将修改的捆包设定点修正值应用于捆包参数设定点。通过使用增益系数修改设定点修正值，可以控制预测最终捆包重量收敛到捆包重量设定点的方式。

优选地，增益系数在零到一之间。这样做的目的是使捆包的预测最终重量稳定收敛到捆包重量设定点，即模型趋向于正确的值，但不一定会返回所考虑数据集的"完美"设定点，因为模型中的误差可能会导致捆包重量设定点振荡，从而导致整体收敛速度大大减慢。

捆包参数设定点可以选自包括腔室载荷设定点、切片厚度设定点和每个捆包切片数量的组。改变捆包参数设定点的步骤可以包括改变腔室载荷设定点或切片厚度设定点，或者改变每个捆包切片数量。也可以改变捆包长度设定点。当然，切片厚度、切片数量和捆包长度都是相关因素，因为捆包长度可以用切片数量乘以切片厚度来表示。

优选地，腔室载荷设定点是改变的捆包参数设定点。如果腔室载荷设定点和捆包机中的柱塞的柱塞扭矩的当前值在相应的阈值操作范围内，则可能出现这种情况。优选的是改变腔室载荷设定点，因为通常优选的是捆包是均质的，每个捆包内的切片厚度一致，捆包长度一致，以确保不同捆包之间尽可能相似。

减少切片厚度的方法之一是降低捆包机的驱动速度。这就减少了为形成每个物料切片而收集并送入预压缩腔室的作物物料。如果控制器确定或操作员要求提高捆包机的吞吐量，也可以提高捆包机的驱动速度。捆包机必须在快速吞吐量(即高驱动速度)、可重复和准确的捆包重量以及将捆包参数保持在可接受范围内之间找到平衡。

在形成捆包的过程中，可以重复形成捆包时执行的方法中的步骤。与现有技术相比，重复使用该方法意味着以更高的频率调节捆包参数设定点，因此能够更准确、更精确地控制捆包重量，尤其是在捆包过程中不断重复该方法时。如果典型的干草或秸秆捆包长约240cm，包括平均宽度约为50mm的切片，那么该捆包将包括48个切片。因此，如果例如捆包参数设定点每4个切片调节一次，那么在整个捆包形成过程中总共可以进行12次调节。

优选地，在每次完成捆包的n个切片时重复在形成捆包时执行的方法的步骤，并且针对之前的捆包的m个切片接收捆包机操作数据，其中n大于或等于m。这样可以确保捆包机操作数据与根据最新设定点形成的捆包的切片相关。最优选的是，n大于m，以便在重新评估捆包的预测最终重量之前，让捆包机有时间调节到新的设定点。

所述方法可以包括调节模型，其中调节模型可以包括以下步骤：使用捆包重量传感器测量捆包的最终重量；计算捆包的测量最终重量与捆包的预测最终重量之间的差值；根据捆包的测量最终重量和预测最终重量之间的差值计算模型偏移量；以及将模型偏移量应用于模型。通过迭代和修正模型，模型可以进行自校准，并对作物条件的变化做出反应。该模型的自修正能力还使模型能够在各种不同的条件下和不同的作物上使用，而不会降低精度。

当对捆包的测量最终重量进行多次测量时，可以使用卡尔曼滤波器计算模型偏移量。利用卡尔曼滤波器，可以减少捆包的测量最终重量中的噪声，从而可以确定更精确的模型偏移量的值。

另一方面，本发明还提供了一种农业捆包机，其包括控制器，该控制器被配置为执行上述方法。农业捆包机可以是大型方形捆包机。

附图说明

为了更容易理解，现在将参考以下附图对本发明进行描述，其中：

图1示出了可使用本发明的农业捆包机的示意性侧视图；以及

图2示出了本发明的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了为大型方形捆包机形式的农业捆包机10。一般来说，捆包机10可以通过以下方式将作物物料形成捆包。可以理解，虽然下文将参考图1中的捆包机10描述一般操作原理，但这些原理通常也适用于可能具有与图1中所示捆包机10不同或等同特征的农业捆包机。

捆包机10具有拾取单元或设备12，用于从风堆中拾取作物物料。拾取装置12具有可旋转的拾取辊(或转子或圆筒)14，拾取辊上有多个拾取齿16，用于将收集到的作物向后推向转子切割器设备18。可选地，在拾取辊14的上方定位一对短螺旋输送器(其中一个如图所示，但没有附图标记)，以使作物物料沿侧向向内移动。

转子切割器设备18具有带转子齿20的转子组件，转子齿将作物推向刀架(该刀架具有用于切割作物的刀具)，并将作物推入到预压缩腔室22中，以形成作物物料切片。轮20将作物交织在一起，并在预压缩腔室22内包装作物。预压缩腔室22和带有齿20的转子组件可作为作物压缩的第一阶段。

一旦预压缩腔室22中的压力达到预定感测值，填塞单元或设备24就会将作物切片从预压缩腔室22移动到捆包腔室26。填塞设备24包括填塞叉28，其将作物切片直接推到柱塞30的前部，柱塞在捆包腔室26内往复运动，将作物切片压缩成薄片。在物料切片已经移动到捆包腔室26中之后，填塞叉28返回到其初始状态。柱塞30将作物切片压缩成薄片，以形成捆包，同时将捆包逐渐推向捆包腔室26的出口32。捆包腔室26和柱塞30可作为作物压缩的第二阶段。

当添加了足够的薄片并且捆包达到完全(或其它预定)尺寸时，致动打结器34，当捆包还在捆包腔室中时，打结器就会将麻绳缠绕在捆包上。针36将下部的麻绳带到打结器34上，然后进行打结过程。麻绳被切断，所形成的捆包在形成新的捆包时从排放槽38排出。

排放槽38可包括称重系统和捆包重量传感器，以用于对最终捆包进行称重。

如上所述，期望的是，由捆包机生产的捆包的重量基本恒定。捆包的重量取决于组成捆包的切片的尺寸和数量，并且还取决于每个组成切片的密度。每个切片的密度可受作物参数的影响，例如作物类型(秸秆、干草等)及其湿度水平，或者受与捆包机10有关的捆包参数的影响，例如腔室载荷、柱塞扭矩或腔室中形成的切片的厚度。腔室载荷与通过腔室壁施加到捆包腔室26内的捆包(及其切片)上的压力有关，而柱塞扭矩与柱塞30压缩捆包腔室26内的切片的扭矩有关。虽然操作员无法控制作物参数，但可以在捆包机10操作期间控制捆包参数。因此，控制捆包参数就能控制捆包机10所形成的捆包的重量。

现在将介绍根据实施例的控制由捆包机10形成的捆包的重量的方法。该方法适于由捆包机10的控制器执行。图2的流程图概述了该方法。

首先，在步骤100，控制器接收捆包重量设定点。捆包重量设定点可以由捆包机的操作员通过用户界面系统输入到控制器中。捆包重量设定点限定了每个捆包的初始最终重量预测值。除了捆包重量设定点之外，操作员还可以输入其它设定点，例如捆包长度设定点、切片厚度设定点或每个捆包切片数量设定点。当在捆包腔室26中形成捆包时，控制器还接收与该捆包相关的作物参数数据。该数据可以包括作物类型数据和作物湿度水平数据。作物类型数据也可以由捆包机10的操作员输入，而作物湿度水平数据则可通过位于捆包机10中(例如在预压缩腔室22或捆包腔室26中)的作物湿度水平传感器获取。

每个捆包参数都具有相关的捆包参数设定点，作为用于该捆包参数的目标值。捆包参数与各设定点的一致性由控制器管理，其管理方式与本文讨论的发明概念无关。本领域技术人员将会了解，有许多控制方法旨在确保参数与相关设定点保持一致。

如步骤200所示，在新的捆包过程中进行第一捆包之前，由控制器确定一组初始的捆包参数设定点。这可以通过多种方式实现，例如，控制器为某些捆包参数设定点设定默认值，或者控制器基于操作员的输入和模型计算用于某些捆包参数设定点的值，如从以下的说明中将会了解的。如果使用默认值，初始切片厚度设定点可以是例如50mm，而初始腔室载荷设定点可以是70％，其中100％的值可以对应于最大允许腔室载荷，也可以对应于捆包腔室26的壁所能产生的最大腔室载荷。在替代实施例中，操作员可以指定用于某些捆包参数的初始设定点，例如上文所述的捆包长度和切片厚度，或者控制器可以从先前捆包过程中使用的初始设定点中选择用于某些捆包参数的初始设定点。

在步骤300，根据捆包参数设定点创建捆包。在根据初始捆包参数设定点形成捆包时，控制器在步骤400接收与捆包参数有关的捆包机操作数据。例如，可以通过捆包腔室26内的腔室载荷传感器测量腔室载荷，通过柱塞30上的柱塞扭矩传感器测量柱塞扭矩，通过位于捆包腔室26或柱塞30上的切片厚度传感器测量切片厚度。捆包机操作数据包括平均腔室载荷、平均柱塞扭矩和切片厚度的标准偏差。也可以根据所使用的确切模型从各种相应的传感器接收与其它捆包参数有关的数据。

控制器将捆包机操作数据输入到重量预测模型中，该重量预测模型生成作为捆包的预测最终重量的输出。因此，这将调节用于捆包的最终重量预测值，如步骤500所示。该模型可以采用线性方程的形式，不同的输入变量分别乘以修正系数，然后求和得出预测最终重量。修正系数与模型有关，可以通过将与不同输入变量有关的数据与测量捆包重量进行拟合来确定。诸如作物类型等的其它因素同样也可作为重量预测模型的输入变量。对于定性输入变量，例如作物类型，捆包机10的操作员输入的作物类型数据可以由控制器转换成数值，然后作为输入变量输入到模型中。

为了生成捆包的预测最终重量，重量预测模型可以首先生成捆包的每单位长度的预测重量。然后，控制器可将该值乘以切片厚度和捆包中的切片数量，或乘以捆包长度设定点，以生成捆包的预测最终重量，从而更新用于该捆包的最终重量预测值。然后，控制器将用于捆包的最终重量预测值与捆包重量设定点进行比较，并计算两者之间的差值。在步骤600，控制器接下来应用重量预测模型，根据用于捆包的最终重量预测值与捆包重量设定点之间的差值确定设定点修正值，以确定如何调节捆包参数来确保捆包的重量达到捆包重量设定点。然后将设定点修正值应用于捆包参数设定点(步骤700)，并在步骤800继续进行捆包的形成，直至捆包完成。当捆包完成时，在步骤900开始形成新的捆包，该步骤900沿用上述步骤300。

如上所述，每个捆包参数都具有相关的捆包参数设定点，作为用于该参数的目标值。在本发明的一个优选实施例中，每次只改变一个捆包参数设定点。优先地，优先进行调节的捆包参数设定点是腔室载荷设定点。例如，如果当前腔室载荷设定点和当前柱塞扭矩设定点都在相应的阈值操作范围内，则可对控制器进行编程，以调节腔室载荷设定点。否则，可以调节切片厚度设定点。

例如，如果腔室载荷设定点高于其阈值操作范围，如果用于捆包的最终重量预测值低于捆包重量设定点，则可以减小切片厚度，以进一步压缩作物(从而增加后续捆包切片的密度)，而不会对腔室26的壁造成损坏。替代地或另外地，如果控制器通过操作员输入或其它方式确定必须改变捆包机10的吞吐量，则可以调节切片厚度设定点。例如，如果确定必须提高捆包机10的吞吐量，则可以增加切片厚度设定点，使得拖动捆包机10的拖拉机开得更快，以增加进入的作物的流量。

在修改所选捆包参数设定点时，控制器将设定点修正值乘以增益系数，以生成修改后的设定点修正值。在本发明的优选实施例中，增益系数介于零和一之间，以便稳定地趋近捆包重量设定点。在某些情况下，可以根据捆包参数设定点或最终重量预测值的值来调节增益系数。例如，如果用于捆包的最终重量预测值(或者等同地，由重量预测模型生成的捆包的预测最终重量或捆包的每单位长度的预测重量)过高，则可以暂时降低增益，以防止由于调节相关捆包参数设定点而导致捆包重量进一步大幅增加，最终可能超出捆包机10的操作范围。在任何情况下，修改后的设定点修正值一旦生成，就会应用到捆包参数设定点上，控制器会一如既往地监测新的捆包参数设定点。

除了上述对增益系数的限制条件外，设定点修正值本身也可以对其最大值有限制。这些限制将取决于捆包机10的具体特性，但是例如，用于腔室载荷设定点的最大设定点修正值可以是10％，而用于切片厚度设定点的最大设定点修正值可以是15mm。

如上所述，已完成的捆包在离开捆包机10时由称重系统进行称重，如图2中步骤1000所示。测量最终重量可以用于校准和/或改进重量预测模型。控制器可以将用于捆包的最终重量预测值与测量的最终重量进行比较，并计算两者之间的差值。然后，如步骤1100所示，控制器可以根据最终重量预测值与捆包的测量最终重量之间的差值计算模型偏移量。然后将模型偏移量应用于重量预测模型。在重量预测模型是线性关系方程的情况下，模型偏移量可以是简单的加法偏移量。

更新后的重量预测模型可以用于更新一个或多个捆包参数设定点，尤其是腔室载荷设定点。这可能有多种方式。由于重量预测模型将基于在捆包(捆包X)已经称重之后计算出的偏移量进行更新，因此，值得注意的是，由于在捆包腔室26中捆包X之前还存在其它已完成的捆包，所以在捆包X完成之后，在形成另一个捆包(捆包Y)的同时将进行重量预测模型的更新。因此，有多种方法可以处理这种更新。一种选择是，只有在开始形成下一个捆包(捆包Y+1)时，才应用更新的重量预测模型和更新的捆包参数设定点。或者，可以根据更新的重量预测模型得出的更新的捆包参数设定点，继续构造捆包Y。重要的是，控制器被编程为使最终重量预测值的值和测量的最终重量同步到相应的同一捆包上。

由于捆包的测量最终重量本身存在较大的噪音水平，因此控制器可能会对计算出的模型偏移量应用滤波器。滤波器可以作用成使得只有当模型偏移量收敛到稳定值时才对重量预测模型进行更新(即模型偏移量应用于重量预测模型)。例如，可使用卡尔曼滤波器设定阈值协方差值，在将模型偏移量应用到重量预测模型之前，模型偏移值集合的协方差必须低于该阈值协方差值。

捆包重量的测量值可能会出现错误，例如在捆包机10转弯时，在捆包掉落到秤上的情况下。因此，必须对所捆包的测量最终重量的值进行分析，以确保其有效。例如，如果捆包的测量最终重量不在阈值范围内，或者与之前测量的最终重量相差超过阈值，则该捆包最终重量可以视为是无效的。

在本发明的最简单的实施方式中，捆包机操作数据每个捆包只向控制器发送一次。然而，优选的是在整个捆包制造过程中重复以下步骤：接收捆包机操作数据、在重量预测模型中使用该数据以调节用于捆包的最终重量预测值以及随后的捆包参数之一的捆包参数设定点，以便进一步控制捆包重量，因此捆包机操作数据可以每个捆包多次发送到控制器。例如，捆包参数设定点的调节可能每4个切片进行一次。这样就能对捆包参数的设定点进行更高频率的控制，进而对捆包的重量进行更精细的控制，使捆包重量更加稳定，捆包重量与捆包重量设定点更加一致。

更一般地说，如果每完成n个切片就调节一次所选的捆包参数设定点，那么捆包机操作数据就应当与之前的m个切片相关，其中m不大于n，以确保输入到重量预测模型中的捆包机操作数据与由控制器设定的最新捆包参数设定点相关。优选地，n大于m，以确保捆包机10在重新评估用于该捆包的最终重量预测值之前有时间收敛到最新的设定点。

当在捆包形成过程中多次调节捆包参数设定点时，如何处理在创建不同的捆包(捆包Y)过程中出现的模型偏移量应用于和模型偏移量相关的捆包(捆包X)所引起的模型更新就变得更加复杂。与捆包机操作数据每个捆包只向控制器发送一次的情况一样，只能在下一捆包(捆包Y+1)开始形成时应用更新后的模型。

或者，更新的模型和更新的捆包参数设定点可以在捆包Y的构造过程中应用。因此，可以使用更新的模型对捆包Y的最终重量进行进一步的预测，因此也可以在更新的模型的基础上，根据用于捆包的最终重量预测值和捆包重量设定点之间的差值对所选的捆包参数设定点进行进一步的更新。更新后的模型还可以用于回顾性地更新与使用上一版本模型形成的捆包Y有关的最终重量预测值，以进一步提高由重量预测模型形成的捆包Y的最终重量的未来预测的准确性，从而提高测量的捆包Y的最终重量与捆包重量设定点的一致性。

Claims (13)

1.一种控制由农业捆包机(10)形成的捆包的重量的方法，所述方法包括：

接收捆包重量设定点；

接收作物参数数据；以及

在形成捆包时：

接收与捆包参数有关的捆包机操作数据；

将作物参数数据和捆包机操作数据输入到重量预测模型中，以生成捆包的预测最终重量；以及

基于捆包的预测最终重量和捆包重量设定点，改变捆包参数之一的捆包参数设定点。

2.根据权利要求1所述的方法，其中捆包机操作数据包括捆包机的腔室中的平均腔室载荷、捆包机中的柱塞的平均柱塞扭矩、表示捆包的切片厚度变化的切片厚度变化参数以及每个捆包切片数量。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中作物参数数据包括作物类型数据和作物湿度水平数据。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中改变捆包参数之一的捆包参数设定点包括：

计算捆包的预测最终重量与捆包重量设定点之间的差值；

基于该差值使用模型计算设定点修正值；

将设定点修正值乘以增益系数，生成修改的设定点修正值；以及

将修改的设定点修正值应用于捆包参数设定点。

5.根据权利要求4所述的方法，其中增益系数介于零到一之间。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中捆包参数设定点选自包括腔室载荷设定点、切片厚度设定点和每个捆包切片数量的组。

7.根据权利要求6所述的方法，其中改变捆包参数设定点的步骤包括改变腔室载荷设定点或切片厚度设定点，或者改变每个捆包切片数量。

8.根据权利要求7所述的方法，其中改变捆包参数设定点的步骤包括：如果捆包机中的腔室载荷设定点和柱塞的柱塞扭矩的当前值处于相应的阈值操作范围内，则改变腔室载荷设定点。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括重复在形成捆包时执行的方法的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其中在每次完成捆包的n个切片时重复在形成捆包时执行的方法的步骤，并且其中针对之前的捆包的m个切片接收捆包机操作数据，其中n大于或等于m。

11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其还包括调节重量预测模型，其中调节重量预测模型包括：

使用捆包重量传感器测量捆包的最终重量；

计算捆包的测量最终重量与捆包的预测最终重量之间的差值；

根据捆包的测量最终重量和预测最终重量之间的差值计算模型偏移量；以及

将模型偏移量应用于重量预测模型。

12.根据权利要求11所述的方法，其中使用卡尔曼滤波器计算模型偏移量。

13.一种农业捆包机(10)，其包括控制器，所述控制器被配置为用以执行根据前述权利要求中任一项所述的方法。